Hinweis

Hinweis
Bei dieser Datei handelt es sich um eine Wissenschaftliche Hausarbeit (1.
Staatsexamensarbeit), die am Fachbereich Chemie der Philipps-Universität
Marburg angefertigt wurde.
Weitere Wissenschaftliche Hausarbeiten können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/wiss_hausarbeit.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Experimentalvortäge bereit.
Dr. Ph. Reiß
Erste Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien
Wissenschaftliche Hausarbeit
im Fach
Chemie
Vorgelegt von Stefan Dönges
Thema: Ausgewählte aufwandsarme Versuche und
Unterrichtsmaterialien für die Organische Chemie zur Anwendung
im Chemieunterricht.
Gutachter: Dr. Philipp Reiß
Datum: 14.05.2010
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
I. EINLEITUNG: ................................................................................................ 6
II. THEORIETEIL ............................................................................................... 8
Alkanole: .......................................................................................................................... 8
Carbonylverbindungen:................................................................................................... 19
Kohlenhydrate: ............................................................................................................... 26
Aminosäuren und Proteine: ............................................................................................ 34
III. EXPERIMENTELLER TEIL ............................................................................43
Hinweise ............................................................................................................................... 44
Versuche zu Alkanolen: ................................................................................................... 45
Versuch 1:
Versuch zur Mischbarkeit von Alkoholen..................................................... 46
Versuch 2:
Volumenkontraktion: 50 + 50 = 100 ? .......................................................... 56
Versuch 3:
Fließgeschwindigkeiten verschiedener Alkohole ......................................... 63
Versuch 4:
Reagenzglasgewitter .................................................................................... 68
Versuch 5:
Reaktion von Glycerin mit Kaliumpermaganat ............................................ 73
Versuch 6:
Qualitative Elementaranalyse: Kohlenstoff und Wasserstoff ...................... 79
Versuch 7:
Qualitative Elementaranalyse: Sauerstoff - Nachweis mittels Magnesium . 85
Versuch 8:
Reaktion von Ethanol mit Natrium ............................................................... 91
Versuch 9:
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch
Kaliumpermanganat ..................................................................................... 99
Versuch 10:
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch Lucas Reagenz ...................................................................................................... 109
Versuch 11:
Unterscheidung Ethanol und Methanol durch Borsäure ........................... 120
Versuch 12:
Vergleich zwischen Alkoholen und Phenolen am Beispiel von Ethanol und
Phenol......................................................................................................... 126
Versuch 13:
Alkoholische Gärung................................................................................... 136
Versuch 14:
Veresterung ................................................................................................ 144
2
Inhaltsverzeichnis
Versuche zu Carbonylverbindungen: ..............................................................................149
Versuch 1:
Lösungsvermögen von Aceton ................................................................... 150
Versuch 2:
Silberspiegelprobe: ..................................................................................... 155
Versuch 3:
Fehlingprobe .............................................................................................. 158
Versuch 4:
Iodoformprobe ........................................................................................... 161
Versuch 5:
Aldehydnachweis im Zigarettenrauch........................................................ 168
Versuch 6:
Schiffsche Probe ......................................................................................... 176
Versuch 7:
Benzaldehyd mit Aceton: ........................................................................... 180
Versuch 8:
Oxidation von Methanol und Ethanol an Kupferkontakt ........................... 187
Versuch 9:
Bakelit - Herstellung (Darstellung eines Phenoplasten)............................. 193
Versuche zu Kohlenhydraten: ........................................................................................205
Versuch 1:
Silberspiegelprobe ...................................................................................... 206
Versuch 2:
Fehlingprobe .............................................................................................. 213
Versuch 3:
Seliwanoffprobe ......................................................................................... 224
Versuch 4:
Zuckerverkohlung ....................................................................................... 231
Versuch 5:
Zauberschrift .............................................................................................. 237
Versuch 6:
Stärkenachweis in Mehl und Reis .............................................................. 241
Versuch 7:
Unterscheidung von Glucose und Fructose durch Mittels Iod .................. 249
Versuch 8:
Untersuchung der Inhaltsstoffe einer Kartoffel ......................................... 256
Versuch 9:
Gummibärcheninferno ............................................................................... 263
Versuch 10:
Hydrolyse von Stärke.................................................................................. 271
Aminosäuren und Proteine: ...........................................................................................276
Versuch 1:
Xanthoproteinreaktion ............................................................................... 277
Versuch 2:
Biuretreaktion ............................................................................................ 284
Versuch 3:
Ninhydrinreaktion mit verschiedenen Substanzen .................................... 290
Versuch 4:
Stickstoffnachweis durch Thermolyse ....................................................... 299
Versuch 5:
Schwefelnachweis durch Thermolyse ........................................................ 305
Versuch 6:
Oxidation von Cystein zu Cystin ................................................................. 311
Versuch 7:
Maillardreaktion ......................................................................................... 321
Versuch 8:
Löslichkeit von Tyrosin ............................................................................... 330
Versuch 9:
Denaturierung von Hühnereiweiß und Milch ............................................ 335
Versuch 10:
Tyndall – Effekt einer Eiklarlösung ............................................................. 344
3
Inhaltsverzeichnis
IV. UNTERRICHTSMATERIALIEN ................................................................... 348
Arbeitsblätter zum Thema Alkanole ...............................................................................349
Arbeitsblatt:
Mischbarkeit von Alkoholen ...................................................................... 349
Arbeitsblatt:
Volumenkontraktion: 50 + 50 = 100 ? ....................................................... 352
Arbeitsblatt:
Mehrwertige Alkohole ............................................................................... 357
Arbeitsblatt:
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch
Kaliumpermanganat .................................................................................. 363
Arbeitsblatt:
Reaktion von Ethanol mit Natrium ............................................................ 367
Arbeitsblatt:
Alkoholische Gärung .................................................................................. 372
Arbeitsblatt:
Allgemeines zum Thema Alkohole ............................................................ 375
Arbeitsblatt:
Richtig oder Falsch..................................................................................... 380
Arbeitsblatt:
Strukturaufklärung - Spektroskopie .......................................................... 383
Arbeitsblätter zum Thema Carbonylverbindungen .........................................................388
Arbeitsblatt:
Aldehyde und Ketone ................................................................................ 388
Arbeitsblatt:
Oxidation von Ethanol am Kupferkontakt ................................................. 391
Arbeitsblatt:
Bakelitdarstellung ...................................................................................... 394
Arbeitsblatt:
Wissenstest - Carbonylverbindungen ....................................................... 397
Arbeitsblatt:
Abschlussrätel - Carbonylverbindungen ................................................... 400
Arbeitsblätter zum Thema Kohlenhydrate ......................................................................404
Arbeitsblatt:
Unterscheidung von Glucose und Fructose .............................................. 404
Arbeitsblatt:
Zuckernachweis durch Fehling .................................................................. 408
Arbeitsblatt:
Zuckernachweis durch Tollensprobe......................................................... 412
Arbeitsblatt:
Disaccharide .............................................................................................. 417
Arbeitsblatt:
Allgemeines zum Thema Kohlenhydrate................................................... 423
Spiel:
Frage und Anwortspiel – Thema Kohlenhydrate ...................................... 429
Arbeitsblätter zum Thema Aminosäuren ........................................................................435
Arbeitsblatt:
Nachweisreaktionen .................................................................................. 435
Arbeitsblatt:
Peptidbindung ........................................................................................... 441
Arbeitsblatt:
Bindungsarten in Proteinen....................................................................... 444
Arbeitsblatt:
Denaturierung von Proteinen ................................................................... 447
Arbeitsblatt:
Löslichkeit von Tyrosin .............................................................................. 452
Arbeitsblatt:
Oxidation von Cystein................................................................................ 457
Arbeitsblatt:
Abschlussrätsel – Proteine ........................................................................ 462
4
Inhaltsverzeichnis
V. LITERATURVERZEICHNIS .......................................................................... 467
VI. ANHANG ................................................................................................ 477
Bedeutung der Gefahrensymbolem sowie der R- und S-Sätze der verwendeten
Chemikalien ........................................................................................................................ 477
Gefahrensymbole ............................................................................................................... 477
R-Sätze ................................................................................................................................ 477
S-Sätze ................................................................................................................................ 480
5
III.
Einleitung
I. Einleitung:
Der schulische Alltag der Gegenwart ist geprägt von 45 minütigen Kurzstunden mit
anschließenden schnellen Raumwechseln. Dies ist für Lehrer1 und Schüler
gleichermaßen eine Belastung. Doch gerade die Chemielehrer stehen durch den
praktischen Anteil des Faches noch zusätzlich in der Pflicht, in dieser kurzen Zeit
(teilweise nur 10 Minuten zwischen zwei Schulstunden) praktische Versuche
vorzubereiten, die den Schülern bestimmte chemische Zusammenhänge vermitteln
sollen. Das dies zu zusätzlicher Belastung führt, ist nachvollziehbar.
Experimente im Chemieunterricht sind aufgrund ihres hohen pädagogischen
Stellenwertes, gerade im Schülerversuch, ein wichtiges Instrument in der Lehre und
aus dem Chemieunterricht eigentlich nicht wegzudenken. Sie dienen dazu:
-
einen Alltagsbezug herzustellen,
-
einen erkennbaren Beitrag zur Allgemeinbildung zu leisten,
-
die lehrplanrelevanten wichtigen fachlichen Inhalte zu vermitteln und zu
untermauern
-
die Schüler so oft wie möglich selbst aktiv werden zu lassen.
Denn gerade die Experimente des Chemieunterrichts bleiben, aufgrund ihrer
fesselnden Wirkung, häufig in Erinnerung. So faszinieren das Feuer, der Rauch, die
Farben und der Knall sicher viele Schüler. Kaum einem anderen Fach gelingt es derart,
die Schüler, aufgrund des engen Alltagsbezugs und der Möglichkeit zu spektakulären
Experimente, zu faszinieren und zu fesseln, wie der Chemie.
Allerdings sprechen gegen das häufige Experimentieren im Unterricht, vor allem die
Argumente des Zeitmangels in der Vorbereitung, der immense Zeitbedarf des
Experimentes im Unterricht selbst, wie auch der finanzielle Aufwand der Experimente
und die benötigten Geräte und Ausrüstungen, die vorhanden sein müssen.
So steht der Chemielehrer vor der Aufgabe, möglichst viel praktischen Anteil in die
Stunde mit einfließen zu lassen und fesselnde lehrplanrelevante Versuche für den
1
Im Folgenden werden ausschließlich die maskulinen Formen personenbezeichnender Substantive
verwendete, diese schließen die feminine Form jeweils mit ein. Andernfalls wird gesondert darauf
hingewiesen.
6
III.
Einleitung
Unterricht bereit zu stellen, obwohl ihm dies, aufgrund des Zeitmangels, oft kaum
möglich ist.
Diese wissenschaftliche Hausarbeit möchte eine Auswahl lehrplanrelevanter
Schulversuche bereitstellen, die ohne großen Zeitbedarf auch in der engen zeitlichen
Abfolge des Schulalltags vorbereitbar sind um so dem Lehrer eine Hilfestellung geben
zu können.
Im Abschnitt ‚Experimenteller Teil‘ werden zahlreiche Versuche vorgestellt, die die
Theorie zu den Themen Alkanole, Carbonylverbindungen, Kohlenhydrate sowie
Aminosäuren und Proteine im Chemieunterricht unterstützen können. Die Versuche
sind den einzelnen Abschnitten des Theorieteils zugeordnet und durch Verweise mit
diesem Verknüpft. Je nach Art des Versuches können sie als Demonstrationsversuch
oder Schülerversuch durchgeführt werden. Zur Unterstützung für den Lehrer, werden
der
Zeitbedarf,
die
benötigten
Chemikalien
und
die
Beschreibung
der
Versuchsdurchführung deutlich gekennzeichnet folgt eine fachliche Auswertung, die
die relevanten Inhalte die mit dem jeweiligen Versuch verbunden sind, aufzeigt. Daran
schließt dann jeweils eine kurze didaktisch Betrachtung sowie Hinweise zur
Entsorgung.
An den Experimentellen Teil der Arbeit folgen abschließend Unterrichtsmaterialien, die
eine vertiefende Auseinandersetzung mit den im Experiment aufgegriffenen Inhalten
ermöglichen sollen.
7
II.
Alkanole
Theorieteil
II. Theorieteil
In diesem Abschnitt der Arbeit werden die in der Arbeit aufgegriffenen
lehrplanrelevanten Themen - Alkanole, Carbonylverbindungen, Kohlenhydrate und
Aminosäuren und Proteine - charakterisiert und jeweils kurz deren wichtigsten
theoretischen
Hintergründe
aufgeführt. Darüberhinaus wurde
versucht,
mit
Verweisen, den theoretischen Hintergrund mit dem Hauptteil – dem, ‚Experimentellen
Teil‘ - der Arbeit zu verknüpfen.
Alkanole:
Alkanole sind eine Stoffklasse der organischen Chemie. Es ist die offizielle IUPAC
Bezeichnung für Stoffe, deren funktionelle Gruppe, die so genannte Hydroxygruppe
ist.
H
O
Abb.1a: Hydroxygruppe
R
Die Hydroxygruppe ist an ein sp3 – hybridisiertes Kohlenstoffatom
H
O
C
H
109°
H
H
Abb.1b: Alkohol, allgemein
gebunden, das keine höherwertigen Substituenten trägt. Sie ist eine der wichtigsten
funktionellen Gruppen der organischen Chemie und beeinflusst stark die chemischen
und physikalischen Eigenschaften der Verbindungen.2 Diese Eigenschaften sollen im
Kapitel Experimenteller Teil – Alkanole anhand ausgewählter Versuche beschrieben
und diskutiert werden.
Allgemein kann man die Alkohole als Derivate der gesättigten Kohlenwasserstoffe
bezeichnen, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Hydroxygruppe ersetzt wurde.
Diese Hydroxygruppe ist im Gegensatz zum unpolaren Alkylrest der Verbindung polar.
2
Vgl. Mortimer, S.550.
8
II.
Alkanole
Theorieteil
Abb.2a: Schematische Darstellung der Polarität der Hydroxygruppe
Abb.2b: Schematische Darstellung der Polarität der Hydroxygruppe
Die einfachen kurzkettigen Alkohole - wie Methanol und Ethanol - mischen sich nicht
nur unbegrenzt in Wasser, sondern zeigen teilweise auch ein ähnliches
Reaktionsverhalten. Der Grund ist, wie sich schon vermuten lässt, die polare
Hydroxygruppe. Eine polare OH – Bindung ist nämlich auch im Wasser zu finden.


O


H
H


Abb.3: Polarität des Wassermoleküls
So reagieren die einfachsten Vertreter der Stoffklasse der Alkohole, Methanol und
Ethanol (ähnlich wie Wasser) mit unedlen Metallen (wie Natrium) unter
Wasserstoffentwicklung (Vgl. Versuch 8: Reaktion von Ethanol mit Natrium). Dabei
bildet sich aus dem Alkohol die starke Base - Alkoholat.3
Bei den Siedetemperaturen wirkt sich die Hydroxygruppe ebenfalls stark auf die
Alkohole aus. So weisen die Alkohole, wie auch Wasser, einen deutlich erhöhten
Siedepunkt gegenüber vergleichbaren Verbindungen auf.
3
Vgl. Deckwer et al..
9
II.
Alkanole
Theorieteil
Beispiel:
Name
Summenformel
Methan
CH4
Strukturformel
Siedepunkt
H
H
-161°C
C
H
H
Methanol
H
CH3OH
65 °C
H
H
C
O
H
Ethan
C2H6
H
Ethanol
CH3CH2OH
H
H
C
C
H
H
H
H
-89 °C
H
78 °C
H
H
Wasser
H2O
Schwefel-
H2S
C
C
H
H
O
100 °C
O
H
H
-60 °C
S
H
H
wasserstoff
Abb.4a-f: Lewisdarstellung verschiedener Substanzen
und deren Siedepunkte
Der Grund für die deutlich erhöhten Siedepunkte der Alkohole gegenüber den
entsprechenden Alkanen ist in der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zu
finden.4
Wasserstoffbrückenbindugen
sind
umso
stärker,
je
größer
der
Elektronegativitätsunterschied ist. Ähnlich wie beim Wasser kommt es durch die
Polarität der Hydroxygruppe (Abb.2a) zu einer intermolekularen Anordnung der
Alkohole zu Ketten und größeren Anhäufungen (Abb.6).
4
Vgl. Mortimer. S.551.
10
II.
Alkanole
Theorieteil


O
H
C

H

H
H
Abb.5: Darstellung der Polarität der Hydroxygruppe
Der Grund für die Polarität liegt in der unterschiedlichen Elektronegativität (EN) von
Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C). Die Elektronegativität ist das Maß
für die Anziehung des Atoms auf das bindende Elektronenpaar einer Atombindung.5
Ein stark elektronegatives Atom - wie das Sauerstoffatom - zieht daher das
Bindungselektronenpaar stärker an und wird dadurch partiell negativ geladen. Auch
das Bindungselektronenpaar zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff ist betroffen. Hier ist
der
Elektronegativitätsunterschied
allerdings
nicht
so
groß,
so
dass
das
Kohlenstoffatom weniger positiviert wird. Auswirkungen dieses Effektes auf die
Eigenschaften der Alkohole sollen im Experimentellen Teil Versuche zur „Mischbarkeit
von Alkoholen“, sowie dem Versuch „50 + 50 = 100?“ diskutiert werden (Vgl.
Versuch 1: Mischbarkeit verschiedener Alkohole, Versuch 2: 50 + 50 = 100?).
Die durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken entstehenden lokalen Ordnungen
sind in folgender Abbildung dargestellt:
Abb.5: Wasserstoffbrückenbindungen im Ethanol (Rot dargestellt)
5
Vgl. INT.1.
11
II.
Alkanole
Theorieteil
Die intermediär auftretenden Wasserstoffbrückenbindungen haben zur Folge, dass die
einzelnen Moleküle weniger frei beweglich sind, was den Übergang vom flüssigen in
den gasförmigen Zustand behindert. Die Bindungsenergien dieser Wasserstoffbrücken
liegen im Bereich von 40 kJ/mol.6 Aufgrund der Geschwindigkeiten, die die Moleküle
der Flüssigkeit besitzen, sind diese Bindungen zwischen zwei Molekülen nur von kurzer
Dauer. Jedes Alkoholmolekül wird allerdings auf seinem Weg durch die Lösung ständig
wieder von anderen Molekülen angezogen. Dass heißt, es bilden sich beinahe
augenblicklich neue Bindungen aus. Die temperaturabhängige Bewegung der Teilchen
wird brownsche Molekularbewegung genannt.
Mit zunehmender Anzahl an Hydroxygruppen erhöht sich auch deren Siedepunkt.
Außerdem steigt die Viskosität der Verbindung an. Während Alkohole, die nur eine
Hydroxygruppe tragen (einwertige Alkohole genannt), eine ähnliche Viskosität wie
Wasser aufweisen nimmt die Viskosität durch die stärkeren Wechselwirkungen zu. Der
Grund für die stärkeren Wechselwirkungen liegt in der erhöhten Anzahl polarer
Gruppen pro Molekül (Vgl. Versuch 3: Fließgeschwindigkeiten verschiedener
Alkohole).
Alkohole, die mehr als eine Hydroxygruppe tragen, werden als mehrwertige Alkohole
bezeichnet. Jedes Kohlenstoffatom kann jedoch nicht mehr als eine Hydroxygruppe
tragen; dies besagt die so genannte Erlenmeyer-Regel. Verbindungen, die an einem
Kohlenstoffatom mehr als eine Hydroxygruppe tragen, gelten als nicht stabil.7 Versucht
man zwei Hydroxygruppen an ein Kohlenstoffatom zu binden, entsteht unter
Wasserabspaltung eine Carbonylverbindung (Vgl.Abb.6).
H
- H2O
O
C
H
H
O
H
H
C
O
H
Abb.6: Erlenmeyerregel – Instabilität der Diole
Nicht alle Diole (Verbindungen die an einem Kohlenstoffatom gleich 2 Hydroxygruppen
tragen) sind instabil. Sind stark elektronenziehende Gruppen in der Nachbarschaft des
6
7
Vgl. Riedel, 7.Aufl. S.207.
Vgl. Asselborn et al., S.248.
12
II.
Alkanole
Theorieteil
Diolen-Kohlenstoffatoms vorhanden, sind diese als stabil anzusehen.8 Beispiel ist das
stabile Ninhydrin (auch 1,2,3-Indantrion Monohydrat genannt).9
O
OH
OH
O
Abb.7: Ninhydrin
Nomenklatur: Die Namen einfacher Alkohole leiten sich von dem der homologen Reihe
der Alkane ab. An den Namen des Kohlenwasserstoffs, der namensgebend ist, wird die
Endung – ol angehangen sowie eine Zahl vorangestellt, die die Stellung der
Hydroxygruppe wiedergibt.
Beispiele:
H
H
C
OH
Methanol
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
OH
Propan-1-ol
H
H
H
C
C
H
H
OH
Ethanol
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
OH
Butan-1-ol
Abb.8: Homologe Reihe der Alkohole
Bei den beiden einfachsten Alkoholen, Methanol und Ethanol, ist die Kennzeichnung
der Stellung der Hydroxygruppe durch eine eingefügte Zahl nicht notwendig, da es
jeweils nur eine Möglichkeit für die Stellung der Hydroxygruppe gibt. Anders sieht es
bei den beiden anderen Alkoholen wie Propan-1-ol und Butan-1-ol aus.
Isomerie bei Alkanolen: Das in Abb.8 dargestellte Propan-1-ol besitzt die
Summenformel C3H8O. Es existiert jedoch noch ein weiterer Alkohol, der die gleiche
Summenformel hat, sich jedoch in chemischen Reaktionen sowie physikalischen
Eigenschaften von diesem unterscheidet.
8
9
Vgl. INT.2.
Vgl. HessGISS.
13
II.
Alkanole
Theorieteil
Name
Summenformel
Propan
C3H8O
-1-ol
Propan
Siedepunkt10
Strukturformel
H
C3H8O
-2-ol
H
H
H
H
C
C
C
H
H
OH
H
H
H
C
C
C
H
OH
H
-97 °C
H
-82 °C
H
Das unterschiedliche Reaktionsverhalten dieser Verbindungen soll im Experimentellen
Teil in Versuch 9 und 10 zur Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer
Alkohole näher untersucht werden (Vgl. Versuch 10: Unterscheidung primärer,
sekundärer und tertiärer Alkohole durch Lucas - Reagenz) und (Vgl. Versuch 9:
Unterscheidung
primärer,
sekundärer
und
tertiärer
Alkohole
durch
Kaliumpermanganat).
Die beiden Isomere Propan-1-ol und Propan-2-ol, unterscheiden sich im Siedepunkt
wie auch im Reaktionsverhalten aufgrund der Stellung der Hydroxygruppe erheblich
voneinander. Man unterteilt die Alkohole daher in drei Gruppen11 und 12:
-
Primäre Alkohole: Hier ist das Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt,
nur mit einem weiteren Kohlenstoffatom verbunden.
H
Bsp.: Ethanol
H
H
C
C
H
H
OH
H
, Propan-1-ol
H
H
H
C
C
C
H
H
OH
H
.
10
Vgl. Mortimer, S.551.
Vgl. Asselborn et al., S.248
12
Vgl. Mortimer, S.551.
11
14
II.
Alkanole
Theorieteil
-
Sekundäre Alkohole: Hier ist das Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt,
mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden.
H
Bsp.: Propan-2-ol
-
H
H
H
C
C
C
H
OH
H
H
Tertiäre Alkohole: Hier ist das Kohlenstoffatom, dass die Hydroxygruppe trägt,
mit drei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden.
H
Bsp.: Tert.Butanol
H
CH3
H
C
C
C
H
OH
H
H
(auch 2-Methyl-2-Propanol
genannt)
Abb.9 a-d: verschiedene Alkohole
Löslichkeit:
Das Löslichkeitsverhalten der Alkohole unterscheidet sich mit zunehmender
Kettenlänge erheblich. Diese Eigenschaft der Alkohole soll im Experimentellen Teil in
den Versuchen 1 und Versuch 2 ausführlicher diskutiert werden (Vgl. Versuch 1:
Mischbarkeit der Alkohole) und (Vgl. Versuch 2: 50 + 50 = 100?). An dieser Stelle sei
vorweggenommen, dass die Löslichkeit der Alkohole in Wasser von der Länge des
Alkylrests abhängt sowie von der Anzahl an Hydroxygruppen (Vgl. Abb.10).
15
II.
Alkanole
Theorieteil
R
Mischbarkeit mit Wasser nimmt
ab
H
H
C
O
H
H
H
H
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
Abb.10: Homologe Reihe der Alkohole
und deren Mischbarkeit
Doch nicht alle Verbindungen, die eine R–OH Gruppe tragen, gehören zu der
Stoffgruppe der Alkohole. Ist R, statt eines Alkylrest ein aromatisches System, so
gehört dieses zur Klasse der Phenole. Diese reagieren anders als die Alkohole mit
wässrigen Lösungen schwach sauer. Ein Grund ist, dass die negative Ladung des
Phenolations durch das π-Elektronensystem delokalisiert und damit stabilisiert werden
kann (Vgl. Abb.11).
OH
O
- H3O
O
O
O
+
+ H2O
Abb.11: Stabilisierung des Phenolations
16
II.
Alkanole
Theorieteil
Im Experimentellen Teil der Arbeit sollen die Unterschiede nochmal etwas genauer
beleuchtet werden. Außerdem ist ein Versuch zur einfachen Unterscheidung von
Alkoholen und Phenolen aufgelistet (Vgl. Versuch 12: Vergleich von Alkoholen und
Phenolen).
Reaktionsvielfalt: Die Reaktionsmöglichkeiten der Alkohole sind sehr vielfältig. Fast alle
schulrelevanten Stoffklassen können aus Alkoholen synthetisiert werden 13. Diese
Reaktionsvielfalt soll in Abb. 13 verdeutlicht werden:
Abb.13: Reaktionsvielfalt der Alkohole14
Reaktionen zu einigen dieser Stoffklassen sind im Experimentellen Teil der Arbeit zu
finden:
(Vgl. Abschnitt Carbonylverbindungen, Versuch 8: Oxidation von Ethanol an
Kupferkontakt), (Vgl. Abschnitt Alkanole, Versuch 9: Unterscheidung primärer,
sekundärer und tertiärer Alkohole durch Kaliumpermanganat), (Vgl. Versuch 4:
Reagenzglasgewitter), (Vgl. Versuch 10: Unterscheidung primärer, sekundärer und
tertiärer Alkohole durch Lucas-Reagenz), (Vgl. Versuch 11: Unterscheidung von
Methanol mit Ethanol durch Borsäure).
13
14
Vgl. INT.2.
Vgl. INT.2.
17
II.
Theorieteil
Alkanole
Darüber hinaus soll auch im Experimentellen Teil der Arbeit auf die für das Verständnis
wichtigen Elementaranalysen, die den Schülern und Schülerinnen15 dabei helfen sollen,
die Zusammensetzung der Alkohole besser zu verstehen, eingegangen werden:
(Vgl. Versuch 6: Bestimmung des Kohlenstoff und Wasserstoffgehaltes (qualitativ)),
(Vgl. Versuch 7: Sauerstoff – Nachweis mittels Magnesium), (►Vergleiche Versuch
8: Umsetzung von EtOH mit Na), (Vgl. Versuch 11: Unterscheidung zwischen Ethanol
und Methanol mittels Borsäure).
Für die Umsetzung im Unterricht sind darüber hinaus noch im Abschnitt ‚IV –
Unterrichtsmaterialien‘ Arbeitsblätter, die eine vertiefende Auseinandersetzung mit
den im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit aufgegriffenen Inhalt ermöglichen sollen. Die
Arbeitsblätter stellen lediglich ein Hilfsmittel für eine vertiefende Aufarbeitung der
Versuche im Unterricht dar. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die
Arbeitsblätter können sowohl im ganzen als auch zur teilweisen Verwendung im
Unterricht finden oder auch nur zur Anregung dienen.
15
Im Folgenden wird der Einfachheit halber häufig auf die Unterscheidung zwischen femininer und
maskuliner Form von Schülerinnen und Schüler verzichtet und nur die männliche Form verwendet.
18
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
Carbonylverbindungen:
Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung, Carbonylgruppe genannt, ist eine weitere
funktionelle Gruppe. Sie gilt als die wichtigste funktionelle Gruppe der Organischen
Chemie.16 Carbonylverbindungen spielen vor allem in der präparativen Chemie eine
bedeutende Rolle, da sie sehr reaktiv sind, sich selbst leicht herstellen lassen und aus
ihnen eine Vielzahl von Verbindungen zugänglich sind. Viele spielen auch bei
biochemischen Vorgängen eine bedeutende Rolle. So tragen viele Naturstoffe eine
Carbonylgruppe - Hormone, Vitamine, Medikamente oder Aromastoffe sind nur einige
Beispiele für Naturstoffe, die eine Carbonylgruppe tragen und eine wichtige Rolle im
täglichen Leben spielen. Darüber hinaus kommen Carbonylverbindungen aber auch in
beträchtlichem Umfang industriell zum Einsatz (als Lösungsmittel).
In dieser Arbeit soll sich auf zwei Klassen von Carbonylverbindungen konzentriert
werden: Die Aldehyde, bei denen mindestens ein Wasserstoffatom an das CarbonylKohlenstoffatom gebunden ist, und die Ketone, bei denen die Carbonylgruppe mit
zwei Kohlenstoffatomen verbunden ist (Vgl. Abb.14).17
HO
O
O
O
C
C
C
OH
Carbonylgruppe
R
H
Aldehyd
R
R
1
Keton
Abb.14: Übersicht - Carbonsäuren
Aldehyde werden nach IUPAC – Nomenklatur als Derivate der Alkane behandelt. Bei
der Namensgebung wird an den Namen des Alkans die Endung -al angehängt. So
ergibt sich für diese Gruppe der IUPAC – Name Alkanal. Im Folgenden soll allerdings
auf den Namen Aldehyd zurückgegriffen werden.18
Aldehyde besitzen - wie Abb.14 zeigt - eine endständige Carbonylgruppe. Diese
beeinflusst stark die Eigenschaften der Verbindungen. Im ‚Experimentellen Teil‘ der
Arbeit sollen verschiedene Nachweismethoden für die Aldehydgruppe aufgezeigt
werden (Vgl. Versuch 2: Silberspiegelprobe), (Vgl. Versuch 3: Fehlingprobe),
16
Vgl. Bruice, S.829.
Vgl. Vollhardt, S.782.
18
Vgl. Asselborn et al., S.262.
17
19
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
(Vgl. Versuch 5: Aldehydnachweis im Zigarettenrauch) und (Vgl. Versuch 6:
Schiffsche Probe).
Ketone indes, werden von der IUPAC als Alkanone bezeichnet. Bei der Namensgebung
wird an den Alkannamen die Endung -on angehängt. Anders als bei den Aldehyden, ist
die Carbonylgruppe im Keton nicht endständig. Das Kohlenstoffatom der
Carbonylgruppe ist mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden (Vgl. Abb.15).19
O
Propanon
C
H3C
Trivialname: Aceton
CH3
Abb.15: Strukturformel von Propanon
Das dargestellte Aceton (Propanon) ist das einfachste Keton. Es findet in der Industrie
vor allem Anwendung als Lösungs- und Extraktionsmittel. Vor einigen Jahren fand es
sich in Form von Nagellackentferner in vielen Haushalten wieder.
Die Wichtigkeit der Verbindungsklasse geht auf die hohe Reaktivität der
Carbonylverbindungen
zurück.
Diese
lässt
sich
durch
folgende
zwei
Mesomeregrenzformeln darstellen:
HO
HO
C
HO
C
O
O
HO
Abb.16: Polarität der Carbonylgruppe
Die Polarität, die Ungleichverteilung der Ladung, der C=O Doppelbindung ist noch
stärker ausgeprägt als bei Alkoholen, da sich die elektronenziehende Wirkung stärker
auf die Bindung als auf die -Bindung auswirkt. Der Grund liegt in der stärkeren
Polarisierbarkeit der Bindungselektronen durch den Sauerstoff, welche auf den
19
Vgl. Asselborn et al., S. 263.
20
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
größeren Koeffizienten des p-Orbitals im π-Orbital am O-Atom zurück zu führen ist
(Vgl. Abb.17). 20
E
HO
*
C
O
HO

HO
C
O
HO
Abb.17: Polarität der Carbonylgruppe
Im antibindenden *-Orbital sind die Größenverhältnisse umgekehrt. Dies erklärt auch,
warum das Dipolmoment – das sich aus der Polarisierbarkeit ergibt – im angeregten
Zustand deutlich geringer ist (Vgl.Abb.17).21
Der Elektronegativitätsunterschied zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff bedingt die
Polarität der Gruppe. Das Sauerstoffatom der Verbindung besitzt eine höhere
Elektronegativität als der Kohlenstoff, so dass der Carbonyl-Kohlenstoff partiell positiv
(+) und der Carbonyl-Sauerstoff partiell negativ (-) geladen ist (Vgl. Abb.18). Darüber
hinaus ermöglichen auch die zwei freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom
verschiedene Reaktionsmöglichkeiten, die zusammen mit weiteren wichtigen
Reaktionsarten der Carbonylverbindungen im Folgenden näher beleuchtet werden
sollen:
20
21
Vgl. INT.3.
Vgl. INT.3.
21
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
I. nucleophiler
Angiff
HO


C

II. elektrophiler Angriff
z.B.: Protonierung

O
H3C
C
H3C
H
III. Deprotonierung
durch Basen
Abb.18: Reaktionsübersicht
Übersicht:
I. nucleophiler Angriff:
HO
Nu
-
+
C
OH
Nu
O
HO
C
O
-
OH
Abb.18a: nucleophiler Angriff
Durch die positive Partialladung am Carbonyl-Kohlenstoffatom greifen Nucleophile
bevorzugt an dieser Stelle an.
II. elektrophiler Angriff:
HO
HO
C
HO
O
+
H
H
C
HO
O
HO
+
H
C
O
HO
Abb.18b: elektrophiler Angriff
Darüber hinaus kann das Carbonyl-Sauerstoffatom durch die negative Partialladung
(Vgl.Abb.18 und Abb.16) gut elektrophil agieren. Hier am Beispiel der Protonierung
aufgezeigt:
22
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
III. Deprotonierung durch Basen:
HO
HO
HO
C
O
C
H3C
+
C

H3C
B
B
H
+HC
C
O
H3C
C
3
H
O
C
CH3
CH3
Abb.18c: Deprotonierung durch Basen
Eine starke Base, die selbst jedoch nicht als Nucleophil reagieren kann, greift das
relativ acide (pKs = 20)22 -Wasserstoffatom an. Dies führt in der Folge zur Bildung
eines Enolates.
Vergleicht man und  Wasserstoffatome auf ihre Acidität hin, so fällt der große
Unterschied zwischen beiden auf.
Enolat
HO
H
C
B
O
C
H


H
H
C
C
H
H
pKs = 19-20
B
H
+
H
C
O
H
C
O
C
CH3
CH3
Resonazstabilisierung
H
pKs = 40-50
H
O
B
B
H
+
C
H
C
H
H
C
H
schlecht stabilisiertes Carbanion
Abb.19: Deprotonierungsreaktionen
Während der Wasserstoff einen pKs von ungefähr 20 aufweist, ist der 
Wasserstoffdeutlich weniger acide. Der Wasserstoff besitzt hingegen nur einen pKs
22
Vgl. INT.4.
23
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
von 40 bis 50.23 Der Grund für die Unterschiede in der Acidität liegen in der
Möglichkeit durch Resonanzstabilisierung, wobei sich das bildende Carbanion einem
Enolat stabilisiert! Diese Möglichkeit der Resonanzstabilisierung entfällt bei dem sich
durch Deprotonierung des -Wasserstoffes bildenden Carbanion (Vgl. Abb.19).
Das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe zeigt wie auch das Kohlenstoffatom im Alken
eine sp2-Hybridisierung, was zu einem 120° - Winkel in der Ebene führt. Diese sp2Hybridisierung ist im Folgenden Orbitalbild der Carbonylgruppe dargestellt:
Abb.20a: Orbitalbild der Carbonylgruppe
Abb.20b: Orbitalbild der Carbonylgruppe24
Aldehyde, also Verbindungen, die eine endständige Carbonylgruppe tragen, lassen sich
durch Oxidation primärer Alkohole mit einem geeigneten Reagenz herstellen (Vgl.
Versuch 8: Oxidation von Methanol und Ethanol an Kupferkontakt). Wird allerdings ein
zu starkes Oxidationsmittel verwendet, so wird der primäre Alkohol nicht nur bis zum
Aldehyd oxidiert, sondern in der Folge weiter zur Carbonsäure (Vgl. Abschnitt
Alkohole, Versuch 9: Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole
durch Kaliumpermanganat).
Das erste Glied der homologen Reihe der Alkanale ist das Methanal, auch
Formaldehyd genannt.
23
24
Vgl. INT.4.
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [12].
24
II.
Carbonylverbindungen
Theorieteil
O
Formal dehyd
Methanal
C
H
H
Abb.21: Strukturformel - Formaldehyd
Formaldehyd stellt einen wichtigen Grundstoff der chemischen Industrie dar. In
Deutschland werden pro Jahr rund 500.000 Tonnen hergestellt. Der größte Teil wird
zur Herstellung von Kunststoffen wie Aminoplasten und Phenoplasten benötigt.25 Im
‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit soll daher exemplarisch auf die Herstellung von
Bakelit eingegangen werden (Vgl. Versuch 9: Bakelit Herstellung).
Neben der unterschiedlichen Reaktivität unterscheiden sich die Aldehyde und Ketone
auch von den Alkoholen in ihren physikalischen Eigenschaften: So liegen aufgrund des
Fehlens von
intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen die Siedepunkte der
Aldehyde tiefer als die der entsprechenden Alkohole, trotzdem jedoch noch höher als
die der Alkane.
Für die Umsetzung im Unterricht sind darüber hinaus noch im Abschnitt ‚IV –
Unterrichtsmaterialien‘
Arbeitsblätter
angefügt,
die
eine
vertiefende
Auseinandersetzung mit den im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit aufgegriffenen
Inhalten ermöglichen sollen.
25
Vgl. Asselborn et al., S.262.
25
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Kohlenhydrate:
Die Naturstoffklasse der Kohlenhydrate nimmt eine zentrale Rolle für das Leben auf
der Erde ein. Kohlenhydrate werden von Lebewesen aller Art zur Energiegewinnung
und Energiespeicherung genutzt. Sie stellen einen wichtigen Bestandteil unserer
Nahrung dar und dienen als Reservestoff.
Kohlenhydrate werden durch Photosynthese-prozesse in Pflanzen gebildet. Hierbei
erzeugen chlorophyllhaltige Organismen (wie Pflanzen und einige Bakterien), die
mittels Photosynthese einem der ältesten chemischen Prozesse, aus Wasser und
Kohlendioxid mittels Lichtenergie, die energiereichen Kohlenhydrate. Die Lichtenergie
wird mit Hilfe lichtabsorbierender Farbstoffe, wie dem Chlorophyll, aufgenommen.
Neben den wichtigen Kohlenhydraten produzieren die photosyntheseaktiven Pflanzen
auch Sauerstoff, der für Mensch und Tier lebensnotwendig ist.26
Schematisch lässt sich dieser Vorgang, der zur Bildung der organischen Substanzen
führt, folgendermaßen beschreiben:
h
6 CO2
(g) + 6 H2O
C6H12 O6
(s)
+ 6 O2
(g)
Abb.22: Netto Gleichung der oxygenen Photosynthese27
Durch Photosyntheseprozess werden, von der gesamten Pflanzenwelt innerhalb eines
Jahres, schätzungsweise 60 Milliarden Tonnen organisches Material aufgebaut.28
So bildet sich aus einem Buchensamen mit einer Gesamtmasse von ungefähr 0,2 g in
100 Jahren ein Baum der 5000 kg wiegt. Der gesamte Kohlenstoffanteil der Masse des
Baumes, der in organischem Material gebunden ist, stammt dabei aus dem
Kohlendioxid der Luft (Vgl. Abb.22). Ein stattlicher Baum mit rund 200.000 Blättern
(1200 m2 Fläche, 180 g Chlorophyll) produziert so an einem einzigen Sonnentag als
Nebenprodukt 9400 l Sauerstoff. Die Photosynthese ist dabei der einzige Lieferant des
so immens wichtigen Sauerstoffs.29
26
Vgl. INT.5.
Vgl. Deckwer et al..
28
Vgl. Bibliographisches Institut und F.A. Brockhaus AG.
29
Vgl. Deckwer et al..
27
26
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
In den Stoffwechselprozessen der Lebewesen oder Pflanzen können diese
Kohlenhydrate zur Energiegewinnung und damit zur Aufrechterhaltung der
Körperfunktionen verwendet werden. Die Kohlenhydrate dienen als Nährstoffe, die
dem Körper zur Energiegewinnung zugeführt werden müssen. Die Nährstoffe werden
dann in Stoffwechselprozessen durch Oxidation abgebaut, wobei die chemisch
gespeicherte Energie für den Organismus verfügbar wird. Als Endprodukte dieser
Stoffwechselprozesse im Organismus entstehen so Kohlendioxid und Wasser. Die
Pflanzen benötigen diese Endprodukte wiederrum zum Aufbau der Kohlenhydrate, so
dass der Kreislauf von Neuem beginnen kann (Vgl. Abb.23 und Abb.24).
Abb.23: Schematisches Energiediagramm der oxygenen Photosynthese
Photosynthese
Sauerstoff
Lichtenergie
Kohlendioxid
Wasser
Kohlenhydrate
Stoffw echsel
Zellatmung im Organismus
Sauerstoff
Proteine
Fette
Zellatmung im Organismus
Abb.24: Stoffkreislauf 30
30
Vgl. Asselborn et al., S.358.
27
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Allgemein werden Kohlenhydrate in Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide unterteilt,
da die Eigenschaften der einzelnen Kohlenhydrate unteranderem durch ihre
Molekülgröße mitbestimmt werden.31
Zur Klasse der Monosaccharide gehören die bekannten Stoffe Fructose und Glucose
(Vgl. Abb.25). Beide Stoffe werden als Hexosen bezeichnet. Formal bilden sich diese
durch Oxidation von mehrwertigen Alkoholen (Vgl. Abb.25). Bei der Fructose handelt
es sich um eine Ketohexose, während die Glucose eine Aldohexose ist.
H
+I
O
CH 2OH
Oxidation
H
H
OH
HO
HO
H
0
CH 2OH
Oxidation
OH
O
+II
H
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
Glucose
Sorbit
Fructose
Aldohexose (Aldose)
Polyalkohol
Ketohexose (Ketose)
Abb.25: Fischer Projektion der Oxidationsprodukte von Sorbit
Die Namen ‚Aldo‘ und ‚Keto‘ spielen dabei auf ihre funktionelle Gruppe an. So besitzt
die Aldohexose Glucose eine endständige Aldehydgruppe, während die Fructose eine
Ketogruppe trägt.
Wie in Abb.25 zu erkennen ist, unterscheiden sich die beiden bekanntesten
Monosaccharide - die beide die Summenformel C6H12O6 tragen - durch ihre
funktionelle
Gruppe.
Im
‚Experimentellen
Teil‘
der
Arbeit
soll
durch
Nachweisreaktionen eine Unterscheidung der beiden Einfachzucker aufgezeigt werden
(Vgl. Versuch 7: Unterscheidung von Fructose und Glucose und Vgl. Versuch 3:
Seliwanoffprobe). Diese Unterscheidung sollte aufgrund der unterschiedlichen
Gruppen einfach möglich sein. So lässt sich die Aldehydgruppe beispielsweise durch
milde Reagenzien wie Silber(I) oder Kupfer(II) leicht zur Carbonsäure oxidieren,
während die Ketogruppe der Fructose nicht mit diesen Reagenzien oxidiert werden
kann (Vgl. Versuch 1: Silberspiegelprobe und Vgl. Versuch 2: Fehlingprobe). Doch
durch die sogenannte Keto – Enol – Tautomerie vermag es die Fructose sich in Glucose
31
Vgl. Asselborn et al., S.359.
28
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
oder Mannose umzuwandeln, diese beide ebenfalls eine reduzierend wirkende Gruppe
besitzen. Dadurch wird es möglich, dass die Nachweisreaktion, die lediglich auf
oxidierbare Gruppen testet, ebenfalls positiv verläuft. Aus diesem Grund ist eine
Unterscheidung nur durch den Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Reaktion möglich,
oder durch den Einsatz selektiv wirkender Reaktanden. So beispielsweise der „GOD –
Test“, der mittels eines Enzyms auf Glucose testet, oder der „Seliwanoffprobe“, die
ebenfalls eine Unterscheidung von Ketosen und Aldosen ermöglicht.
Die Monosaccharide lassen sich dabei in verschiedenen Arten darstellen; die wohl
Wichtigsten, die auch zum Darstellen der Kohlenhydrate in dieser Arbeit herangezogen
wurden, sollen exemplarisch am Beispiel der -D-Glucose vorgestellt werden:
OH
H
O H
HO
+I
H
O
H
in Haworth-Form
H
H
HO
H
H
*
*
*
*
OH
-D-Glucose
H
OH
OH
OH
H
OH
OH
CH 2OH
D - Glucose
in Fischerprojektion
H
OH
HO
HO
H
H
O
H
-D-Glucose
in Sesselform
OH OH
H
*asymmetrisches C-Atom
Abb.26: Verschiedene Darstellungsformen der Glucose
Die in Fischerprojektion dargestellte offenkettige Form (Aldehydform) der Glucose
liegt in Lösung lediglich zu 0,1% vor.32 Nur in dieser offenkettigen Form wirkt Glucose
reduzierend. Die in der Darstellung wohl etwas kompliziertere Sesselform gibt,
zusammen
mit
der
Haworth-Projektion
der
Glucose,
etwas
von
ihrer
dreidimensionalen Anordnung der Seitengruppen wieder.
In der offenkettigen Form sind auch die vier asymmetrischen Kohlenstoffatome der DGlucose erkennbar (gekennzeichnet mit (einem) *). Ein asymmetrisch substituiertes
Kohlenstoffatom trägt jeweils vier unterschiedliche Substituenten. Eine Verbindung die
mindestens ein solches Stereozentrum trägt, gilt als optisch aktiv. Dies bezeichnet die
32
Vgl. Asselborn et al., S.360.
29
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Fähigkeit eines solchen Stereozentrums, linear polarisiertes Licht in seiner
Schwingungsebene zu drehen.33
Untersuchungen von Glucoselösungen im Polarimeter haben Hinweise darauf
gegeben, dass D-Glucose in wässriger Lösung in zwei verschiedenen Ringstrukturen
vorliegen muss, da Glucoselösungen das Phänomen der Mutarotation aufweisen. In
einer frisch hergestellten Glucoselösung verändert sich der Drehwinkel des linear
polarisierten Lichtes kontinuierlich, bis sich nach einiger Zeit ein konstanter Wert
einstellt. Dieses sich Ändern des Drehwinkels wird Mutarotation genannt und deutete
auf
das
Einstellen
eines
chemischen
Gleichgewichtes
zwischen
den
zwei
Stereoisomeren -Glucose und -Glucose hin.
H
OH
HO
HO
H
H
H
OH
H
O
HO
HO
H
OH OH 
H
H
-D-Glucose
in Sesselform
H
O
OH 
OH H
 -D-Glucose
in Sesselform
Abb.27: Alpha- und Beta-Glucose in Sesselform 34
Durch Ringöffnung kann sich in wässriger Lösung eine Form in die andere umwandeln.
Dabei besitzen die beiden Stereoisomere jeweils unterschiedliche Drehwinkel, so dass
dies, zusammen mit dem Wissen über die Möglichkeit der Umlagerung, die
Veränderung des Drehwinkels erklärt.
Die monosacchariden Bausteine lassen sich darüberhinaus auch noch durch die Anzahl
der C-Atome in der Kette unterteilen. So gibt es neben der wohl wichtigsten Gruppe
von Monosacchariden, den Hexosen, noch weitere:
33
34
Vgl. Asselborn et al., S.365.
Vgl. Deckwer et al..
30
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Name der
Anzahl der C-Atome in
Summenformel
Gruppe
der Kette
Triosen
3
C3H6O3
Tetrosen
4
C4H8O4
Pentosen
5
C5H10O5
Hexosen
6
C6H12O6
Heptosen
7
C7H14O7
Allgemein
X
CxH2xOx
Verhältnis C-H-O : 1-2-1
Abb.28: Verschiedene Darstellungsformen der Glucose
Weitere Eigenschaften, die Nomenklatur sowie das Reaktionsverhalten der
Monosaccharide, werden ausführlicher in der fachlichen Auswertung der Protokolle zu
den jeweiligen Versuchen (der Kohlenhydrate) im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit
diskutiert. Falls eine vertiefende Auseinandersetzung mit dem Thema ‚Kohlenhydrate‘
erfolgen soll, so kann auf die Wissenschaftliche Hausarbeit von Andreas Gerner
verwiesen werden, die sich mit Videoexperimenten zum Thema ‚Kohlenhydrate
‚befasst.
In Disacchariden sind jeweils zwei Monosaccharide kovalent über eine glycosidische
Bindung miteinander verbunden. Zu den wichtigsten Disacchariden zählen:
Name
Cellobiose
Strukturformel
Art der Bindung Wirkung?
Cellobiose
β-(1,4)-
OH
H
HO
HO
H
H
H
O

OH
H
1
HO
O
OH
H
OH
H
H
4
Glucose.
OH
Glucose - Rest
Lactose
Milchzucker
Glucose - Rest
Lactose
OH
HO
H
HO
H
H
H
O
HO
O

1
H
OH H
OH
H
4
β-(1,4)-
H
OH
H
O
H
OH
Galacose - Rest
glycosidisch:
Glucose,
O
H
H
Reduzierend
Reduzierend
glycosidisch:
Galactose,
Glucose.
Glucose - Rest
31
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Maltose
OH
H
Malzzucker
HO
HO
H
H
α-(1,4)O

OH
H
1
Maltose
glycosidisch:
H
H
O
HO
OH
4
H
H
Saccharose
Rübenzucker
Glucose,
H
O
H
O
HO
HO
Haushalszucker
1 
OH O
α-(1,2)-
Nicht
glycosidisch:
reduzierend
Glucose,
OH
OH

2
Glucose .
OH OH
Saccharose
OH
Reduzierend
Fructose .
OH
O
HO
 -1-2 - verknüpft
Abb.29: Verschiedene Disaccharide, ihre Bindungsart sowie ihre Wirkung
Wie in Abb.29 dargestellt, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten wie die einzelnen
Monosaccharidbausteine miteinander verknüpft werden können. Hier sind nur die
wichtigsten Disaccharide aufgelistet. Vor allem die Saccharose, der sogenannte
Haushaltszucker, ist ein wichtiger Vertreter dieser Klasse und sicher fast in jedem
Haushalt zu finden. Saccharose setzt sich, wie in Abb.29 zu erkennen ist, aus einem
Glucose- und einem Fructosebaustein zusammen, welche α,β-1,2-verknüpft sind.
Saccharose wirkt obwohl sie unteranderm aus Glucose aufgebaut ist, nicht wie diese
reduzierend, da beide Monosaccharide so miteinander verknüpft sind, so dass auch bei
Ringöffnung keine reduzierbare wirkende Aldehydgruppe gebildet werden kann.35
Anders ist es bei den drei anderen Disacchariden. Alle drei wirken reduzierend und
zeigen
eine
positive
Silberspiegel-
und
Fehlingprobe
(Vgl.
Versuch
1:
Silberspiegelprobe und Vgl. Versuch 2: Fehlingprobe) an.
Sind in einem Molekül mehr als 10 und bis zu mehreren tausend Monosaccharide über
glycosidische Bindung miteinander verbunden, so spricht man von einem
Polysaccharid. Bei diesem handelt es sich um einen Biopolymerestoff, der zur
35
Vgl. Asselborn et al., S.363ff.
32
II.
Kohlenhydrate
Theorieteil
Energiespeicherung in Flora und Fauna Verwendung finden. Darüber hinaus dienen
sie, wie die Cellulose – das verbreitetste Polysaccharid – als Gerüststoff und sind in den
Zellwänden der Pflanzen form- und festigkeitsgebend. Cellulose besteht aus β-(1,4)verknüpften Glucoseeinheiten und ist wasserunlöslich.
Ein weiteres wichtiges Polysaccharid, welches in Pflanzen als Reservestoff und damit
als Energiespeicher dient, ist die Stärke. Sie setzt sich allgemein aus zwei Anordnungen
zusammen, der Amylose und dem Amylopektin. Verschiedene Versuche zu diesem
wichtigen Polysaccharid sind im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit zu finden (Vgl.
Versuch 6: Stärkenachweis in Mehl und Reis), (Vgl. Versuch 8: Untersuchung der
Inhaltsstoffe einer Kartoffel) und (Vgl. Versuch 10: Hydrolyse von Stärke).
Für die Umsetzung im Unterricht sind darüber hinaus in Abschnitt ‚IV –
Unterrichtsmaterialien‘
Arbeitsblätter
zu
finden,
die
eine
vertiefende
Auseinandersetzung mit den Themen im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit ermöglichen
sollen.
33
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Aminosäuren und Proteine:
Aminosäuren bestehen aus einem zentralen Kohlenstoffatom, an dem sich als
funktionelle
Gruppen
eine
Aminogruppe
(-NH2)
und
eine
Säuregruppe
(Carboxylgruppe -COOH) befinden. Sie sind demnach bifunktionell. Diese beiden
Gruppen führen zur Namensgebung der Aminosäure die schon auf die beiden
funktionellen Gruppen des Moleküls hinweist.36
Im ‚Experimentellen Teil‘ der Arbeit sollen verschiedene Nachweisreaktionen dabei
helfen, einen Einblick in den Aufbau der Aminosäuren zu bekommen.
Trotz der denkbaren Vielfalt der möglichen Aminosäuren (heute sind mehr als 250
nicht- proteinogene Aminosäuren bekannt, die biologische Funktionen haben) finden
lediglich 20 Aminosäuren Verwendung in Körper.37 Diese liegen auch fast
ausschließlich in L-Form vor.38 Allgemein kann man die proteinogenen Aminosäuren,
also die Aminosäuren die in Proteinen vorkommen, folgendermaßen darstellen:
NH2
H
OH
H2N


R
O
OH
R
H
O
Abb.30: Allgemeine
Darstellung der Aminosäure
Die Aminogruppe sitzt dabei an dem Kohlenstoffatom, das der Carboxylgruppe
benachbart ist, dem C2 – Atom. Diese wird als sogenannte  - Position bezeichnet.39
36
Vgl. Deckwer et al..
Vgl. INT.6.
38
Vgl. Asselborn et al., S.372.
39
Vgl. Asselborn et al., S.372.
37
34
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Allgemein gesehen lassen sich die Aminosäuren aufgrund ihrer Eigenschaften in
folgende vier Gruppen einteilen:
Unpolare Aminosäuren
O
O
H2N
H2N
OH
O
H2N
OH
OH
CH3
.
Gl ycin (Gly)
L - Ala nin(Ala)
.
L - Va li n(Val)
O
O
H2N
O
H2N
OH
O
H
N
OH
H2N
OH
OH
.
.
.
.
L - Leuci n (Leu)
Proli n (Pro)
L - Is ol euci n(ile)
L - Phenyla la nin(Phe)
Abb.31a: Unpolare Aminosäuren
Polare Aminosäuren
O
O
O
H2N
O
OH
H2N
H2N
H2N
OH
OH
OH
.
SH
OH
OH
S
CH3
L - Cys tei n (Cys)
L - Se ri n (Ser)
O
H2N
L - Methi oni n(Met)
O
H2N
OH
L - Threonin(Thr)
O
O
OH
H2N
H2 N
OH
OH
O
OH
L - Tyros i n (Tyr)
H2N
O
L - Gluta mi n(Gln)
N
H
NH2
L - As pa ra gin(Asn)
L - Tryptopha n(Try)
Abb.31b: Polare Aminosäuren
Die unpolaren Aminosäuren lösen sich aufgrund eines unpolaren Restes (mit R
bezeichnet) schlecht in Wasser (Vgl. Experimenteller Teil, Aminosäuren und
Proteine, Versuch zur Löslichkeit von Tyrosin). Die Löslichkeit der Aminosäuren in
35
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Wasser hängt stark vom pH-Wert der Lösung ab, so dass sich bei Veränderung des pHWertes auch die Löslichkeit verändert.
Wichtiger ist jedoch die Einteilung nach dem Protolyseverhalten in Wasser. So
unterteilt man die Aminosäuren darüber hinaus in saure und basische Aminosäuren.
(Vgl. Abb.31c und Abb.31d):
Saure Aminosäuren
O
H2N
O
H2N
OH
OH
O
HO
OH
O
L - As paragins äure(Asp)
L - Glutami ns äure(Glu)
Abb.31c: Saure Aminosäuren
Basische Aminosäuren
O
H2N
O
H2N
OH
O
H2N
OH
OH
N
NH
HN
NH2
H2N
L - Lys i n (Lys)
NH
L - Argi ni n (Arg)
L - His ti di n(His)
Abb.31d: Basische Aminosäuren
Von diesen 20 proteinogenen Aminosäuren müssen 8 durch die Nahrung
aufgenommen werden. Sie können nicht vom Körper selbst synthetisiert werden.
Diese sogenannten essentiellen Aminosäuren sind: Valin, Leucin, Isoleucin,
36
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Phenylalanin, Threonin, Lysin, Tryptophan, Cystein, Methionin.40
Die einzelnen Aminosäuren besitzen als funktionelle Gruppen eine Aminogruppe (NH2) und eine Carboxylgruppe (-COOH). Bei der Aminogruppe spricht man auch von
einem N – Terminalen Ende, bei der Carboxylgruppe von einem C- terminalen Ende.
Abb.32: Aminosäure
Die 20 proteinogenen Aminosäuren unterscheiden sich dabei jeweils durch ihren Rest
(-R). (Vgl.Abb.31a-d). Diese können vereinfacht durch folgende Darstellungen
wiedergegeben werden.
Abb.33: vereinfachte Darstellung der Aminosäuren
Diese Art der Darstellung hat den Vorteil, die Bildung von Peptiden und Polypeptiden
40
Vgl. Asselborn et al., S.373.
37
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
besser darstellen zu können. Durch diese Art der didaktischen Reduktion kann evtl. der
Einstieg in das Themenfeld der Aminosäuren und Peptide für die Schüler und
Schülerinnen erleichtert werden. Im Folgenden soll der besseren Darstellbarkeit für die
in Abb.31a-d abgebildeten Aminosäuren wiederholt auf diese Art der Darstellung
zurückgegriffen werden.
Das Vermögen der Aminosäuren sich miteinander verbinden zu können, so dass
Polymeremoleküle entstehen, ist eine grundlegend und eine der wichtigsten
Eigenschaften im Themenfeld der Aminosäuren. Hierbei bilden jeweils zwei
O
....
.....
....
....
NH
....
....
Aminosäuren über eine Peptidbindung
ein Dipeptid. Diese
Möglichkeit der Verbindung ist in Abb.34 dargestellt. Formal entsteht ein Peptid durch
eine Kondensationsreaktion der Carboxylgruppe (-COOH) eines Aminosäure-Moleküls
mit der Aminogruppe (-NH2) eines weiteren Aminosäuremoleküls. (Vgl. Abb.34)
H
H
N
N
H
O
O
R
1
H
R
O
N
OH
OH H
R
H
O
NH
R
+ H 2O
HO
Abb.34: Peptidbindung
Nach der Bildung eines Dipeptides ist jedoch nicht zwangsläufig Schluss. Es kann durch
weitere Kondensationsreaktionen zu weiteren Peptidbindungen und damit zu
Polypeptiden kommen. (Vgl.Abb.36 und Abb.37).
Abb.35: Peptidbindung
38
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Jedes Peptid, ob Di-, Oligo-, oder Polypeptid, das auf diese Art entsteht, weist jeweils 2
endständige Bausteine auf. Ein N-Terminales und ein C-Terminales Ende. Beim CTerminalen Ende handelt es sich um die Carboxylgruppe, beim N-Terminalen um die
Aminogruppe. Beide sind befähigt, durch Kondensationsreaktionen in der Folge weiter
zu reagieren.
Aus diesem Grund können sich immer längere Peptidketten bilden. Handelt es sich um
Peptide aus 2 bis 9 Bausteinen, spricht man von einem Oligopeptid, sind es 10 bis 100
Aminosäure - Bausteine die über die Peptidbindungen verbunden sind, handelt es sich
um ein Polypeptide, bei über 100 Aminosäure-Bausteinen spricht man von einem
Protein.
Abb.36: Polypeptid
Eine alternative Schreibweise zur Wiedergabe dieser Sequenz der Aminosäuren, die
häufig Verwendung findet, ist die Auflistung der Kürzel der Aminosäuren (Vgl.Abb.31ad). beispielsweise:
….-Ala-Gly-Gly-Val-Ala-Lys-Leu-Try-Lys-Ala-Gly-Lys-Val-Asn-Cys-Asn-Asn-Cys-Leu-…
Abb.37: Polypeptid
Die Bildung von Peptiden läuft jedoch nicht freiwillig und spontan ab sondern ist
endergonisch. Das heißt, dass sowohl bei der Laborsynthese als auch bei der
biologischen Synthese die beteiligten Gruppen (Carboxyl und Aminogruppe) zunächst
aktiviert werden müssen. Die sich bildende Peptidbindung ist jedoch eine stabile
Bindung. Die Stabilität der Peptidbindung kann unter anderem durch die Mesomerie
erklärt werden:
R
O

R
O
R 
R
N
R
R
H
R

-
R

R
+
N
R
R
R
H
Abb.38: Stabilisierung der Peptidbindung
39
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Wie man bereits in Abb. 36 und Abb. 37 erkennen kann, ergeben sich allein durch die
Anordnung der Aminosäurebausteine eine unglaublich große Variationsvielfalt. In
einem Protein mit nur 100 Aminosäurebausteinen ergibt sich rechnerisch bereits eine
Kombinationsmöglichkeit von 20100 ≈ 10130. Die Wirklichkeit bestätigt diesen
theoretischen Exkurs; denn tatsächlich sind Proteine die Naturstoffe mit der größten
Mannigfaltigkeit.41
Doch nicht allein die Abfolge der Aminosäure-Bausteine im Peptid oder im Protein, die
als Primärstruktur bezeichnet wird, bestimmt seine Eigenschaft, sondern auch seine
Beschaffenheit lässt Rückschlüsse auf die Wirkung zu. So spielt vor allen Dingen die
‚Anordnung im Raum‘ eine wichtige Rolle. Pauling und Corey bereits in den 1930er
Jahren erkannt, dass kristalline Peptide sich in regelmäßigen räumlichen Mustern
anordneten,
einer schraubenartigen -Helix oder einer als -Faltblatt-Struktur
bezeichneten Anordnung ausgestalteten (Vgl. Abb.39a und 39b).
-Helix-Struktur
-Faltblatt-Struktur
Abb.39a: Räumliche Anordnung der
Peptidkette in -Helix-Struktur
42
Abb.39b: Zwei Peptidketten in -Faltblatt –
Struktur angeordnet 43
41
Vgl. Asselborn et al., S.376.
Vgl. Abbildungsverzeichnis [0a]
43
Vgl. Abbildungsverzeichnis [0b]
42
40
II.
Aminosäuren
und Proteine
Theorieteil
Diese regelmäßigen Anordnungen ergeben sich durch verschiedene mögliche
Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten, die Beispielsweise zur Ausbildung von
Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den Peptidketten führen. Man bezeichnet
eine derartige Ausbildung einer lokalen räumlichen Struktur als Sekundärstruktur.
Vergleicht man Proteine mit identischer Primärstruktur, stellt man fest, dass sie immer
die gleiche dreidimensionale Struktur aufweisen. Diese nennt man Tertiärstruktur.
Abb.40: Tertiärstruktur44
Die in Abb.40 dargestellte Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Struktur
eines Proteins. Hierbei zeigt sich, dass die charakteristische lokale Ordnung in der
Sekundärstruktur zu einer Fernordnung im System führt. Die Tertiärstruktur entsteht
durch Verwindung der Sekundärstruktur. Wichtige Kräfte, die zur Bildung dieser
Fernordnung beitragen, sind die
sogenannten
London-Kräfte - die
schon
angesprochenen Wasserstoffbrückenbindungen - sowie auch die Bildung von
Disulfidbindungen sowie elektrostatischen Wechselwirkungen. Im Versuch zur
Oxidation von Cystein zu Cystin wird auf die Bildung der Disulfidbrücken, die stark zur
Ausbildung von Tertiärstrukturen beitragen, eingegangen werden (Vgl. hierzu,
Experimenteller Teil, Punkt Aminosäuren und Proteine, Versuch 6: Oxidation von
Cystein zu Cystin). Darüber hinaus soll der Versuch zum Schwefelnachweis durch
Thermolyse einen Einblick darin geben, wo sich solche schwefelhaltigen Aminosäuren
44
Vgl. Abbildungsverzeichnis [0c].
41
II.
Theorieteil
Aminosäuren
und Proteine
in unserm Umfeld zu einem sehr hohen Prozentsatz befinden (Vgl. hierzu:
Experimenteller Teil, Aminosäuren und Proteine, Versuch 5: Schwefelnachweis durch
Thermolyse).
Besteht ein Protein aus mehreren Polypeptidketten, die sich jede für sich nach eigenen
Regeln anordnen - trotzdem jedoch noch eine gemeinsame Ordnung bilden spricht
man von einer Quartärstruktur.
Diese Quartärstruktur die Proteine kann durch verschiedene äußere Einflüsse
irreversibel zerstört werden. Man spricht in diesem Fall von einer Denaturierung,
welche auch den Verlust der biologischen Funktion mit sich bringt. Der Versuch zur
Denaturierung von Hühnereiweiß und Milch durch verschiedene Stoffe soll einen
Einblick in dieses Themenfeld bieten (Vgl. hierzu: Experimenteller Teil, Punkt
Aminosäuren und Proteine, Versuch 9: Denaturierung von Hühnereiweiß).
Proteine finden im Organismus vielschichtige Anwendung und sind an fast allen
biochemischen Aktivitäten des Organismus beteiligt, zum Beispiel beim Transport
anderer Stoffe, zu deren Speicherung, zur Abwehr von Fremdstoffen, zur
Signalübertragung oder aber auch einfach zur Stützstruktur im Körper. Darüber hinaus
regeln sie den Stoffwechsel im Körper, indem sie chemische Reaktionen katalytisch
beeinflussen. Der menschliche Körper besitzt zehntausende verschiedene Proteine, die
alle eine spezifische Struktur und Funktion aufweisen. Sie machen mehr als 50 % des
Trockengewichtes der meisten menschlichen Zellen aus.45
In Kapitel III, dem Experimentellen Teil der Arbeit, sollen einige der aufgelisteten
Eigenschaften anhand von Versuchen ausführlicher behandelt werden. Darüber hinaus
sollen auch wichtige Nachweisreaktionen, die einfach und schnell Anwendung im
Chemieunterricht finden können, vorgestellt und diskutiert werden.
Im Kapitel IV – Unterrichtsmaterialien finden sich Arbeitsblätter, die der vertiefenden
Verwendung im Unterricht dienen können.
45
Vgl. INT.7.
42
III.
Experimenteller Teil
III. Experimenteller Teil
Der Experimentelle Teil der Arbeit stellt den umfangreichsten und wichtigsten Teil der
Arbeit - die sich mit den aufwandsarmen Versuchen für den Chemieunterricht
beschäftigt - dar.
Sie sind - bis auf wenige Ausnahmen - in kurzer Zeit vorzubereiten, umzusetzen und
nachzubereiten. Diese Ausnahmen sind jedoch kenntlich gemacht und durch
Begründungen ergänzt, die deren Platz in dieser Arbeit, trotz des größeren
Zeitaufwands, rechtfertigen.
Die angegebenen Zeiten für Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung sind als
Richtwerte anzusehen, und keinesfalls verbindlich und dienen lediglich der
Orientierung. Um die Zeitangaben realisieren zu können, sollten sich die benötigten
Apparaturen in der Nähe befinden, vollständig sein und alle benötigten Chemikalien
griffbereit stehen. Auch orientieren sie sich eher am Zeitbedarf eines geübten
Experimentators. Sind diese Bedingungen nicht gegeben, erhöht sich der Zeitbedarf
etwas. Bei der Auswahl der Versuche standen die Schulrelevanz, sowie der geringe
Zeitbedarf im Vordergrund. So soll es ermöglicht werden, mit Hilfe der
Versuchsbeschreibungen Versuche zu finden, die sich möglichst schnell auch in kurzen
Pausen vorbereiten lassen. Hierdurch soll der unterrichtliche Einsatz von Versuchen,
ob nun Demonstrationsversuche oder Schülerversuche, trotz des engen Zeitfensters im
Schulalltag, erhöht werden.
In den folgenden Kapiteln sind die Versuche nach Themengebieten – orientiert am
hessischen G8 Lehrplan für das Fach Chemie - sortiert. Jedem Versuch ist eine Nummer
zugeordnet, so dass sich schneller orientiert werden kann. Darüber hinaus sind
Verweise zwischen den einzelnen Versuchen untereinander eingefügt, so dass auf ein
mehrfaches Wiedergeben des gleichen Sachverhaltes möglichst verzichtet werden
kann.
Zum besseren Navigieren in der Arbeit, ist das Inhaltsverzeichnis mit Verlinkungen
versehen, so dass durch einen Klick auf die Seitenzahl, mit der linken Maustaste bei
gedrückter „Strg“-Taste, ein Sprung an die entsprechende Stelle in der Arbeit gelingt.
Die Auswahl der Versuche orientierte sich darüber hinaus auch an der Umsetzbarkeit
der Versuche im Schulalltag, so dass auf Versuche, die den Einsatz teurer, exotischer
43
III.
Experimenteller Teil
Chemikalien oder Geräte benötigen, verzichtet wurde. Auch hier besteht kein
Anspruch auf Vollständigkeit.
Die
benötigten
Geräte
und
Chemikalien
sind
immer
zu
Beginn
der
Versuchsbeschreibung genannt, so dass sich schnell und einfach ein Überblick
geschaffen werden kann, was benötigt wird. Darüberhinaus sind auch die
Gefahrensymbole, sowie die Verknüpften R- und S-Sätze der jeweiligen Chemikalien
angegeben, so dass sich auch hier schnell ein Überblick über die möglichen Gefahren
der verwendeten Stoffe geschaffen werden kann. Auf die Ausformulierung der R- und
S- Sätze im Protokoll wurde jedoch verzichtet, die R und S – Sätze sind als Anhang am
Ende der Arbeit zu finden.
Zum Einstufen der eingesetzten Chemikalien auf Verwendbarkeit in der Schule wurde
auf das Programm HessGISS 2008/2009, V.13.0 der Unfallkasse Hessen und dem
hessisches Kultusministerium zurück gegriffen. Der Einfachheit halber wurde von mir
stets folgende Einteilung verwendet.
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
** Schülerexperimente nur in SII erlaubt
*** keine Schülerexperimente erlaubt
In wie weit nun jedoch ein Versuch als Schülerversuch oder doch als
Demonstrationsversuch durch den Lehrer durchgeführt wird, liegt im eigenen
ermessen.
Hinweise:
Für die folgenden Versuche des Experimentellen Teils der Arbeit ist zu sagen:
Dass ich diese Versuche sowie alle Ausarbeitungen der Arbeit mit größtmöglicher
Sorgfalt durchgeführt und verfasst habe. Ich trotzdem nicht garantieren kann, dass alle
Anleitungen oder die theoretischen Ausführungen fehlerfrei sind, und ich daher keine
Verantwortung für den Fall, dass die Versuche wiederholt werden, übernehmen kann.
Alle Versuche dürfen nur unter fachkundiger Anleitung in dafür ausgestatteten
Räumen unter Beachtung entsprechender Sicherheitsvorkehrungen (Schutzbrille,
Kittel, ggf. das Arbeiten in Abzügen usw.) durchgeführt werden.
Zudem können sich Risikoeinschätzungen und Sicherheitsratschläge mit der Zeit
ändern – konsultieren Sie vor der Durchführung entsprechende Datenbanken.
44
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Versuche zu Alkanolen:
Eigenschaften:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
1
Versuch zur Mischbarkeit von Alkoholen
2
Volumenkontraktion: 50 + 50 = 100 ?
3
Fließgeschwindigkeit verschiedener Alkohole
– Mehrwertige Alkohole
Reaktionen:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
4
Reagenzglasgewitter
5
Reaktion von Glycerin durch Kaliumpermanganat
Oxidation von Methanol und Ethanol am
Kupferkontakt (siehe auch Aldehyde)
14
Veresterung
Elementaranalyse / Strukturaufklärung:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer
6
Qualitative Elementaranalyse: Kohlenstoff und
Wasserstoff
7
Qualitative Elementaranalyse: Sauerstoff –
Nachweis mittels Magnesium
8
Reaktion von Etanol mit Natrium
9
Unterscheidung prim. sek. und tert. Alkohole
durch Kaliumpermanganat
10
Unterscheidung prim. sek. und tert. Alkohole
durch Lucas -Reagenz
Vergleiche:
Versuchs- Name
Nummer
11
Unterscheidung Ethanol und Methanol mittels
Borsäure
12
Vergleich zwischen Alkoholen und Phenolen
Darstellung:
Versuchs- Name
Nummer
13
Alkoholische Gärung
45
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 1:
Versuch zur Mischbarkeit von Alkoholen
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Materialien :
Pro Gruppe:
Reagenzglasgestell
6 Reagenzgläser
5 Pipetten
Chemikalien:
Stoffbezeichnung Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
Butan-1-ol
*
Hexan-1-ol
*
Heptan
*
R: 10-22-37/38-41-67
C4H9OH (l)
S: 7/9-13-26-37/39-46
Xn
R: 22
C6H13OH (l)
S: 24/25
Xn
C7H16 (l)
F
, Xn
R: 11 -38-65-67-50/53
S: 9-16-29-33-60-61-62
N
46
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Stoffbezeichnung Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Kupfersulfat
CuSO4
Penthydrat
*5
Xn
R: 22-36/38-50/53
,N
H2O
S: 22-60-61
*
Dest. Wasser
H2O
*
Sudanrot
R: 36/37/38-68
C22H16N4O (s)
*
S: 26-36/37
Xn
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
46
Versuchsaufbau:
Vorbereitungen:
1. + 2.Schritt:
Spatel mit
Sudanrot
Pipette
Heptan
Becherglas gefüllt mit Heptan,
angefärbt mit Sudanrot
3.Schritt:
4. – 6. Schritt:
Et
RG 1 – 3 gefärbt
mit Sudanrot
RG 4 – 6 gefärbt
mit CuSO4
RG 1 - 6
Ethanol
(Et)
46
Bu Hex Et Bu Hex
Butanol Hexanol
(Hex)
(Bu)
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
47
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Durchführung:
1. Verteile 6 Reagenzgläser (RG) in 2 Dreiergruppen auf dem Reagenzglasständer
2. Fülle RG 1 – 3 jeweils 2 cm hoch mit Heptan, das zuvor vom Lehrer mit Sudanrot
gefärbt wurde
3. Fülle RG 4 – 6 jeweils 2 cm mit destilliertem Wasser, das zuvor vom Lehrer mit
Kupfersulfat gefärbt wurde
4. Gib zu RG 1 und 4 jeweils 2 cm Ethanol
5. Gib zu RG 2 und 5 jeweils 2 cm Butanol
6. Gib zu RG 3 und 6 jeweils 2 cm Hexanol
7. Notiere deine Beobachtungen
Beobachtungen:
RG 1: Keine Phasentrennung zu erkennen.
RG 2: Keine Phasentrennung zu erkennen.
RG 3: Keine Phasentrennung zu erkennen.
RG 4: Keine Phasentrennung zu erkennen.
RG 5: Deutliche Phasentrennung zu erkennen.
RG 6: Deutliche Phasentrennung zu erkennen.
Fachliche Auswertung:
RG 1: Keine Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe mischen sich
RG 2: Keine Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe mischen sich
RG 3: Keine Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe mischen sich
RG 4: Keine Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe mischen sich
RG 5: Deutliche Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe sind nicht mischbar
RG 6: Deutliche Phasentrennung zu erkennen.
 Stoffe sind nicht mischbar
48
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Doch warum mischen sich Stoffe miteinander?
Die Reagenzgläser (RG) 1 – 3 sind mit Heptan gefüllt, einem unpolaren langkettigen
Kohlenwasserstoff. In diesem gibt es aufgrund des geringen EN-Unterschiedes zwischen den
Atomen und der gleichmäßigen Verteilung im Raum kein Dipolmoment (siehe Abb.5).
Ein Dipolmoment entsteht, wenn ein Atom einer Atombindung aufgrund der höheren
Elektronegativität (EN) die Bindungselektronen stärker an sich heranzieht, wodurch im
Molekül ein negativer Pol (𝜹-) und positiver Pol (𝜹+) entsteht. Sind diese räumlich von
einander getrennt, spricht man von einem permanenten Bindungsmoment oder einem
lokalen Dipolmoment. Das Dipolmoment ist als Produkt des Ladungsunterschieds (q) mit
dem Abstand (d) definiert.
Dipolmoment = q ∙ d
(1)
Ein Beispiel hier für ist das HCl – Molekül.
Abb.1a Valenzstrichformel des HCl – Moleküls
Abb.1b Schematische Darstellung der Elektronendichte
im HCl – Molekül.
In einem zweiatomigen Molekül entspricht das aus dem Elektronegativitätsunterschied
entstehende Bindungsmoment auch gleich dem Dipolmoment.
Liegen allerdings - wie in unserem Fall - mehrere polare Bindungen vor, so ergibt sich das
Dipolmoment durch vektorielle Addition der einzelnen Bindungsmomente. Ein Beispiel
hierfür ist das CO2 – Molekül, in dem zwar starke Bindungsmomente aufgrund des großen
Unterschiedes der Elektronegativitäten zwischen Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O)
49
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
vorliegen, beide sich jedoch aufgrund der linearen Struktur gegenseitig aufheben
(Vgl.Abb.2).
O
C
O
kein Dipol
Abb.2 Lineare Struktur des CO2 – Moleküls
Für die Mischbarkeit der Substanzen gilt der Grundsatz: „similia smilibus solvuntur“
(„Ähnliches wird in Ähnlichem gelöst“ oder „Ähnliches löst Ähnliches“). Die Ähnlichkeit spielt
auf die Polarität der sich mischenden Stoffgruppen an. 47 und 48
Daher gilt es nun die beteiligten Stoffe auf ihre Polarität hin zu untersuchen.
Wasser:
Ein permanentes Dipolmoment liegt beim Wassermolekül (H2O) vor, welches in RG 4 – 6 als
Lösungsmittel verwendet wurde. Aufgrund des großen Elektronegativitätsunterschiedes
zwischen Sauerstoff (liegt bei 3,5) und Wasserstoff (liegt bei 2,2)49 im Wassermolekül zieht
der stärker elektronegativere Sauerstoff die Bindungselektronen stärker an, wodurch der
Sauerstoff partiell negativ (δ−) geladen wird. Während dessen wird Wasserstoff partiell
positiv (δ+). So entsteht - wie in Abb.3a dargestellt - das Dipolmoment des Wassers.



O
H


H



Abb.3a Dipolmoment Wasser
Abb.3b Schematische Darstellung
der Polarität des Wassermoleküls
47
Vgl. Mortimer, S.198.
Vgl. INT.1.
49
Vgl. INT.3.
48
50
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Ebenso kann man der Hydroxygruppe (-OH) eines Moleküls eine polare Eigenschaft
zusprechen.
Abb.4a Schematische Darstellung der
Polarität des Hydroxygruppe
Abb.4b: Schematische Darstellung der
Polarität des Hydroxygruppe
Im Folgenden sollen nun polare Gruppen mit einem blauen Kreis dargestellt werden;
unpolare hingegen mit einem orange-abgerundeten Viereck.
Wassermoleküle bilden untereinander starke Wasserstoffbrückenbindungen aus. Diese sind
elektrostatische Wechselwirkungen, die auf den beschriebenen Unterschied der
Elektronegativitäten und den daraus resultierenden Dipolmoment hervorgehen (Vgl.Abb.4c
und 4d).
Abb.4c: Wasserstoffbrückenbindungen
H
H
O
H
H
O
Abb.4d: Wasserstoffbrückenbindungen
51
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Die Ausbildung dieser Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Molekülen führt dazu,
dass die Wassermoleküle nicht einzeln vorliegen. Je nach Dichte und Temperatur stehen 2, 4
oder 8 Wassermoleküle in direkter Nachbarschaft und sind über die Wasserstoffbrücken
miteinander verbunden. Diese Tatsache ist auch dafür verantwortlich, dass Wasser einen
solch hohen Siedepunkt besitzt und anders als beispielsweise die Wasserstoffverbindungen
der anderen Chalkogene (wie das H2S) bei Normalbedingungen flüssig ist. Dagegen handelt
es sich bei dem Schwefelwasserstoff (H2S) um ein Gas.
Heptan:
Abb.5: Lewis – Darstellung von Heptan
-
kein großer Unterschied in den EN von C (Kohlenstoff) und H (Wasserstoff)
 kein großes Bindungsmoment
 Ausbildung von Wasserstoffbrücken nicht möglich
-
sowie gleichmäßige räumliche Verteilung der Bindungsmomente
 kein permanentes Dipolmoment
Versucht man Heptan und Wasser zu vermischen, so stellt man fest, dass sich diese schnell
wieder voneinander trennen und keine homogene Lösung entsteht.50 Dies lässt sich
folgendermaßen erklären: Würde sich Wasser und Heptan miteinander mischen, so müssten
die Wasserstoffbrückenbindungen die sich zwischen den Wassermolekülen ausbilden
können, nicht aber zwischen Wasser und Heptan ausbilden können, gegen viel schwächere
van-der-Waals
Wechselwirkungen
eingetauscht
werden.
Der
Zusammenhalt
der
Wassermoleküle über starke Wasserstoffbrücken stellt einen energetisch günstigen Zustand
dar, so dass und sich keine homogene Mischung aus Heptan und Wasser bildet, sondern die
Hexanmoleküle eine eigene Phase bilden. Dies bewirkt, dass die Grenzfläche, an denen die
energetisch ungünstigeren Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen beiden Molekülen
50
Vgl. Deckwer et al..
52
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
ausgebildet werden, möglichst klein gehalten wird (Vgl. hierzu auch, fachliche Auswertung
zu Versuch 2, Volumenkontraktion 50 + 50 = 100?).
Hexanol:
Abb.6: Lewis – Darstellung von Hexanol
Im Hexanol liegt neben dem unpolaren Alkylrest (orange dargestellt) noch die polare
Hydroxygruppe vor (blau dargestellt).
Dadurch, dass der allerdings unpolare Alkylrest
überwiegt, ist das Molekül trotz der polaren Alkylgruppe als unpolar anzusehen. Dies erklärt
die Löslichkeit von Hexanol in Heptan und die Phasentrennung mit Wasser.
Butanol:
Abb.7: Lewis – Darstellung von Butanol
Im Butanol liegt - wie im Hexanol auch - neben dem unpolaren Alkylrest noch die polare
Hydroxygruppe. Zwar ist der Alkylrest kürzer, doch überwiegt auch in diesem Molekül der
unpolare Charakter, so dass auch Butanol als unpolar eingestuft werden kann. Dies erklärt
die Löslichkeit von Hexanol in Heptan und die Phasentrennung mit Wasser.
53
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Die Mischbarkeit der Alkohole mit Wasser lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:
Abb.8: Schematische Darstellung der
Mischbarkeit verschiedener Alkohole mit Wasser
Ergebnis: Mit zunehmender Kettenlänge nimmt die Mischbarkeit mit Wasser ab!
Darüber hinaus kann auch erklärt werden, warum sich das zur besseren Veranschaulichung
des Effektes verwendet Kupfersulfat (CuSO4) nur im Wasser löste, und dieses Blau anfärbte,
während Sudanrot sich nur im unpolaren Heptan löste und dieses Rot färbte. Auch hier gilt
wieder der Grundsatz: „Ähnliches löst Ähnliches“.51
CuSO4 ist ein Salz und wie jedes Salz aus Ionen aufgebaut: dem positiv geladenen Cu2+ Kation und dem negativ geladenen SO42- Anion, beides polare Teilchen. Demnach ist zum
Lösen
nur
ein
polarer
Wasserstoffbrückenbindungen
Stoff
geopfert
wie
Wasser
werden,
ziehen
geeignet.
die
Während
Ionen
die
die
polaren
Lösungsmittelmoleküle an (die Anionen den positiven Part des Lösungsmittelmoleküls und
die Kationen den negativen), so dass sich letztlich Ion-Dipol-Anziehungskräfte zwischen den
Teilchen ausbilden können.52
Das Sudanrot hingegen ist ein komplexes organisches Molekül, das als unpolar zu
bezeichnen ist. Daher auch die Löslichkeit nur im „Ähnlichen“ unpolaren Heptan.
51
52
Vgl. Mortimer, S.198.
Vgl. Mortimer, S.198f.
54
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Didaktische Auswertung:
Der Versuch zur „Mischbarkeit“ der Alkohole mit verschiedenen Lösungsmitteln ist sehr gut
als Schülerversuch geeignet. Alle verwendeten Chemikalien sind laut HessGISS zur
Benutzung in Sek.I und Sek.II freigegeben. Der Aufwand ist relativ gering, die Anforderungen
an die Schüler nicht zu hoch und auch Reagenzgläser und Chemikalien sollten in
ausreichender Zahl vorhanden sein.
Die Schüler und Schülerinnen können frei und selbstständig arbeiten und die Ergebnisse
nach Abschluss der freien Arbeitszeit gemeinsam im Plenum erarbeitet werden.
Dieser Versuch könnte im Rahmen der Alkohole, welche im hessischen Lehrplan bereits in
der 10G unter Punkt Alternative 2 aufgelistet ist, durchgeführt werden. Hierbei können die
Eigenschaften
der
Alkohole
und
der
Einfluss
der
Hydroxygruppe
auf
das
Löslichkeitsverhalten untersucht und damit auch mit denen der Alkane verglichen werden.
Wegen seines geringen Zeitaufwandes kann dieser Versuch an jeder anderen Stelle, wenn es
um „Mischbarkeit“ oder polare und unpolare Eigenschaften geht, durchgeführt werden. Die
entstehenden Phasen sind durch die Möglichkeit des Einfärbens durch Kupfersulfat und
Sudanrot gut zu beobachten, sodass kein Zweifel darüber besteht, ob die Stoffe mischbar
sind oder nicht.
Für die Auswertung des Versuchs brauchen die Schüler nur wenige Vorkenntnisse. Dass sich
Öle nicht mit Wasser mischen lassen, dürfte jeder schon mal zu Hause beobachtet haben.
Kenntnisse über die Wasserstoffbrückenbindungen und über die Van-der-Waals-Kräfte,
erleichtern die Auswertung des Versuchs allerdings merklich. Die Kenntnisse über diese
beiden Phänomene könnten an dieser Stelle erarbeitet oder aufgefrischt werden.
Entsorgung:
Alle Lösungen werden im organischen Lösungsmittelabfall entsorgt.
Literatur:
INT.1:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_7/vlu/loesung
en.vlu/Page/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_7/kap7_5/kap7_51/kap7_51a.vscml.html
(Zugriff: 02.04.10).
INT.2: http://www.lenntech.de/element-und-wasser/loeslichkeit.htm (Zugriff: 02.04.10).
INT.3: http://www.uniterra.de/rutherford/tab_en.htm (Zugriff: 02.04.10).
55
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 2:
Volumenkontraktion: 50 + 50 = 100 ?
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien:
2 Messzylinder 100 mL
Spatel
3 Messzylinder 50 mL
Erlenmeyerkolben 100 mL
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summenformel
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
-
R: -
*
Dest. Wasser
*
Octan-1-ol
*
Sudanrot
*
H2O
S: R: 36/38
C8H17OH (l)
Xi
R: 36/37/38-68
C22H16N4O (s)
S: 26-36/37
Xn
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
53
S: 23.2
Menge
50 mL
50 mL
50 mL
etwas
53
HessGiss 2008/2009
56
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Messzylinder 3, zu
füllen mit Inhalt
Messzylinder 1 + 2
Ethanol
-angefärbt-
Messzylinder 1,
zu füllen mit 50
mL dest. Wasser
Messzylinder 2, zu
füllen mit 50 mL
Ethanol
Messzylinder 5, zu
füllen mit Inhalt
Messzylinder 1 + 3
Octanol
-angefärbt-
Messzylinder 1,
zu füllen mit 50
mL dest. Wasser
Messzylinder 4 ,
zu füllen mit 50
mL Ocatan-1-ol
Durchführung: 54
1. Färbe die organischen Flüssigkeiten (Ethanol und Octan-1-ol) mit etwas Sudanrot an.
2. Miss mit Hilfe zweier 50 mL Messzylinder jeweils genau 50 mL Ethanol und 50 mL
Octan-1-ol ab (Messzylinder 2 und 4)
3. Miss anschließend genau 50 mL dest. Wasser ab und gib es in den 100 mL
Standzylinder 3.
4. Miss erneut 50 mL Wasser ab, und gib sie in Standzylinder 5
5. Fülle nun in Standzylinder 3 den rot gefärbten Ethanol aus Messzylinder 2
6. Und gib in den Standzylinder 5 die 50 mL Octan-1-ol aus Messzylinder 4
7. Notiere die Volumina der beiden 100 mL Standzylinder genau 55
Beobachtungen:
Ethanol ist eine klare, farblose, wasserähnliche Flüssigkeit, die sich nach Zugabe von
Sudanrot rot färbt. Das Ethanol vermischt sich vollständig mit dem Wasser. Es entsteht eine
homogene, rötliche Lösung. Das Volumen beträgt etwa 97 - 98 ml.
54
55
Vgl. INT.1.
Vgl. INT.2.
57
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Oktan-1-ol ist ebenfalls eine klare Flüssigkeit. Nach Zugabe von Sudanrot färbt sie sich Rot.
Nach Zugabe des Alkohols zum vorgelegten Wasser im 100 mL Standzylinder bildet sich eine
Emulsion. Nach kurzer Zeit trennt sich der rötlich gefärbte Alkohol wieder vom Wasser. Es
entstehen 2 getrennte Phasen. Die wässrige Phase ist farblos. Das Volumen beträgt 100 ml.
Fachliche Auswertung:
Sudanrot ist ein rötlichbraunes Pulver. Es gehört zur Gruppe der Azo-Farbstoffe. Der
Farbstoff mit „Sudan“ ist ein synthetisch hergestellter Farbstoff der Firma BASF, die sich den
Namen Sudan haben eintragen lassen.56 Es gibt 4 Substanzen die den Namen Sudan tragen:
Sudan I (gelbe Farbe), Sudan II (orangene Farbe), Sudan IV, (scharlachrote Farbe) und das in
diesem Versuch verwendete Rote Sudan III. Wie alle Sudan – Substanzen ist auch Sudanrot
trotz seiner Hydroxygruppe ein unpolares Molekül, das sich gut in anderen unpolaren
Stoffen - wie Fetten, Ölen, Wachsen oder Kohlenwasserstoffen - löst.57
N
N
N
N
OH
Abb.1: Sudanrot
Daher färbt Sudanrot auch jeweils nur die unpolare Phase an, nicht jedoch die wässrige. Dies
erklärt dann auch die klare Farbtrennung bei der Vermischung von 50 mL Octan-1-ol und
dest. 50 mL Wasser. Hier wird nur das unpolare Octan-1-ol rötlich gefärbt, nicht jedoch die
wässrige Phase mit dem Wasser.
56
57
Vgl. INT.2.
Vgl. INT.2.
58
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Abb.2: Lewisdarstellung von Octan-1-ol
Im Octan-1-ol Molekül überwiegt - wie in Abb.2 zu sehen ist - der unpolaren Alkylrest,
(orange dargestellt) gegenüber der polaren Hydroxygruppe (blau). Dies erklärt dann auch,
warum das Molekül als unpolar anzusehen ist und dessen Löslichkeit (Vgl. Versuch 1,
Mischbarkeit der Alkohole). Eine Erklärung für die deutlich sichtbare Phasentrennung
zwischen Wasser und Octan-1-ol ist, dass die Wassermoleküle - entgegen ihrem Bestreben in
die alle Richtungen Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden - in Richtung des organischen
Moleküls keinen solchen Bindungen ausbilden können. Anders verhält sich dies in reinem
Wasser, hier können die Wassermoleküle in alle Richtungen Wasserstoffbrücken ausbilden,
da sie ausgenommen der Ränder, in alle Richtungen von anderen Wassermolekülen
umgeben sind. Doch aufgrund des langen, unpolaren und damit hydrophob wirkenden
Alkylrests
können
die
polaren
Wassermoleküle
in
dessen
Nähe
keine
Wasserstoffbrückenbindungen aufbauen. Demnach ist es aus energetischer Sicht für das
System aus Wasser und Octan-1-ol günstiger, wenig „Berührungsfläche“ zwischen einander
zu bilden. Damit wird dann der Energieverlust, den der Verlust der Möglichkeit
Wasserstoffbrücken aufzubauen mit sich bringt, minimiert. Aus diesem Grund ist eine klare
Phasentrennung günstiger als eine Durchmischung, in der es häufiger zu direktem Kontakt
zwischen polarem Wasser und unpolarem Octan-1-ol kommen käme.
Anders sieht dies bei dem ebenfalls von dem Sudanrot rot gefärbten Ethanol aus. In diesem
Fall vermischen sich nicht nur beide miteinander, sondern hier tritt auch das Phänomen der
Volumenkontraktion auf. So werden aus 50 mL Wasser und 50 mL Ethanol nur 97 - 98 mL
Gesamtvolumen. Warum ist das so?
Hier hilft die Lewisdarstellung des Moleküls weiter:
59
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Ethanol:
Abb.3: Lewis – Darstellung von Ethanol
Im Ethanolmolekül liegt - wie in allen Alkoholen - neben dem unpolaren Alkylrest noch die
polare Hydroxygruppe vor. Zwar überwiegt im Ethanol der polare Einfluss der
Hydroxygruppe (was das Vermischen von Ethanol mit Wasser erklärt) doch vermag das
Molekül aufgrund seines Verhältnisses zwischen polarer Hydroxygruppe und unpolarem
Alkylrest auch das Sudanrot zu lösen, so dass es sich nach dessen Zugabe rot verfärbt. Dies
ist auch beim Octan-1-ol zu beobachten. Doch anders als beim Octan-1-ol, welches sich nicht
mit dem Wasser mischt (hier bilden sich 2 Phasen) vermischt sich das Ethanol gut mit Wasser
praktisch in jedem Verhältnis mit diesem.
Die Farbe dient allerdings nur zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Mischbarkeiten der
verwendeten Stoffe. Sie hat keinerlei Einfluss auf das Phänomen der Volumenkontraktion.
Auch ohne Sudanrot würde das Phänomen „50 + 50 = 100“ auftreten.
Dieses Phänomen lässt sich mit Hilfe einer kleinen didaktischen Reduktion des Gegenstands
sehr schön veranschaulichen:
Füllt man in einen Messzylinder 50 mL Linsen, in einen weiteren 50 mL Erbsen und schüttet
anschließend beide zusammen in einen 100 mL Standzylinder, schüttelt gut durch und
vergleicht die Volumina. So fällt bei diesem Versuch auf, dass 50 + 50 nicht immer 100 sein
muss. Hier wird allerdings sofort klar, dass die kleineren Linsen in die Zwischenräume, die
zwischen den größeren Erbsen vorhanden sind, hinein rutschen können. Der Versuch zeigt in
plastischer Weise die Verringerung des Volumens. Dies ist eine stark vereinfachte Erklärung
des Phänomens der „Mischbarkeit“ von Ethanol und Wasser. In diesem Fall sind es allerdings
nicht die „Zwischenräume“, sondern hier spielt die Anziehungskraft und das engere
„Zusammenrutschen“, eine Rolle.
60
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Das folgende Schaubild soll dieses verdeutlichen:
Abb.4: Ausschnitt aus der Lösung
von Ethanol und Wasser
Wasserstoffbrückenbindungen (hier Rot dargestellt) sorgen dafür, dass sich Wasser- und
Ethanolmoleküle im Gemisch stärker anziehen, als sie es in den reinen Flüssigkeiten tun
würden. Zwar gibt es im reinen Wasser – wie auch in reinem Ethanol –
Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen den Molekülen ausbilden, doch vermögen
es die kleineren Wassermoleküle sich zwischen die größeren Ethanolmoleküle einzulagern.
Deswegen kann man bei deren Vermischung eine Volumenkontraktion beobachten.
Didaktische Auswertung:
Der Versuch greift - wie der Versuch zur Mischbarkeit von Alkoholen (Vgl. Versuch 1) erneut die unterschiedlichen Löslichkeiten der Alkohole auf. Doch anders als im
Vorangegangen soll es hier auch noch um das Phänomen der Volumenkontraktion gehen.
Hier kann erneut auf das Thema der Wasserstoffbrückenbindugen eingegangen werden. Die
unterschiedliche Löslichkeit des Farbstoffs ist ein interessanter Aspekt dieses Versuches.
Darüber hinaus kann an dieser Stelle - falls dies nicht schon bei den „Mischbarkeiten“
behandelt wurde - der Hintergrund der Phasentrennung zwischen polaren und unpolaren
Flüssigkeiten erklärt werden. Der Versuch ist Dank der Zugabe von Sudanrot, welches allein
der Verdeutlichung der „Mischbarkeiten“ dient, besser zu verstehen. Er sollte aufgrund des
geringen Aufwandes und der relativ ungiftigen Chemikalien möglichst Anwendung als reiner
Schülerversuch in Kleingruppen finden. Es ist eindrucksvoller und lerneffektiver, einen
Versuch durchzuführen, als nur dabei zuzuschauen.
61
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Entsorgung:
Alle Lösungen werden im organischen Lösungsmittelabfall entsorgt.
Literatur: 58
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/organische_stoffklassen/alkohole.html?o7... –
Ausarbeitung zum Experimentalvortrag von Volker Wenke. (Zugriff: 02.04.10).
INT.2: http://www.chemikalienlexikon.de/cheminfo/suda-lex.htm (Zugriff: 02.04.10).
58
Die Literaturangaben am Ende eines jeden Protokolls beinhalten lediglich spezielle und für das Thema
relevante Quellen. Allgemeine Literaturhinweise sind am Ende der Arbeit zu finden; weitere im Protokoll
verwendete Quellen wurden entsprechend kenntlich gemacht.
62
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 3:
Fließgeschwindigkeiten verschiedener Alkohole
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
Materialien :
2 – 4 Büretten a 50 mL
Stoppuhr
2- 4 Trichter
2 – 4 Erlenmeyerkolben 50 mL
Stativmaterial
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
CH3CH2OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
Glycerin (w=0,87)
-
R: -
(1,2,3-Propantriol) C3H8O3 (l)
S: -
*
Propan-1-ol
*
1,2-Ethandiol
*
C3H7OH (l)
R: 11-41-67
F
, Xi
C2H6O2 (l)
R: 22
10 mL
10 mL
10 mL
Xn
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
59
S: 7-16-24-26-39
10 mL
59
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
63
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Bürette
Jeweiliger
Alkohol
Alkohole 1 –
4
auf
Bürette
zu
Durchführung: 60
1. Befülle eine Bürette mit jeweils 10 mL des angegebenen Alkohols.
1: Ethanol,
2: 1,2-Ethandiol,
3: Propan-1-ol,
4: Glycerin
2. Öffne den Hahn und lasse die gesamte Flüssigkeit in den Erlenmeyerkolben fließen.
3. Stoppe die Zeit.
(Die aufgefangenen reinen Flüssigkeiten können erneut verwendete werden).
------4. (optional: öffne jeweils 2 Büretten gleichzeitig und vergleiche die Geschwindigkeit
mit der jeweils der Alkohol ausfließt.)
(optional: Mit mehr Flüssigkeit wird der Effekt deutlicher, daher können auch 25 oder
30 mL der Flüssigkeiten genommen werden)
Beobachtungen:
Die Auslaufgeschwindigkeiten der Alkohole nimmt von Glycerin > 1,2 Ethandiol > Propan-1-ol
> Ethanol ab. Die Fließgeschwindigkeiten können ein wenig variieren. Alle verwendeten
60
Vgl. Asselborn et al..
64
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Alkohole sind klare, farblose Flüssigkeiten, die sich jedoch schon beim Einfüllen durch ihre
Zähigkeit unterscheiden.
Fachliche Auswertung:
Die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten der Alkohole können über das Phänomen der
Viskosität erklärt werden.
Die Viskosität ist das Maß für die „Zähflüssigkeit“ einer Flüssigkeit. Je höher diese ist, desto
schlechter ist ihr Fließverhalten. Man kann sie daher als dickflüssig oder zähfließend
beschreiben. Die Fließgeschwindigkeit nimmt also mit steigender Viskosität ab. Besitzt
hingegen ein Stoff eine niedrige Viskosität - wie Ethanol - so hat er eine hohe Fließfähigkeit.
Die Viskosität einer zähen, hoch viskosen Flüssigkeit kann durch die stärker aneinander
gebunden Moleküle in den Flüssigkeiten beschrieben werden. Sie werden damit
unbeweglicher. Vereinfacht lässt sich das durch einen inneren Reibungswiderstand, der die
Flüssigkeit am Fließen hindert, beschreiben. Eine im Alltag bekannte hochviskose Flüssigkeit
ist Honig. Dieser weist ein zähes Fließverhalten auf. 61
Die dynamische Viskosität einer Flüssigkeit bei 20°C wird in [mPa∙s] angegeben werden.
Diese beträgt bei Wasser 1,0087, bei Ethanol 1,19, bei Glycerin (50%) schon 6,05, reines
Glycerin (100%) 1480 und bei Honig sogar 10000 [mPa∙s].62
Die vier verwendeten Alkohole, Ethanol, 1,2-Ethandiol, Propan-1-ol und Glycerin,
unterscheiden sich neben ihrer Kettenlänge hauptsächlich in der Anzahl ihrer
Hydroxygruppen (Vgl.Abb.1a und Abb.1b).
Ethanol
H
1,2-Ethandiol
H
H
C
C
H
OH
H
H
H
H
C
C
OH
OH
H
Abb.1a: Lewisdarstellung der
verwendeten Alkohole
61
62
Vgl. INT.1.
Vgl. INT.1.
65
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Propan-1-ol
H
Glycerin (1,2,3-Propantriol)
H
H
H
C
C
C
H
H
OH
H
H
H
H
H
C
C
C
OH
OH
OH
H
Abb.1b: Lewisdarstellung der
verwendeten Alkohole
Die unterschiedlichen Auslaufgeschwindigkeiten der Alkohole (die von Glycerin, über 1,2Ethandiol, über Propan-1-ol bis hin zu Ethanol abnehmen) lässt sich mit Hilfe der stärkeren
Wechselwirkungen zwischen den Molekülen erklären. Je mehr Hydroxygruppen der Alkohol
aufweist, desto stärker werden die einzelnen Moleküle zusammen gehalten (zwischen den
Molekülen
können
sich
mehr
Wasserstoffbrückenbindungen
ausbilden).
Diese
Wasserstoffbrückenbindungen sorgen für stärkere Wechselwirkungen zwischen den
einzelnen Molekülen, was dazu führt, dass die Flüssigkeit in gewisser Weise stärker am
Fließen gehindert wird. Je mehr Hydroxygruppen der Alkohol demnach besitzt, desto
viskoser ist er auch. So nimmt die Fließgeschwindigkeit von Glycerin - welches 3
Hydroxygruppen besitzt - zum Ethanol hin, der nur lediglich eine Hydroxygruppe besitzt, ab.
Vereinfacht kann dies durch folgende Abbildung dargestellt werden:
Fließgeschwindigkeit nimmt zu
Viskosität nimmt ab
Abb.2: Vergleich Wasserstoffbrückenbindungen
und der Viskosität
66
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Die Viskosität einer Flüssigkeit hängt allerdings stark von der Temperatur ab. Sie sinkt mit
steigender Temperatur. Der Grund ist, dass die Teilchengeschwindigkeit mit erhöhter
Temperatur zunimmt und dadurch die Wechselwirkungen, die der Fließfähigkeit der
Flüssigkeit entgegenwirken, kürzer wirken können.
Didaktische Auswertung:
Mit Hilfe dieses einfachen Versuches, der die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten
einwertiger Alkohole mit mehrwertigen vergleichen lässt, kann den Schülern die Eigenschaft
der Viskosität näher gebracht werden. Der Versuch lässt sich einfach und schnell
durchführen und kann von den Schülern und Schülerinnen selbst in Kleingruppen
durchgeführt werden. Die verwendeten Flüssigkeiten können, insofern sie nicht mit den
anderen Stoffen in Berührung gekommen sind, durchaus wieder verwendet werden. So
können die Kosten eingespart werden. Für die Durchführung des Versuchs sind verschiedene
Varianten denkbar:
Um den Schülern und Schülerinnen die Möglichkeit zu geben, die Versuche selbst
durchzuführen, sollten verschiedene Stationen aufgebaut werden. In Kleingruppen können
auf vier, besser sechs Stationen die Versuche durchgeführt werden. Durch Bildung von
Kleingruppen sind die Schüler und Schülerinnen näher am Versuch und müssen beim
Versuchsablauf selbst Hand anlegen.
Weiterhin könnte eine letzte Station dafür zu nutzen, vier Büretten gleichzeitig mit den
Alkoholen zu befüllen, um so die unterschiedlichen Laufzeiten direkt vergleichen zu können.
Um den Effekt etwas hervorzuheben, sollte in dieser Station das Volumen auf 30 mL erhöht.
Entsorgung:
Die verwendeten Lösungen können im Sammelbehälter für organischen Abfall entsorgt
werden. Wenn sie jedoch nicht verschmutzt sind, können sie zurück in das entsprechende
Aufbewahrungsgefäß gegeben werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/v/viskositaet.htm (Zugriff:
04.04.2010).
67
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 4:
Reagenzglasgewitter
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Pro Gruppe:
Reagenzglas
Pipette
Spatel
Reagenzglasgestell
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
Schwefelsäure (konz.)
*
Kaliumpermanganat
*
R: 35
H2SO4
S: 26-30-45
C
KMnO4 (s)
O
, Xn
,
R: 8-22-50/53
S: 60-61
3 mL
3 mL
Ca. 0,5 g
N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
63
63
HessGiss 2007/2008
68
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
Pipette mit
konz.
2. Schritt:
Schwefelsäure
3. Schritt:
Pipette mit
Ethanol
Spatel mit
KMnO4
Ethanol
H2SO4 (konz)
Durchführung:64
1. Fülle ein sauberes Reagenzglas 2 cm hoch mit konz. Schwefelsäure.
2. Überschichte die konz. Schwefelsäure vorsichtig mit 4 cm Ethanol. Achte darauf, dass
sich die beiden Flüssigkeiten nicht vermischen und eine klare Phasentrennung
vorliegt.
3. Wirf nun kleine Kaliumpermanganatstücke in das Reagenzglas.
Beobachtungen:
Die Kaliumpermanganatstücke sinken durch die Ethanolschicht bis zur Schwefelsäureschicht
ab. Dort treten rasch violette, grüne und braune Schlieren an den weiter zu Boden
gleitenden Kaliumpermanganatstücken auf.
Begleitet wird dies von kleinen Bläschen, die nach oben aufsteigen. Die Zahl der
aufsteigenden Bläschen steigt. An der Grenzfläche zwischen Schwefelsäure und Ethanol
kommt es nun immer wieder zu blitzartigen Entladungen. Begleitet sind diese von
schwachen Knallgeräuschen. Nach kurzer Zeit, nach ca. 5 Minuten ist die Reaktion beendet.
64
Vgl. INT.3.
69
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Aufgrund der unterschiedlichen Dichten vermischen sich die beiden Flüssigkeiten bei
vorsichtigem Überschichten nicht sofort. Konzentrierte Schwefelsäure (H2SO4) besitzt eine
𝒈
𝒈
Dichte von 1,8356 𝒄𝒎𝟑 , während Ethanol nur eine Dichte von 0,79 𝒄𝒎𝟑 besitzt.65 Dies erklärt
die Phasentrennung, an der die eigentlich Reaktion abläuft.
Konzentrierte Schwefelsäure (H2SO4) reagiert nach folgender Reaktionsgleichung mit dem
Kaliumpermanganat, zu Mangan(VII)-Oxid (Mn2O7), einem grün - schwarzen Öl. 66
Mn 2O7 (l) + 2 K
2 KMnO 4 (s) + H 2SO4 (konz.)
+
2(aq) + SO 4 (aq) + H 2O
Abb.1a: Bildung des Mangan(VII)-Oxid
Mangan besitzt in dieser Verbindung - wie auch im Permanganat - die Oxidationsstufe (+VII)
und hat demnach d0 – Konfiguration.67
O
O
O
Mn
Mn
O
O
O
O
Abb.1b: Mangan(VII)-Oxid
Mangan(VII)-Oxid (Mn2O7) liegt molekular vor und ist eine instabile Verbindung, ein
hochexplosives Öl. Es besteht aus eckenverknüpften – MnO4 – Tetraedern.68
Beim Erwärmen zersetzt es sich allerdings explosionsartig zu elementarem Sauerstoff und
Braunstein (Vgl.Abb.2a).
+VII -II
2 Mn 2O7 (l)
+IV -II
0
4 MnO 2 (s) + 3 O 2 (g)
Abb.2 a: Mangan(VII)-Oxid
65
Vgl. INT.1 .
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.831.
67
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.831f.
68
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.831.
66
70
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Der entstandene elementare, gasförmige Sauerstoff steigt nach oben auf, was die
Bläschenbildung erklärt.
Des Weiteren oxidiert er an der Phasengrenzschicht Ethanol zu Kohlendioxid CO2 und
Wasser H2O. Hierdurch lässt sich die Funkenbildung erklären.
Diese erklärt auch die weitere Eigenschaft des Mangan(VII)-Oxids, dass es mit den meisten
organischen Verbindungen unter Entzündung oder gar explosionsartig reagiert.
Die Reaktion an der Phasengrenzschicht lässt sich wie folgt beschreiben:
H
H
-III
H
C
C
H
H
+IV -II
0
-I
O
+ 3 O2
H
(g)
2 CO2
-II
(g) +
3 H 2O
(l)
Abb.2: Reaktionsgleichung – Reaktion von Ethanol mit Sauerstoff
Die farbigen Schlieren sind auf Manganverbindungen in verschiedenen Oxidationsstufen
zurückzuführen. So sind die violetten Schlieren durch das eingesetzte Permanganation
(MnO4- - Mangan in der Oxidationsstufe (VII)), die braunen Schlieren auf das sich bildenden
Braunstein (MnO2 - Mangan in der Oxidationsstufe (IV)), und die grünen Schlieren auf das
sich zwischenzeitlich bildende Mangan (VI) – Oxid (MnO42-) zu erklären.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch zählt wohl eher zur Kategorie der effektvollen Showversuche. Er lässt sich in
dieser Art und Weise nur schwer im Lehrplan einordnen. Lediglich die Tatsache der
ablaufenden Oxidation des Ethanols ließe sich mit dem Lehrplan vereinbaren. Trotzdem
sollte er aufgrund des geringen Aufwandes und der eindrucksvollen Effekte seinen Platz im
Chemieunterricht finden, da er sicher einer der Versuche ist, die den Schülern und
Schülerinnen auch noch nach Jahren in Erinnerung bleiben. Auch die farbige
Schlierenbildung, die auf Manganverbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen
zurückzuführen sind, kann den Schülern und Schülerinnen anschaulich den Ablauf der
71
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Redoxreaktion demonstrieren. An dieser Stelle könnte noch einmal die Bestimmung von
Oxidationsstufen wiederholt werden.
Entsorgung:
Nach beendeter Reaktion lässt man das Gemisch abkühlen und zieht dann mit einer Pipette
die obere organische Ethanolphase ab. In einem kleinen Becherglas kann nun der Ethanol
verdunsten
oder
im
organischen
Lösungsmittelabfall
entsorgt
werden.
Die verunreinigte Schwefelsäure-Phase wird mit Wasser (evtl. Eis) verdünnt und mit Lauge
neutralisiert. Die Manganreste, die in den verschiedensten Oxidationsstufen vorliegen,
können mit Natriumthiosulfat in gefahrlose Reduktionsprodukte überführt werden. Die
Entsorgung erfolgt in den wässrigen Schwermetallabfällen.
Literatur:
Chemie und Schule (CUS): 4/1996: „Showversuche“, S.18
Internetquellen:
INT.1:
http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll/Infobase/uberschrift33174/glied133175.htm?f=templa
tes&fn=documentframe.htm&q=[F%20KName%3AKaliumpermanganat%2B]&x=Advanced&2.0#LPHit1
(Zugriff: 04.04.2010).
INT.2: http://www.chemieexperimente.de/zauber/gewitter.html (Zugriff: 02.04.2010).
INT.3: http://www.tibicen.de/chemie/blitze.htm (Zugriff: 02.04.2010).
72
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 5:
Reaktion von Glycerin mit Kaliumpermaganat
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Materialien :
Pro Gruppe:
Blech
Spatel
Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Glycerin (w = 0,87)
(1,2,3,-Propantriol)
-
R: -
C3H8O3 (l)
S: -
4 mL
*
Kaliumpermanganat
*
KMnO4 (s)
O
, Xn
,
R: 8-22-50/53
S: 60-61
6g
N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
69
Versuchsaufbau:
ACHTUNG! Versuch sollte im Abzug durchgeführt werden!
1.Schritt:
2.Schritt:
Pipette mit
Glycerin
Spatel
Blech mit
KMnO4
69
Blech mit
KMnO4
HessGiss 2007/2008
73
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Durchführung: 70
1. Verteile 6 g feingepulvertes Kaliumpermanganat auf einer feuerfesten Unterlage.
Hierzu kann ein Blech oder der Deckel einer Dose verwendet werden.
2. Tropfe anschließend 4 mL Glycerin aus einer Pipette auf das Kaliumpermanganat.
Beobachtungen:
Das feingepulverte Kaliumpermanganat ist charakteristisch violett gefärbt. Glycerin ist eine
klare, zähe Flüssigkeit. Nach kurzer Zeit startet die Reaktion des Gemisches unter starker
Rauchentwicklung. Wenig später sind erste Flammen zu sehen. Die hellvioletten Flammen
greifen nach kurzer Zeit auf die gesamte Fläche über, die mit Glycerin beträufelt wurde.
Nach Ende der Reaktion bleibt ein dunkelbrauner Rückstand zurück. Des Weiteren sind am
Rand violette Spuren des Ausgangsmaterials zu erkennen, sowie weiße und grüne
Rückstände zu finden.
Fachliche Auswertung:
Das tief purpurfarbene71 Kaliumpermanganat (KMnO4) wird durch das Glycerin zu Braunstein
(MnO2) reduziert. Das Glycerin selbst wird unter einer stark exothermen Reaktion zu
Kohlendioxid oxidiert.
H
-I
C OH
H H 0
C
C
OH
H -I
OH
(l)
H
3
+VII
+ 14 KMnO4
+IV
+IV
(s)
14 MnO2
(s)
+IV
+ 7 K2CO 3 (s) + 2 CO 2 (g) + 14 H2O (l)
Abb.1: Gesamtreaktion
Redox – Gleichung:
H
-I
C
H
H
3
H
H
-I
C
OH
0
C
+VII
+14 KMnO4
(s)
7 K2O
(s)
+IV
+ 14 MnO2
+IV
(s)
+ 9 CO2
(g) +
14 H2O
(l)
OH
OH
(l)
Abb.2: Reaktionsgleichung
70
71
Vgl. INT.3.
Riedel, Anorganische Chemie – S.831
74
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
In der Folge reagiert dann das Kohlendioxid mit dem Kaliumoxid (K2O) zum weißen
Kaliumcarbonat (K2CO3). Diese ist wohl die weiße Substanz im Rückstand.
Der grüne Rückstand könnte auf das Mangan (VI) – Oxid (MnO42-) zurück zu führen sein.
Dieses ist jedoch nur in stark alkalischen Lösungen beständig und disproportioniert leicht in:
+VI
3 MnO 4
+VII
2(aq)
+4H
+
2 MnO 4
(aq)
+IV
-
(aq) + MnO 2 (aq)
+ 2 H 2O
Abb.3: Gesamtreaktion
Der Mechanismus der Alkoholoxidation durch Kaliumpermanganat soll exemplarisch am
Beispiel der Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch
Kaliumpermanganat diskutiert werden (Vgl. hierzu Fachliche Auswertung Versuch 9). Es
laufen jedoch neben dieser Reaktion verschiedene Nebenreaktionen ab, die allerdings im
Chemieunterricht nicht behandelt werden. Die Reaktion, deren Mechanismus in der
fachlichen Auswertung zu Versuch 9 dargestellt ist, verläuft wohl über die Bildung von:
O
+ III
HO
+II
O
O
+ III
OH
Abb.4: mögliche intermediär auftretende Verbindung72
In der Folge wird dieses dann durch das starke Oxidationsmittel Kaliumpermanganat
(KMnO4-), welches eine tiefpurpurne, kristalline Substanz ist, zu Kohlendioxid weiter oxidiert.
Die Oxidationskraft des Permanganats hängt vom pH – Wert der Reaktion ab. In saurem
Medium wird das farblose [Mn(H2O)6]2+ gebildet. In diesem liegt Mangan in der
Oxidationsstufe (+II) vor. In neutraler und schwach basischer Lösung entsteht Braunstein,
72
Vgl. INT.3.
75
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
(MnO2). Hier hat Mn die Oxidationsstufe (+IV). In stark alkalischem Milieu, wird das grüne
MnO42- - Ion gebildet. In unserem Fall wird die Reaktion bis zum Braunstein verlaufen.73
Verwendung findet das starke Oxidationsmittel unteranderem in der Wasseraufbereitung. Es
ist - wie man bereits aus den R – Sätzen (50/53) herauslesen kann - „sehr giftig für
Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben. Es kann
aus diesem Grund natürlich auch zur Aufbereitung bzw. Reinigung für Wasser verwendet
werden. Darüber hinaus findet es aufgrund der im Versuch dargestellten oxidierenden
Wirkung auch Anwendung in der Medizin. So können beispielsweise oberflächliche
Hautverletzungen mit Kaliumpermanganatlösungen desinfiziert werden. Auch bei der
Behandlung von Fußpilz findet es Anwendung.
Der verwendete Alkohol ist Glycerin, auch 1,2,3,-Propantriol genannt. Es handelt sich bei
diesem um einen dreiwertigen Alkohol. Da für Glycerin die Erlenmeyerregel gilt, die besagt,
dass Verbindungen mit zwei Hydroxygruppe an einem Kohlenstoffatom instabil sind,74 lässt
sich das als sehr stabil anzusehende Glycerin, das drei Hydroxygruppen trägt,
folgendermaßen darstellen:
H
H
H
-I
H
C
H
0
C
H
C
OH
-I
C
HO
H
C
H
H
OH
OH
C
OH
H
HO
Abb.5: Glycerin in verschiedenen Darstellungsformen
Der Name der Verbindung leitet sich aus griechischen ab. Dort steht das Wort glykeros für
süß; als süßlich wird auch der Geschmack von Glycerin beschrieben. Es handelt sich bei
reinem oder konzentriertem Glycerin um eine sirupartige, hochviskose Flüssigkeit die als
ungiftig beschrieben gilt. Dies führt dazu, dass sie vielseitig einsetzbar ist und sogar in der
Vergangenheit als Süßstoff Verwendung fand.
73
74
Riedel, 7.Aufl., S.832
Vgl. Asselborn et al., S.245.
76
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Die hohe Viskosität der Verbindung ist auf den Einfluss der drei Hydroxygruppen
zurückzuführen. Vergleiche hierzu Versuch 3 – Fließgeschwindigkeiten der verschiedenen
Alkohole.
Neben der Viskosität steigt auch mit höherer Anzahl an Hydroxygruppen der Siedepunkt. Der
Einfluss der OH – Gruppen soll am folgen Beispiel gezeigt werden:
Name der Verbindung
Propan-1-ol
Siedepunkt75 und 76
Struktur
97,2 °C
H
1,2-Propandiol
188 °C
H
Glycerin (1,2,3,-Propantriol)
290 °C
H
H
H
H
C
C
C
OH
H
H
H
H
H
C
C
C
OH
OH
H
H
H
H
C
C
C
OH
OH
OH
H
H
H
Abb.6: Siedepunkte verschiedener Alkohole
und ihre Struktur
Wie in Abb.6 zu erkennen ist steigt der Siedepunkt der Alkohole mit erhöhter Anzahl an
Hydroxygruppen stark an. So hat Propan-1-ol noch einen Siedepunkt der unter dem vom
Wasser liegt, während 1,2,3-Propantriol schon einen Siedepunkt von beinahe 300 °C besitzt.
Glycerin dient vor allem als Grundsubstanz für Salben und Cremes. Darüber hinaus spielt es
jedoch vor allem eine wichtige Rolle in den Grundbausteinen von Fetten und Ölen und damit
auch in unserer Ernährung. In Fetten und Ölen ist es mit den langkettigen Alkansäuren über
eine Esterbindung zu einem Triglyceride verbunden.
75
76
Vgl. INT.2.
Vgl. INT.1.
77
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch zeigt eindrucksvoll die starke Oxidationskraft von Kaliumpermanganat und
die Gefährlichkeit bei Kontakt mit verschiedenen organischen Substanzen, mit denen es wie im Versuch - teilweise unter Selbstentzündung reagiert. Trotzdem zählt der Versuch
wohl eher zur Kategorie der Showversuche. Falls jedoch der Versuch zur Unterscheidung
primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch Kaliumpermanganat nicht durchgeführt
wurde, könnte durch diesen auf den Mechanismus der Oxidation von Alkoholen
eingegangen werden, und diese exemplarisch hier diskutiert werden.
Aufgrund der plötzlich einsetzenden teils heftigen Reaktion sollte dieser Versuch jedoch
besser als Lehrerversuch und im Abzug durchgeführt werden.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden. Die
Manganreste, die in den verschiedensten Oxidationsstufen vorliegen,
können mit
Natriumthiosulfat in gefahrlose Reduktionsprodukte überführt werden. Die Entsorgung
erfolgt anschließend im wässrigen Schwermetallabfall.
Literatur:
Chemie und Schule (CUS): 4/1996: „Showversuche“, S.18
Internetquellen:
INT 1: http://www.seilnacht.com/Lexikon/ (Zugriff: 05.04.2010).
INT 2:
http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll/Infobase/uberschrift46815/glied146818.htm?f=templa
tes&fn=document-frame.htm&2.0#JD_phy013620 (Zugriff: 05.04.2010).
INT 3:
http://www.chids.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0050kaliumpermanganat_und_glycerin
.pdf (Zugriff: 05.04.2010).
78
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 6:
Qualitative Elementaranalyse: Kohlenstoff und Wasserstoff
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
Materialien :
Stativmaterial
Spatel
Becherglas 300 mL
Abdampfschale
2 Erlenmeyerkolben a 300 mL *
Streichholz
*möglichst ohne Wasserflecken
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
CH3CH2OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
Entwässertes
Kupfersulfat
Xn
*
Calciumhydroxid
*
R: 22-36/38-50/53
CuSO4 (s)
, N
R: 41
Ca(OH)2 (s)
S: 22-24-26-39
Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
77
S: 22-60-61
5 - 10 mL
2g
0,5 g
77
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
79
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.+2.Schritt:
3.Schritt:
Erlenmeyerkolben
zum auffangen der
Gase
Abdampfschale
mit Ethanol
Spatel mit Kupfersulfat
(wasserfrei)
Erlenmeyerkolben zum
Auffangen der Gase
Stativ
Durchführung:
Herstellen der Lösung:
Calciumhydroxid – Lösung (Kalkwasser)78 und 79:
Löse 0,5 g Calciumhydroxid (Ca(OH)2) in 250 mL heißem destilliertem Wasser und
filtriere anschließend ab. (Die Lösung kann auch noch zusätzlich erwärmt werden).
0. Fülle 100 mL der klaren, filtrierten Calciumhydroxid-Lösung in einen der
Erlenmeyerkolben. Schwenke diesen vorsichtig mit der Lösung. Gieße anschließend
die Lösung zurück in das Becherglas (verwende für diesen Versuch möglichst einen
sauberen, wasserfleckenfreien Erlenmeyerkolben). Befestige den Kolben wie
dargestellt in der Apparatur.
1. Fülle 5 mL Ethanol in eine Abdampfschale. Entzünde den Ethanol und fange die
Verbrennungsgase mit Hilfe eines Erlenmeyerkolbens auf (Vgl. Versuchsaufbau).
78
Vgl. INT.1.
Zwar ist der Kohlendioxidnachweis mittels Barytwasser genauer, doch wird an dieser Stelle aufgrund der
geringeren Giftigkeit gegenüber dem Ba(OH)2 auf das Ca(OH)2 zurückgegriffen.
79
80
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
2. Befestige den zweiten Erlenmeyerkolben in der Apparatur. Fange erneut die
Verbrennungsgase auf. Warte 2 Minuten
3. Streue mit Hilfe eines Spatels etwas wasserfreies Kupfer(II)Sulfat in den feuchten
Erlenmeyerkolben.
Beobachtungen:
Die Calciumhydroxid-Lösung ist vor der Filtration eine trübe Flüssigkeit. Nach dem Filtrieren
ist sie klar. Beide Erlenmeyerkolben waren ohne Wasserflecken. Der Ethanol brennt nach
dem entzünden mit dem Streichholz mit gelblicher Flamme. Am Rand des mit dem
Calciumhydroxid gespülten Erlenmeyerkolbens bildete sich ein schwarzer Belag. Weiterhin
trübten sich die Wasserflecken der Hydroxidlösung ein.
Der zweite Erlenmeyerkolben zeigte nach einiger Zeit einen schwarzen Belag, außerdem ist
eine Tröpfchenbildung zu erkennen. Das weiße, wasserfreie Kupfersulfat färbte sich nach
Kontakt mit den Tröpfchen Blau.
Fachliche Auswertung:
Der Ethanol in der Abdampfschale brennt nach dem Entzünden. Die dabei entstehenden
Gase können durch einfache Versuche nachgewiesen werden.
Bei ausreichender Sauerstoffzufuhr wird der Alkohol vollständig zu Kohlenstoffdioxid und
Wasser umgesetzt. Der Kohlenstoff wird dabei oxidiert, während der Sauerstoff in der
Umgebungsluft reduziert wird.
Bei der vollständigen Verbrennung von Ethanol entsteht Wasser und Kohlendioxid. Die
Reaktion wird folgendermaßen beschrieben:
H
H
-III
H
0
-I
C
C
H
H
O (g) + 3 O 2 (g)

-II
+IV -II
3 H2O (g) + 2 CO 2 (g)
H
Abb.1: Verbrennungsreaktion
81
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Die entstehenden Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlendioxid können nun wie folgt
nachgewiesen werden:
Kohlenstoffnachweis:
Ca(OH) 2 (aq) + CO2 (g)
CaCO3 (s) + H2O
Abb.2: Kohlenstoffnachweis
Kohlendioxid reagiert mit einer gesättigten Calciumchloridlösung zu Calciumcarbonat,
welches ausfällt und für die Trübung der zuvor klaren Lösung verantwortlich ist. Dieser
Nachweis kann als Kohlenstoffnachweis dienen, da das Kohlenstoffatom des Kohlendioxids
nur aus dem Ethanol stammen kann.
Wasserstoffnachweis:
CuSO4
(s)
+ 5 H2O
[Cu(H2O)4] SO4 * H2O
(s)
Abb.3: Wasserstoffnachweis
Entwässertes Kupfersulfat ist ein weißes, geruchloses Pulver. Kommt es mit Wasser in
Kontakt, bildet sich Kupfersulfatpenthydrat, das eine charakteristische Blaufärbung aufweist.
In diesem Penthydrat ist das Kupfer(II)-Kation von 4 Wassermolekülen quadratisch-planar
umgeben.
Das
fünfte
Wassermolekül
des
Penthydrates
ist
über
eine
Wasserstoffbrückenbindung an das Sulfation sowie das Koordinationswasser gebunden.80
Diese Reaktion kann als Wasserstoffnachweis im Ethanol dienen, da der Wasserstoff des
Wassers nur aus dem Ethanol stammen kann.
Indirekt deutet auch schon die Tröpfchenbildung an der Glaswand auf das entstandene
Wasser hin. Dieses kondensiert an der kühlen Glaswand. Doch durch den spezifischen
Nachweis mittels wasserfreiem Kupfersulfat kann dieses eindeutig als Wasser identifiziert
werden.
80
Vgl. Riedel, 7.Auflage, S.751.
82
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Bei unvollständiger Verbrennung entstehen neben dem Kohlendioxid noch Kohlenmonoxid
und andere Kohlenstoffoxide, sowie Ruß. Der Ruß ist durch die schwarzen Beläge an der
Gefäßwand zu erkennen.
Ruß besteht aus schlecht kristallisiertem und mehr oder weniger verunreinigtem
mikrokristallinem Graphit. Industriell wird er aufgrund seiner charakteristischen schwarzen
Farbe als Pigment für Farben verwendet. Des Weiteren findet er Verwendung in Autoreifen,
da er die Abriebfähigkeit des Reifens erhöht.81
Um den Sauerstoff des Ethanols nachweisen zu können, muss eine andere Reaktion
eingesetzt werden (vgl. Sauerstoffnachweis mittels Magnesium).
Verbesserungsvorschlag:
Zwar waren die Effekte schwach zu erkennen. Da die Verbrennungsgase des Ethanols nicht
zwingend und in ausreichender Menge in den Erlenmeyerkolben geleitet werden konnten,
ist diese Variante nur bei Zeitmangel zu empfehlen.
Den folgenden Aufbau habe ich während einer Schulstunde meines SPS I - Praktikums schon
auf
Tauglichkeit
überprüft.
Die
Effekte
die
zum
Nachweis
der
entstehenden
Verbrennungsgase dienen, sind deutlich zu erkennen.
Anstelle der Saugpumpe kann natürlich auch eine Wasserstrahlpumpe verwendet werden.
Stativmaterial
Kühlfalle
(Wasser mit Eis)
Trichter
Abdampfschale
mit Ethanol
Wasserstrahlpumpe
CalciumhydroxidLösung
Abb.4: Schematischer Versuchsaufbau
81
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.515.
83
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Vorbereitung:
10 - 12 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
10 - 15 Minuten
Didaktische Auswertung:
Bei diesem Versuch kann mittels einfacher Nachweise eine Verbrennungsreaktion
aufgestellt, bzw. die zuvor aufgestellte Gleichung bestätigt werden. Die Versuche sind
weitgehend ungefährlich und können von erfahrenen Schülern selbst durchgeführt werden.
Stellt man jedoch Aufwand und Nutzen für den Schüler gegenüber, so könnte man zu dem
Schluss kommen, dass ein Demonstrationsversuch durch den Lehrer sicher ausreichend
wäre.
Entsorgung:
Die Calciumhydroxidlösung wird mit Hilfe von verdünnter Salzsäure neutralisiert und kann
anschließend im Ausguss entsorgt werden.
Das Kupfersulfat muss im Schwermetallabfall entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT 1: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_caoh2.htm (05.04.2010).
84
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 7:
Qualitative Elementaranalyse: Sauerstoff - Nachweis mittels Magnesium
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Materialien :
Bunsenbrenner
gebogenes Glasrohr
Schwerschmelzbares Reagenzglas
Reagenzglas
Durchbohrter Stopfen
Streichholz / Glimmspan
Messpipette
Peleusball
Spatel
Plattenstativ
Doppelmuffe
Stativstange
Stativklemme
Indikatorpapier
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Magnesiumspäne
*
Sand
*
R: 15-17
Mg (s)
-
F
S: - 7/8-43.6
-
R: S: -
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
82
1g
2g
1 mL
82
HessGiss 2007/2008
85
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
3.Schritt:
Reagenzglas mit dem
aufgefangenen Gas
Magnesium
Reagenzglas zum
Auffangen des Gases
Sand mit
Ethanol
Streichholz
Bunsenbrenner
schwerschmelzbares
Reagenzglas (RG)
Durchführung: 83
Vorbereitungen:
0. Befestige das schwerschmelzbare Reagenzglas (RG) mit Hilfe eines Plattenstatives
und einer Halterung stabil oberhalb eines Bunsenbrenners.
Befülle das Reagenzglas mit 2 g Sand. Befeuchte den Sand mit 1 mL Ethanol. Fülle
anschließend mit Hilfe eines Spatels vorsichtig 1 g Magnesiumpulver wie im
Versuchsaufbau dargestellt ein. Achte darauf, dass das Magnesiumpulver den
feuchten Sand nicht direkt berührt.
Verschließe das Reagenzglas mit Hilfe des durchbohrten Stopfens durch welchen ein
gebogenes Glasrohr geführt ist.
1. Erwärme kurz den mit Ethanol getränkten Sand vorsichtig mit dem Brenner. Erhitze
nun mit rauschender Flamme die Magnesiumspäne bis zur Rotglut. Erwärme dabei
auch hin und wieder das Ethanol – Sand Gemisch vorsichtig (KURZ!).
2. Fange das sich entwickelnde Gas mit Hilfe eines 2. Reagenzglases auf, das auf das
Ableitungsrohr aufgesetzt ist.
3. Halte ein brennendes Streichholz unter die Öffnung des 2. Reagenzglases.
4. (Optional): Lass das schwerschmelzbare Reagenzglas abkühlen, halte anschließend
ein Stückchen feuchtes Indikatorpapier auf das abreagierte Magnesiumpulver.
83
Vgl. Schuphan/Knappe, S.102.
86
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Durch das starke Erhitzen der silberfarbenen Magnesiumspäne glühen diese nach kurzer Zeit
Rot auf. Nachdem immer wieder auch das Ethanol-Sand-Gemisch mit dem Brenner erwärmt
wurde, ist der Sand trocken. Nach dem Abkühlen sind die Magnesiumspäne weiß gefärbt.
Außerdem hat sich am Rand ein schwarzer Belag gebildet.
Beim Entzünden des aufgefangenen Gases kann ein leises „blobendes“ Geräusch
wahrgenommen werden. An der Reagenzglaswand scheiden sich vereinzelt kleine Tröpfchen
ab.
Das feuchte Indikatorpapier reagiert mit dem weißen Belag der Magnesiumspäne basisch
und zeigt eine bläuliche Farbe.
Fachliche Auswertung:
Zu Beginn wird das Ethanol-Sand-Gemisch vorsichtig kurz erwärmt. Dies führt dazu, dass
durch die steigende Durchschnittstemperatur mehr Moleküle die Energie besitzen die
flüssige Phase zu verlassen und in die Gasphase überzutreten. Dadurch wird der Sauerstoff
der Umgebungsluft verdrängt, so dass es nicht zur Reaktion zwischen Magnesium und dem
Disauerstoff der Luft kommen kann.
Stattdessen reagiert der Ethanol mit den Magnesiumspänen nach folgender Gleichung:
H
H
-III
H
-I
C
C
H
H
O
-II
0
0
+ Mg
+II -II
2 C (s) + MgO
(s)
0
(s)
+ 3 H2
(g)
H (g)
+I
Abb.1: Reaktionsgleichung Ethanol mit Magnesium
Es wird demnach Magnesium zum Magnesium(+II) und der Kohlenstoff des Ethanols oxidiert,
während die Wasserstoffe des Ethanols zum elementaren Wasserstoff reduziert werden.
Der entstandene Wasserstoff kann mittels Knallgasprobe identifiziert werden. Nach dem
Anzünden durch das Streichholz reagiert er Wasserstoff mit dem Sauerstoff der
Umgebungsluft rasant zu Wasser.
0
0
2 H2 (g) + O 2 (g)

-I +II
2 H2O (g)
Abb.2: Knallgasreaktion
87
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Diese Reaktion wird als Knallgasreaktion bezeichnet (Abb.2.) Sie ist eine stark exotherme
𝐤𝐉
Reaktion84, ΔHB° = - 286 𝐦𝐨𝐥, die explosionsartig abläuft.85 Das sich bildende Wasser ist daher
bei diesen Bedingungen gasförmig, scheidet sich aber schnell an der kühlen
Reagenzglaswand ab. Dies erklärt die Entstehung der feinen Tröpfchen. Diese Reaktion ist
eine verzweigte Kettenreaktion und kann wie folgt beschrieben werden:
Der erste Schritt, Gleichung (3), erfordert Energie. Es muss daher mindestens eine
Temperatur von 400°C vorherrschen, oder ein Katalysator, beispielsweise Platin86,
anwesend sein.
Energie ()
H
H
2H
H + O2
HO + O
O + H2
HO + H
HO + H 2
H2O + H
HO + H
H2O
O + H2
H2O
(1) - Kettenstart
(2 – 4) - Kettenreaktion mit
Kettenverzweigung
(5 – 6) Kettenabbruchsreaktionen
Abb.3: Reaktionsmechanismus der radikalischen Kettenreaktion87
Die Kettenabbruchsreaktionen (Rekombination) finden nur dann statt, wenn ein Teil der
Energie durch Stöße mit anderen Teilchen oder der Gefäßwand absorbiert wird.88
Mit Hilfe der beschriebenen Knallgasprobe kann ein aufgefangenes Gas - wie das im
Reagenzglas - einfach und schnell auf Wasserstoff getestet werden. Sollte es sich um
Wasserstoff handeln, wird er dem Reagenzglas, das mit der Öffnung nach unten gehalten
wird, aufgrund der geringeren Dichte nicht entweichen. Wird nun eine Zündquelle - wie das
Streichholz - unterhalb der Öffnung gebracht, so sind mehrere Varianten denkbar:
84
Vgl. Riedel, 7. Aufl, S.382
Vgl. INT.2.
86
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.382.
87
Vgl. INT.2.
88
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.382.
85
88
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
-
Handelt es sich um reinen Wasserstoff, kommt es lediglich zu einer ruhigen
Verbrennung oder teilweise auch zu einer leichten Verpuffung.
-
Ist es ein Wasserstoff – Sauerstoffgemisch, erfolgt die Reaktion rasend schnell
und es ist ein pfeifendes, blobendes Geräusch zu vernehmen.89
-
Es wäre natürlich auch denkbar, dass es sich nicht um Wasserstoff handelt. In
diesem Fall brennt es, sofern es sich um ein brennbares Gas handelt, langsam ab.
Andernfalls, wie beim Stickstoff oder Kohlendioxid bleibt eine Reaktion gänzlich
aus.
Das entstandene Magnesiumoxid (MgO) wird durch seinen basischen Charakter beim
Kontakt mit Wasser identifiziert (Vgl.Abb.4).
MgO
(s)
Mg(OH) 2
+ H 2O
Mg(OH) 2
+ H2O
(s)
Mg
2+
(s)
(aq) + 2
OH
(aq)
Abb.4: Reaktion von Magnesiumoxid mit Wasser90
Das sich bei dieser Reaktion bildende Hydroxid (OH-) färbt in der Folge das Indikatorpapier
bläulich.
89
90
Vgl. INT.2.
Vgl. Neumüller, S.45.
89
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch ist eine weitere qualitative Elementaranalyse und ergänzt somit die in
Versuch 6 dargestellten Analysen auf Kohlenstoff und Wasserstoff. Wie im hessischen G8
Lehrplan in 10G unter Punkt 2.2 in den „verbindlichen Themen“ gefordert, kann er zum
Einsatz im Themengebiet der Alkanole als beschriebene Elementaranalyse kommen. Damit
kann er gemeinsam mit anderen Versuchen den Weg zur Summenformel von Ethanol ebnen.
Es handelt sich zwar um einen einfachen Versuch, doch ist es aufgrund der Handhabbarkeit
beim Arbeiten mit schwerschmelzbaren Reagenzgläsern anzuraten, diesen Versuch lediglich
als Demonstrationsversuch durch den Lehrer durchzuführen. Häufig kommt es dazu, dass
die teureren Reagenzgläser springen. Außerdem ist die Reinigung der schwerschmelzbaren
Reagenzgläser nach dem Versuch aufwendig.
Entsorgung:
Der Sand, das Magnesiumoxid und der Kohlenstoffrest können im Behälter für anorganische
Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Tausch / von Wachtendonk, , Stoff-Formel-Umwelt - Chemie Sekundarstufe II, Kapitel 1.1:
Qualitative Elementaranalyse, (S. 2): Versuch 2.8.
Internetquellen:
INT.1: www.chids.de (Zugriff: 06.04.2010).
INT.2: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~ltemgoua/chemie/Knallgas.html (Zugriff:
06.04.2010).
90
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 8:
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
2 Reagenzgläser
Messer
Reagenzglasständer
Filterpapier
Pinzette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Natrium
*
R: 14/15-34
Na (s)
F
S: 5-8-43.7-45
,C
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
91
1 cm3
5 mL
91
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
91
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:92
1.Schritt:
2.Schritt:
Pinzette
Messer
Na
Natrium
Natrium
3.Schritt:
Spatel mit
Natriumwürfel
4.Schritt:
Reagenzglas (RG2) zum
Auffangen der Gase
Ethanol mit
Natrium
Reagenzglas
mit Ethanol
Durchführung:
1. Entnimm mit Hilfe einer Pinzette etwas Natrium aus dem Vorratsfläschchen und lege
es auf ein Filterpapier.
2. Schneide mit einem Messer ein ca. 1 cm3 großes Stück heraus. Befreie durch Kratzen
mit dem Messer den Natriumbrocken von der Oxidschicht.
3. Gib den Natriumwürfel in das mit 3 mL Ethanol (w = 0,96) gefüllte Reagenzglas.
4. Fange das sich entwickelnde Gas wie im Versuchsaufbau beschrieben mit Hilfe eines
leeren Reagenzglases auf.
92
Vgl. INT.1, S.14f.
92
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
5. Entzünde einen Glimmspan und halte diesen unterhalb der Reagenzglasöffnung
(RG2).
Beobachtungen:
Das Natriumstück läuft nach dem Entnehmen aus dem Vorratsgefäß schnell grau und matt
an. Durch Kratzen mit dem Messer bekommt es seinen metallischen Glanz zurück. Es handelt
sich um ein weiches Metall, das sich butterähnlich schneiden lässt.
Nach der Zugabe des Natriums zum Ethanol beginnt eine teils heftige Gasentwicklung. Das
entstehende farblose Gas steigt schnell nach oben und kann problemlos mit dem zweiten
Reagenzglas aufgefangen werden.
Der glimmende Holzspan erzeugt beim Einbringen in das Reagenzglas Nr.2 ein „blobendes“
Geräusch. Außerdem bilden sich kleine Tröpfchen an der Glaswand. -
Fachliche Auswertung:
Der durchgeführte Versuch soll bei der Strukturaufklärung des Ethanol-Moleküls dienen. Die
Versuche zur Analyse der Verbrennungsgase haben gezeigt, dass sie aus Wasser und
Kohlendioxid bestehen; demnach muss das Molekül Kohlenstoff und Wasserstoffatome
besitzen. Als heißer Ethanoldampf über das heiße Magnesiumpulver (Versuch 7) geleitet
wurde, kam es zur Reaktion, bei der sich neben Wasserstoff und Kohlenstoff auch noch
Magnesiumoxid (MgO) gebildet hat; demnach muss das Ethanol zusätzlich auch noch
Sauerstoff enthalten. Mittels quantitativer Analysen und einer Molmassenbestimmung lässt
sich sagen, dass das Ethanol eine molare Masse von 46 u besitzt und die Summenformel
C2H6O haben muss:
Berücksichtigt man nun die Bindigkeit von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, sind
folgende Strukturformeln möglich:
H
H
H
H
-I
-III
C
C
H
H
-II C
O
H
H
(l )
O
H H
H
C -II
H
(l )
Abb.1: Lewisdarstellung der beiden Funktionsisomere Ethanol und Dimethylether 93
93
An dieser Stelle wird bewusst auf die Beschriftung der Moleküle verzichtet, da dieser Versuch ja der
Strukturaufklärung und damit der Zuordnung dienen soll.
93
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Mit Hilfe des beobachteten Versuchs lässt sich nun unterscheiden, welche der abgebildeten
Strukturformel dem des Ethanols entspricht. Denn Natrium reagiert nur mit dem Ethanol,
nicht jedoch mit dem Dimethylether.94 Genauer gesagt reagiert es mit dem Wasserstoffatom
der Hydroxygruppe, das aufgrund des großen Elektronegativitätsunterschieds polarisiert ist.
Zuerst einmal soll geklärt werden, warum Natrium so reaktiv ist:
Natrium ist ein unedles Metall, besitzt ein negatives Standardpotential von -2,71 V,95
reagiert daher sofort unter Wasserstoffbildung mit der Feuchtigkeit der Umgebungsluft zum
Natriumhydroxid und läuft dabei matt bzw. grau an.
0
+I
+I
2 Na (s) + 2 H 2O
0
+
-
2 Na (aq) + 2 OH (aq) + H 2 (g)
Abb.2: Reaktion von Natrium mit Wasser
Wegen der Reaktivität von Natrium mit Wasser, wird dieses, wie auch die anderen
Alkalimetalle, in wasserunlöslichem Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, dies schütz sie
vor Kontakt mit Wasser und dem Sauerstoff der Umgebungsluft.
Für die Größe des Standardpotentials eines Redoxpaares (hier von Na/Na+) ist die
Energiebilanz zwischen festem Metall (mit Na(s) gekennzeichnet) und den Metallionen, hier
Na+(aq), entscheidend. Dieser Übergang muss über die Einzelschritte hinweg betrachtet
werden.
Im Einzelnen laufen folgende 3 Einzelreaktionen ab:
1. Na (s)
2.
Na (g)
+
3. Na
Na (g)
+
Na
(g) + e
Sublimationsenthalpie erforderlich.
-
Ionisierungsenergie muss aufgebracht werden.
+
(g)
Na
(aq)
Hydratationsenthalpie wird gewonnen
Die große Hydratationsenthalpie des harten Lithiums nach dem HSAB Konzept nach Lewis,
ist beispielsweise der Grund, warum Lithium ein so stark negatives Standardpotential besitzt.
Das Lithiumkation ist nach diesem Konzept als „Hart“ zu bezeichnen, da es eine hohe
94
95
Natrium reagiert auch mit Dimetylether, wenn dieser nicht wasserfrei ist.
Vgl. Riedel, 7. Aufl.
94
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Ladungsdichte aufweisen kann; entscheidend ist hier das große Ladungs/RadienVerhältnis.96
Das Natriumkation ist wie auch das Lithium eine „Lewissäure“. Auch hier führt der 3. Schritt
– die große Hydrationsenthalpie – zum stark negativen Standardpotential. Im elementaren
Zustand hat Natrium einen silberweißen, metallischen Glanz, der aber nach kurzem Kontakt
mit der Luft verschwindet.
Natrium besitzt lediglich eine Härte von 0,5. Kann daher leicht mit einem Messer geschnitten
werden. An der Schnittstelle kann man seinen elementaren, silberweißen Glanz sehen.
Bei der durchgeführten Reaktion reagiert das Natrium mit dem Alkohol (hier dem Ethanol)
unter Bildung von elementarem Wasserstoff und dem Alkanolat (hier Natriumethanolat).
Diese Reaktion ähnelt derjenigen der Alkalimetalle mit Wasser, verläuft aber weniger heftig
ab (vgl.Abb.3, 4 und 5).
Reduktion:
+I
0
2 C2H5OH (aq) + 2 e
-
-
2 C2H5O
(aq) + H 2 (g)
Abb.3: Reduktionsreaktion
Oxidation:
+I
0
+
2 Na (aq) + 2 e
2 Na (s)
-
Abb.4: Oxidationsreaktion
Gesamtreaktion:
0
+I
2 C2H5OH (aq) + 2 Na
2 H
H
H
C
C
H
H
0
(s)
0
2 Na (s)
O
H +I
(l)
2 C 2H 5O
-
H
2H
(aq) +
+I
2 Na
H
C
C
H
H
O
-
+
(aq) +
H2
+I
+
+ 2 Na
(g)
0
(aq) + H 2
(g)
Abb.5: Gesamtreaktion
96
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.340.
95
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Das sich bildende Ethanolat ist, wie alle Alkoholate, eine starke Base. Dies führt dazu, dass
der PH – Wert steigt weil Hydroxid – Ionen gebildet werden.97
-
C2H5O (aq) + H 2O
-
C2H5OH (aq) + OH (aq)
Abb.6: Reaktion des Ethanolats mit Wasser
Natrium wird, wie in Gleichung (4 + 5) zu sehen ist, oxidiert und anschließend solvatisiert.
Dies erklärt auch, warum nach Abschluss der Reaktion kein elementares Natrium mehr im
Reagenzglas vorhanden ist.
Alkohole verhalten sich gegenüber starken Säuren und Basen amphoter, so wie Wasser. Sie
sind allerdings weniger stark basisch und weniger stark sauer als Wasser. Daraus folgt, dass
die sich ergebenden konjugierten Säuren (Abb.6a) stärker sauer sind als, H3O+ und die
konjugierten Basen (Abb.6b) stärker basisch sind, als OH-.98
H
R
O
+
H Abb.6a
R
-
O
Abb.6b
Mittels Knallgasprobe kann der entstandene Wasserstoff identifiziert werden. Nach dem
Anzünden reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft rasant zu Wasser.
0
0
2 H2 (g) + O 2 (g)

-I +II
2 H2O (g)
Abb.7: Knallgasprobe
Die Knallgasreaktion (vgl.Abb.7) ist eine exotherme Reaktion (ΔHB° = - 242
𝐤𝐉 99
)
𝐦𝐨𝐥
die
explosionsartig abläuft. Das sich bildende Wasser ist daher bei diesen Bedingungen
gasförmig, scheidet sich aber schnell an der kühlen Reagenzglaswand ab und bildet feine
Tröpfchen.
Die genaue Kettenreaktion ist im Abschnitt „Fachliche Auswertung von Versuch 7“,
Qualitative Elementaranalyse: Sauerstoff Nachweis mittels Magnesium dargestellt.
97
Vgl. Mortimer (2001), S. 549f.
Vgl. ebd., S. 550.
99
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.382.
98
96
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Die Kettenabbruchsreaktionen (Rekombination) finden nur dann statt, wenn ein Teil der
Energie durch Stöße mit anderen Teilchen oder an der Gefäßwand absorbiert wird.100
Die Reaktion wird sich aufgrund der hohen Temperaturen (bis zu 3000°C), die erreicht
werden können, im sogenannten Knallgasgebläse zu Nutze gemacht. Um Explosionen zu
vermeiden, werden die Gase - allerdings getrennt voneinander - in den Verbrennungsraum
geleitet. Auf diese Weise können Stoffe mit hohen Schmelzpunkten verarbeitet werden.101
Der Versuch kann zur Strukturaufklärung der Alkohole herangezogen werden. Gerade die
beiden in der Schule Verwendung findenden Funktionsisomere Ethanol und Dimethylether,
die beide mit der Summenformel C2H6O beschrieben werden, können auf diesem Wege
unterschieden werden. Die Zuordnung kann aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse
getroffen werden.
H
H
H
H
-I
-III
C
C
H
H
-II C
O
H
H
Ethanol
O
H H
H
C -II
H
(l )
(l )
Dimethylether
Abb.8: funktionsisomere Ethanol und Dimethylether
Ethanol reagiert in der beschriebenen Art und Weise mit dem Alkalimetall, während reiner,
wasserfreier Dimethylether nicht reagiert. Natrium kann sogar zur Trocknung von
Dimethylether verwendet werden. Dabei reagiert das Alkalimetall nur mit dem enthaltenen
Wasser, nicht jedoch mit dem Ether.
Didaktische Auswertung:
Der Versuch kann im Themenfeld der Strukturaufklärung von Alkoholen im Unterricht
Anwendung finden, hier kann er die qualitativen Elementaranalysen (Versuch 6 und 7)
erweitern. Verankert ist das Thema der Strukturaufklärung im hessischen G8 Lehrplan unter
100
101
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.382.
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.382.
97
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
10G, Thema Alkanole, unter Punkt 2.2. Der Versuch kann den Schülern und Schülerinnen auf
einfachem Wege bei der Unterscheidung zwischen den beiden Funktionsisomeren helfen.
Nach HessGISS sind die eingesetzten Substanzen zur Arbeit im Schülerversuch geeignet, so
dass auch der Einsatz als Schülerversuch denkbar wäre. Hierbei ist jedoch abzuwägen, ob
den Schüler und Schülerinnen der Umgang mit Natrium zuzutrauen ist.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/748Alkohole_Wenke.doc (Zugriff: 09.04.2010).
98
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 9:
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch
Kaliumpermanganat
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Variante 1:
3 Petrischalen
Pipette
3 Messpipetten (10 mL)
Pipettenhütchen
Overheadprojektor
Peleusball
Waage
Variante 2:
3 Erlenmeyerkolben (50 mL)
Peleusball
3 Messpipetten (10 mL)
Pipettenhütchen
Pipette
Stoppuhr
Waage
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Kaliumpermanganat –
Lösung (c = 0,0006
𝒎𝒐𝒍
𝑳
)
10 mL bei
KMnO4 (aq)
O
, Xn
,
R: 8-22-50/53
S: 60-61
*
15 mL bei
Var.2
N
Propan-1-ol
*
Var.1;
R: 11-41-67
C3H7OH (l)
F
, Xi
S: 7-16-24-26-
s.u.
39
Propan-2-ol
(Isopropylalkohol)
*
R: 11-36-67
C3H7OH (l)
F
, Xi
S: 7-16-24/25-
s.u.
26
99
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Tert.Butanol
(2-Methyl-propan-2-ol)
C4H9OH (l)
R: 11-20
F
, Xn
S: 9-16
*
10 mL bei
NatriumhydroxidLösung (c = 1
𝒎𝒐𝒍
𝑳
)
s.u.
NaOH
C
R: 35
Var.1;
S:26-37/39-45
15 mL
*
bei Var.2
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
102
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Pipette mit alkalischer
KMnO4 – Lösung
Messpipette
1.Schale:
Propan-1-ol
102
2.Schale:
Propan-2-ol
3.Schale:
tert.Butanol
1.Schale:
2.Schale:
3.Schale:
HessGiss 2007/2008
100
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Durchführung: 103
Variante 1:
Herstellung der Lösungen:
Alkalische Kaliumpermanganatlösung (0,0006 molar):
0. Löse 0,0948 g KMnO4 in einem Liter Wasser.
Um das Volumen gering zu halten, Alternativ: Löse 0,000948 g KMnO4 in 10 mL
Wasser die geringe Konzentration ist wichtig, da sonst die Farbeffekte überlagert
werden könnten
Gib zur KMnO4 – Lösung 10 mL einer 1 - molaren Natriumhydroxid-Lösung zu.
Natronlauge (1 molar): Falls nicht vorhanden
Löse 0,4 g festes Natriumhydroxid in 10 mL Wasser.
1. Verteile 3 Petrischalen auf dem Overhead-Projektor. Fülle die Schalen mit den
jeweiligen Alkoholen:
1.Schale mit Propan-1-ol, 2.Schale mit Propan-2-ol und die 3. Schale mit tert.Butanol.
Schalte den Overheadprojektor ein.
2. Gib zu den jeweiligen Alkoholen nun eine Pipettenfüllung der Kaliumpermanganat
Lösung.
3. Beobachte kurz und schalte anschließend den Projektor aus.
Variante 2:
0. Es werden 15mL der 0,0006 molaren Kaliumpermanganat - Lösung benötigt. Gib zu
dieser KMnO4 – Lösung 15 mL der 1 molaren Natriumhydroxid-Lösung.
1. Verteile die Lösung gleichmäßig auf 3 Erlenmeyerkolben.
2. Fülle in die Erlenmeyerkolben nun jeweils eine Pipettenfüllung eines der
verschiedenen Alkohole. Schwenke vorsichtig und vermische alles gut durch.
3. Miss jeweils die Zeit bis eine Veränderung eintritt.
103
Vgl INT.1.
101
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Die
3
Alkohole
sind
klare,
wasserähnliche
Flüssigkeiten.
Nach
Zugabe
des
Kaliumpermanganats waren in den Schalen folgende Beobachtungen zu sehen:
1. Schale (Propan-1-ol): Die Lösung färbt sich nach Zugabe von Kaliumpermanganat kurz
violett anschließend bilden sich grüne Schlieren, die sich bald braun verfärben. Die
violette Farbe verschwindet.
2. Schale (Propan-2-ol): Die Lösung färbt sich nach Zugabe von Kaliumpermanganat kurz
violett, anschließend bilden sich grüne Schlieren. Eine Weiterfärbung zum Braun
bleibt hier aus.
3. Schale: (Tert.Butanol) Die Lösung färbt sich nach Zugabe von Kaliumpermanganat
kurz violett. Weitere Verfärbungen sind erst nach 30 Sekunden zu sehen.
Fachliche Auswertung:
Alkohole, wie die drei verwendeten, sind Verbindungen der allgemeinen Formel R-OH. Dies
ist ihre charakteristische gemeinsame Gruppe, die ihre Eigenschaften stark beeinflusst. Die
so genannte funktionelle Gruppe ist bei den Alkoholen die Hydroxygruppe. R kann bei dieser
Verbindungsklasse eine Alkylgruppe oder eine substituierte Alkylgruppe sein. Sie kann
sowohl offenkettig, wie bei den gemäß Abb.2-4 verwendetet, als auch cyclisch sein (Vgl.
Abb.1).
OH
Abb.1: Cyclohexanol
Zunächst einmal muss geklärt werden, worin sich die drei Alkohole unterscheiden.
Propan-1-ol:
H3C
-I
OH
H
H
H
H
C
C
C
(l)
H
(l)
H
H
OH
Abb.2: Propan-1-ol
Bei Propan-1-ol auch (1-Propanol genannt) handelt es sich um einen primären Alkohol. Das
Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe (OH) trägt, ist nur mit einem weiteren C – Atom
102
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
verbunden. Diese primären Alkohole können durch starke Oxidationsmittel - wie das
verwendete Permanganat - bis zur Carbonsäure oxidiert werden.
Propan-2-ol:
OH
C
H3C
H
H
H
C
C
C
H
OH
H
0
H
H
CH 3
(l)
H
(l)
Abb.3: Propan-2-ol
Propan-2-ol - wie diese Verbindung nach IUPAC–Nomenklatur bezeichnet werden sollte stellt einen sekundären Alkohol dar. Hier ist das Kohlenstoffatom, das die OH – Gruppe
trägt, mit 2 weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Man spricht daher von einem
sekundären Kohlenstoffatom. Sekundäre Alkohole können von starken Oxidationsmitteln
bis zum Keton oxidiert werden.
Tert.Butanol: (2-Methylpropan-2-ol)
OH
C
H3C
H
CH3 H
C
C
C
H
OH
H
+I
H
CH 3
CH3
(l)
H
(l)
Abb.4: Tert.Butanol
Beim abgebildeten tert.Butanol (Abb.4), auch 2-Methyl-Propan-2-ol genannt, handelt es sich
um einen tertiären Alkohol. Das Kohlenstoffatom, welches hier die Hydroxygruppe trägt, ist
noch mit drei weiteren Kohlenstoffatomen (hier Methylgruppen) verbunden.
103
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Oxidation primärer Alkohole: (1. Schritt)
O
H
O
-I
O
Mn
+
H3C
-I
+VII
O
O
O
O
Mn
H
O
O
H
H
O
H3C
O
H3C
H
O
+VII
Mn O
+I
O
H3C
+
H
O
O +V
Mn
O
H
O
O
O
Abb.5: hypothetischer Mechanismus der Oxidation
primärer Alkohole – 1.Schritt 104 und 105
Der abgebildete Mechanismus gilt im Detail als nicht geklärt, stellt aber eine plausible
Erklärung für die Bildung des Propanals dar. Im ersten Schritt der Reaktion des primären
Alkohols (hier Propan-1-ol) wird zunächst ein Ester mit dem Permanganation gebildet
(Abb.5). Bei der anschließenden Esterspaltung wird das Kohlenstoffatom, das die
Hydroxygruppe trägt, von –I auf +I ‚hochoxidiert‘. Es entsteht aus dem primären Alkohol
demnach im 1.Schritt ein Aldehyd, genauer, das Propanal (Abb.6a). Während dessen wird
Mangan(VII) zu Mangan(V) reduziert.
Die auftretende Farbänderung der tief violetten Permanganat–Lösung kommt durch die sich
während der Redoxreaktion ändernden Oxidationsstufen des Manganions zustande.
Je nach Oxidationsstufe weisen Manganverbindungen unterschiedliche Farben auf. So
besitzen die Manganate (die farbigen Salze der hypothetischen Mangansäuren)
unterschiedliche Farben: 106
Manganat(II)
ist farblos. (Bsp.: MnO22-).
Manganat(IV)
ist braun. (Bsp.: MnO32-).
Die bekannteste und wohl auch stabilste Mangan(IV)
Verbindung, MnO2, trägt auch den Trivialnamen ‚Braunstein‘,
was auf die Farbe der Lösung hindeutet.
104
Vgl. Brückner, S.742f.
Vgl. INT.1
106
Vgl. Deckwer et al..
105
104
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Manganat(V)
ist blau. (Bsp.: MnO43-).
Manganat(VI)
ist grün. (Bsp.: MnO42-).107
Mangan(VII)
ist tiefviolett. (Bsp.: MnO4-).
Die sich wohl zumindest intermediär bildende Mangan(V)-Verbindung wird daher eine blaue
Farbe aufweisen108
und 109
und kann damit noch nicht für die Erklärung der grünen Färbung
der Lösung herangezogen werden.
Es könnte nun aber in der Folge zu einer Komproportionierung zwischen Mangan(V) und
dem eingesetzten Mangan(VII) kommen (Vgl.Abb.6a):
H
+VII
MnO4
O +V
+
Mn
(aq)
H
O
O
O +VI
O
2
O
Mn
H
O
(aq)
v iolette
blau
O
(aq)
grün
Abb.6a: mögliche Komproportionierungsreaktion
Die sich bildende Mangan(VI)-Verbindung würde die grüne Farbe der Lösung erklären.
Im 2. Schritt wird das Aldehyd-Propanal (Oxidationsstufe des Kohlenstoffatoms: (+I)) zur
Propansäure, einer Carbonsäure, oxidiert. In dieser trägt das Carbonylkohlenstoffatom die
Oxidationsstufe (+III). Gleichzeitig wird Mangan(VI) zu Mangan(IV) reduziert (Vgl. Abb.6b).
Die Braunfärbung der Lösung lässt sich durch die Reduktion des Manganats (MnO 42-) zu
Braunstein (MnO2) erklären:
Der Mechanismus verläuft ähnlich dem des 1. Schrittes. Zunächst wird jedoch das
Aldehydhydrat gebildet.
107
Vgl. Deckwer et al..
Vgl. Holleman/Wieberg, 102.Aufl., S.1618ff.
109
Vgl. Deckwer et al..
108
105
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Oxidation primärer Alkohole: (2. Schritt – Hydratbildung)
O
H
H3C
+
OH
H3C
O
H
OH
H
Aldehyd
Aldehydhydrat
Abb.6b: Bildung des Aldehydhydrates
H
+I
OH
O
H3C
+VI O
+H
+
H3C
Mn
+
OH
+
O
O
O
+III O
OH
Mn
+ 2 H2O
O
1-Propansäure
Mangan(VI)
+IV
Braunstein
Abb.6c: Reaktionsmechanismus des
Oxidationsprozesses eines primären Alkohols –2. Schritt
Wahrscheinlicher als die dargestellte Variante des Oxidationsprozesses über eine
Esterbildung, ist, dass der Prozess in Form einer Ein-Elektronen-Reduktion am Mangan
abläuft. Demnach wird Elektron für Elektron aufgenommen. Der Mechanismus stellt also
lediglich eine Möglichkeit der Reaktion dar. Er ist keinesfalls gesichert.
Oxidation sekundärer Alkohole: (1. Stufe)
O
H
O
O
0
H3C
+
H
O
Mn
H3C
H
O
O
O
H3C
O
O
H
H
O
H3C
O
H
O
H3C
-I
H3C
+VII
Mn
O
H
O
+VII
Mn O
H3C
+II
O +V
Mn
O
+
CH3
H
O
O
O
Abb.7: Reaktionsmechanismus des
Oxidationsprozesses eines sekundären Alkohols
Der sekundäre Alkohol (hier das Propan-2-ol) wird durch die Permanganat – Lösung bis zum
Keton (hier dem Propanon) oxidiert. Dabei wird Permanganat (Mangan (+VII)) zum
106
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Manganat(+V) reduziert. Dieser Schritt verläuft mechanistisch wie der 1.Schritt des
Redoxprozesses beim primären Alkohol.
In der Folge kann es, wie in Abb.6a dargestellt, zu einer Komproportionierungsreaktion
zwischen Mangan(V) und dem eingesetzten Mangan(VII) kommen. Das sich bildende
Mangan(VI) kann zur Erklärung der grünen Farbe der Lösung herangezogen werden.
Eine Folgereaktion wie im 2. Schritt des Oxidationsprozesses von primärem Alkohol bleibt
hier allerdings aus, da das Aldehydhydrat nicht gebildet werden kann. Eine Weiteroxidation
des Ketons ist nur durch einem C-C-Bindungsbruch möglich.
Auch an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Reaktion wahrscheinlicher durch eine
Ein-Elektronen-Reduktionsreaktion am Mangan abläuft als nach der dargestellten Variante
des Oxidationsprozess über eine Esterbildung.
Oxidation tertiärer Alkohole:
Hier findet keine Reaktion des Alkohols mit der Permanganat–Lösung statt. Die evtl.
auftretenden geringen Farbveränderungen sind wohl auf Verunreinigungen der Alkohole
zurückzuführen.
OH
+I
H3C
+
+VII
MnO4
(aq)
CH3
CH3
(l)
(tertiärer Alkohol)
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch eignet sich sehr gut, um Schülern das unterschiedliche Reaktionsverhalten
von Alkoholen zu demonstrieren. Da alle Chemikalien bereits ab der Sekundarstufe 1
zugelassen sind, ist der Versuch sowohl als Demoversuche durch den Lehrer als auch als
Schülerversuch denkbar.
Wird der Versuch als Demonstrationsversuch im Unterricht durchgeführt, sollte er in
Variante
1
mit
Petrischalen
und
einem
Overheadprojektor
(Tageslichtprojektor)
durchgeführt werden. Ist der Versuch als Schülerversuch in Gruppenarbeit angedacht,
107
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
könnte auf Variante 2 zurückgegriffen werden. Hier wird mit Erlenmeyerkolben und
Stoppuhr gearbeitet. Ebenfalls wäre noch eine Variante 3 denkbar, in welcher
chemikaliensparend im Reagenzglasmaßstab gearbeitet wird. Eine Anleitung für Schüler mit
Arbeitsblatt sind im Teil IV. Unterrichtsmaterialien zu finden.
Der Versuch, der als einfach und effektvoll beschrieben werden kann, könnte in den
verschiedensten Teilen des Lehrplans Anwendung finden. Neben der Anwendung im
Themengebiet der Alkohole könnte er aber auch zur Überleitung zum Themengebiet der
Aldehyde und Ketone dienen. Auch zur Darstellung dieser ist der Alkohol als Edukt denkbar.
Der Versuch knüpft an das Vorwissen der Schüler zu den Themen Redoxreaktion, sowie die
Bestimmung von Oxidationszahlen in organischen Molekülen, an.
Entsorgung:
Die Lösungen müssen neutralisiert und mit Natriumthiosulfat umgesetzt werden und können
anschießend neutral im Behälter für organische Lösungsmittel entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1:
http://www.chids.de/dachs/experimente/005oxidierbarkeit_prim_sek_ter_alkohole.xml
(Zugriff: 06.04.2010).
108
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 10:
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch Lucas Reagenz
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
4 Minuten
Durchführung:
10 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
3 Reagenzgläser
Becherglas
Spatel
3 Stopfen
Reagenzglasständer
Pipette
Materialien :
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Zinkchlorid
(wasserfrei)
R: 22-34-50/53
ZnCl2 (s)
S: 26-36/37/39
C
*
,N
-45-60-61
Salzsäure (konz.)
(w=0,37)
R: 34-37
HCl (konz.)
S: 26-36/37/39
C
*
20 mL
-45
Propan-1-ol
*
28 g
R: 11-41-67
C3H7OH (l)
F
S:
, Xi
7-16-24-26-
1 mL
39
Propan-2-ol
(Isopropylalkohol)
R: 11-36-67
C3H7OH (l)
F
S:
, Xi
*
C4H9OH (l)
R: 11-20
F
, Xn
S: 9-16
*
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
110
1 mL
26
Tert.Butanol
(2-Methyl-2-propanol)
7-16-24/25-
1 mL
110
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
109
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Pipette mit Lucas-Reagenz (6 mL)
Reagenzglasgestell mit:
1. 1-Propanol
2. 2-Propanol
3. tert. Butanol
1.
Durchführung:
2.
3.
111 und 112
Herstellung der Lösungen:
Lucas–Reagenz: Löse in einem Becherglas unter Kühlung 27 g wasserfreies Zinkchlorid
(ZnCl2) in 18 mL konzentrierter Salzsäure (HCl).113
1. Fülle 3 Reagenzgläser jeweils mit 1 mL der Alkohole. Gib in das 1. Reagenzglas (RG),
Propan-1-ol, in das 2. (RG) Propan-2-ol und in das 3. (RG) tert.Butanol.
2. Füge nun jeweils 6 mL Lucas-Reagenz zu, schüttle kurz und beobachte bis zu 10
Minuten.
Beobachtungen:
Die Alkohole in reiner Form sind klare, wasserähnliche Flüssigkeiten. Sie mischen sich mit
Wasser und weisen eine ähnliche Viskosität auf.
Nach der Zugabe des Lucas-Reagenz trüben sich die ehemals klaren Lösungen. Die Trübung
der Lösung trat bei tert. Butanol sofort ein, während die beiden anderen Lösungen zunächst
unverändert klar blieben. Nach ca. 1 Minute war eine Phasentrennung in Reagenzglas 3, das
mit tert. Butanol gefüllt war, zu erkennen. Das Propan-2-ol wurde ebenfalls langsam trüb. Es
111
Vgl. Asselborn et al., S.252.
Vgl. INT.1.
113
Vgl. Asselborn et al., S.252.
112
110
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
schieden sich langsam ölige Tropfen ab. Reagenzglas 1, das mit dem primären Alkohol
gefüllt warm, zeigte auch nach 10 Minuten keine Trübung.
Fachliche Auswertung:
Der Versuch dient, wie der Versuch Nr.9, der Unterscheidung primärer, sekundärer und
tertiärer
Alkohole.
Es
handelt
sich
bei
der
ablaufenden
Reaktion
um
eine
Substitutionsreaktion, genauer gesagt um eine säurekatalysierte nucleophile Substitution am
gesättigten
Kohlenstoff.
Der
Versuch
basiert
auf
den
unterschiedlichen
Substitutionsgeschwindigkeiten der OH-Gruppe durch Chlorid-Ionen.
Das Chlorid-Ion (Cl-) hat einen pKB – Wert von 20, denn allgemein gilt (pKS + pKB = 14) 114. Der
pKB kann demnach aus dem pKS – Wert der Salzsäure, der in der Literatur mit – 6 angegeben
ist, einfach errechnet werden. Da sich die Nucleophilie proportional zur Basizität des
Teilchens verhält, lässt sich daraus folgern, dass das Chlorid aus eigener Kraft wohl nicht die
Hydroxygruppe verdrängen und damit die Substitution einleiten kann.115
und 116
Durch die
Zugabe der konzentrierten Salzsäure (HCl(konz.))
HCl
(aq) +
H2O
+
H3O
(aq) +
Cl
(aq)
Abb.1: Reaktion von Salzsäure mit Wasser
wird die schlechte Abgangsgruppe OH-, welche durch Chlorid substituiert werden soll, durch
das sich bildende (H3O+) Oxonium-Ion (Abb.1) zunächst protoniert (Abb.2).
H
R
O
(l)
+ H3O
H
+
+
(aq)
R
O
(aq) +
H2O
H
Abb.2: Protonierung der Hydroxygruppe
Daraus entsteht nun die deutlich bessere Abgangsgruppe Wasser, so dass im nächsten
Schritt die Substituierung eingeleitet werden kann.
114
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.327.
Vgl. INT.2, S.91.
116
Vgl. Brückner, S.57.
115
111
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
H
+
R
O
H
(aq) +
Cl
-
R
(aq)
Cl
(l) +
H2O
Abb.3: Substitutionsreaktion und Wasserabspaltung
Das verwendete Zinkchlorid (ZnCl2) des Lucas-Reagenz hat gleich zwei Aufgaben. Es erhöht
die Reaktivität des Alkohols und die der Salzsäure, denn Zinkchlorid allein reagiert in
wässriger Lösung - wie auch die Salzsäure - sauer. Der Grund ist, dass es sich aus einer
Kationensäure, dem
(Zn2+ -
Kation) und
der
schwachen
Anionenbase
Chlorid
zusammensetzt.117 Doch die Kombination von Salzsäure und Zinkchlorid lässt noch zusätzlich
das tetraetrisch aufgebaute Tetrachlorozinkat-Anion [ZnCl4]2- sowie 2 H+ entstehen.118 und 119
Ohne die Anwesenheit von Zinkchlorid würde eine Reaktion wohl lediglich bei dem gut zu
stabilisierenden tertiären Alkohol (tert.Butanol) ablaufen. Doch so wird auch die Substitution
am sekundären Alkohol eingeleitet.
Die beschriebenen Reaktionsschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:
R
O
- H2O
H
H
+
+H
R
schnell
O
+
R
H
+
+ ClR
Cl
+ H2O
langsam
schnell
Abb.4: Reaktionsschritte im Überblick
Nun gilt es zu verstehen in wie weit sich die unterschiedlichen Alkylgruppen der drei
Alkohole (hier mit R dargestellt) auf die Reaktivitäten auswirken. Dies erklärt dann auch die
unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten der Substitutionsreaktion. 120
117
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.332.
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.684.
119
Vgl. INT.1.
120
Vgl. INT.2.
118
112
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Tertiäre Alkohole, wie das verwendete tert. Butanol (Vgl. Abb.5) reagieren nach einem SN1 –
Mechanismus (Abb.6a); das heißt: nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung.
Das tert.Butanol (auch 2-Methylpropan-2-ol genannt), hat folgende Struktur:
OH
C
H3C
H
CH3 H
C
C
C
H
OH
H
+I
H
CH 3
CH3
H
(l)
(l)
Abb.5: Tert.Butanol
H3C
H3C
C
OH + H3O
H3C
+
- H2O
H3C
H3C
H3C
H
C
O
+
CH3
- H2O
+
Cl
C
H
H3C
CH3
Carbeniumion/
tert. Butanol
CH3
+ Cl-
Carbokation
C
CH3
CH 3
2-Chlor-2-Methyl-Propan
Abb.6a: Reaktionsmechanismus der SN1 – Reaktion
Die nach einem SN1 – Mechanismus ablaufende Reaktion läuft sehr schnell ab, so dass sich
beinahe augenblicklich eine Trübung und Phasentrennung zeigt.
Der Angriff des nucleophils - Chlorid auf das Carbenium-Ion (siehe Abb.6b) kann von beiden
Seiten erfolgen. Der Grund ist, dass dieses Carbenium-Kation ein leeres p – Orbital aufweist,
welches senkrecht zur Ebene, die durch die Substituenten aufgespannt wird, liegt.
CH3
+
H3C
C
CH3
Abb.6b: Darstellung des leeren p-Orbitals
im Carbenium-Ion.
Daher ist auch ein Angriff durch ein Nucleophil wie die des Chlorids von beiden Seiten gleich
wahrscheinlich. Dies hat dann auch einen Verlust der stereochemischen Information zur
113
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Folge. Dies gilt natürlich nur insofern, wenn zuvor ein stereochemisches Zentrum vorgelegen
hat. In dem gezeigten Beispiel des verwendeten Eduktes tert.Butanol war dies nicht der Fall.
Die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten primärer, (hier Propan-1-ol), sekundärer
(hier Propan-2-ol) und tertiärer (hier tert.Butanol) Alkohole, kommt durch die
unterschiedlich gute Stabilisierung der Carbenium-Ionen; die zwischenzeitlich gebildet
werden, zustande. Es gilt; je besser dieses Carbenium-Ion stabilisiert ist, desto leichter bildet
es sich. Tertiäre Alkohole reagieren ausschließlich und sehr schnell nach einem SN1Mechanismus, bei sekundären Alkoholen sind die Reaktionsbedingungen entscheidend und
primäre Alkohole wie das Propan-1-ol können überhaupt nicht nach einem SN1Mechanismus reagieren.
Der primäre Alkohol (Propan-1-ol (Vgl. Abb.7)), der keine Reaktion mit dem Lucas-Reagenz
zeigt, reagiert nicht nach einem SN1 Mechanismus. Bei primären Alkoholen wäre allerdings
eine Reaktion nach einem SN2 Mechanismus denkbar (Vgl. Abb.8).
Bei einer SN2-Reaktion handelt es sich um eine Einstufenreaktion, bei der beide
Reaktionspartner am Primärschritt beteiligt sind. Sie verläuft bimolekular. Das Nucleophil
greift dabei das Kohlenstoffatom von der gegenüberliegenden Seite der Abgangsgruppe an.
Dieser Angriff ist bei einem primären Alkohol aufgrund der geringeren sterischen Hinderung
gegenüber einem tertiären Alkohol begünstigt.
Da das Propan-1-ol trotz des denkbaren SN2 Mechanismus keine Reaktion zeigt, liegt daran,
dass SN2-Reaktionen durch starke Nucleophile und aprotisch polare Lösungsmittel begünstigt
werden. Wasser, das hier als Lösungsmittel verwendet wird, ist hingegen ein protisch
polares Lösungsmittel. Daher wird so ein möglicher SN2 Mechanismus behindert. Eine
Reaktion mit dem primären Alkohol bleibt trotz des denkbaren S N2 Mechanismus aufgrund
der ungünstigen Reaktionsbedingungen aus.
Protische Lösungsmittel, wie das verwendete protisch polare Wasser, begünstigen auch
noch zusätzlich den SN1 Mechanismus.
114
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Propan-1-ol:
-I
H3C
OH
H
H
H
H
C
C
C
H
H
OH
(l)
H
(l)
Abb.7: Propan-1-ol
Bei Propan-1-ol handelt es sich um einen primären Alkohol. Das Kohlenstoffatom, das die
Hydroxygruppe (-OH) trägt, ist nur mit einem weiteren C – Atom verbunden. Es liegt also
keine große sterische Hinderung für den Angriff des Nucleophils vor.
H
H
C
H3C
H
H
C
+ H3O
Cl
H
- H2O
H
+
C
H3C
H3C
C
H
O
H
H
- H2O
Cl
C
H
OH
+
H
H
H
H
Propan-1-ol
H
+ Cl-
H
O
C
H3C
H
H
C
H
H
Übergangszustand
1-Chlor-Propan
Abb.8: Reaktionsmechanismus der SN 2 – Reaktion
des primären Alkohols Propan-1-ol
Der mögliche SN2 Mechanismus läuft folgendermaßen ab: Nach dem die Hydroxygruppe
protoniert und somit zu einer geeigneten Abgangsgruppe wird, entsteht durch Angriff des
Nucleophils
Chlorid
ein
trigonal-bipyramidaler
Übergangszustand.
In
diesem
Übergangszustand sind die Bindungen zum Wasser noch nicht vollständig gelöst und die zum
Chlorid noch nicht vollständig geknüpft. Durch die Wasserabspaltung wird dann das Produkt
1-Chlor-Propan erhalten. Bei SN 2 - Reaktionen treten das angreifende Nucleophil und die
Abgangsgruppe gleichzeitig ein bzw. aus.
Die Entscheidung, wann die Reaktion nach SN 1 und wann SN 2 abläuft, hängt von
verschiedenen Faktoren ab. Zum einen von der Art des Lösungsmittels, der Nucleophilie des
angreifenden Teilchen sowie von zwei weiteren wichtigen Faktoren die bei dieser Reaktion
entscheidend sind:
Nämlich zum einen, wie stabil das gebildete Carbenium-Ion ist und zum anderen, in welcher
sterischen Umgebung sich das angegriffene Kohlenstoffatom befindet.
115
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
So bilden sich leicht stabile Carbenium-Ionen wie das tert. Butylkation, das während der SN 1
Reaktion entsteht. Aufgrund dieser relativ hohen Stabilität sowie des polaren protischen
Lösungsmittels wird eine Reaktion über einen SN1 Mechanismus begünstigt.
Carbenium-Ionen, die sich aus primären Alkoholen - wie dem theoretisch denkbaren
Propylkation - bilden könnten, entstehen nicht, da ihre Bildung zu viel Energie benötigen
würde. Sie laufen daher bei geeigneten Reaktionsbedingungen nach einem S N 2 –
Mechanismus ab.
CH3
CH3
+
+
C
H3C
H
>
H3C
C
>>
+
H3C
H
CH3
C
H
Abb.9: Stabilität verschiedener
Carbenium-Ionen
Der andere beeinflussende Faktor, der den Mechanismus nach dem die Reaktion abläuft mit
bestimmt, ist die sterische Umgebung des Kohlenstoffatoms, das die Hydroxygruppe trägt. Je
größer
diese
sterische
Hinderung
für
einen
nucleophilen
Angriff
ist,
umso
unwahrscheinlicher wird eine Reaktion des Typs SN2. Tertiäre Kohlenstoffatome - wie das im
tert.Butanol - reagieren nicht mehr nach SN 2,121 so dass ein SN1 – Mechanismus begünstigt
ist.
Abb.10: Sterische Effekte auf die SN 2-Reaktivität 122
121
122
Vgl. Brückner, S.68.
Vgl. Brückner, S.68.
116
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
In Abb.10 werden die sterischen Wechselwirkungen der Substituenten dargestellt. Während
im tetraetrischen System lediglich 3 Wechselwirkungen in der Größenordnung von ca.109°
zu berücksichtigen sind, wächst diese Zahl auf 6 Wechselwirkungen in der Umgebung des
angegriffenen Kohlenstoffatoms. Nicht nur die Zahl nimmt zu, sondern es kommt zusätzlich
zu einer Winkelkomprimierung auf nur noch 90°.
Die erhöhten sterischen Wechselwirkungen bei voluminösen Substituenten destabilisieren
demnach den Übergangszustand. Es erhöht sich zudem noch die Aktivierungsenergie EAkt.
Daraus resultiert dann eine Verminderung der Geschwindigkeitskonstanten kSN2.
.
.
+
C
.
+H
H
. .
O
-H
+
.
C
O
.
+
H
H
+C l
-C l
O
+ H2
Bildung des
Carbeniumkations
O
- H2
.
langsamster
Schritt
.
+
Cl


C
.
Durch Chloridangriff:
Ausbildung eines
Übergangzustandes
.
.
+ Cl-
.
.
C
.
Gleichzeitiger
Cl- – Ein und
H2O – Austritt.
- H2O
Sehr schneller,
kaum messbarer
Verlauf
.
H
O

..  H
.
Cl
C
.
Cl
Beim langsamsten Schritt, dem
Am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt
geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, ist
sind zwei Molekülarten beteiligt:
nur eine Molekülart (hier H2O) beteiligt.
(H2O und Cl-)
= = > Monomulekulare Reaktion
= = > Bimolekulare Reaktion
Zeitgesetz 1. Ordnung gilt.
Zeitgesetz 2. Ordnung gilt.
Abb.11: Schematische Darstellung der ablaufenden
SN1 - und SN2 - Reaktionen
117
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Nach welchem Mechanismus die Reaktionen von sekundären Alkoholen, wie dem in Abb.11
dargestellten Propan-2-ol erfolgt, hängt stark von den Versuchsbedingungen ab. So wäre
sowohl ein SN1-als auch ein SN2-Mechanismus denkbar. In diesem Fall bildet sich aus dem
Propan-2-ol das 2-Chlor-Propan. Der sekundäre Alkohol reagiert dabei schon nach wenigen
Minuten; der entstehende Chlorkohlenwasserstoff trübt zunächst die Lösung, scheidet sich
dann aber als wasserunlösliche Phase ab. Dies ist an der Tröpfchenbildung in der Lösung zu
erkennen.
Propan-2-ol:
OH
C
H3C
H
H
H
C
C
C
H
OH
H
0
H
H
CH 3
(l)
H
(l)
Abb.11: Propan-2-ol
Propan-2-ol stellt einen sekundären Alkohol dar. Hier ist das Kohlenstoffatom, das die OH –
Gruppe trägt, mit 2 weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Man spricht daher von einem
sekundären Kohlenstoffatom.
Die Unterscheidung der drei Alkohole in primär, sekundär und tertiär kann demnach durch
die unterschiedlich schnell ablaufenden Reaktionen getroffen werden. Am schnellsten
reagiert der tertiäre Alkohol (hier das tert.Butanol) gefolgt vom sekundären Alkohol (dem
Propan-2-ol). Gar nicht reagiert der primäre Alkohol (Propan-1-ol) mit dem Lucas-Reagenz.
Die nach der Trübung auftretende Phasentrennung lässt sich durch den stärker unpolaren
Charakter der entstehenden Halogenalkane erklären. Diese sind aufgrund ihrer stärker
unpolaren Struktur schlecht im polaren Medium Wasser mischbar und daher teilweise
wasserunlöslich.
Als wichtig anzumerken ist, dass für diesen Versuch nur Alkohole verwendet werden können,
die sich mit wässrigen Lösungen mischen lassen. Langkettige, wasserunlösliche Alkohole
können daher nicht verwendet werden.
118
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch kann zusammen mit dem Versuch zur Oxidation von Alkoholen durch
Kaliumpermanganat gut zur Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole
verwendet
werden.
Er
ist
einfach
und
unkompliziert.
Die
unterschiedlichen
Reaktionsgeschwindigkeiten, die auf die unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und die
unterschiedlichen Strukturen der Alkohole zurückgehen, werden in dem Versuch deutlich. Er
kann sowohl im Lehrerversuch zur Demonstration, als auch - wie man bei HessGISS 08/09
nachlesen kann - aufgrund der geringen Giftigkeit als Schülerversuch durchgeführt werden.
Der Versuch ist aber aufgrund des theoretischen Hintergrundes - auf dem er basiert - sehr zu
empfehlen. Bei dieser Gelegenheit auf die verschiedenen Reaktionsmechanismen der
nucleophilen Substitution nach SN1 und SN2 eingegangen werden. Des Weiteren können die
Mechanismen der Reaktionen, wie auch die Faktoren, die einen bestimmten Mechanismus
begünstigen oder behindern, beispielhaft besprochen werden. Falls dies schon im
Themengebiet der Halogenalkane behandelt wurde, wäre das eine Auffrischung. Dieser
Versuch sollte meiner Meinung nach im Themenfeld der Alkohole unbedingt durchgeführt
werden, da er inhaltlich als wertvoll zu bezeichnen ist.
Entsorgung:
Die Lösungen müssen neutralisiert werden und können anschließend neutral im organischen
Abfall entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT 1:
http://www.chids.de/dachs/experimente/003unterscheidung_prim_sek_ter_alkohole.xml
(Zugriff: 08.01.2010).
INT 2: http://www.chm.tu-dresden.de/oc/med/WS06_07/v7.pdf (Zugriff: 08.01.2010).
INT.3:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/supplement/Vlu/vsc/de/ch/2/vlu/alkohole/alkohole
_reaktionen.vlu/Page/vsc/de/ch/2/oc/stoffklassen/systematik_funktionelle_gruppen/alkoho
le/substitution.vscml/Fragment/d8007a3e2112f7698ad1e116620f15bc-f.html
(Zugriff:
23.01.2010)
119
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 11:
Unterscheidung Ethanol und Methanol durch Borsäure
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
2 Porzelanschalen
Spatel
1 Messpipetten
Streichholz
Becherglas 100 mL
2 Glasstäbe
1 Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Borsäure
***
H3BO3 (s)
T
R: 60-61
Spatel-
Zusatz:
S: 53-45
spitze
Fortpflanzungsgefährdend
Fruchtschädigend
R: 11-23/24/25Methanol
*
CH3OH (l)
T
39/23/24/25
,F
S: 7-16-36/37-
Zusatz:
Ersatzstoffprüfung durchführen
Ethanol
(w = 96 %)
CH3CH2OH (l)
45
R: 11
F
S: 7 - 16
*
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
5 mL
5 mL
123
*** keine Schülerexperimente erlaubt
123
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
120
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Spatel mit Borsäure
Messpipette mit
Ethanol
Porzellanschalen
Porzellanschalen
3.Schritt
Porzellanschalen mit
Alkohol/Borsäure Gemisch
Streichholz
Durchführung: 124
ACHTUNG: Der Versuch sollte auf Grund der Toxizität der eingesetzten Substanzen in jedem
Fall im Abzug durchgeführt werden.
1. Pipettiere mit Hilfe einer Messpipette 5 mL in die erste der beiden Porzellanschalen.
Pipettiere in die zweite Schale 5 mL Methanol.
2. Gib zu jedem der beiden Alkohole jeweils zwei Spatelspitzen Borsäure. Vermische
alles durch rühren mit einem Glasstab.
3. Entzünde mittels Streichholzes den Dampf.
124
Vgl. INT.3.
121
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Die beiden Alkohole sind wasserähnliche, klare Flüssigkeiten. Auch nach Zugabe der
Borsäure ist zunächst kein Unterschied zu erkennen.
Ethanol in Schale 1 verbrennt mit einer gelblichen, Methanol in Schale 2 mit einer grünen
Flamme. Bei der Verbrennung des Reaktionsgemisches in Schale 2 ist eine leichte
Rauchentwicklung zu erkennen. Diese ist allerdings kein schwarzer, rußender Rauch.
Fachliche Auswertung:
Ethanol reagiert unter diesen Bedingungen nicht mit der Borsäure, sondern liegt
unverändert als Alkohol vor. In diesem existiert eine C-C Bindung. Bei der Verbrennung
entsteht neben den Hauptbestandteilen Wasser und Kohlendioxid auch noch Ruß, der in der
Flamme gelb glüht. Daher verbrennt Ethanol unter typisch gelber Flamme.
Schale 1:
H
OH
-I
C
H
-III
C
0
+ 3 O2
H
H

+VI -II
-II
2 CO2
+ 3 H2O
(g)
(g)
(g)
(g)
H
Abb.1: Verbrennungsreaktion von Ethanol
Methanol hingegen reagiert auch bei Abwesenheit eines Katalysators mit der Borsäure. Es
bilden sich verschiedene Borsäuremethylester (1 – 3 fach substituiert). Diese verbrennen
aufgrund des hohen Boranteils mit kräftig hellgrüner Flamme. Da in dieser Verbindung keine
C-C – Bindungen vorliegen, kann bei der Verbrennung bei ausreichender Sauerstoffzufuhr
kein Ruß entstehen.
Schale 2:
H3C
-II
O
CH3
-II
B
0
O
+ 9 O2 (g)
2
+III
+IV -II
6 CO2
(g)
+ 9 H2O
(g)
+ B2 O 3
(s)
O
-II
CH3
(g)
Abb.2: Verbrennungsreaktion von Methanol
122
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Wie die Reaktionsgleichung zur Verbrennungsreaktion zeigt, entsteht festes Boroxid (B 2O3),
welches durch die heißen aufsteigenden Gase als Aerosol mitgerissen wird. Dies sorgt für die
leicht weißrauchende Flamme.125
H
H3C
H
HO
O
OH
+
O
(l)
H
-
B
B
+
CH3
O
HO
OH
OH
(l)
(aq)
(aq)
- H 2O
H3C
O
CH3
B
H3C
O
O
B
Weiterreaktion
O
CH3
möglich
OH
HO
(aq)
(aq)
Borsäuretrimethylester
Borsäuremethylester
Abb.3: Mechanismus der Veresterung von
Borsäure mit Methanol
Das freie elektronenpaar der Hydroxygruppe des Methanols greift bei dieser Reaktion das
elektronenarme Boratom der Borsäure nucleophil an. Dadurch entsteht das tetraetrische
Zwischenprodukt. Nach der Wasserabspaltung entsteht der einfach veresterte Methylester
der Borsäure. Im Folgenden sind Reaktionen mit den übrig gebliebenen OH – Gruppen der
Borsäure nach dem gleichen Mechanismus möglich. Als Produkt entsteht dann zusätzlich
Borsäuredimethylester und Borsäuretrimethylester.
Würde man zusätzlich einige Tropfen konzentrierter Schwefelsäure, die als Katalysator
fungieren kann, zugeben, würde auch das Ethanol mit der Borsäure zu einem Ester
reagieren.
125
Vgl. INT.1.
123
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Borsäure, genauer die Orthoborsäure,126 ist eine schwache einprotonige Säure, (pKS =
9,28).127 Sie wirkt allerdings nicht selbst als Protonendonator, wie die Schreibweise H 3BO3
den Anschein erwecken könnte, sondern als Lewis-Säure. Sie ist demnach ein
Elektronenpaarakzeptor128. So reagiert sie mit Wasser nach folgender Reaktionsgleichung:
H3BO3
(s) +
2 H2O
B(OH) 4
(aq)
+ H3O
+
(aq)
Abb.4: Reaktion von Borsäure mit Wasser129
Mechanistisch ist es ein nucleophiler Angriff des freien Elektronenpaars des Wassers auf das
elektronenarme und damit als Lewis-Säure auftretende Boratom der Borsäure.
H
O
H
H
B
H
O
+
O
O
H2O
H
-
B
O
+
O
+H
(aq)
H
O
O
H
H
H
(aq)
Abb.5: Reaktion von Borsäure
mit Wasser
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch kann aufgrund der Toxizität der verwendeten Stoffe nur als
Demostrationsversuch durch den Lehrer durchgeführt werden. Er sollte in jedem Fall im
Abzug durchgeführt werden! Doch trotz der Giftigkeit der eingesetzten Substanzen
(Borsäure und Methanol) sollte der Versuch seinen Platz im Unterricht finden, da er nicht
aufwändig
ist,
eindeutige
Ergebnisse
liefert
und
mechanistisch
auf
wichtige
Veresterungsreaktionen eingeht. Diese könnte an dieser Stelle besprochen werden, oder
dann ausführlich im Themengebiet der Carbonsäuren. Des Weiteren wird hier die
Orthoborsäure verwendet die eine Säure ist - hier jedoch nicht im eigentlichen
Broenstedtschen Verständnis von Säuren auftritt sondern als Elektronenpaarakzeptor und
demnach als Lewis – Säure gilt. Nun könnte an dieser Stelle, falls dies nicht schon zuvor
126
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.579.
Vgl. INT.2.
128
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.580.
129
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.580.
127
124
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
geschehen ist, mit Hilfe der Reaktionsgleichung eine andere Betrachtungsweise der Säure –
Base-Chemie den Schülern anschaulich gemacht werden. (Abb.4)
Entsorgung:
Die Lösungen können einfach ausbrennen. Evtl. zurückbleibende Rückstände können mit
Wasser aufgenommen und neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1:
http://www.ph-heidelberg.de/wp/schallie/minilab/borest.htm (Zugriff: 04.04.2010).
INT.2: http://www.chemieonline.de/labor/pkx.php?action=liste&typ=2&buchstabe=B
(Zugriff: 04.04.2010).
INT.3:
http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Klasse%2010%20Kohlenst
offchemie/V%20Alkanole/Methanol%20Ethanol.htm (Zugriff: 04.04.2010).
125
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 12:
Vergleich zwischen Alkoholen und Phenolen am Beispiel von Ethanol und
Phenol
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
Pro Gruppe:
2 Reagenzgläser
Spatel
2 Pipetten mit Hüttchen
Reagenzglasgestell
Becherglas 50 mL
Becherglas 100 mL
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
CH3CH2OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
3 mL
R: 23/24/25-34—
Phenol
*
C6H5OH (s)
T
,C
48/20/21/22-68
Zusatz:
S: 24/25-26-28.6-
Erbgutverändernd (Kat.M3),
0,5 g
36/37/39-45
Gefahr durch Hautresorption
Eisen(III)-Chlorid
*
Dest. Wasser
R: 22-34
FeCl3 (s)
C
H2O
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
130
S: 26-27-36/37/39
-
5g
95 mL
130
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
126
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
2. Schritt:
Eisen(III)-Chlorid Lösung
Phenol - Lösung
1.RG
2.RG
Ethanol
1.RG
Ethanol
2.RG
Phenol - Lösung
Durchführung: 131
Herstellen der Lösungen:
Eisen(III)-Chlorid – Lösung:
Löse in einem 100 mL Becherglas 5 g Eisen(III)-Chlorid in 45 mL Wasser, rühre
anschließend mit einem Glasstab, bis sich alles gelöst hat.
Phenol – Lösung:
In einem 50 mL Becherglas werden 0,5 g festes Phenol in 50 mL dest. Wasser durch
schütteln gelöst.
1. Gib in ein Reagenzglas 3 mL Ethanol und in ein weiteres 3 mL Phenol – Lösung.
2. Gib anschließend 15 Tropfen der Eisen(III)-Chlorid – Lösung hinzu.
131
Vgl. INT.2 und INT.3.
127
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Ethanol - wie auch die wässrige Phenollösung - sind klare, farblose Flüssigkeiten. Nach
Zugabe der Eisen(III)-Chlorid Lösung färbt sich der Inhalt in Reagenzglas 1, das mit Ethanol
gefüllt ist, in der typisch gelben Farbe des Eisenchlorids. Bei Zugabe des Eisen(III)-Chlorids
zur Phenol – Lösung ist hingegen eine intensive Blaufärbung zu erkennen. Die Blaufärbung ist
als Dunkelblau zu beschreiben.
Fachliche Auswertung:
Phenol, auch Monohydroxybenzol genannt, ist relativ gut wasserlöslich. Es können bei 25°C
ca. 87 g pro Liter Wasser gelöst werden.132 Bei dem Hydroxy – Derivate des Benzols handelt
es sich - anders als den auf den ersten Blick verwandten Alkoholen - um eine Säure. Sie weist
einen pKS von 10 auf; Ethanol hingegen nur einen pKS von 16. Damit wirken Phenole deutlich
acider als Alkohole. Der Grund für die Acide – Wirkung der Hydroxygruppe ist deren
Wechselwirkung mit dem delokalisierten 𝝅 – Elektronensystem des aromatischen Ringes.133
O
H
O H
O
O
H
H
Abb.1: Grenzformel des Phenols
Durch diese Wechselwirkung, die durch die in Abb.1 dargestellte Grenzformel beschrieben
werden kann, wird die Polarität der der O – H Bindung verstärkt, so dass eine Protonen
Abgabe vereinfacht wird. Die Reaktion des Phenols mit Wasser lässt sich folgendermaßen
beschreiben:


O


H
O
H
H
+
O
+
+
H
O H
H
Abb.2: Reaktion von Phenol mit Wasser – Protolyse des Phenols
132
133
Vgl. INT.1.
Vgl. Asselborn et al., S.286
128
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Ein weiterer Grund für das Acide – Verhalten der Phenole ist in der hohen Stabilität des
entstehenden Phenolat – Ions zu suchen.134
O
O
O
O
Abb.3: Grenzformel des Phenolat Anions
Wie in Abb.3 zu erkennen ist, ist die entstehende negative Ladung über das ganze Molekül
delokalisiert, was dessen Stabilität erklärt. Anders ist das bei den Alkoholationen, die aus
den Alkoholen entstehen. Hier ist die negative Ladung lediglich am Sauerstoffatom
lokalisiert, so dass sie nicht derart stabil sind. Aus diesem Grund sind Alkoholate starke
Basen.
Da sich Alkohole und Phenole in ihren Eigenschaften doch stärker unterscheiden als dies auf
den ersten Blick der Fall ist, werden diese aromatischen Systeme, die eine oder mehrere
Hydroxygruppe tragen, in einer eigenen Stoffklasse zusammengefasst. Sie trägt den Namen
des einfachsten Vertreters, Phenol. Sie werden daher Phenole genannt und zählen somit
nicht zur Gruppe der Alkohole.
Weitere Bespiele für Phenole sind:
OH
OH
OH
OH
OH
OH
Phenol
1,3 - Dihydroxybenzol
(Resorcin)
HO
1,2 - Dihydroxybenzol
OH
1,3,5 - Trihydroxybenzol
Abb.4: Verschiedene Phenole
Die intensive Farbreaktion, die nach Zugabe der Eisen(III)-Lösung zur phenolhaltigen Lösung
zu beobachten ist, ist auf die Bildung eines Komplexes zwischen Phenol und Eisen(III)
134
Vgl. Asselborn et al., S.286
129
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
zurückzuführen.135 Für diese Komplexbildung spielt ebenfalls der saure Charakter (das
Vermögen des Phenols in wässriger Lösung ein Proton abzuspalten) eine wichtige Rolle. So
ist es in der Folge möglich, dass Phenol mit der harten Lewissäure Eisen(III) über das negativ
geladene Sauerstoffatom des Phenols einen Komplex auszubilden vermag.
Dieser Komplex könnte in wässriger Lösung folgende Gestalt haben und als
Hexaphenolatoferrat(III) bezeichnet werden:
3-
O
O
Fe
O
3-
PhO
O
OPh
PhO
Fe
O
PhO
OPh
OPh
O
vereinfachte Darstellung
Abb.5a: Möglicher Hexaphenolatoferrat(III)-Komplex
Bei der abgebildeten Darstellung handelt es sich jedoch um einen hypothetischen Komplex,
der kristallographisch mittels Röntgenstrukturanalyse in dieser Art nicht nachgewiesen
wurde.136
Da die Reaktion in wässriger Lösung stattfindet, sind auch Komplexe denkbar, bei denen die
Phenolationen als Liganden durch Wasser-Liganden substituiert sind. So wären auch unter
anderem die folgenden beiden Komplexe möglich:
135
136
Vgl. INT.2.
Vgl. Suchanfrage CSD Database.
130
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
O
H2O
O
H2O
OH 2
Fe
O
OH 2
Fe
O
O
O
OH 2
O
Abb.5b: mögliche Aqua, Phenol-Eisen(III)-Komplexe
Der in Abb.5a dargestellte theoretisch denkbare Hexaphenolatoferrat(III)-Komplex - wie
auch die beiden in Abb.5b dargestellten Eisen(III) – Komplexe, wären allerdings
Oxidationsmittel. Der Grund ist, dass ihm zum Erfüllen der 18-Elektronenregel 1 Elektron
fehlen würde.
Diese Regel besagt, dass die im Periodensystem der Elemente vor einem Edelgas stehenden
Übergangselemente der Langperiode bestrebt sind, durch die Aufnahme von Elektronen
durch die Komplexbildung die 18 Außenelektronen - wie im Edelgas - zu erreichen.137 Diese
kann dann allgemein als (d10s2p6) beschrieben werden. Die 18-Elektronenregel wurde von
1923 von Sidgwick aufgestellt und lässt sich durch viele stabile Komplexe - die dieser Regel
gehorchen - bestätigen. So zum Beispiel das Ferrocen:
Abb.6: Sandwichkomplex - Ferrocen 138
137
138
Vgl. Holleman Wieberg, 102. Aufl., S.1349.
Vgl. Deckwer et al..
131
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Ferrocen setzt sich formal aus einem Eisen(II) – Kation und zwei Cyclopentadien - Anionen
zusammen (C5H5-) (Vgl. Abb.7). Dieses, als aromatisches Anion zu bezeichnende Molekül
kann wie folgt aus Cyclopentadien dargestellt werden:139
H H
+I
-
H
0
+ Na
+I
0
+
Na + 1/2 H2
....
Abb.7: Darstellungs Möglichkeit des Cyclopentadien - Anions
Ferrocen bildet sich bei Reaktion zweier Cyclopentadien – Anionen mit Eisen(II) unter
Bildung von  – Komplexen, das in Abb.6 dargestellt ist. Der (C5H5-)-Ligand ist hierbei über
seine  – Elektronen (6e-) mit dem Eisen(II) Atom verbunden. Da jeder der Liganden jeweils 6
Elektronen mit in den Komplex bringt, sowie das Eisen(II)-Atom ebenfalls 6 Elektronen zur
Verfügung hat, erfüllt dieser Komplex die 18-Elektronenregel. Dies erklärt auch die extrem
hohe Stabilität dieser „außergewöhnlichen“ Verbindung. Es handelt sich beim Ferrocen um
eine diamagnetische, kristalline Substanz, die sich erst oberhalb von 500 °C zersetzt.140
Eine weitere Verbindung, die aufgrund der Erfüllung der 18-Elektronenregel sehr stabil ist,
ist das Bisbenzolchrom. Hierbei handelt es sich um einen Komplex aus elementarem Chrom,
dass selbst 6 Elektronen mitbringt mit zwei Benzolringen, (die ebenfalls jeweils mit ihren 6 Pi
– Elektronen beteiligt sind), somit ergibt sich wieder die Summe von 18 Elektronen.
Abb.8: Bisbenzolchrom
139
140
Vgl. Mortimer, S.550.
Vgl. Mortimer, S.550.
132
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Aufgrund des harten Eisen(III)-Ions ist nicht zu erwarten, dass sich eine Art SandwichKomplex - wie beispielsweise im Ferrocen - bildet, da die 18-Elektronenregel141 bei einem
solchen Komplex nicht erfüllt würde, sowie das ein Komplex durch die Bildung einer  Bindung der harte Lewissäure Eisen(III) mit dem aromatischen Ring des Phenols als eher
unwahrscheinlich anzusehen ist. Gerade vor dem Hintergrund, dass ein negativ geladenes
Sauerstoffatom als Donoratom zur Verfügung stehen könnte - was eher als Donoratom mit
dieser harten Lewissäure Eisen(III) in Verbindung tritt - als die Elektronen des
aromatischen Systems. Ein Indiz hierfür ist, in Tab. 118 wie im Lehrbuch Holleman-Wieberg,
dargestellt, das ein möglicher Phenolligand über das Sauerstoffatom als Donoratom
auftritt.142
Diese Annahme wurde auch durch die Suchanfrage an die CSD – Datenbank vom 23.03.2010,
die auf dem Stand vom Feb.2010 ist, bestätigt. In dieser Anfrage wurden keine -Komplexe
zwischen Eisen(III) und Phenol gefunden die bisher kristallographisch aufgeklärt sind.143 Dass
es solche - Komplexe mit Phenol jedoch grundsätzlich gibt, wurde in derselben
Suchanfrage bestätigt. Diese sind jedoch nur mit „weicheren“ Lewissäure wie Rh(I), Ru(I)
oder Cr (0) bekannt.
Ein Beispiel für einen solchen Komplex ist:
Cp*
CF 3
Ru
HO
SO3
-
+
OH
Abb.9: (5-Pentamethyl-cyclopentadienyl)(6-1,4-hydroquinone)-ruthenium-trifluoromethanesulfonate144
141
Vgl. Holleman Wieberg, 102.Aufl., S.1349.
Vgl. Holleman Wieberg, 102.Aufl., S.1317.
143
Vgl. Suchanfrage CSD Database.
144
Vgl. Suchanfrage CSD Database.
142
133
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Es gibt aber auch Eisen(III)-Komplexe, die die 18-Elektronenregel nicht erfüllen, jedoch
trotzdem als einigermaßen stabil anzusehen sind. So zum Beispiel das oktaedrisch
koordinierte [Fe(CN)6]3-.
145
Dieses ist - wie auch der denkbare Hexaphenolatoferrat –
Komplex aus Abb.5 - ein Komplex der nur 17 Außenelektronen besitzt und damit als mildes
Oxidationsmittel auftritt.146
Bei einigen Komplexen mit 17 Außenelektronen kommt es durch Knüpfung einer Metall –
Metall Bindung zur Vervollständigung der 18 Außenelektronen beider Komplexe. So zum
Beispiel im Mn(CO)5, das durch Knüpfung einer zusätzlichen Mn – Mn Bindung die 18
Elektronenregel erfüllt.147 Diese Art der Vervollständigung wird durch Dimerisierung erreicht
(Vgl.Abb.9).
CO
OC
CO
OC
Mn
OC
CO
Mn
CO OC
OC
CO
(CO) 5Mn
Mn(CO)5
Abb.10: Dimerisierung im [Mn(CO)5]2
Allgemein ist abschließend hervorzuheben, dass der in Abb.5a und 5b dargestellte Komplex
nur eine hypothetische Möglichkeit für einen Eisen(III)Phenolkomplex darstellt, die jedoch
keineswegs gesichert ist.
Kristallographisch aufgeklärte Komplexe, bei denen der aromatische Ring über eine Bindung als Ligand auftritt, sind nur mit „weicheren“ Lewissäuren wie Ru(I) und Cr(0)
bestätigt.148
Durch diese relativ einfache Reaktion ist eine Unterscheidung zwischen Ethanol und Phenol
möglich. Ein anderer möglicher Weg, der zur Unterscheidung genutzt werden könnte, ist die
Reaktion beider Substanzen mit Wasser. So bleibt der pH-Wert bei Ethanol – Wasser
annähernd konstant, während eine Phenol-Wasser Lösung sauer wird und einen niedrigen
pH – Wert aufweist.
145
Vgl. Holleman Wieberg, 102.Aufl., S.1351.
Vgl. Deckwer et al..
147
Vgl. Holleman Wieberg, 102.Aufl., S.1351.
148
Vgl. Suchanfrage, CSD Database.
146
134
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Didaktische Auswertung:
Mit Hilfe dieser Reaktion kann effektvoll Ethanol von Phenol unterschieden werden, jedoch
soll in dem Versuch mehr als nur die einfache Unterscheidung von Ethanol und Phenol
demonstriert werden. Die Unterscheidung wäre mit Hilfe einer einfachen pH-Wert Messung
einfacher möglich.
Des Weiteren kann nach Zugabe des Phenols zum Wasser durch eine einfache pH – Wert
Messung auf das Acide Verhalten dieser Verbindungsklasse eingegangen werden,
vergleichsweise wie auch bei der vereinfachten Variante der pH – Wertmessung.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral in den Behälter für organische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Suchanfrage CSD Version 5.31 update (Feb.2010).
Internetquellen:
INT 1:
http://www.ineosphenol.de/eCommerce/msds_pdf/europe_german/IPH_PHS_EUR_G.pdf
(Zugriff:26.03.2010) .
INT.2: http://www.chemieunterricht.de/dc2/phenol/v07-1.htm (Zugriff:26.03.2010) .
INT.3: http://www.chids.de/dachs/expvortr/226Phenole_Conradi_Scan.pdf
(Zugriff:26.01.2010) .
135
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 13:
Alkoholische Gärung
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Variante 1:
2 PE – Spritzflaschen 500 mL
2 Mundstücke mit
2 durchbohrte Stopfen
Rückschlagventil
1 Topf
1 Löffel
Variante 2:
2 PE – Spritzflaschen 500 mL
2 Gärröhrchen
2 durchbohrte Stopfen
1 Topf
Löffel
(Feststofftrichter)
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Trockenhefe
-
*
Haushaltszucker
(Saccharose) *
Wasser
*
Calciumhydroxid
*
C12H24O12 (s)
H2O
-
-
-
-
Jeweils 1
Päckchen
Jeweils 1
Löffel
R: 41
Ca(OH)2
Xi
S: 22-24-26-39
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich 149
149
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
136
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
PE – Flasche 1 und PE - Flasche 3:
PE – Flasche 2 und PE - Flasche 4:
Spatel
1/3 lauwarmes
Wasser
Variante 1:
Variante 2:
Gärröhrchen
Luftballon
PE – Flasche
gefüllt mit
Wasser, Zucker
und Hefe
PE – Flasche
gefüllt mit
Wasser, Zucker
und Hefe
Topf mit warmem
Wasser
Topf mit warmem
Wasser
Durchführung: 150
Variante 1 und Variante 2 unterscheiden sich lediglich in der Nachweismethode:
1. Fülle je eine PE – Spritzflasche (ohne Spritzeinsatz) zu einem Drittel mit lauwarmem
Wasser.
2. Fülle in jede PE – Flasche (1-4) ein Päckchen Trockenhefe (Verwendung eines
Feststofftrichters vorteilhaft).
3. Gib zu Flasche 1 und 3 zusätzlich einen Esslöffel Haushaltszucker. (siehe
Versuchsaufbau).
4. Stell die Flaschen in einen Topf mit lauwarmem Wasser.
150
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al..
137
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Variante 1:
1. Verschließe die PE – Falsche mit einem Stopfen. Durch das Loch ein Mundstück das
mit Hilfe eines PE – Schlauches mit einem Rückschlagventil verbunden ist. Darüber ist
ein Luftballon gezogen.
Rückschlagventil
Mundstück
Luftballon
Stopfen
Abb.1: Skizze des Aufsatz
2. Beobachte den Ballon beider Flaschen
3. Vergleiche.
Variante 2:
1. Verschließe die PE – Falsche mit einem Stopfen, durch den ein Gärröhrchen geführt
ist. Das Gärröhrchen ist mit einer klaren gesättigten Calciumhydroxid – Lösung
gefüllt.
2. Vergleiche.
Beobachtungen:
Variante 1: Der über die 1. PE – Flasche gestreifte Ballon (die mit Trockenhefe und Zucker
gefüllt wurde) beginnt sich nach kurzer Zeit zu füllen. Der Ballon, der über die 2.
PE Flasche (die nur mit Trockenhefe gefüllt wurde) zeigt keine Veränderung.
Variante 2: Die klare Flüssigkeit, die in das Gärröhrchen gefüllt wurde, trübt sich bei der 3. PE
– Flasche nach kurzer Zeit. Keine Trübung ist in der Flasche 4 zu beobachten.
Fachliche Auswertung:
Trockenhefe ist ein gefriergetrocknetes Pulver aus Hefepilzen. Diese sich in Ruhe
befindlichen Hefepilze werden durch den Kontakt mit warmem Wasser und Zucker wieder
aktiv. Sie bekommen „Hunger“ und vermehren sich schnell. Ihre Nahrung ist der
138
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Haushaltszucker, die Saccharose.151 Diese ist ein Disaccharid, das aus 2 monosacchariden
Bausteinen - der Glucose und der Fructose - besteht. Dabei verstoffwechseln die Hefepilze
die Monomeren Bestandteile und gewinnen aus dessen Abbau Energie. Als Abbauprodukte
entstehen Kohlendioxid und Ethanol.
Starkvereinfacht kann diese Reaktion durch folgende Gleichung dargestellt werden:152
[Hefepilze]
C6H12 O 6
2 CO 2
(aq)
Glucose
(g) +
2 CH3CH 2OH (aq)
Kohlendioxid
Ethanol
Abb.2a: stark vereinfachte Darstellung der
alkoholischen Gärung
Ethanol ist das Produkt einer relativ komplizierten chemischen Reaktion mit zahlreichen
Zwischenschritten. Es bildet sich dabei über zehn Zwischenschritte aus der Glucose. In der
Folge reagiert die sich zwischenzeitlich bildende Benztraubensäure unter Abspaltung von
Kohlenstoffdioxid in mehreren Zwischenschritten zu Ethanal. Dieses wiederum wird dann
letztlich zu Ethanol reduziert (Vgl.Abb.2b).153
OH
O H
HO
H
H
- 4H
H
H3C
2
H
OH
OH
Pyrovat decarboxylase
O
O
OH
H
2 H3C
O
- 2 CO2
OH
H
+I
2 H3C
Alkohol dehydrogenase
OH
Oxidation
O
-I
2 H3C
H
H
NADH
+
-
+
NAD + 2 e + 2 H
|x2
Abb.2b: Schematische Darstellung der
alkoholischen Gärung
151
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.17.
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.18.
153
Vgl. INT.1.
152
139
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Auf diese Art (alkoholische Gärung genannt) kann auf einfachem Wege Trinkalkohol
dargestellt werden. Es ist der einzige zugelassene Weg für dessen Herstellung. Dieser
Prozess der alkoholischen Gärung ist schon seit Jahrhunderten bekannt und findet in der
Natur ganz ohne menschliches Zutun überall da statt, wo z.B. aufgeplatztes Obst oder süße
Säfte bestimmten Bedingungen ausgesetzt sind.
Der entstandene Ethanol kann mittels Geruchsprobe identifiziert werden. Die Lösung weist
schon nach kurzer Zeit einen typischen Ethanolgeruch auf. Lässt man die Versuchsflasche
des Versuchs über Nacht stehen und begutachtet diese am nächsten Tag erneut, ist der
Geruch noch intensiver geworden.
Dass bei der alkoholischen Gärung neben dem Ethanol noch ein Gas entsteht, wird im
Versuch in Variante 1 an einen sich während der Reaktion füllenden Ballons gezeigt. Dieser
füllt sich während der Reaktion stetig (ohne Rückschlagventil funktioniert dies allerdings
nicht).
Bei Variante 2 kann dann das entstehende Gas als Kohlendioxid identifiziert werden.
Kohlendioxid reagiert mit einer gesättigten Calciumhydroxid-Lösung zu Kalk, welcher die
zuvor klare Lösung trübt (Vgl.Abb.3a).
Ca(OH) 2
(aq) +
CO2
(g)
CaCO3
(s)
+ H2O
Abb.3a: Kohlendioxidnachweis durch
Calciumhydroxid-Lösung
Der größte Teil des in Deutschland hergestellten Ethanols wird nicht als Reinstoff gewonnen,
sondern durch alkoholische Gärung hergestellt und in Form alkoholischer Getränke
konsumiert. Die Menge des so in Deutschland in einem Jahr konsumierten Alkohols betrug
1993 700 Mio. Liter. Während für andere Zwecke im gleichen Zeitraum lediglich 300 Mio.
Liter benötigt wurden.154
Technisch wird allerdings der größte Teil des weltweit benötigten Ethanols durch
Hydratisierung von Ethen gewonnen.
H3PO4 / SiO2
H2C
CH2
(g)
+ H2O
(g)
300 °C, 70 bar
CH3CH2OH (g)
Abb.3b: Reaktionsgleichung der technischen Ethanoldarstellung
154
Vgl. Asselborn et al., S.246.
140
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
In der Natur vermögen es Essigsäurebakterien den Ethanol mit Hilfe des Sauerstoffs der
Umgebungsluft zu Essigsäure zu oxidieren.
-I
H3C
-II
0
OH
+ O2
H2O +
+III
O
-II
H3C
OH
Abb.3c: Reaktion von Ethanol mit Sauerstoff
Toxizität:
Ethanol (der Trinkalkohol) bildet mit verschiedenen Aromastoffen und Wasser den
Hauptbestandteil alkoholischer Getränke. Diese werden in Form von Weinen, Bieren,
Spirituosen, Schaumweinen oder den vielen anderen Formen täglich in großen Mengen
konsumiert. Dabei zählt
Ethanol aufgrund seiner physiologischen Wirkung zu den
Hypnotika. Ethanol in konzentrierter Form (w=0,96) wird als fruchtschädigend und
fortpflanzungsgefährdent eingestuft.155 Ethanol ist giftig, daher findet er auch Anwendung in
der Desinfektion. Die letale Dosis wird auf 0,4 % im Blut geschätzt.156 Die Stadien der
Vergiftung reichen von anfänglicher Euphorie, Enthemmung, Redseligkeit, Desorientierung
über Wahrnehmungsstörungen bis zum Koma und können bis zum Tod führen. Weitere
Symptome können Halluzinationen, Delirium und dämmerartige Zustände sein. Ebenso
tückisch ist die Tatsache das Ethanol die Blutgefäße erweitert und daher ein Wärmegefühl
vortäuscht, jedoch tatsächlich die Körpertemperatur herabsetzt. Dies führt in kalten
Winternächten häufig zu Erfrierungsopfern unter Obdachlosen, welche aufgrund des
wärmenden Gefühls, das hochprozentige Getränke liefern können, die Gefahr der Kälte evtl.
unterschätzen und erfrieren. 157
Geringe Dosen, auch über einen längeren Zeitraum täglich gelten zwar als unbedenklich,
doch birgt der Genuss von alkoholischen Getränken auch ein hohes Suchtpotential, welches
sich in Form von Alkoholismus auswirkt.
Der Körper verstoffwechselt mit Hilfe des Enzyms Alkoholdehydrogenase den Alkohol zu
den Hauptprodukten Wasser und Kohlendioxid. Dieser Vorgang findet zu 95 % in der Leber
statt. Nachgewiesen werden kann der Alkohol im menschlichen Organismus über
Alkoholtester, diese messen den Alkoholgehalt in der Atemluft, welche proportional mit der
Menge im Blut zusammenhängt, und über bestimmte Bluttests.
155
Vgl. HessGISS
Vgl. Vollhardt. S.367.
157
Vgl. Deckwer et al..
156
141
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Bei dem im Versuch verwendeten Zucker handelt es sich um den sogenannten
Haushaltszucker, der auch als Saccharose bezeichnet wird. Neben diesem gibt es eine ganze
Reihe anderer wichtiger Zucker (Vgl. II.Theorieteil – Kap. Kohlenhydrate). Die verwendete
Saccharose gehört zur Gruppe der Disaccharide, den Zweifachzuckern. Sie setzt sich aus den
Monosacchariden Glucose und Fructose zusammen (Vgl. Abb.4).
Saccharose
Glucose - Rest
OH
H
H
OH
H
HO
H
HO
OH
1
OH
Fructose - Rest
H
O


O
HO
HO
HO
O
1 
OH O
H
OH
H
OH

2
OH
OH
2
OH
OH
O
HO
 -1-2 - verknüpft
Abb.4: Saccharose
Weitere wichtige Zucker werden im Theorieteil, Kapitel der Kohlenhydrate behandelt.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch kann einfach und schnell das Verfahren der alkoholischen Gärung zeigen. Es
stellt damit einen Zugang zur Herstellung von Trinkalkohol dar. Da sich hier auf die
Grundchemikalien beschränkt wird, können die Schüler/Schülerinnen recht einfach an den
Prozess der Gärung, die seit Jahrhunderten in Europa Verwendung findet, herangeführt
werden. Dieser Versuch kann daher als Einstieg in diesen Themenkomplex verwendet
werden. Anschließend kann ggf. ausführlicher auf das Verfahren der Gärung in Bier- und
Weinherstellung eingegangen werden.
Anwendung kann dieser Versuch sowohl im Themenfeld der Alkohole, als auch im
Themenfeld der Kohlenhydrate finden. Ist genügend Zeit, kann mit einem kleinen
engagierten Kurs in der Oberstufe auch einmal die Weinherstellung, beispielsweise eines
exotischen Bananenweines im, Großversuch durchgeführt werden.
142
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
Entsorgung:
Die Lösungen können bedenkenlos im Ausguss entsorgt werden. Sollten aber in keinem Fall
verzehrt werden, da Kontakt mit verunreinigten Behältern nicht ausgeschlossen werden
kann.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Lexikon/gaerung.html (Zugriff: 06.04.2010).
143
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuch 14:
Veresterung
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
3 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Pro Gruppe:
3 Reagenzgläser
Bunsenbrenner
3 Pipetten mit Hütchen
Reagenzglasgestell
Reagenzglasklammer
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
CH3CH2OH (l)
F
*
Pentan-1-ol
*
Hexan-1-ol
*
C5H11OH (s)
Xn
C6H13OH
Xn
Schwefelsäure
(konz.)
S: 7 - 16
unten
R: 10-20-37/38
Siehe
S: 36/37-46
unten
R: 22
Siehe
S: 24/25
unten
S: 26-30-45
C
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
158
Siehe
R: 35
H2SO4 (konz.)
*
R: 11
jeweils
2-3
Tropfen
158
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
144
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
2. Schritt:
Essigsäure
3. Schritt:
Schwefelsäure
Reagenzglasklammer
1.
RG
2.
RG
3.
RG
1.
RG
2.
RG
3.
RG
Bunsenbrenner
Durchführung: 159
1. Gib in je ein Reagenzglas werden
a) 2 fingerbreit Pentan-1-ol und 2 fingerbreit Essigsäure.
b) 2 fingerbreit Hexan-1-ol und 2 fingerbreit Essigsäure.
c) 2 fingerbreit Ethanol und 2 fingerbreit Essigsäure.
2. Füge 2-3 Tropfen konz. Schwefelsäure zu.
3. Erwärme das Reagenzglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners vorsichtig unter
Schwenken 1 Minute lang. VORSICHT, Siedeverzug!
4. Fächle dir nach dem Abkühlen eine Geruchsprobe zu.
Beobachtungen:
Die Farbe der Lösung bleibt unverändert, jedoch der Geruch unterscheidet sich nach Zugabe
der Schwefelsäure und dem anschließenden Erhitzen deutlich.
Alkohol
Säure
Geruch
Produktname
Pentanol
Essigsäure
Eisbonbon
Essigsäurepentylester
Hexanol
Essigsäure
Birne
Essigsäurehexanylester
Ethanol
Essigsäure
UHU
Essigsäureethylester
159
Vgl INT.1.
145
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
Nicht jeder verbindet mit dem wahrgenommenen Geruch auch denselben Duft. So wurde
von dem einen Birnengeruch wahrgenommen, von einem anderen als Wurstbrotgeruch
beschrieben.
Fachliche Auswertung:
Bei der durchgeführten Reaktion handelt es sich um eine Veresterung. Die entstandenen
Reaktionsprodukte sind typische Fruchtester, die an Hand ihres charakteristischen Geruchs
identifiziert werden können. Dabei reagiert jeweils eine Carbonsäure (hier die Essigsäure)
mit einem der Alkohole säurekatalysiert zu einem Ester und Wasser:
O
+
+
H3C
R
OH
H
O
H3C
OH
O
R
+ H2O
Abb.1: Überblick der Veresterungsreaktion
Schaut man sich den Reaktionsmechanismus im Detail an, ist zu erkennen, dass es sich um
eine säurekatalysierte Veresterung handelt. Im ersten Schritt erfolgt eine Protonierung des
Sauerstoffatoms
der
Carboxyl-Gruppe.
Dies
geschieht
dadurch,
dass
das
freie
Elektronenpaar des Sauerstoffatoms eine Verbindung mit dem Proton eingeht. Es entsteht
ein mesomeriestabilisiertes Carbenium-Ion:
O
+
O
+H
+
H
H
O
O
H
+
H3C
OH
- H+
H3C
OH
H3C
C
OH
H3C
O
+
H
Abb.2: Dihydroxycarbenium-Ion (delokalisiert)
Im zweiten Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Alkoholmoleküls an das positivierte
und somit aktive C-Atom des Carbenium-Ions. Das Sauerstoffatom geht so eine Bindung über
sein freies Elektronenpaar mit dem C-Atom ein. In der Folge kommt es zur internen
Umlagerung des Protons, so dass ein Oxonium-Ion entsteht160 (Abb.3).
160
Vgl. Asselborn et al., S.271.
146
III.
Alkanole
Experimenteller Teil
H3C
O
+
C
H3C
H
H
H
+
OH
O
HO
R OH
H3C
+
O
HO
+
OH
H
O
R
R
Abb.3: Bildung des Oxoniumions
Im letzten Reaktionsschritt wird zunächst Wasser abgespalten und im Anschluss das Proton,
das als Katalysator fungierte, wieder abgegeben. Das Sauerstoffatom zieht aufgrund seiner
höheren Elektronegativität die Bindung zum Wasserstoffatom näher zu sich heran zieht und
bildet damit eine Doppelbindung zum C-Atom aus.
H
H3C
O
HO
O
- H2O
+
O
H
+
H
O
+
+ H2O
C
R
H3C
H3C
O
O
H
R
O
H3C
H
O
+
R
R
O
- H+
+
+H
R
O
CH3
Abb.4: Bildung des Oxoniumions
Bei der Veresterung handelt es sich um einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus.
Die säurekatalysierte Veresterung ist reversibel. Die Esterhydrolyse oder ‚Verseifung‘
verläuft unter Zugabe des Katalysators H+ in umgekehrter Richtung mit demselben
Mechanismus ab.
Die Bildung des Esters ist eine Gleichgewichtsreaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit und
damit die Einstellung des Gleichgewichts werden durch Temperaturerhöhung beschleunigt.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch sollte im Themengebiet der Carbonsäuren nicht fehlen, kann aber auch
schon im Themenfeld der Alkohole Einsatz finden. Er ist einfach durchzuführen, relativ
ungefährlich und könnte laut Angaben von HessGISS sogar als ‚Schülerversuch‘ durchgeführt
werden. Aufgrund der Verwendung von konzentrierter Schwefelsäure sollte der Versuch
147
III.
Experimenteller Teil
Alkanole
allerdings nur mit einer ruhigen und konzentriert arbeitenden Klasse durchgeführt werden.
Auch die Zugabe der konzentrierten Schwefelsäure durch den Lehrer wäre denkbar, so dass
ein unsachgemäßer Umgang dieser Chemikalie minimiert wird.
Der Versuch könnte der Einführung in das Stoffgebiet der Ester dienen. So könnte anhand
dieses Versuches der Mechanismus der Esterbildung besprochen werden. Die Veränderung
tritt hier nicht in Form einer sichtbaren Farbänderung auf sondern (was für viele Schüler neu
sein dürfte) in Form einer Änderung des Geruches. Die sich bildenden Fruchtester sind
anhand ihres charakteristischen Geruchs zu identifizieren.
Erwähnt werden sollte bei der Auswertung noch, dass ein Ester nicht mit einem Aromastoff
gleichzusetzen ist.
Weiterführend könnte die saure - bzw. alkalische Esterhydrolyse besprochen werden.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1:
http://www.chids.de/dachs/lernzirkel/lz008carbonsaeuren_doenges_schmidt_wanka.zip
(Zugriff: 04.05.2010).
148
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Versuche zu Carbonylverbindungen:
Eigenschaften:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
Lösungsvermögen von Aceton
1
Nachweisreaktion / Reaktionen allgemein:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
Silberspiegel (siehe auch Kohlenhydrate)
2
Fehling – Probe (siehe auch Kohlenhydrate)
3
Iodoformprobe
4
Aldehydnachweis im Zigarettenrauch
5
Schiffsche Probe
6
Benzaldehyd mit Aceton
7
Elementaranalyse / Strukturaufklärung:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
Oxidation von Methanol und Ethanol an Kupferkontakt
8
9
(siehe auch Alkohole)
Bakelit Herstellung
149
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 1:
Lösungsvermögen von Aceton
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Demonstrationsreagenzglas
Stopfen
Messpipette mit Peleusball
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Spatel
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Paraffinöl
R: 36
*
S: 26
Sudanrot
*
Aceton
*
Dest. Wasser
*
Xi
R: 36/37/38-68
C22H16N4O (s)
S: 26-36/37
Xn
R: 11-36-66-67
CH3COCH3 (l)
F
H2O
, Xi
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
161
S: 9-16-26-46
-
3 - 5 mL
etwas
20 mL
10 mL
161
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
150
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
3.Schritt:
Paraffinöl
Spatel mit Sudanrot
Reagenzglas mit
Paraffinöl
Reagenzglasklammer
Bunsenbrenner
Sudanrot
4.Schritt:
5.Schritt:
Messpipette
Reagenzglasklammer
Messpipette
Reagenzglas
mit rot
gefärbtem
Paraffinöl
Demoreagenzglas
mit 20 mL Aceton
Demoreagenzglas
mit Aceton und rot
gefärbtem
Paraffinöl
Spritzflasche mit
dest. Wasser
Durchführung:
1. Fülle in ein Reagenzglas 2 cm hoch Paraffinöl.
2. Erwärme das Öl kurz in der Bunsenbrennerflamme.
3. Gib eine Spatelspitze Sudanrot zu. Das Öl sollte eine deutliche Rotfärbung aufweisen.
151
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
4. Fülle 20 mL Aceton in ein Demoreagenzglas und gib 3 mL des rot gefärbten
Paraffinöls zu. Verschließe das Demoreagenzglas mit einem Stopfen und schüttle
kräftig.
5. Gib anschließend 5 mL Wasser zu.
Beobachtungen:
Das Paraffinöl ist eine klare, farblose, ölige und dünne Flüssigkeit. Durch Zugabe von
Sudanrot färbt sich das Öl rot. Aceton ist ebenfalls eine klare, farblose Flüssigkeit, die als
wasserähnlich beschrieben werde kann. Das Öl setzt sich nach Zugabe zum Aceton zunächst
ab, so dass außer einiger roter Schlieren das Aceton zunächst farblos und klar bleibt. Erst
durch das schütteln bildet sich eine gleichmäßige, rote Färbung der Lösung. Nach Zugabe
von Wasser fällt es wieder aus und bildet zunächst mit dem Aceton-Wassergemisch eine
Emulsion. Nach einiger Zeit setzt sich das Öl jedoch am Boden ab.
Fachliche Auswertung:
Propan-2-on ist der IUPAC Name der Verbindung, die unter dem Namen Aceton in vielen
Laboren verbreitet ist. Es ist das einfachste Keton (Vgl. Abb.1) und zählt damit zur
Verbindungsklasse der Carbonylverbindungen.
Aceton ist unbegrenzt mit Wasser, Alkoholen, Benzol und Ether mischbar.162 Darüber hinaus
dient es auch als Lösungsmittel für Fette, Öle, Harze oder andere organische Stoffe wie
beispielsweise Cellulose. Auch Styropor kann problemlos gelöst werden (Vgl. Kasten –
Exkurs). Allgemein zählt es zu den aprotisch polaren Lösungsmitteln, das heißt, dass es durch
die Carbonylgruppe ein Dipolmoment besitzt, ähnlich dem des Wassers, jedoch nicht wie
dieses dazu in der Lage ist, ein Proton aus der funktionellen Gruppe abzuspalten.163
Exkurs: Demonstrationsversuch – Lösungsvermögen von Aceton
1. Fülle in ein 150 mL Becherglas (Enghals) mit 60 mL Aceton.
2. Zerreiße ein großes Stück Styropor.
3. Tauche die Styroporstücke langsam in das Aceton.
162
163
Vgl. INT.1 und INT.2.
Vgl Deckwer et al..
152
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Bei der Unterscheidung zwischen polaren und unpolaren Lösungsmitteln kann die
Dielektrizitätskonstante ( zur Hilfe gezogen werden. Als polar wird ein Stoff eingestuft, bei
dem die Dielektrizitätskonstante über 15 liegt.164 Als sehr stark polar einzuordnen sind
beispielswiese N-Methylformamid, Formamid sowie Wasser. Alle drei besitzen eine
Dielektrizitätskonstante um die 100.165 Hexan, welches als unpolar eingestuft werden
kann, hingegen weist lediglich ein  von 2 auf. (Vgl.Abb.1)






O

H
Wasser  = 78


 C
H

O

O
H

 C
CH3
NH

H

n - Methylformamid = 182
NH2


Formamid  110.

O
C 
H3C

CH 2
CH3
Aceton  = 20,7
H3C
CH 2
CH 2
CH3
CH 2
Hexan  = 2
Abb.1: Auswahl polarer Lösungsmittel
Das Paraffinöl ist wie Hexan eine unpolare Substanz. Daher kann es durch das ebenfalls
unpolare Sudanrot, welches sich hervorragend in dem Öl löst, rot angefärbt werden Vgl.
Themengebiet der Alkanole und Versuch zur Mischbarkeit der Alkohole). In diesem Versuch
werden die Aspekte zur Löslichkeit verschiedener Stoffe ausführlich diskutiert.
Wird nun das Rot gefärbte Paraffinöl in das acetongefüllte Reagenzglas gegossen, so setzt
sich dieses Öl zunächst aufgrund der höheren Dichte am Boden ab. Zu erkennen ist dies in
Form eines roten Öltropfens am Reagenzglasboden. Die Dichte des Acetons beträgt 0,7845
g/cm3, während die des Paraffinöls mit 0,81 – 0,89 g/cm3 angegeben ist.166
Wird nun geschüttelt, löst sich das unpolare Paraffinöl im Aceton. Der Grund ist unter
anderem darin zu suchen, dass das Aceton zwei unpolare, wenn auch sehr kurze Alkylreste
164
Deckwer et al..
Vgl. INT.3, S.171.
166
Vgl. INT.4 und INT.5.
165
153
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
(-CH3) besitzt, die denen des Paraffinöls ähneln. So entsteht durch das Schütteln eine
homogene, rotgefärbte Lösung.
Gibt man nun Wasser zur Lösung, wird das Lösungsvermögen des Acetons stark herabgesetzt
und es kommt zum Entmischen des zuvor gelösten, roten Paraffinöls. Bei genauerer
Betrachtung kann man davon ausgehen, dass sich das polare Wasser sehr gut mit dem
Aceton mischt, da es - wie bereits beschrieben - ebenfalls als polar anzusehen ist. Somit
werden die deutlich schlechter gelösten Paraffinmoleküle aus der Lösung verdrängt und es
entsteht zunächst eine Emulsion.
Wird eine Weile gewartet, setzt sich das Paraffinöl aufgrund des Dichteunterschiedes nach
kurzer Zeit am Boden des Reagenzglases ab.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch zeigt das Lösungsvermögen von Aceton. Es schließt an Betrachtungen an, die
bereits im Themengebiet der Alkohole gemacht wurden. Auf diese Betrachtungen kann
daher zurückgegriffen werden, wenn das Phänomen der Löslichkeit an dem neuen Stoff
Aceton - dem einfachsten Keton - diskutiert werden soll. Im Allgemeinen ist dieser Versuch
durchaus als Schülerversuch durchführbar, da die verwendeten Chemikalien bei Einhaltung
der üblichen Sicherheitsstandards problemlos in Schülerhände gegeben werden können.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organischen Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_aceto.htm (Zugriff: 22.03.2010).
INT.2: http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0 (Zugriff:
22.03.2010).
INT.3: http://books.google.de/books?id=yhvnJHyEUCcC&pg=PA171&lpg=PA171&dq=NMethylformamid+dielektrizit%C3%A4tskonstante&source=bl&ots=v4pwhy6qoO&sig=g2g9lTmgKz7If
58REP7OolIAqP4&hl=de&ei=MqnS_nRHMuksAbIxInlAQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CA4Q6AEwAw#v=on
epage&q=N-Methylformamid%20dielektrizit%C3%A4tskonstante&f=false (Zugriff: 22.03.2010).
INT.4: http://www.quma.de/ger/beschrei/dielektr.htm (Zugriff: 22.03.2010).
INT.5: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_paraf.htm (Zugriff: 22.03.2010).
INT.6: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_aceto.htm (Zugriff: 22.03.2010).
154
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 2:
Silberspiegelprobe:
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Variante 1:
Variante 2
3 Spritzflaschen (klein)
1 neues Reagenzglas
1 neues Reagenzglas
Messpipette
3 Aufbewahrungsgefäße
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Glucose
*
Kaliumhydroxid
*
Silbernitrat
*
C6H12O6
-
R: 22-35
KOH (s)
S: 26-36/37/39-45
C
R: 34-50/53
AgNO3 (s)
C
S: 26-45-60-61
, N
Ammoniak
(w=0,25)
*
NH3 (aq)
S: 26-36/37/39-45C
, N
1,7 g
etwas
61
R: 36/37/38
(NH4)2SO4
S: 26-36
Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
167
1,8 g
R: 34-50
*
Ammoniumsulfat
2,5 g
0,6 g
167
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
155
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Variante 1: (Schritte 1 – 3)
Zu versilberndes
- NEUES - Reagenzglas
Variante 2: (Schritte 1 – 3)
Zu versilberndes
-NEUES -Reagenzglas
Bei den beiden dargestellten Varianten 1 und 2 handelt es sich um denselben Versuch, der je
nach Belieben in zwei verschiedenen Art und Weisen durchgeführt werden kann. Diese
unterscheiden sich hauptsächlich in den Behältnissen.
Durchführung:
Herstellung der Lösungen:
Lösung 1:
Fülle 2,5 g Glucose in 100 mL Wasser (Pro Gruppe werden 3,5 mL benötigt).
Lösung 2:
Fülle 1,8 g Kaliumhydroxid in 100 mL Wasser (pro Gruppe werden 3,5 mL benötigt).
Lösung 3:
Löse 1,7 g Silbernitrat in 100 mL Wasser, gib tropfenweise eine 25 % igen AmmoniakLösung zu bis der entstehende braune Niederschlag wieder verschwindet.
Gib zu dieser Lösung 0,6 g Ammoniumsulfat und Fülle auf 200 mL auf.
Die Lösung sollte in einer braunen Flasche aufbewahrt werden.
156
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Durchführung des Versuchs:
1. Gib 3,5 mL von Lösung 1 in ein neues Reagenzglas.
2. Gib 3,5 mL von Lösung 2 hinzu und schüttle gut durch.
3. Gib anschließend 7 mL von Lösung 3 hinzu und schüttle 2 Minuten lang.
-----
4. (optional: Die Flüssigkeit im Reagenzglas kann VORSICHTIG mit Hilfe des Brenners
zum Sieden gebracht werden.)
Fachliche Auswertung:
Siehe Abschnitt Kohlenhydrate, Versuch 1 – Silberspiegelprobe.
Entsorgung:
Die Reaktionslösungen werden, da sie Silberkationen enthalten, zunächst mit konz. Salzsäure
salzsauer gemacht. Das ausfallende Silberchlorid setzt sich über Nacht am Boden ab. Der
Überstand enthält nur noch geringste Spuren von Silber und kann daher abdekantiert
werden. Der Niederschlag wird auf diese Art eingeengt und zum Silberabfall gegeben. Der
bereits
abdekantiert
Überstand,
kann
nun
neutralisiert
und
im
anorganischen
Schwermetallabfall entsorgt werden.
Wichtig ist, dass die ammoniakalische Silbernitratlösung immer frisch hergestellt wird, da
sich bei längerer Lagerung hochexplosives Silbernitrid (Ag3N) bilden kann.168
168
Vgl. Abschnitt Kohlenhydrate, Versuch 1: Silberspiegelprobe, INT.2.
157
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 3:
Fehlingprobe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
6 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
3 Reagenzgläser (50 mL)
Spatel
Messzylinder 100 mL
1 Becherglas (250 mL)
4 Bechergläser (100 mL)
Messpipette und Peleusball
Bunsenbrenner und Dreifuß
Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Glucose
*
Saccharose
*
Fructose
*
Summenformel
C6H12O6 (s)
C12H22O11 (s)
C6H12O6 (s)
Kalium-NatriumTartrat
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
-
-
-
-
*
*
-
1g
R: 22-26/38-50/53
Xn
S: 22-60-61
,N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
169
1g
S: 26-37/39-45
C
CuSO4 * 5 H2O (s)
-
R: 35
NaOH (s)
Kupfersulfat
Penthydrat
1g
S: 22-24/25
*
Natriumhydroxid
-
R: -
KNa[C4H4O6] (s)
Menge
35 g
10 g
7g
169
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
158
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt
2. Schritt
Jeweils 1 g des
Zuckers +
1.Glucose
10 mL dest.
Wasser
2.Saccharose
2.
1.
3.
3.Fructose
3. Schitt:
4. Schritt:
1.
2.
3.
Lösung aus Fehling I
und II (1:1)
5. Schritt:
Variante 1:
Zuckerlösungen 1-3
mit Fehling
Wasserbad
Variante 2:
Bunsenbrenner
159
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Durchführung:
Herstellung der Lösungen:
Fehling - Lösungen:170
Fehling 1:
Fülle 7 g Kupfersulfat in 100 mL dest. Wasser (pro Gruppe wird 1 mL benötigt).
Fehling 2:
Fülle 35 g Kalium-Natrium-Tartrat und 10 g Natriumhydroxid in 100 mL dest. Wasser.
(pro Gruppe wird 1 mL benötigt).
Gib jeweils 10 mL Fehling I und 10 mL Fehling II in ein Becherglas.
1. Löse jeweils 1 g Glucose, Saccharose und Fructose in 10 mL Wasser.
2. Fülle je ein Reagenzglas 2 cm hoch mit den hergestellten Zuckerlösungen.
3. Zu den Zuckerlösungen werden 2 mL der hergestellten Fehling (Fehling I + II) –
Lösung gegeben
4. Stelle die Reagenzgläser in ein Wasserbad, erwärme es mäßig mit Hilfe des
Bunsenbrenners.
Fachliche Auswertung:
Siehe Abschnitt Kohlenhydrate, Versuch 2 – Fehlingprobe.
Entsorgung:
Alle Lösungen die in Kontakt mit Fehling gekommen sind, werden neutral im Behälter für
anorganische Abfälle entsorgt.
170
Vgl. Versuch Fehlingprobe – Themengebiet Kohlenhydrate.
160
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 4:
Iodoformprobe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Demoreagenzglas
Reagenzglasgestell
Peleusball
Becherglas 100 mL
Messpipette 2x
Bunsenbrenner
Reagenzglasklammer
Becherglas 50 mL
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Natriumhydroxid
*
Kaliumiodid
*
Iod
*
Dest. Wasser
*
Aceton
*
R: 35
NaOH (s)
S: 26-37/39-45
C
KI (s)
-
R: 20/21-50
I2 (s)
Xn
H2O
,N
-
R: 11-36-66-67
CH3COCH3 (l)
F
S: 9-16-26-46
, Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
171
S: 23.2-25-61
ca. 1 g
10 g
5g
125 mL
5 mL
171
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
161
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Messpipette
Becherglas mit
5 mL 0,1-molarer
Natronlauge
Demoreagenzglas
Aceton
dest. Wasser
3.Schritt:
Demoreagenzglas
4. Schritt:
Reagenzglasklammer
mit Demoreagenzglas
Messpipette
Bunsenbrenner
Demoreagenzglas
Becherglas mit
Lugolscher Lösung
Durchführung: 172
Herstellung der Lösungen:
Lugolsche Lösung (5 % ig):
Löse in einem 100 mL Messkolben 10 g Kaliumiodid in 30 mL Wasser. Gib
anschließend 5 g Iod zu und fülle bis zur Eichmarke mit entionisierten Wasser auf.
Natronlauge (0,1 molar):
Löse 0,2 g festes Natriumhydroxid in 5 mL dest. Wasser.
172
Vgl. INT.1
162
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
1. Fülle 5 mL Aceton in das Demoreagenzglas und gib 25 mL dest. Wasser hinzu.
2. Gib nun 5 mL der 0,1 molaren Natronlauge hinzu.
3. Erwärme das Gemisch leicht über dem Bunsenbrenner.
4. Gib anschließend 8 mL der Lugolschen – Lösung hinzu und schüttle.
Beobachtungen:
Das Kaliumiodid ist ein weißes Pulver. Nach Zugabe von Kaliumiodid und Iod zum dest.
Wasser entsteht eine tiefbraune Lösung.
Die Mischung aus Aceton, dest. Wasser und 0,1 molarer Natronlauge ist eine farblose, klare
Flüssigkeit. Durch Zugabe der Lugolschen Lösung zum heißen Gemisch, bildet sich unter
Schütteln ein gelber Niederschlag. Dieser verschwindet nach kurzer Zeit wenn nicht weiter
geschüttelt wird.
Fachliche Auswertung:
Die Iodoformprobe ist ein Test auf Methylketone, wie beispielsweise das verwendete
Aceton. Bevor es spektroskopische Methoden zur Strukturaufklärung gab, war die
Iodoformprobe, die zur Gruppe der Haloformreaktionen gehört, ein gängiger Test auf die
Ketonverbindungsklasse. Bei gelber Färbung, die auf Iodoform zurückgeht, konnte auf
einfache Weise die Anwesenheit der Methylketone nachgewiesen werden.173
Neben Methylketonen verläuft die Reaktion auch bei Alkoholen - die eine H3C-CHOH-Gruppe
tragen - positiv. Daher ist darauf zu achten, dass bei positivem Nachweis die Anwesenheit
dieser Alkoholen ausgeschlossen werden kann um zu gewährleisten, dass es sich wirklich um
ein Methylketon handelt.
173
Vgl. Bruice, S.983.
163
III.
O
 C
H
H
(aq)
+ OH
O
- H 2O
-
H
C
H3C
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
O
C
(aq)
H3C
C
C
H
H3C
C
H
H
H
(aq)
Aceton
+I
I
O
I
C
H3C
C
H
+I
H
(aq)
Abb.1: Mechanismus der Haloformreaktion – 1. Schritt
Die Bildung des Iodoforms geht über verschiedene Schritte, wobei die Reaktion allgemein
einem Mechanismus der basenvermittelten Halogenierung unterliegt. 174
Zuerst abstrahiert Hydroxid eines der Protonen am -Kohlenstoffatom, woraufhin sich ein
Enolation bildet, das in der Folge ein elektrophiles Teilchen angreift, hier das Iod (Vgl. Abb.1).
Diese beiden Schritte wiederholen sich so lange, bis die beiden verbliebenen Wasserstoffatome durch Halogenionen ersetzt sind. Die Folgereaktionen verlaufen dabei
immer rascher, da das Halogenion (hier das Iod) die Acidität der Wasserstoffatome noch
erhöht. Es bildet sich demnach das trihalogensubstituierte Keton (Vgl. Abb.2).
174
Vgl. Bruice, S.983.
164
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
O
O
O
C
C
H3C
I
C
H3C
C
H
I
H
+
I
+
-
+ OH
C
I
O
C
C
H
(aq)
I
I
H3C
H
H
O
C
(aq)
H3C
(aq)
O
I
I
C
+ H2O
-
+ OH
C
H3C
I
C
(aq)
H3C
C
I
I
I
+
I
+ H2O
(aq)
I
O
I
C
H3C
C
I
+I
I
(aq)
(aq)
Triiodketon
Gesamtreaktion:
O
O
H
C
H3C
+ 3 I2
C
H
H
-
(aq)
+ 3 OH
-
I
C
(aq)
(aq)
H3C
+3I
(aq)
+ 3 H2O
C
I
I
(aq)
Abb.2: Mechanismus der Haloformreaktion – 2. Schritt
In der Folge greift das Hydroxidion das Carbonylkohlenstoffatom an, was nach der
anschließenden Protolyse zur Bildung eines Carboxylations und des gelben Iodoforms
(Triiodmethans) führt (Vgl. Abb.3): 175
175
Vgl. Bruice, S.983.
165
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
O
O
I
I
C
H3C
+ OH (aq)
C
I
I
+
O
C
H
(aq)
O
I
C
I
I
OH
I
C
C
(aq)
O
H3C
H3C
I
I
H3C
+
C
OH
(s)
(aq)
C
I
I
(aq)
(aq)
Carboxylation
Iodoform
Abb.3: Mechanismus der Haloformierung –
Bildung des gelben Iodoforms
Die Reaktion läuft auf die zuvor beschriebene Weise ab, wenn ein Überschuss des Halogens hier des Iods - in basischer Lösung mit einem Methylketon in Kontakt kommt. Dabei ersetzt
das Halogen - wie in Abb.1-3 erkennbar ist – die drei -Wasserstoffatome.176
Da sich Iod sehr schlecht in Wasser lösen lässt (nur 0,3 g pro Liter sind löslich)177 muss Iod
auf andere Art und Weise in Lösung gebracht werden. Hierfür bietet sich eine wässrige
Iodidlösung an, in der ist Iod deutlich besser löslich. Iod (I2) reagiert in einer Lewis – Säure –
Base Reaktion mit dem Iodid. Es tritt in dieser Lösung als Elektronenpaarakzeptor und damit
als Lewis – Säure auf. Die Reaktion kann schematisch wir folgt beschrieben werden:

-
I
I
+ :I
I
Akzeptor Elektronenpaar Donator

I

I

Abb.4: Bildung des Polyiodidkomplexes178
176
Vgl. Bruice, S.983.
Vgl. INT.2.
178
Vgl. Hollemann – Wieberg, 91. – 100. Aufl., S.402.
177
166
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Neben dem sich bildenden I3- können in der Folge noch verschiedene Polyiodidanionen
gebildet werden (Vgl. Abschnitt Kohlenhydrate, Versuch 5: Zauberschrift).
Das sich bildende Iodoform wurde früher - gelöst in Diethylether - als Desinfektionsmittel
verwendet. Heute wird es wegen der Schädlichkeit bei Überdosierung sowie des Preises
nicht mehr in der Medizin verwendet.
Didaktische Auswertung:
Die Iodoformprobe ist eine Nachweisreaktion für Methylketone und kann im Themenfeld
der Carbonylverbindungen (gem. hessischen Lehrplan in 11G.1) Anwendung finden.
Mit Hilfe dieser Reaktion kann den Schülern ein weiteres interessantes Phänomen der
Carbonylverbindungen
nähergebracht
werden,
nämlich
die
Acidität
der
-
Wasserstoffatome. In diesem Fall werden diese gegen Iodatome ausgetauscht. In der Folge
kommt es dann zur Bildung des gelben Iodoforms.
Da die eingesetzten Chemikalien als relativ ungefährlich einzustufen sind, kann dieser
Versuch durchaus als Schülerversuch in Kleingruppen durchgeführt werden.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organische Lösungsmittel entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/419AldehydeKetone_Heitmann_Scan.pdf
(Zugriff: 19.03.2010).
INT.2: http://www.seilnacht.com/Lexikon/53Iod.htm (Zugriff: 19.03.2010).
167
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 5:
Aldehydnachweis im Zigarettenrauch
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
8 - 10 Minuten179
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
10 Minuten
Materialien :
Kolbenprober + Halterung
Ionentauschersäule
Dreiwegehahn
Stopfen
Trockenrohr
Messkolben 100 mL
Schlauchstücke zur Verbindung
Stativmaterial
Pinzette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summenformel
Schiff’s Reagenz
*
Calciumchlorid
*
R- und S-Sätze
-
Glaswolle
Zigarette
Watte
Petrolether
(zur Reinigung)
*
Gefahrensymbole
C
Gemisch
-
Etwas
R: 34
S: 26-36/37/39/45
15 mL
-
1
Etwas
R: 11
S: 9-16-29-33
F
R: 36
S: 22-24
CaCl2 (s)
Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
Menge
180
179
Dieser Versuch ist etwas aufwändiger in der Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung, besitzt
jedoch durch das Thema ‚Rauchen‘ einen hohen Alltagsbezug und der Verwendung eines typischen
Aldehydnachweises auf dieses Themenfeld. Darüber hinaus hat der einen wichtigen, vielleicht
wachrüttelnden Effekt auf die Schüler, was den Zeitaufwand in meinen Augen rechtfertigt.
180
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
168
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau: 181
Zigarette
Stopfen
Trockenrohr mit
Calciumchlorid
Säule mit in
Schiffscherlösung
getauchter Watte
Kolbenprober
Dreiwegehahn
Stellungen des Dreiwegehahns:
181
Vgl. INT.7.
169
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Durchführung:
Herstellung der Schiffschen Lösung 182 (falls diese noch nicht vorliegen sollte):
Löse 0,2 g Fuchsin in 900 mL dest. Wasser. Gib 15 mL einer 38%-igen
Natriumhydrogensulfitlösung zu. Nach 10 Minuten werden bis zur Entfärbung ca. 10
mL konz. Salzsäure zugegeben. Fülle bis zur Eichmarke auf (diese Lösung kann für
verschiedene andere Versuche aufbewahrt werden).
1. Baue die Apparatur wie in der Skizze dargestellt auf. Fülle das Trockenrohr mit
wasserfreiem Calciumchlorid. Befülle die Säule in folgender Reihenfolge: Glaswolle,
Watte, die mit Schiffscherlösung getränkt ist, und erneut Glaswolle.
2. Entzünde die Zigarette und ziehe den Rauch in den Kolbenprober, bringe dafür den
Dreiwegehahn in Stellung 1 (Vgl. Versuchsaufbau).
3. Setzte anschließend den Hahn in Stellung 2, so dass der Rauch in die Säule mit der
Watte geblasen wird.
4. Wiederhole diese Vorgänge solange, bis die Zigarette abgeraucht ist.
Beobachtungen:
Die Zigarette glimmt beim Einziehen des Probers auf. Der Rauch wird durch das zu Beginn
weiße Calciumchloridgranulat geleitet und sammelt sich im Kolbenprober. Nach dem Öffnen
des Hahnes in Stellung 2 kann der Rauch durch die Watte die zwar feucht, jedoch farblos ist,
ins Freie geleitet werden. Nach einigen Durchgängen färbt sich die Watte allmählich rosa,
das farblose Calciumchlorid färbt sich gelblich. Nach dem Abrauchen der Zigarette ist im
Dreiwegehahn die Bildung eines schwarzen Belages zu erkennen, der fast den gesamten
Querschnitt einnimmt.
182
Vgl. INT.1.
170
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Fachliche Auswertung:
Eine Zigarette ist ein Tabakprodukt, das aus getrockneten und feingeschnittenen
Tabakblättern hergestellt wird. Der Tabak ist dabei in Papier gerollt und kann durch
Entzünden und Einatmen konsumiert werden. Das Rauchen des Tabaks ist schon seit
Jahrhunderten bekannt und wurde von spanischen Eroberern nach Europa gebracht.183
In Deutschland rauchen heute ca. ein Viertel der über 14-jährigen. Etwa ist die Hälfte der
rauchenden Männer und etwa ein Drittel der rauchenden Frauen sind als stark rauchend
einzustufen. Das heißt, sie konsumieren mehr als 20 Zigaretten pro Tag.184
Das konsumieren von Zigaretten führt in Deutschland zu mehr Todesfällen als
Verkehrsunfälle, Selbstmorde, Todesfälle von Aids, Alkoholkonsum, und Todesopfer durch
den Konsum von illegalen Drogen zusammen! Die Zahl der Menschen die jährlich durch die
Folgen des Rauchens sterben, wird auf 140.000 geschätzt.185 Dabei sind zahlreiche
Krebserkrankungen als Grund für den tödlichen Krankheitsverlauf zu nennen. Die
Krebserkrankungen treten dabei gehäuft auf den Wegen auf, die der Zigarettenrauch durch
den Körper geht: Rachen, Kehlkopf, Lunge, Magen, Niere und Blase sind häufig von Krebs
befallen. Darüber hinaus sind noch weitere Krankheitsbilder bekannt, die auf das Rauchen
zurückzuführen sind, so zum Beispiel: Asthma, Bronchitis, Leberzirrhose, Magen und
Darmgeschwüre, Hautalterungen, schlechte Wundheilung, Schwächung des Immunsystems,
sowie ein erhöhtes Schlag- und Herzinfarktrisiko sind nur einige der Krankheiten.
Beim Rauchen einer Zigarette wird durch das „Ziehen“ am Filter die Temperatur in der
Glutspitze der glimmenden Zigarette auf bis zu 900 °C gebracht. Bei diesen Temperaturen
kommt es zur thermischen Zersetzung von Tabak und dem Papier. Die dabei entstehenden
Gase werden durch den Filter in die Lungen geleitet und dadurch inhaliert. Dabei entstehen
eine ganze Reihe verschiedener Stoffe, die teils als Gas, teils aber auch als Aerosole - also
feinverteilte Feststoffe - im Gasstrom vorliegen. Diese Mischung wird auf rund 4800
verschiedenster chemischer Substanzen geschätzt.186
Darunter finden sich einige, die stark toxisch auf den Organismus wirken, andere sogar
karzinogen, also als krebserregend eingestuft sind. Die Anzahl der Substanzen, die als
183
Vgl. INT.8.
Vgl. INT.6.
185
Vgl. INT.6.
186
Vgl. INT.3.
184
171
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
krebserzeugend eingestuft sind oder im Verdacht stehen, krebserzeugend zu sein, wird mit
mehr 70 angegeben.
Unter diesen toxischen und karzinogenen Substanzen finden sich einige wie: 187
Verbindungen
Toxisch / karzinogen
Menge
Acetaldehyd
Toxisch und karzinogen
0,4 – 1,4 g
Acrolein
Toxisch
Spuren
Acrylamid
Karzinogen
Formaldehyd
Toxisch,
Verdacht
auf 0,02 – 0,1 mg
karzinogene Wirkung
Kohlenmonoxid
Toxisch
14 – 23 mg
Stickstoffoxide
Toxisch
100 – 600 g
Butadien
Karzinogen
20 – 25 g
Benzol
Karzinogen, Toxisch
12 – 50 g
Methanol
Toxisch
Cyanwasserstoff (Blausäure)
Toxisch
Nikotin
Toxisch,
400 – 500 g
suchterzeugende 2 – 4 g
Wirkung
Naphthalin
Verdacht
auf
karzinogene
Wirkung
Aromatische Amine
Teilweise karzinogen
N-Nitrosamine
Karzinogen
Schwefelwasserstoff
Karzinogen
20 – 90 g
Darüber hinaus führen einige dieser Substanzen zu Ablagerungen im Bindegewebe,
Bronchien, Luftröhre, Kehlkopf und Mundhöhle, durch welche über Jahre entzündliche
Reaktionen hervorgerufen werden können. Diese wiederum stehen ebenfalls im Verdacht,
einzelne Zellen zu entarten und damit Krebs hervorzurufen. Zu dieser Kategorie zählt auch
der Teer.
187
Vgl. INT.4, INT.5 und INT.8.
172
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Die Teerablagerung in der Versuchsapparatur ist nach Beendigung des Versuchs und dem
„Konsum“ nur einer Zigarette eindrucksvoll zu erkennen. Vor allem im Dreiwegehahn sind
deutliche Spuren des braun-schwarzen Belags sichtbar.
Durch diesen Versuch kann nun die Anwesenheit verschiedener Aldehyde - wie
Beispielsweise des suchtauslösenden und karzinogen wirkenden Acetalaldehyds in dem
Stoffgemisch des Zigarettenrauchs - nachgewiesen werden. Dieser Nachweis gelingt mit Hilfe
der Watte, die in Schiffsche Lösung getaucht wurde. Die Watte färbt sich bei Kontakt mit
Aldehyden violett. Die Reaktion kann sich exemplarisch folgendermaßen vorgestellt
werden188 (Vgl. Versuch zur Oxidation von Aldehyden).
H
N
H
H
H2N
H2N
N
H
O
SO3H
H3C
C
O
H
H3C
C
H
SO3H
CH3
H2N
CH3
Farbloses, sulfoniertes Fuchsin
NH2
Fuchsin (violett)
Abb.1: Reaktion von sulfoniertem Fuchsin
mit einem Aldehyd
Dieser exemplarisch dargestellte Reaktionsmechanismus, der als Nachweis für Aldehyde gilt,
kann nun auch für die im Rauch der Zigarette enthaltenen Aldehyde herangezogen werden.
Durch chemische Analysen konnten bisher einige Aldehyde nachgewiesen werden, so zum
Beispiel Formaldehyd, Acetaldehyd, Glyoxal, Acrolein und Furfural. Der Nachweis mittels
Schiffscherlösung testet lediglich auf die Anwesenheit von Aldehyden im Allgemeinen; eine
genauere Aufgliederung, welche der Aldehyde im Rauch enthalten sind, können so nicht
getroffen werden.
188
Vgl. INT.7.
173
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Ausführlicher werden der Mechanismus sowie die Bildung der Schiffschenlösung im
Protokoll zur Oxidation von Ethanol ausgeführt (Vgl. Versuch: Oxidation von Methanol und
Ethanol an Kupferkontakt).
Didaktische Auswertung:
Der Versuch dauert zwar im Aufbau deutlich länger als die meisten anderen Versuche, er
sollte jedoch aufgrund des starken Alltagsbezugs und der Gefahren, die durch das Rauchen
bestehen, seinen Platz im Unterricht finden. Denn gerade dem Chemieunterricht kommt
meiner Meinung nach eine besondere Aufgabe zu die Schüler und Schülerinnen auf die
Gefahren des Rauchens hinzuweisen.
Er dient also nicht nur dem Aldehydnachweis durch Schiffschelösung, was ihn im
Themengebiet der Carbonylverbindungen verankert und im hessischen G8 Lehrplan in 11G.1
zu finden ist, sondern er zeigt darüber hinaus die ernüchternde Seite des Rauchens. So färbt
sich das Trockenmittel Calciumchlorid durch die Inhaltsstoffe des Zigarettenrauches gelblich
und riecht stark nach dem giftigen Nikotin, das man von Raucherhänden kennt. Darüber
hinaus kommt auch die Wirkung des Teers zum Vorschein. Der „Konsum“ von nur einer
Zigarette vermag den gesamten Dreiwegehahn zu verstopfen. Er ist komplett mit einer
schwarzen, teerigen Masse ausgefüllt. Doch lässt sich mit diesem Versuch noch etwas
Weiteres zeigen, nämlich die Widerstandsfähigkeit dieses Teers, der sich im Körper der
Raucher absetzt. Die Versuche, den Teer mit heißem Königswasser, einer Mischung aus 3
Teilen konzentrierter Salzsäure und 1 Teil Salpetersäure, zu lösen schlug selbst nach dem
Einweichen über 2 Tage fehl. Selbst diese höchst reaktive heiße, oxidierend wirkende Säure,
die es vermag Gold zu lösen, blieb in diesem Fall ohne Erfolg. Hier wird deutlich, wie
widerstandsfähig dieser Rückstand des Rauches ist. Dem einen oder anderen Schüler sollte
so vielleicht die negative Wirkung des Rauchens auf die Lunge und Körpergewebe, in denen
sich dieser Teer festsetzt, deutlich werden.
Um den Dreiwegehahn wegen der Verschmutzung dennoch nicht entsorgen zu müssen,
bedarf es einem Lösungsmittelgemisch aus Petrolether. Durch mehrmaliges Spülen mit
dieser Flüssigkeit wird der Hahn wieder gängig.
Vor diesem Hintergrund, der über den einfachen Aldehydnachweis hinausgeht finde ich den
Mehraufwand im Aufbau und der Nachbereitung gerechtfertigt und bin der Meinung, dass
der Versuch seinen Platz im Unterricht finden sollte. Vielleicht kann man auf diese Art dem
174
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
einen oder anderen Schüler die Gefahren des Rauchens auf eine ersichtliche Art und Weise
kenntlich machen.
Entsorgung:
Die in Schiffscherlösung getauchte Watte wird getrocknet und zusammen mit dem
Calciumchlorid des Trockenrohres und der Glaswolle im Feststoffabfall entsorgt. Der
Petrolether zum Reinigen der Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle
entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Chemie/reagenz.htm (Zugriff: 18.03.2010)
INT.2:
http://www.rauchstoppzentrum.ch/0189fc92f11229701/0189fc93040dae802/index.html
(Zugriff: 18.03.2010).
INT.3: http://www.lungenaerzte-im-netz.de/lin/show.php3?id=40&nodeid (Zugriff:
18.03.2010).
INT.4: http://www.lungenaerzte-im-netz.de/lin/linpopup/show.php3?id=130&nodeid=1
(Zugriff: 18.03.2010).
INT.5: http://www.lungenaerzte-im-netz.de/lin/linpopup/show.php3?id=131&nodeid=1
(Zugriff: 18.03.2010).
INT.6: http://www.lungenaerzte-im-netz.de/lin/show.php3?id=72&nodeid= (Zugriff:
18.03.2010).
INT.7: http://www.chids.de/dachs/expvortr/419AldehydeKetone_Heitmann_Scan.pdf
(Zugriff: 18.03.2010).
INT.8: http://www.suchtmittel.de/info/zigaretten/000342.php (Zugriff: 18.03.2010).
175
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 6:
Schiffsche Probe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Reagenzglas 4 x
Reagenzglasgestell
Messpipette
Peleusball
Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Ethanol
(w = 96 %)
*
Wasser
*
Propanal
*
Wässrige
Formaldehydlösung
(37%-ig)
*
Summenformel
Gefahrensymbole
C2H5OH (l)
F
H2O
-
C3H6O (l)
F
HCHO(aq)
Schiffsche Reagenz
*
, Xi
T
Erbgutverändernd (Kat.M3),
Gefahr durch Hautresorption
Menge
R: 11
S: 7 - 16
2 mL
-
2 mL
R: 11-36/37/38
S: 9-16-29
2 mL
R: 23/24/25-34-40-43
S: 26-36/37/39-45-51
2 mL
R: 34
S: 26-36/37/39/45
C
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
189
R- und S-Sätze
25
Tropfen
189
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
176
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Reagenzglasgestell
mit leeren
Reagenzgläsern
Schiffsche
Lösung
wässrige
Wasser
Formaldehyd
-lösung
Ethanol Propanal
Durchführung:
Herstellung der Schiffschen Lösung:190 (falls diese noch nicht vorliegen sollte)
Löse 0,2 g Fuchsin in 900 mL dest. Wasser. Gib 15 mL einer 38% -igen
Natriumhydrogensulfitlösung zu. Nach 10 Min werden bis zur Entfärbung ca. 10 mL
konz. Salzsäure zugegeben. Fülle bis zur Eichmarke auf (diese Lösung kann für
verschiedene andere Versuche aufbewahrt werden).
1. Fülle jeweils 2 mL der zu untersuchenden Substanz in ein Reagenzglas.
2. Gib 5 Tropfen der Schiffschen – Lösung zu.
Beobachtungen:
Bei allen verwendeten Lösungen handelt es sich um klare, wasserähnliche Flüssigkeiten. Die
‚Schiffsche – Lösung‘ ist ebenfalls eine klare Lösung. Nach Zugabe dieser Lösung zu den zu
untersuchenden Substanzen färbt sie sich bei Formaldehyd und Propanal rosa – violett,
während bei Ethanol und Wasser keine Farbveränderung zu beobachten ist.
Fachliche Auswertung:
Die Schiffsche – Lösung dient - wie im Versuch 5 dargestellt - dem Aldehydnachweis im
Zigarettenrauch. Der Versuch zur Schiffschenprobe kann aber auch allgemein als
Aldehydnachweis eingesetzt werden, so können z.B. verschiedene Substanzen durch Zugabe
von Schiffscher-Lösung auf Aldehyde getestet werden.
190
Vgl. INT.1.
177
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Das Ausbleiben einer Farbreaktion bei Zugabe zu Ethanol und Wasser zeigt, dass es sich bei
diesen Verbindungen nicht um Aldehyde handelt. Bei genauer Betrachtung der Moleküle
zeigt sich, dass diese auch keine Aldehydgruppe besitzen (Vgl. Abb.1):
H
O
H
H
H
OH
H
H
H
Ethanol
Wasser
Abb.1: Lewisdarstellung von Ethanol und Wasser
Propanal und Formaldehyd hingegen besitzen eine Aldehydgruppe (Vgl. Abb.3), so dass diese
mit der Schiffschen-Lösung zum violetten Fuchsin reagieren können (Vgl. Abb.2). Die Bildung
des rosa - violetten Farbstoffes geht auf die folgende Reaktion zurück:
H
N
H
H
H2N
H2N
N
H
O
SO3H
H
C
O
H
H
C
H
SO3H
CH3
H2N
CH3
NH2
farbloses, sulfoniertes Fuchsin
Fuchsin (violett)
Abb.2: Reaktion von sulfoniertem Fuchsin
mit Formaldehyd
O
O
H3C
H2C
Formaldehyd (Methanal)
Propanal
O
H
H
Abb.3: Propanal und Formaldehyd in Lewisdarstellung
178
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Der ausführliche Mechanismus der Reaktion von Schiffscher-Lösung mit Aldehyden ist in der
fachlichen Auswertung zu Versuch 5 (Aldehydnachweis im Zigarettenrauch) und Versuch 8
(Oxidation von Methanol und Ethanol am Kupferkontakt) beschrieben.
Didaktische Auswertung:
Der Versuch stellt eine Kurzvariante des Versuchs Nr.5 dar. Er kann immer dann eingesetzt
werden, wenn es darum geht, Substanzen auf Aldehyde zu testen.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Chemie/reagenz.htm (Zugriff: 18.03.2010).
179
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 7:
Benzaldehyd mit Aceton:
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2- 3 Minuten
Durchführung:
7 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Demoreagenzglas
Reagenzglasgestell
Messpipette
Becherglas 100 mL
Peleusball
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Natronlauge
(w = 10%)
NaOH (aq)
*
Benzaldehyd
*
Aceton
*
R: 35
S: 26-37/39-45
C
R: 22
C6H5CHO (l)
S: 24
Xn
R: 11-36-66-67
CH3COCH3 (l)
F
S: 9-16-26-46
, Xi
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
S: 7 - 16
*
Eis
*
H2O (s)
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
191
-
10 mL
10 mL
5 mL
20 mL
Zum
kühlen
191
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
180
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Messpipette
Demoreagenzglas mit
Reaktionsgemisch
Demoreagenzglas gefüllt
mit 10 mL Benzaldehyd
Benzaldehyd
Ethanol
Aceton
Natronlauge w = 10 %
3. Schritt
Demoreagenzglas mit
Reaktionsgemisch
Eiswasser
Becherglas
Durchführung: 192
1. Fülle in ein Demoreagenzglas 10 mL Benzaldehyd, gib anschließend 20 mL Ethanol
und 5 mL Aceton zu. Schüttle anschließend vorsichtig bis eine homogene Lösung
entsteht.
2. Füge nun 10 mL Natronlauge (w = 10 %) hinzu. VORSICHT, das Reaktionsgemisch
erwärmt sich stark.
3. Stelle das Reagenzglas 3 bis 5 Minuten in ein mit Eiswürfeln gefülltes Becherglas.
192
Vgl. INT.4.
181
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Bei den eingesetzten Lösungen (Natronlauge, Aceton, Benzaldehyd und Ethanol) handelte es
sich um klare Flüssigkeiten. Benzaldehyd riecht stark nach Marzipan. Das Reaktionsgemisch
erwärmt sich nach Zugabe von Natronlauge stark, außerdem ist eine gelb – orangne Färbung
zu erkennen. Beim Abkühlen im Eisbad zeigt sich allmählich eine Trübung. Es fällt ein gelber
Stoff aus. Nach bereits 5 Minuten ist ein dicker kristalliner Brei entstanden.
Fachliche Auswertung:
Benzaldehyd ist der einfachste aromatische Aldehyd. Durch Oxidation wird er zur
Benzoesäure oxidiert. Es handelt sich beim Benzaldehyd um eine klare Flüssigkeit mit
marzipanartigem Geruch.
O
H
Benzaldehyd
Abb.1: Benzaldehyd
In dem Versuch reagiert Benzaldehyd mit dem Keton (Aceton) in einer basenkatalysierten
Aldolreaktion. Dabei bildet sich zunächst Benzalaceton, der in der Folge zu Dibenzalaceton
weiterreagieren kann.
O
CH3
O
H
+
Benzaldehyd
O
H3C
CH3
Benzalaceton
Aceton
Abb.2: Reaktion von Benzaldehyd mit Aceton
Im ersten Schritt der Aldolreaktion reagiert Aceton mit der Base, hier der Natronlauge. Dabei
wird
ein
-Wasserstoffatom durch
das Hydroxidion
abgespalten,
wodurch
ein
konjugationstabilisiertes Anion sowie Wasser entsteht (Vgl. Abb.3a, Schritt 1).
182
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Mechanismus
1. Schritt:
O
O
H3C

C
H
- H2O
H
H3C
+ OH
H
O
C
C
H3C
H
H
H
H
stabilisiertes Anion
Aceton
Grenzstruktur
Abb.3a: Mechanismus der Aldol-Reaktion – 1.Schritt
Das stabilisierte Anion kann in der Folge das positivierte Carbonylkohlenstoffatom des
Benzaldehydes nucleophil angreifen, von dem es im Überschuss umgeben ist. Diese
Aldehydgruppe des Benzaldehydes ist nicht enolisierbar, so dass der Angriff auf diese
stattfindet193 (Vgl. Abb.3b):
Aldolkondensation
2. Schritt:
O
O
O
O
H
H
+
H3C
C
CH3
H
H
Alkoholat - Anion
+ HOH
CH3
HO
O
- H 2O
-
O
H
+ OH
CH3
Hydroxyverbindung ("gemischtes Aldol")
Benzalaceton
- H 2O
H
H
O
O
H
CH3
"Enolisiertes Aldol"
193
3. Schritt:
Abb.3b: Mechanismus der AldolReaktion – 2. und 3. Schritt
Vgl. INT.1.
183
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Aus dem Enolatanion und dem Benzaldehyd bildet sich zunächst ein stark basisches
Alkoholat-Anion. Dieses wird vom Lösungsmittel protoniert, wodurch ein gemischtes Aldol
entsteht (Vgl. Abb.3b.).194
Im 3. Schritt kann dieses Aldol nun wieder enolisieren, wodurch in der Folge ein
Wassermolekül eliminiert wird und sich letztlich das Benzalaceton bildet
(Vgl.Abb.3b – 3. Schritt).
In der Folge kann von dem Benzalaceton wieder am -Kohlenstoffatom ein Proton durch die
starke Base Hydroxid abstrahiert werden, wodurch sich - wie in Abb.3a dargestellt - ein
stabilisiertes Enolation bildet (Vgl. Abb.3a). Die weiteren Schritte entsprechen ebenfalls den
des Mechanismus der Benzalacetonbildung (Vgl. Abb.3a und 3b).
stabilisiertes Anion
Benzalaceton
O
O
-
CH3
+ OH
O
H
- H2O
H
C
R
H
C
H
O
OH
H2O
O
H
-

+ OH

Benzaldehyd
Aldehydalkoh ol (Aldol)
H
H
O
O
Kondensation
O
- H 2O
Dibenzalaceton
Abb.4: Folgereaktion - Bildung des Dibenzalacetons
Durch Kondensation bildet sich langsam, das ungesättigte Keton, Dibenzalaceton.
194
Vgl. Vollhardt, S.854f.
184
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Bei der abgelaufenen Reaktion handelt es sich um eine Aldol-Reaktion die basenkatalysiert
verläuft. Im Allgemeinen wird von einer Aldolreaktion gesprochen, wenn es sich um eine
Addition eines Enolats oder Enolations handelt, welches nucleophil eine Carbonylgruppe
angreift. Bei einer Aldolkondensation - wie dies hier der Fall ist - erfolgt anschließend noch
eine Eliminierung von Wasser, so dass sich eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung bildet.
Aldolreaktionen sind wichtige Reaktionen für die Bildung von Kohlenstoff-KohlenstoffBindungen und ein somit wichtiges Reaktionsprinzip in der organischen Chemie.
Didaktische Auswertung:
Durch diesen Versuch kann ein weiteres Themenfeld der Carbonylverbindungen erarbeitet
werden, nämlich die Aldolreaktionen. Bei diesen handelt es sich um eine Variante, die eine
immens wichtige Rolle in der organischen Chemie spielt, nämlich die Knüpfung neuer
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.
Der
Versuch
kann
zum
Erarbeiten
des
Reaktionsmechanismus herangezogen werden. Außerdem kann mit dem Versuch in die
Enolatchemie eingeführt werden.
Es muss darauf hingewiesen werden dass der Versuch einen weiterführenden Charakter hat
und in einem Leistungskurs Chemie durchaus zum Thema gemacht werden kann, nicht
jedoch selbst im hessischen Lehrplan verankert ist. Weder die Aldolreaktionen noch die
Enolatchemie sind in dem Lehrplan als Thema genannt. Die Mechanismen, die dem Versuch
zugrunde liegen, sind schwierig und bedürfen für die Durchführung ausreichend Zeit. Der
Versuch selbst ist zwar als einfach und zugleich effektvoll nähme jedoch aufgrund des
anspruchsvollen Themas zu viel Unterrichtszeit in Anspruch.
Aus den genannten Gründen muss man den Versuch als Schulversuch als nur bedingt
tauglich ansehen.
185
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chemikalienlexikon.de/cheminfo/namensrk/knoevena.htm (Zugriff:
31.03.2010).
INT.2: http://www.versuchschemie.de/ptopic,117655.html (Zugriff: 31.03.2010).
INT.3: http://www.chemikalienlexikon.de/aroinfo/2172-aro.htm (Zugriff: 31.03.2010).
INT.4: http://www.uni-siegen.de/fb8/oc/oc1/lehre/praeparate/dibenzalaceton.pdf (Zugriff:
31.03.2010).
186
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 8:
Oxidation von Methanol und Ethanol an Kupferkontakt
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Becherglas (250 mL)
Tiegelzange
Bunsenbrenner
Pinzette
Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ethanol
(w = 96 %)
C2H5OH (l)
R: 11
F
*
Schiff’s Reagenz
R: 34
*
C
Kupferblech /
-
Kupferdraht
S: 7 - 16
Cu (s)
S: 26-36/37/39/45
*
-
langes
Stück
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
195
5 – 10 mL
5 – 6 cm
*
Wattebausch
20 mL
1 Stück
195
HessGiss 2008/2009
187
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt
2. Schritt
3. Schritt:
Pinzette
Tiegelzange
Kupferblech
Kupferblech
Bunsenbrenner
Watte,
getränkt in
Schiffscher-Lsg
Ethanol
Durchführung: 196
Herstellung der Schiffschen Lösung:197
Löse 0,2 g Fuchsin in 900 mL dest. Wasser. Gib 15 mL einer 38%-igen
Natriumhydrogensulfitlösung zu. Nach 10 Min werden bis zur Entfärbung ca. 10 mL
konz. Salzsäure zugegeben. Fülle dann bis zur Eichmarke auf.
------1. Glühe das Kupferblech 1 Minute lang in der Brennerflamme aus.
2. Tauche das Kupferblech mit Hilfe der Tiegelzange in das Becherglas mit Ethanol.
3. Glühe das Kupferblech erneut in der Brennerflamme aus.
4. Tauche das Blech erneut in das Becherglas mit Ethanol; wiederhole Schritt 3 und 4
einige male.
------ Variante 1:
5. Tauche ein Stück Watte mit Hilfe einer Pipette in etwas Schiffsche – Lösung.
6. Tauche nun den mit Schiffscher – Lösung getränkte Watte in das Becherglas.
------ Variante 2:
7. Gib vorsichtig 5 Tropfen Schiffscher-Lösung in das Becherglas.
8. Notiere die Beobachtungen.
196
197
Vgl. Asselborn et al., S.250.
Vgl. INT.1.
188
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Das Kupferblech glüht in der Brennerflamme rot auf, färbt sich aber nach kurzer Zeit
schwarz.
Nach dem Eintauchen des Kupferbleches in den Ethanol wird das schwarze Blech wieder hell
– Kupferfarben. (Variante 1) Der farblose Wattebausch ist nach dem Eintauchen in die
Schiffsche – Lösung noch immer farblos, färbt sich aber nach Berührung mit der
Ethanollösung im Becherglas, rosa – rot. Bei Variante 2 schlägt die Farbe der Ethanol-Lösung
bei Zugabe von Schiffscher – Lösung von farblos zu rosa - violette um.
Fachliche Auswertung:
Beim Erhitzen des Kupferbleches in der Brennerflamme entsteht das schwarze Kupfer(II)Oxid:
0
0
2 Cu (s) + O 2 (g)

+II -II
2 CuO (s)
Abb.1: Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff
Kommt das schwarze Kupfer(II)-Oxid mit dem Ethanol in Berührung, wird Kupfer(II) zu
elementarem Kupfer reduziert und nimmt die eigentliche Lachskupfer - Farbe an. Das
Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt, wird indes von –I auf + I hoch-oxidiert. Aus
dem Ethanol (einem Alkohol) entsteht Ethanal, (ein Aldehyd).
H
H
H
+II
-I
H
C
C
H
H
Ethanol
(Alkohol)
+ CuO (s)
O
H
(l)
+I
H
C
H
O
0
C
+ Cu (s) + H 2O (l)
H
(l)
Ethanal
(Aldehyd)
Abb.2: Reaktion von Kupferoxid mit Ethanol
189
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Herstellung der Schiffs-Reagenz (Fuchsinschweflige Säure).
Das Fuchsin wird durch die konzentrierte Salzsäure protoniert:
H
H2N
H
N
H2N
H
N
H
Cl
+
CH3
Cl
CH3
NH2
NH2
Fuchsin (violett)
Abb.3a: Protonierung des Fuchsins
Im Folgenden wird Fuchsin durch die schweflige Säure sulfoniert:
H
H2N
N
H
Cl
N
H
H
H2N
+ H2O / SO2 - HCl
SO3H
CH3
NH2
H2N
CH3
Farblos
Abb.3b: Sulfonierung des Fuchsins198
Dabei entsteht die farblose Nachweisreagenz der Schiffs-Reagenz. Im Folgenden reagiert
diese mit dem Ethanal, in dem die Sulfongruppe (-SO3H) abgespalten und an das Ethanal
angelagert wird.
198
Vgl. Grosse Austing.
190
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
H
N
H
H
H2N
H2N
N
H
O
SO3H
H3C
C
O
H
H3C
C
H
SO3H
CH3
H2N
CH3
NH2
Violett
Die Stabilität der Verbindung kann durch das chinoide System erklärt werden:
H
H
+
H2N
H
+
N
N
N
H
H
H
+
+
Cl
Cl
CH3
CH3
NH2
NH2
H2N
NH2
+
Cl
CH3
+
N
H
H
.
Abb.4: Stabilität des Chinoiden Systems 199
199
Vgl. Grosse Austing.
191
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Die Lage des chinoiden - Systems ist nicht festgelegt. Jeder der Ringe kann durch Mesomerie
die Chinoide - Gruppe tragen.
Die Bildung des rosa-violetten Farbstoffs zeigt die Anwesenheit von Aldehyden in der
Lösung. Reines Ethanol zeigt diese Farbreaktion bei Kontakt mit Schiffscherlösung nicht,
(Vgl. Versuch 6, Schiffsche Probe).
Didaktische Auswertung:
Der Versuch ist nach dem Hessischen G8 Lehrplan in die Jahrgangsstufe 11G.1 einzuordnen.
Dort findet er Anwendung zum Themenfeld der Reaktionen, bzw. der Redoxreaktionen von
Alkoholen (Vgl. hessischer Lehrplan, G8). Er kann bei der Überleitung vom Thema der
Alkohole hin zum Thema der Carbonylverbindungen Verwendung finden aber auch einfach
als Einstieg in das Themengebiet der Carbonyle. Der Aufwand des Versuches ist nicht groß
und kann aufgrund der eingesetzten Chemikalien sowohl als Schülerversuch, als auch als
Demonstration durch den Lehrer durchgeführt werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass
aufgrund des Arbeitens mit dem Brenner und brennbaren Flüssigkeiten nur geübte Schüler
experimentieren sollten. Weiterhin sollte mit kleinen Mengen gearbeitet werden. Es ist
darauf zu achten, dass die Brenner die Behältnisse der brennbaren Flüssigkeiten nicht in
direkter Nähe zu einander stehen. Was den theoretischen Hintergrund angeht, ist zu sagen,
dass der Versuch zwar aus chemischer Betrachtungsweise sehr interessant ist, jedoch die
Schüler der 11. Klasse wegen des komplexen Mechanismus der Farbbildung der SchiffschenLösung sehr fordert.
Entsorgung:
Die Lösungen müssen im organischen Lösungsmittelabfall entsorgt werden.
Literatur:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Chemie/reagenz.htm (Zugriff: 27.02.2010).
INT.2: http://www.chids.de/dachs/expvortr/419AldehydeKetone_Heitmann_Scan.pdf
(Zugriff: 26.02.2010).
192
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuch 9:
Bakelit - Herstellung (Darstellung eines Phenoplasten)
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Reagenzglas
Messpipette
Peleusball
Reagenzglasgestell
Spatel
Waage
Bunsenbrenner
Reagenzglasklammer
Summen-
R- und S-Sätze
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Gefahrensymbole
Menge
formel
R: 23/24/25-34—
Phenol
*
C6H5OH (s)
T
48/20/21/22-68
,C
1,5 g
Zusatz:
Erbgutverändernd (Kat.M3),
Gefahr durch Hautresorption
S: 24/25-26-28.636/37/39-45
Wässrige
Formaldehydlösung
(37%-ig)
HCHO(aq)
R: 23/24/25-34-40-43
T
Erbgutverändernd (Kat.M3),
*
R: 34-37
HCl (konz.)
*
S: 26-36/37/39 -45
C
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
200
2 mL
Gefahr durch Hautresorption
Salzsäure (konz.)
(w=0,37)
S: 26-36/37/39-45-51
20 mL
200
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
193
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Messpipette
Spatel mit
Phenol
Reagenzglas
Phenol
FormaldehydLösung (38 %-ig)
Reagenzglas
mit Phenol +
Formaldehyd
Salzsäure (konz.)
3.Schritt:
Reagenzglas
der Lösung
Reagenzglasklammer
Bunsenbrenner
Durchführung: 201
1. Fülle 1,5 g Phenol und 2 mL in ein Reagenzglas. (Die Formaldehydlösung sollte
möglichst frisch sein).
2. Gib vorsichtig und langsam 1,5 mL konz. Salzsäure zu.
3. Erwärme das Gemisch mit Hilfe des Bunsenbrenners.
(Optional)
4. Wickle das abgekühlte Reagenzglas in ein Tuch ein; zerschlage es vorsichtig mit
einem Hammer. So kann das Produkt isoliert werden.
201
Vgl INT.1 und INT.5.
194
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Phenol ist ein farbloser bis leicht rötlicher kristalliner Feststoff. Beim Öffnen des
Aufbewahrungsgefäßes fällt sofort der charakteristische Geruch auf. Dieser ist als
aromatisch bis süßlich zu beschreiben.
Durch Zugabe der Salzsäure zum Phenol (Formaldehydgemisch), ist eine leichte
Schaumbildung zu erkennen. Durch das Erhitzen mit dem Brenner bildet sich ein rosa,
teilweise braun gefärbter Feststoff.
Fachliche Auswertung:
Bei dem entstandenen rosa – braun gefärbten Stoff handelt es sich um ein Phenolharz,
einem Kunststoff der zur Kategorie der Phenolplasten gehört. Er entsteht durch eine
Polykondensationsreaktion und trägt den Namen Bakelit®. Bakelit ist der erste synthetisch
hergestellte Kunststoff.
Im ersten Schritt dieser Reaktion wird Formaldehyd durch Zugabe der konzentrierten
Salzsäure protoniert (Vgl. Abb.1):
H3O
HCl (aq) + H 2O
+
(aq) +
-
Cl
(aq)
O
C
H
H
+
+
H
(aq)
+
H
O
H
H
(aq)
+ H2O
H
O
- H2O
O
C
H
H
C+
H
H
(aq)
Abb.1: Protonierung des Formaldehyds
In der Folge reagiert das so aktivierte Formaldehyd mit dem Phenol nach einem
Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution am substituierten Aromaten.
Dabei wirkt die Hydroxygruppe des Phenols, die als Erstsubstituent aufgefasst werden kann,
ortho- und paradirigierend (vereinfacht in Abb.2 dargestellt).
195
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
OH
Abb.2: Dirigierende Wirkung der Hydroxygruppe des Phenols
Die OH-Gruppe des Phenols wirkt dabei auf den Aromaten aktivierend und übt auf diesen
einen Elektronenschub aus. Sie wird daher als Donorgruppe bezeichnet. Verschiedene
andere Erstsubstituenten und deren Einfluss auf den Aromaten sind in der folgenden
Abbildung dargestellt.202
Sie
werden je nach
Einfluss in
elektronenschiebende
(Donorgroups) oder elektronenziehende (Electron-withdrawing-groups, EWG‘s) eingeteilt.
Elektronenschub
(aktivierend)
Donor:
-O
-
+ M, +I
Do
-NR 2, -NH 2
-OR, -OH
+ M, - I
-OC(=O)R, -SR
-Ph
-Alkyl, -COO
-
+I
-----
Standard:
-H
EWG:
-CH 2Cl
-I
+I
-Cl, -Br
-I
+M
+
-NR 3 , -NH 3
+
EWG
-I
-C(=O)R
-C
N -SO 3H
- M, - I
-NO 2
Elektronenzug
(desaktivierend)
Abb.3: Induktiver und mesomere Substituenteneffekt
verschiedener funktioneller Gruppen
202
Vgl. Brückner, S.215.
196
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Dieser Einfluss des Substituenten auf den Aromaten, der in Abb.3 dargestellt ist, hängt von
zwei Faktoren ab: Dem induktiven Effekt (I), den die Gruppe ausübt (in unserem Fall die OHGruppe) und dem Mesomeren oder auch Resonanzeffekt genannt (M).
Das Sauerstoffatom der OH – Gruppe des Phenols, das in direkter Nachbarschaft zum
Kohlenstoffatom des aromatischen Ringes steht, übt einen (-I) Effekt auf die
Elektronendichte des aromatische Rings aus. Sie wirkt daher, wenn man nur diesen Faktor
betrachten würde, elektronenziehend und müsste als EWG eingestuft werden.
Jedoch wirkt sich der zweite Faktor - der Resonanzeffekt (+M) - deutlich stärker aus. Er ist als
elektronenschiebend zu betrachten, so dass in der Summe der Effekte (+ M und –I Effekt)
die OH- Gruppe als elektronenschiebend anzusehen ist. Daher ist sie als Donorgruppe
einzustufen. Diese beiden Effekte sind in Abb.4 dargestellt:
H
OH
O
Induktiver Effekt (-I)
(weniger Ausgeprägt)
H
H
+
O
+
O
H
+
O
Resonazeffekt (+ M)
(überwiegt)
Abb.4: Induktiver - und Resonanzeffekt am Phenol
Der Resonanzeffekt, der in diesem Fall den Einfluss der funktionellen Gruppe so viel stärker
beeinflusst, wirkt aktivierend und führt aufgrund der energieärmeren Zwischenstufe bei dem
Angriff eines elektrophiles in Ortho- und Parastellung zur Bildung einer energetisch
günstigeren Zwischenstufe. Das ist auch der Grund für die Regioselektivität.203 Der
+ M-Effekt wirkt aktivierend und damit elektronenschiebend auf den „Benzolkern“.204
Die Regioselektivität der Reaktion lässt sich bereits in dieser Resonanzformel erahnen. Die
negative Ladung ist in den verschiedenen Resonanzformeln jeweils in ortho- oder paraPosition delokalisiert, so dass in diesen Positionen bevorzugt der elektrophile Angriff
vonstatten gehen kann.
203
204
Vgl. Brückner, S.213.
Vgl. Vollhardt, S.739.
197
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Die Regioselektivität, die die Donorgruppe OH auf den Aromaten ausübt, ist in der folgenden
Abbildung gezeigt. Die Blau dargestellten Zahlen in der Abbildung stellen vereinfacht die
Ladungsverteilung im Wheland – Komplex - so wird die Zwischenstufe auch genannt - dar.
Auf diese Weise kann der Einfluss der Donorgruppe auf die Regioselektivität der Reaktion
anschaulich beschrieben werden. Des Weiteren zeigt die Abbildung, dass aufgrund dieser
unterschiedlichen Ladungsverteilung die durch die Donorgruppe im Aromaten erzeugt wird,
sich auch unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten ergeben (Vgl. Abb.5)
+
+
E +
E +
Do
k> k
Benzol
kBenzol
Do
+ 0,25
+ 0,10
Do
Do
H
+ 0,30
E
E
>
>
H
E
H
Do
Do
>
H
E
Do
E
etwas mehr als
viel mehr als
E
E
Para
Ortho
Meta
Abb.5: Einfluss der Donorgruppe auf Regioselektivität
und Reaktivität
198
III.
Jeder
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
donorsubstituierte
Wheland-Komplex
(Vgl.Abb.5)
ist
aufgrund
der
H
elektronenschiebenden Wirkung stabiler als die Referenzverbindung
E
und
reagiert daher auch deutlich schneller mit dem angreifenden Elektrophil. Die größtmögliche
Stabilisierung des Komplexes wird jedoch erreicht, wenn das am stärksten positivierte
Kohlenstoffatom in direkter Nachbarschaft zur Donorgruppe steht. Dies soll durch die Blau
dargestellten Zahlen verdeutlicht werden. Um diese zu verstehen muss sich der WhelandKomplex eines donorsubstituierten Aromaten in der Resonanzformel genauer betrachtet
werden. (Vgl. Abb.6a – 6c):
Donor
Donor
Donor
PARA - Angriff
H
E
H
E
H
E
wichtigste
Resonanzformel
Abb.6a: Resonanzformeln des aromatischen
Peptides nach dem Para-Angriff
Durch einen Para – Angriff entsteht eine Resonanzformel, in der das Kohlenstoff, das die
positive Ladung trägt, direkt benachbart zur Donorgruppe steht. Diese ist daher die
wichtigste der drei Resonanzformeln und die am besten stabilisierte.205 Dies ist durch den
höchsten Zahlenwert in Abb.5 dargestellt.
Beim Angriff eines Elektrophils in meta – Position bildet sich hingegen kein solch stabiles
Kation, das durch die direkte Nachbarschaft zur elektronenschiebenden Donorgruppe
begünstigt ist. (Vgl. Abb.6b). Daher kann man dieser Angriffsposition einen niedrigeren
Zahlenwert zuordnen. (Vgl. Abb.5).
205
Vgl. Vollhardt, S.743.
199
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Donor
Donor
Donor
E
H
E
E
META - Angriff
H
H
Abb.6b: Resonanzformeln des aromatischen Peptides nach Meta-Angriff
Für den Ortho-Angriff ergibt sich folgender Wheland-Komplex, der durch die nachstehende
Resonanzformel beschrieben werden kann:
Donor
Donor
E
H
Donor
E
E
ORTHO - Angriff
H
H
wichtigste
Resonanzformel
Abb.6c: Resonanzformeln des aromatischen
Peptides nach Ortho-Angriff
Auch in dieser Resonanzformel steht die donorsubstituierte Gruppe in direkter
Nachbarschaft zum am stärksten positiv geladenen Kohlenstoffatom im Ring. Daher ist auch
diese Position für die elektrophile aromatische Substitution begünstigt.
Diese aktivierende Wirkung der Hydroxygruppe lässt sich auch an der relativen
Geschwindigkeit der Nitrierung an Benzolring mit verschiedenen Substituenten zeigen:
200
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
R
C6H5R:
Abb.7: Substituierter Benzolring
Relative
Geschwindigkeiten
der
Nitrierung
bei
unterschiedlich
substituierten
Benzolringen:206
R:
OH
CH3
H
Cl
CO2CH2CH3
CF3
NO2
-
1000
25
1
0,033
0,0037
2,6 x 10-5
6 x10-8
Als Regel lässt sich daraus ableiten: Je elektronenreicher die aromatische Verbindung ist,
desto
schneller
erfolgt
der
elektrophile
Angriff.
Umgekehrt
wird
die
Reaktionsgeschwindigkeit bei einem elektronenarmen Aromaten herabgesetzt.207
Von einer etwas anderen Seite wird dies im Themengebiet der Aminosäuren in der
fachlichen Auswertung zum Versuch der Xanthoproteinreaktion beschrieben (Vgl. Versuch
1, Xanthoproteinreaktion).
206
207
Vgl. Vollhardt, S.738.
Vgl. Vollhardt, S.738.
201
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Das in Abb.1 dargestellte aktivierte Formaldehyd reagiert nun in der Folge als elektrophil.
Diese Reaktion lässt sich wie folgt beschreiben:
OH
H OH
H
H
OH
OH
H
+
C
OH
H OH
O
H
+
H OH
H
H
H
H
OH
H OH
H
H
-H
H
+
OH
OH
H
OH
H
H
H
OH
HO
H
-
+ OH
-H 2O
OH
OH
+ Formaldehyd + Phenol
....
- H 2O
OH
...
...
...
OH
OH
...
OH
...
OH
...
Abb.8: 2.Reaktionsschritt der Phenolharzbildung208
208
Vgl. Grosse Austing, S.3.
202
III.
Carbonylverbindungen
Experimenteller Teil
Der sich daraus bildende Kunststoff formt ein dreidimensionales Netzwerk aus. Ein
Ausschnitt dieses Netzwerkes kann folgendermaßen aussehen: 209
Abb.9: dreidimensionales Netzwerk des sich bildenden Kunststoffes 210
Das aktivierte Formaldehyd reagiert mit dem aromatischen Ring des Phenols unter Bildung
eines Whelandkomplexes in Orthoposition. Durch Abspaltung des Protons entsteht zunächst
das zweifachsubstituierte Produkt aus Formaldehyd und Phenol.
In der Folge kann dieses Produkt dann weiterreagieren, so dass sich ein hochvernetzter
Kunststoff entsteht (Vgl. Abb.8). Dieser sich bildende Kunststoff trägt den Namen Bakelit
und zählt zur Stoffklasse der Polymere, genauer gesagt zählt er zu den Duroplasten.
Duroplastische Kunststoffe zeigen auch beim Erwärmen keine Formveränderung sondern
bleiben bis zur Zersetzungstemperatur formbeständig. Bakelit ist einer der ersten
großtechnischen synthetisierten Kunststoffe. Er zählt zu den Phenoplasten, da er sich aus der
beschriebenen Reaktion aus Formaldehyd und Phenol durch Protonenkatalyse bildet.
Didaktische Auswertung:
Der Versuch könnte aufgrund der Verwendung des Formaldehyds als Edukt im Themenfeld
der Carbonylverbindungen Anwendung finden, da es die Wichtigkeit der Carbonyle zeigt und
einen ersten Eindruck in die Reaktionsvielfalt gibt. Formaldehyd ist zwar eine giftige
209
210
Vgl. INT.2.
Vgl. Abbildungsverzeichnis [12].
203
III.
Experimenteller Teil
Carbonylverbindungen
Verbindung, zählt jedoch zu den wichtigsten organischen Verbindungen der chemischen
Industrie. Weltweit betrug 2007 die Formaldehydproduktion 21 Mio. Tonne. 211 Hieran wird
die Bedeutung dieser Verbindung deutlich. Mit Hilfe dieses Versuches soll daher einen
Einblick in die Reaktionsvielfalt dieser Verbindungsklasse gezeigt werden.
Der Versuch lässt sich jedoch auch problemlos im Themenfeld der synthetischen
Makromoleküle - wie es im hessischen G8 Lehrplan heißt - unterbringen. In diesem kann
auch die elektrophile aromatische Substitution zum Gegenstand des Unterrichts gemacht
werden, was nach dem hessischen Lehrplan G8 nicht unbedingt Thema der
Carbonylverbindungen ist. In den Themenkomplex passt er sicher besser, da das
entstehende Produkt zur Kategorie der Kunststoffe zählt und als erster industriell
hergestellter Kunststoff gilt.
Der materielle Aufwand, wie auch der Zeitaufwand für die Durchführung des Versuches sind
minimal. Er kann daher problemlos in den Unterricht eingebunden werden. Jedoch ist bei
dem Einsatz von Formaldehyd und dem Phenol im Schülerversuch Vorsicht geboten. Der
Einsatz als Schülerversuch ist laut HessGISS möglich, jedoch aufgrund der Toxizität, wie auch
der Verdacht auf karzinogene Wirkung in diesem Fall der Demoversuch durch den Lehrer vor
zu ziehen.
Entsorgung:
Der entstandene Kunststoff, wie auch die verunreinigten Glasabfälle, können im
Feststoffabfall entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0013Darstellung_von_Bakelit.pdf
(Zugriff: 12.03.2010).
INT.2: http://www.zum.de/Faecher/Gk/RP/13315_Bakelit___ein_Polykondensat__der_erste_Kunststof_.pdf (Zugriff: 12.03.2010).
INT.3: http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/pkond.htm (Zugriff: 15.03.2010).
INT.4: http://www.seilnacht.com/Lexikon/k_phenol.html (Zugriff: 15.03.2010).
INT.5: http://www.chemieunterricht.de/dc2/katalyse/vkat-060.htm (Zugriff: 12.03.2010).
211
Vgl. Deckwer et al..
204
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Versuche zu Kohlenhydraten:
Nachweisreaktionen:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
1
Silberspiegel (siehe auch Aldehyde und Ketone)
2
Fehling – Probe (siehe auch Aldehyde und Ketone)
3
Seliwanoffprobe
4
5
6
7
8
Zuckerverkohlung
Zauberschrift
Stärkenachweis in verschiedenen Mehlen und Reis
Unterscheidung Glucose und Fructose durch Iod
Untersuchung der Inhaltsstoffe einer Kartoffel
Reaktionen:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
9
Gummibärcheninferno
10
Hydrolyse von Stärke
Maillard Reaktion (siehe Aminosäuren)
205
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 1:
Silberspiegelprobe
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Variante 1:
Variante 2
3 Spritzflaschen (klein)
1 neues Reagenzglas
1 neues Reagenzglas
Messpipette
3 Aufbewahrungsgefäße
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Glucose
*
Kaliumhydroxid
*
Silbernitrat
*
C6H12O6
-
R: 22-35
KOH (s)
S: 26-36/37/39-45
C
R: 34-50/53
AgNO3 (s)
C
S: 26-45-60-61
, N
Ammoniak
(w=0,25)
R: 34-50
NH3 (aq)
*
S: 26-36/37/39-45C
*
Ammoniumsulfat
, N
61
R: 36/37/38
(NH4)2SO4
S: 26-36
Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
212
2,5 g
1,8 g
1,7 g
Einige
Tropfen
0,6 g
212
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
206
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Variante 1:
Variante 2:
Zu versilberndes
NEUES Reagenzglas
Zu versilberndes
NEUES Reagenzglas
Durchführung: 213
Herstellung der Lösungen:
Lösung 1:
Fülle 2,5 g Glucose in 100 mL Wasser
(pro Gruppe werden 3,5 mL benötigt).
Lösung 2:
Fülle 1,8 g Kaliumhydroxid in 100 mL Wasser
(Pro Gruppe werden 3,5 mL benötigt).
Lösung 3:
Löse 1,7 g Silbernitrat in 100 mL Wasser, gib tropfenweise einer 25 % igen
Ammoniak-Lösung zu bis der entstehende braune Niederschlag wieder verschwindet.
Zu dieser Lösung werden 0,6 g Ammoniumsulfat gegeben und auf 200 mL aufgefüllt.
Die Lösung sollte in einer braunen Flasche aufbewahrt werden. (WICHTIG! Immer
frisch herstellen, da sich bei längerer Lagerung explosives Silbernitrid (Ag 3N) bilden
kann). 214
213
214
Vgl. Asselborn et al., S.369.
Vgl. INT.2.
207
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Durchführung:
1. Gib 3,5 mL von Lösung 1 in ein neues Reagenzglas.
2. Gib 3,5 mL von Lösung 2 hinzu und schüttle gut durch.
3. Gib anschließend 7 mL von der Lösung 3 hinzu und schüttle 2 Minuten lang
----4. (optional: Erwärme die Flüssigkeit im Reagenzglas VORSICHTIG mit Hilfe des
Brenners.)
Beobachtungen:
Die hergestellte Glucoselösung war farblos. Die ammoniakalische Silbernitratlösung zu
Beginn braun, durch weitere Zugabe verschwand der sich bildende braune Niederschlag
zunächst wieder. Eine leichte Braunfärbung war dennoch zu beobachten. Durch Vermischen
der Lösungen 1 bis 3 bildete sich zunächst erneut ein braun – schwarzer Niederschlag, der
die gesamte Lösung trübte, nach einer Minute war schon ein metallisches Schimmern an der
Reagenzglaswand zu erkennen; nach einer weiteren Minute hat sich ein deutlicher
silberfarbener Überzug an der Glaswand
gebildet. Dieser blieb auch an der
Reagenzglaswand haften, nach dem die Lösung ausgegossen wurde.
Fachliche Auswertung:
Die
sogenannte
Silberspiegelprobe,
auch
bekannt
als
Tollensprobe,
ist
eine
Nachweisreaktion für Aldehyde und reduzierende funktionelle Gruppen. Aus diesem Grund
kann sie als Nachweisreaktion für die Aldehydgruppe der Glucose verwendet werden. Sie ist
zu Ehren des Chemikers Bernhard Tollens nach ihm benannt worden.215
Glucose ist ein Einfachzucker, ein sogenanntes Monosaccharid. Die Struktur lässt sich
folgendermaßen darstellen:
215
Vgl. Deckwer et al..
208
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
+I
H
O
OH
1
H 2
HO 3
H
4
H 5
OH
H
H
OH
H
H
H
OH
OH
OH
CH 2OH
Fischer - Projektion
H
OH
HO
HO
H
O H
HO
H
H
OH
O

H
OH OH
Haworth Projektion der 𝜶-
Sesselprojektion der 𝜶-
Pyranoseform der Glucose
Pyranoseform der Glucose
Abb.1a-c: verschiedene
Darstellungsformen der Glucose
In der offenkettigen Form, der Aldehydform, liegt Glucose in Lösung nur zu 0,1% vor. 216 Nur
in dieser offenkettigen Form wirkt sie daher reduzierend. Aus diesem Grund muss mit
konzentrierten Lösungen gearbeitet werden.217
Die Glucose liegt in Allgemeinen vorwiegend als 6-Ring vor (vgl.Abb.1b und 1c), das heißt,
die Aldehydgruppe hat mit dem Sauerstoff der Hydroxygruppe des letzten chiralen C-Atom
ein intermolekulares Halbacetal gebildet.
Die in Abb.1a dargestellte Fischer-Projektion der Glucose zeigt die 𝐃-Glucose. Das ‚D‘
bedeutet, dass die Hydroxygruppe, die am weitesten vom ersten asymmetrischen
Kohlenstoffatom, dem C2 – Atom entfernt ist, auf der rechten Seite steht. Das ‚D‘ im Namen
der D – Glucose leitet sich vom lateinischen Wort dexter (rechts) ab.
Allgemein kann man die Reaktion von Glucose mit dem Silberkation folgendermaßen
zusammenfassen:
H
+I
+I
+
+ 2 Ag (aq)
C
R
+III O
O
(aq)
R
0
C
+ 2 Ag
O
H (aq)
Abb.2: Reaktion von Silber(I) mit Glucose
Doch was läuft im Einzelnen bei dieser Reaktion ab?
216
217
Vgl. Asselborn et al., S.360.
Vgl. Asselborn et al., S.360.
209
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Die Glucose wird zur Carbonsäure (der Gluconsäure) oxidiert, während Silber(I) zu
elementarem Silber reduziert wird (Vgl.Abb.3):
Oxidation
+I
H
O
H
OH
HO
+III
HO
H
H
+ H2O
H
OH
H
OH
OH
HO
(aq)
O
+
+2H
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
-
(aq)
+2e
CH 2OH
(aq)
(aq)
Gl ucos e
Gl ucons ä ure
Reduktion
+I
[Ag(NH3)2]
+
0
-
(aq)
+e
Ag (s) + 2 NH3
|x2
(aq)
Si lberdiami n - Komplex
Abb.3: Betrachtung des Reduktionsund Oxdiationsvorgangs der Tollensprobe
Durch die Oxidation der Glucose zur Gluconsäure entstehen Protonen (Vgl.Abb.3) Zur
Verschiebung des Gleichgewichtes zugunsten der Bildung der Gluconsäure müssen die
Protonen dem System entzogen werden, so dass im alkalischen Medium gearbeitet werden
muss. Dies erklärt, warum eine Base zu gesetzt werden muss, nicht jedoch warum diese Base
Ammoniak sein muss.
H2O
AgNO3
+
2 Ag
-
(aq)
+
Ag
(s)
+ 2 OH
(aq)
(aq)
+ NO3
-
Ag2O
(aq)
(s)
+ H2O
Abb.4: 1.Schematischer Lösungsvorgang von Silbernitrat
2.Reaktion von Silber(I) mit den Hydroxidionen
210
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Würde man anstelle von Ammoniak als Base lediglich Natronlauge verwenden, würden die
Hydroxidionen die gelösten Silberkationen als braunes Silberoxid ausfällen (Abb.4). Dies
würde jedoch verhindern, dass die Silberionen frei zur Glaswand ‚wandern‘ und sich nach
der Reaktion mit der Glucose als elementares Silber an dieser abscheiden könnten. Daher
dient der Ammoniak, der sowohl als Base auftritt und somit die Funktion der
Gleichgewichtsverschiebung übernimmt, auch dazu, die Silberionen in Form des löslichen
Silberdiaminkomplexes in gelöstem Zustand in Lösung zu halten.
NH3
(aq) +
Ag2O (s) + 4 NH3
H2O
(aq) +
H2O
NH4
+
(aq) +
-
OH
2 [Ag(NH3)2]
+
(aq)
(aq) +
-
2 OH
(aq)
Abb.5: Bildung des Silberdiaminkomplexes
Dieses komplexierte Silberkation ist das eigentliche Oxidationsmittel.
Warum sich der Silberspiegel jedoch an der Glaswand bildet, erklärt Dagmar Wiechoczek auf
der Seite von Prof. Blumes Bildungsserver folgendermaßen: „Glas wirkt wie ein
Ionenaustauscher. Es adsorbiert auf diese Weise Silber-Ionen. An diesen Stellen setzt die
Reduktion ein und bildet viele Kristallkeime, die den festhaftenden Überzug bilden.“218
Eine halbquantitative spezifische Nachweismöglichkeit für Glucose ist der sogenannte
Glucose-Oxidase-Test (GOD – Test), der in der Medizin Anwendung findet. Des Weiteren
kann die Fehlingprobe sowie die Schiffsche-Probe, die auf Aldehydgruppen hin testet, als
Nachweismethode herangezogen werden. (Vgl. Abschnitt Carbonylverbindungen: Versuch
Fehlingprobe, Vgl. Abschnitt Carbonylverbindungen: Versuch Schiffsche-Probe).
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch, der als Nachweis für die reduzierend wirkende Aldehydgruppe dient und als
Zuckernachweis eingesetzt werden kann, sollte meiner Meinung nach von jedem Schüler
während seiner Schulzeit einmal selbst durchgeführt werden. Es ist sicher für jeden Schüler
etwas besonderes, ein Reagenzglas mit Silber zu überziehen. Allerdings dürfte der
218
INT.2.
211
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Kostenfaktor, der durch den Verbrauch von Silbernitrat und neuen Reagenzgläsern entsteht
ein Problem darstellen.
Des Weiteren wäre es möglich, alte bzw. gebrauchte Reagenzgläser zu verwenden, die zuvor
mit Aceton gereinigt wurden. Dies könnte zwar die Reaktion verlangsamen, evtl. auch den
Einsatz eines Wärmebades erfordern, aber doch die Kosten senken.
Der theoretische Hintergrund des Versuches ist - wie man erkennen kann - wichtig und
Lehrplanrelevant. Er ist im hessischen G8 Lehrplan in der Jahrgangsstufe 11 im GK und LK
unter dem Punkt Nachweisrektionen für Kohlehydrate vorgegeben.
Sicher macht es auch viele Schüler neugierig was bei dieser Reaktion im Einzelnen
abgelaufen ist. Da die Versilberung von Christbaumschmuck auf die gleiche Weise wie die
Versilberung im Reagenzglas vonstatten geht, wäre die Versuchsdurchführung vor
Weihnachten für die Schüler noch einmal etwas besonderes.
Entsorgung:
Die Reaktionslösungen werden, da sie Silberkationen enthalten, zunächst mit konz.
Salzsäure salzsauer gemacht. Das ausfallende Silberchlorid setzt sich über Nacht am Boden
ab. Der Überstand enthält nur noch geringste Spuren von Silber und kann daher
abdekantiert werden. Der Niederschlag wird auf diese Art eingeengt und zum Silberabfall
gegeben. Der bereits abdekantiert Überstand, kann nun neutralisiert und im anorganischen
Schwermetallabfall entsorgt werden.
Wichtig ist, dass die ammoniakalische Silbernitratlösung immer frisch hergestellt wird, da
sich bei längerer Lagerung ein hochexplosives Silbernitrid (Ag3N) bilden kann.219
Literatur:
Internetquellen:
INT 1:
http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-Tollensd.htm (Zugriff: 23.03.2010).
INT 2: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/12_00.htm (Zugriff: 23.03.2010).
219
Vgl. INT.2.
212
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 2:
Fehlingprobe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5 Minuten
Durchführung:
6 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
3 Reagenzgläser (50 mL)
Spatel
Messzylinder 100 mL
1 Becherglas (250 mL)
4 Bechergläser (100 mL)
Messpipette + Peleusball
Bunsenbrenner + Dreifuß
Pipette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Glucose
*
Saccharose
*
Fructose
*
Summenformel
C6H12O6 (s)
C12H22O11 (s)
C6H12O6 (s)
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
-
-
-
Kalium-NatriumTartrat
*
*
-
1g
R: 22-26/38-50/53
Xn
S: 22-60-61
,N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
220
1g
S: 26-37/39-45
C
CuSO4 * 5 H2O (s)
-
R: 35
NaOH (s)
Kupfersulfat
Penthydrat
1g
S: 22-24/25
*
Natriumhydroxid
-
R: -
KNa[C4H4O6] (s)
Menge
35 g
10 g
7g
220
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
213
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt
2. Schritt
Jeweils 1 g des
Zuckers +
1.Glucose
1.
10 mL dest.
Wasser
2.Saccharose
3.
2.
3.Fructose
3. Schitt:
4. Schritt:
1.
2.
3.
Lösung aus Fehling I
und II (1:1)
5. Schritt:
Variante 1:
Zuckerlösungen 1-3
mit Fehling
Wasserbad
Variante 2:
Bunsenbrenner
214
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Durchführung:
Herstellung der Lösungen:
Fehling - Lösungen: 221 und 222
Fehling 1:
Fülle 7 g Kupfersulfat in 100 mL dest. Wasser
(pro Gruppe wird 1 mL benötigt).
Fehling 2:
Fülle 35 g Kalium-Natrium-Tartrat und 10 g Natriumhydroxid in 100 mL dest. Wasser
(pro Gruppe wird 1 mL benötigt).
1. Löse jeweils 1 g Glucose, Saccharose und Fructose in 10 mL Wasser
2. Fülle je ein Reagenzglas 2 cm hoch mit den hergestellten Zuckerlösungen
3. Gib jeweils 10 mL Fehling I und 10 mL Fehling II in ein Becherglas.
4. Gib zu den Zuckerlösungen 2 mL der hergestellten Fehling (Fehling I + II) – Lösung.
5. Stelle die Reagenzgläser in ein Wasserbad, erwärme mäßig mit Hilfe des
Bunsenbrenners.
Beobachtungen:
Die Zucker (Glucose, Saccharose und Fructose) sind weiße, pulverartige Feststoffe, die sich in
Wasser lösen. Die Zuckerlösungen sind klare Flüssigkeiten.
Fehling I ist eine hellblaue, Fehling II eine klare Lösung. Die 1 zu 1 - Mischung aus Fehling I
und II ergibt eine tiefblau gefärbte Lösung.
Die klaren Zuckerlösungen färben sich nach Zugabe von Fehling ebenfalls tiefblau. Durch das
Erwärmen im Becher färbt sich die Fructoselösung (Lösung 3) gelb – orange und es bildet
sich ein Niederschlag. Die Glucoselösung (Lösung 1) färbt sich zunächst grünlich und
verändert sich allmählich zu einer braunen Lösung, in der ein orange–roter Niederschlag zu
erkennen ist. Die Saccharoselösung (Lösung 3) zeigt keine Veränderung.
221
Vgl. INT.1.
Vgl. Asselborn et al., S.369.
222
215
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Bei den verwendeten Zuckern handelt es sich um Vertreter der Stoffklasse der Kohlenhydrate.
Glucose und Fructose sind wichtige Monosaccharide. Glucose ist als Traubenzucker und
Fructose als Fruchtzucker bekannt. Kohlenhydrate im Allgemeinen spielen eine wichtige Rolle
bei der Energiegewinnung und Energiespeicherung in der Fauna und Flora. Sie sind wichtige
Nahrungsbestandteile. Die Kohlenhydrate lassen sich in Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide
unterteilen. Ihr Abbau im menschlichen Körper dient der lebenswichtigen Energiegewinnung.
Sie werden in der Natur durch Photosynthese Prozesse hergestellt und dienen Pflanzen als
Baustoff und Energieträger. Die Pflanzen stellen dabei aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid
(CO2) und der Energiegewinnung aus dem Sonnenlicht die wichtigen, energiereichen,
Kohlenhydrate her.
Durch den Photosyntheseprozess werden von der gesamten Pflanzenwelt - so wird geschätzt innerhalb eines Jahres, 60 Milliarden Tonnen organisches Material aufgebaut.223 Ein Beispiel:
Ein Buchensamen wiegt etwa 0,2 g, wobei etwa die Hälfte (0,1 g) Kohlenstoff bildet. Aus
diesem Samen geht in rund 100 Jahren ein Baum hervor, der etwa 5000 kg wiegt. In diesem
Baum macht der Kohlenstoff einen Anteil von rund 1250 kg aus. Der Kohlenstoff, der in
organisches Material, gebunden ist stammt dabei aus dem Kohlendioxid der Luft.
Vereinfacht kann diese Photosynthese - Reaktion, die zur Bildung der organischen Substanzen
wie den Kohlenhydraten führt, folgendermaßen dargestellt werden:
h
6 CO2
(g) + 6 H2O
C6H12 O6
(s)
+ 6 O2
(g)
Abb.0: Netto Gleichung der oxygenen Photosynthese
So baut eine Sonnenblume bei voller Sonnenbestrahlung im Schnitt 1,823 g Stärke pro m2
Blattfläche auf. Als „Abfallprodukt“ dieses Prozesses entsteht der für die Pflanzen
unbrauchbare Sauerstoff.
223
Vgl. Bibliographisches Institut und F.A. Brockhaus AG.
216
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Glucose lässt sich folgendermaßen darstellen:
D-Glucose:
OH
H
O
H
OH
H
H
OH
HO
+I
H
HO
H
OH H

OH
H
OH
 - D - Glucose
OH
H
OH
CH 2OH
H
H
OH H
H
OH
H
H
OH
HO
OH
Fischer - Projektion
Kettenform
O
H
OH
H
O
C
H
O OH
HO

H
H
OH
- D - Glucose
Haworth - Formel
Pyranoseform (Halbacetal)
Abb.1: Strukturformeln der D-Glucose
Glucose liegt nur zu einem geringen Prozentsatz (von ca. 0,1 %) in Lösung als offenkettige
Aldehydform vor. Der Großteil der Glucose liegt in Ringform, der sogenannten
Pyranoseform, als Halbacetal vor. Dabei kann sich, wie in Abb.1 dargestellt, die AlphaGlucose (-Glucose) in die Beta-Glucose (-Glucose) umwandeln. Die Haworth-Darstellung
der Glucose gibt die Ringstruktur des Moleküls wieder. Glucose ist eine Aldohexose und
gehört damit zur Gruppe der Aldehyde.224
Der Unterschied zwischen D und L – Glucose wird in der fachlichen Auswertung zum Versuch
der Silberspiegelprobe beschrieben (Vgl. Versuch: Silberspiegelprobe).
224
Vgl. Asselborn et al., S.360.
217
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
D-Fructose:
H
H
O
H
H
OH
HO
HO
OH

H
OH
OH
OH
O
+II
HO
OH
H
CH 2OH
H

HO
OH
O
H
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
H
H H
OH
HO
OH
H
HO
Kettenform (Ketose)
O OH
H

OH
O
H HO

H
OH
OH
H
OH
Furanoseform
Pyranoseform
Abb.2: Strukturformeln der D-Fructose
Bei der Fructose, die in Honig und Früchten enthalten ist, handelt es sich um einen Isomeren
Zucker der D-Glucose. Fructose ist eine Ketohexose und gehört damit zur Stoffklasse der
Ketone. Kristalline Fructose liegt in Ringform sowohl in 𝜶-Form oder in 𝜷-Form vor. Bei den
Ringformen handelt es sich in kristalliner Form um 6 Ringe, den sogenannten Pyranosen.
Löst man diese jedoch, stellt sich durch die in Abb.2 dargestellten Umlagerungen ein
Gleichgewicht von 57 % 𝜷-Pyranose, 3 % 𝜶-Pyranose, 31% 𝜷-Furanose, 9% 𝜶-Furanose und
weniger als 1% als offenkettige Ketoform ein.225 Diese Umlagerung kann durch das
Phänomen der Mutarotation sichtbar gemacht werden. Bei der Mutarotation ändert sich der
Drehwinkel einer frisch angesetzten Lösung eines optisch aktiven Zuckers mit der Zeit. Diese
Drehwinkeländerung kann durch ein Polarimeter beobachtet werden.
Die beiden C6H12O6 Isomere (Monosaccharide Fructose und Glucose) können durch die
Seliwanoff Reaktion oder den sogenannten GOD – Test unterschieden werden (Vgl.
Versuch: Seliwanoff Reaktion).
Als Baustein der Saccharose, dem dritten verwendeten Zucker liegt sie hingegen als
Furanose (5-Ring) vor. Saccharose ist in Abb.9 dargestellt.
225
Vgl. Asselborn et al., S.361.
218
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Die Fehlingprobe ist, wie die Silberspiegelprobe, ein Nachweis auf reduzierend wirkende
Gruppen. In der Glucose findet sich diese in Form der Aldehydgruppe. Diese kann nach
folgender Reaktion zur Carbonsäure (der Gluconsäure) oxidiert werden (Vgl. Abschnitt
Kohlenhydrate, Versuch 2, Silberspiegelprobe):
Oxidation:
+III
H
+I
R
-
+ 2 OH
C
R
O
O
+ H2O + 2 e
C
(aq)
OH (aq)
(aq)
Reduktion:
+I
+II
Cu
2+
-
(aq)
+I
+
2 Cu
Cu
+1e
(aq) +
|x2
(aq)
+I
Cu 2O(s) + H2O
-
2 OH
+
(aq)
Gesamtreaktion:
H
+III
+II
+I
2+
+ 2 Cu
C
R
O
(aq)
-
(aq)
+ 4 OH
(aq)
R
O
+I
Cu 2O(s) + 2 H2O
C
OH
(aq)
Abb.3 und 4: Redoxreaktion eines Aldehydes mit Cu(II)
Der rote Niederschlag der Reaktion ist auf das sich bildende Kupfer(I)-Oxid (Cu2O)
zurückzuführen. Dieser Nachweis ist - wie auch die Silberspiegelprobe - kein spezifischer
Nachweis für Glucose, da lediglich auf reduzierend wirkende Gruppen getestet wird. Anders
beim GOD – Test: Bei diesem erfolgt die selektive Oxidation von Glucose durch das Enzym
Glucose-Oxidase.
Die Fructose zeigt bei der Fehlingprobe ebenfalls ein positives Ergebnis, obwohl sie keine
reduzierend wirkende Gruppe besitzt (Vgl.Abb.2). Aufgrund der Möglichkeit der Umlagerung
in alkalischer Lösung zu Glucose und Mannose verläuft die Nachweisreaktion trotzdem
positiv. Die Umlagerungsprodukte weisen eine reduzierend wirkende Aldehydgruppe auf
(Vgl. Abb.1, Abb.5).
219
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Die Umlagerung der Fructose im alkalischen Medium kann dabei wie folgt beschrieben
werden:
O
H
C
H
H
OH
H
C
OH
C
O
C
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
-
< OH >
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
D - Glucose
O
H
C
D - Fructose
Endiol
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
D - Mannose
Abb.5: Umlagerung von Fructose in
Mannose und Glucose
Bei der Fehlingprobe wird sich die schwächere Oxidationskraft der Cu(II) – Ionen in
alkalischem Medium zu Nutze gemacht. In diesem Medium werden sie nur bis zum Cu(I)
reduziert und fallen als Kupfer(I)-oxid (Cu2O) aus (Vgl.Abb.4). Kupfer(I)-Oxid weist dabei eine
charakteristische rote Farbe auf, an der der positive Nachweis auf reduzierend wirkende
Zucker / Gruppen abgelesen werden kann. 226
Das zusätzlich verwendete Kalium-Natrium-Tartrat hat, wie der Ammoniak im Versuch zur
Tollensprobe (Vgl. Abschnitt Kohlenhydrate, Versuch 1, Silberspiegelprobe), die Aufgabe,
den oxidierend wirkenden Teil - hier das Kupfer(II) - in Lösung zu halten. Ohne Zugabe dieses
Tartrates, würden die Kupfer(II)-Ionen mit dem Hydroxid zu schwerlöslichem Cu(OH)2
reagieren und ausfallen. Demnach würde eine Reaktion lediglich am Boden des
Reaktionsgefäßes ablaufen. Die deutliche rot-orange Färbung der Lösung würde sicherlich
ausbleiben.
226
Vgl. INT.1.
220
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Tartrat ist das Salz der Weinsäure. Es bildet mit Kupfer(II) den charakteristisch tiefblau
gefärbten, Kupfertartratkomplex (Vgl.Abb.6).
Die Komplexbildung lässt sich folgendermaßen beschreiben:
KNaC4H4O6 (s)
2+
2 Cu
(aq) +
C 4H4O 6
2 [C4H4O6]
2(aq)
2-
(aq) +
Na
+
(aq) +
+
K
(aq)
[Cu2(C 4H4O6)2(H 2O)4]
+ 4 H2O
(aq)
dunkelblau
Abb.6: Bildung des Tartratkomplex
H2O
O
O
O
2+
O
-
Cu
C
C
OH
C
OH
H2O
H2O
HO
C
HO
C
2+
C
C
Cu
O
O
-
H2O
O
C
O
-
(aq)
Abb.7a: Kupfer(II)-Tartratkomplex [Ditartratotetraaquadikupfer(II)] 227
In der Literatur ist jedoch noch eine weitere mögliche Darstellung des Kupfer(II)Tartratkomplexes zu finden. So wird der sich im alkalischen Milieu bildende Komplex, als
quadratisch-planar beschrieben. 228
Saccharose:
Saccharose ist der dritte verwendete Zucker. Der Name leitet sich vom lateinischen Wort
‚Saccharum‘ ab, was soviel wie Zucker bedeutet. Saccharose ist als Haushaltszucker bekannt
und findet als dieser vielseitig Verwendung in unserm Alltag. Der jährliche pro-Kopf-
227
228
Vgl INT.4.
Vgl. Hollemann / Wieberg, 102. Aufl., S.1447.
221
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Verbrauch (2005/2006) in Deutschland liegt bei 34 kg. Die weltweite Jahresproduktion liegt
bei ca. 160,6 Millionen Tonnen. Neben seinem charakteristisch süßen Geschmack dient er
auch als Energiequelle für viele Organismen. Beinahe alle Organismen können Saccharose als
Nahrungsquelle nutzen.229
Anders als Glucose und Fructose ist Saccharose ein Disaccharid mit der Summenformel
C12H22O11 und setzt sich aus den Monosaccharidbausteinen Glucose und Fructose
zusammen. Beide sind 𝜶-𝜷,(1,2) glycosidisch miteinander verbunden (Vgl.Abb.8).
Saccharose
OH
HO
HO
O
1 
OH O
OH
OH

2
OH
O
HO
 -1-2 - verknüpft
Abb.8: Strukturformel der Saccharose
Zwar reagieren - wie der Versuch gezeigt hat - die Monosaccharidenbausteine (Fructose und
Glucose) positiv mit Fehling, doch zeigt Saccharose – anders, als dies auf Anhieb zu erwarten
wäre - keine positive Fehlingprobe und auch die Silberspiegelprobe verläuft negativ.
Saccharose zählt zu den nichtreduzierend wirkenden Zuckern. Der Grund ist, dass - anders
als in reiner Glucose - keine offenkettigen Aldehydformen (Vgl.Abb.2) - welche reduzierend
wirken könnten - vorliegen, sondern bedingt durch die glycosidische Verknüpfung beider
Monosaccharide keine Ringöffnung mehr möglich ist. In Ringform wirkt die Glucose nicht
reduzierend.
Saccharose ist sehr gut wasserlöslich, es lösen sich in 1 Liter bei 20 °C 2400g.230
Die Fehlingprobe testet einfach und schnell auf reduzierend wirkende Gruppen und kann
daher mit Hilfe anderer Nachweismethoden zur Unterscheidung verschiedener Zucker
herangezogen werden.
229
230
Vgl. Deckwer et al..
Vgl. Deckwer et al..
222
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Didaktische Auswertung:
Der Versuch ist als Nachweis für reduzierend wirkende Kohlenhydrate, wie auch der Versuch
zur Silberspiegelprobe, ein wichtiger Bestandteil im Themenfeld der Kohlehydrate und sollte
in diesem auf jeden Fall Anwendung finden. Im hessischen G8 Lehrplan sind die
Kohlenhydrate in 11G.2 – Kohlenstoffchemie II verankert. Der Versuch lässt sich bei den
verbindlichen Inhalten: ‚Reaktion/Nachweisreaktionen‘ in Thema Kohlenhydrate einordnen.
Die Effekte sind gut zu erkennen, die Chemikalien mindergiftig.231 Die Unterscheidung der
verschiedenen Zucker kann aufgrund der unterschiedlichen Farbigkeit der Lösungen, sowie
eines auftretenden Niederschlags an Kupfer(I)-Oxid erkannt werden. Daher kann der
Versuch problemlos als Schülerversuch eingesetzt werden. Es ist allerdings darauf
hinzuweisen, dass es trotz einer Farbveränderung der Lösung (welche einen positiven
Nachweis deutlich anzeigt) sein kann, dass sich der rote Niederschlag des Kupfer(I)-Oxides
nicht immer sofort einstellt. Nach wenigen Minuten sollte der Niederschlag aber in jedem
Fall sichtbar werden.
Die Durchführung sowie die anschließende Auswertung des Versuchs kann sicherlich eine
Doppelstunde in Anspruch nehmen. Gerade die Erklärungen zu der Keto-Enol-Tautomerie
(Vgl.Abb.6), die den positiven Nachweis der Fructose erklärt, ist nicht ganz einfach zu
verstehen. Alles in allem jedoch ist es ein sehr schöner Versuch, der das Themenfeld der
Kohlenhydrate bereichert.
Entsorgung:
Alle Lösungen, die in Kontakt mit Fehling gekommen sind, werden neutral im Behälter für
anorganische Abfälle entsorgt.
Literatur:
Internetquellen:
INT 1:
http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/DFehling-d.htm (Zugriff: 27.02.2010).
INT 2: http://www.chm.tu-dresden.de/oc/med/WS06_07/v7.pdf (Zugriff: 27.02.2010).
INT.3: http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0503.html (Zugriff: 27.02.2010).
INT.4: http://www.chids.de/dachs/expvortr/712MenueOC_Boeckler.doc (Zugriff: 27.02.2010).
231
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
223
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 3:
Seliwanoffprobe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
4 Minuten
Durchführung:
6 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Reagenzglas 2x
Bunsenbrenner
Reagenzglasgestell
Becherglas 2x (100 mL + 250 mL)
Dreifuß
Drahtnetz
Messpipette
Peleusball
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Fructose
*
C6H12O6 (s)
-
-
(Resorcin)
1,3-Dihydroxybenzol
Xn
*
Glucose
*
R: 22-36/38-50
C6H4(OH)2 (s)
C6H12O6 (s)
S: 26-61
, N
-
-
Salzsäure (konz.)
(w=0,37)
*
H2O (l)
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
232
S: 26-36/37/39-45
C
*
Dest. Wasser
R: 34-37
HCl (konz.)
-
1 Spatelspitze
10 mg
1 Spatelspitze
20 mL
40 mL
232
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
224
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
1. Glucose
2. Fructose
Wasserbad mit den
Reagenzgläsern
Dreifuß mit
Drahtnetz
Becherglas mit des Wasser +
Messpipette
Bunsenbrenner
Durchführung:
0. Erhitze Wasser in einem Wasserbad mit Hilfe eines Bunsenbrenners bis zum Sieden.
Herstellen der Seliwanoff-Reagenz: Löse 10 mg Resorcin (1,3-Dihydroxybenzol) in 20 mL
konz. Salzsäure. Verdünne anschließend mit 40 mL dest. Wasser.
1. Gib in je ein Reagenzglas eine Spatelspitze des zu untersuchenden Zuckers und 3 mL
dest. Wasser. Reagenzglas 1: Glucose + 3 mL Wasser, Reagenzglas 2: Fructose + 3 mL
Wasser.
2. Gib jeweils 5 mL des Seliwanoff-Reagenz zu.
3. Stelle die Reagenzgläser für 3 Minuten in das siedende Wasserbad.
Beobachtungen:
Die Zuckerlösungen sind farblos. Auch nach Zugabe der salzsauren Resorcin-Lösung bleiben
beide farblos. Nach 1 – 2 Minuten im siedenden Wasserbad färbt sich die Fructose Lösung
hellrosa bis rot. Die Glucose Lösung bleibt farblos.
225
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Die Seliwanoffprobe ist ein weiterer Zuckernachweis. Sie kann zur Unterscheidung zwischen
Ketosen (wie der Fructose) und Aldosen (wie der Glucose) herangezogen werden. Denn
anders als die Fehling- und Silberspiegelprobe läuft sie nicht im alkalischen Milieu ab. In
diesem erfolgt nämlich durch Keto-Enol-Tautomerie eine rasche Umlagerung von Fructose
in Glucose oder Mannose, die beide reduzierend wirkende Gruppen besitzen (Vgl.Abb.1). So
dass nach kurzer Zeit selbst bei der an sich nicht reduzierend wirkenden Fructose ein
positiver Silberspiegel auftreten wird.
O
H
C
H
H
OH
H
C
OH
C
O
C
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
-
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
D - Glucose
O
H
C
D - Fructose
Endiol
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
D - Mannose
Abb.1: Keto – Enol – Tautomerie
Die Seliwanoffprobe testet nicht auf reduzierend wirkende Zucker, sondern zeigt durch die
Bildung eines charakteristischen Farbstoffes durch Kondensationsreaktion von dem sich im
sauren Milieu aus Fructose bildenden 5-(Hydroxymethyl)Furfural mit der Nachweisreagenz
Resorcin einen positiven Nachweis an.
Im sauren Milieu verläuft die Umlagerung von Glucose in Fructose deutlich langsamer, so
dass durch das zeitlich unterschiedliche Auftreten des Rosafarbstoffes die beiden Stoffe
unterschieden werden können. Bei der Glucoselösung braucht die Bildung deutlich länger,
während diese bei Fructose schon nach 1 – 2 Minuten erreicht ist. Der Grund ist, dass sich
226
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
die im sauren Milieu benötigten Furfurale erst aus Aldosen deutlich langsamer bilden.233
Daher ist dieser Versuch deutlich besser zur Unterscheidung zwischen Fructose und Glucose
geeignet.
Mehrfachzucker - wie die Saccharose - werden durch das Erhitzen in saurer Lösung gespalten
und liegen daher als Monosaccharide vor, so dass die Voraussage einer positiven Reaktion
durch die Betrachtung seiner Monosaccharidbausteine vollzogen werden kann.
Wie in Abb.1 zu erkennen ist, unterscheiden sich Fructose (die zur Klasse der Ketosen
gehört) und Glucose (die eine Aldose ist) durch die Stellung ihrer Carbonylgruppe. Während
die Carbonylgruppe bei der Glucose endständig ist (demnach das Kohlenstoffatom, das die
Carbonylgruppe trägt nur mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist) ist sie bei Fructose einer Ketose - nicht endständig (hier ist das Carbonylkohlenstoffatom mit zwei weiteren
Kohlenstoffatomen
verbunden).
Diese
Endständigkeit
der
Carbonylgruppe
wird
Aldehydgruppe genannt und zeichnet nicht nur die Glucose aus, sondern alle Aldosen. Die
Aldehydgruppe ist auch der Grund für die reduzierende Wirkung der Aldosen (Vgl.
Protokoll zur Fehlingprobe und Silberspiegelprobe).
Ganz anders ist dies bei Ketosen, diese besitzen keine Carbonylgruppe in endständiger
Position. Ihre funktionelle Gruppe wird daher als Ketogruppe bezeichnet. Die Ketogruppe an
sich wirkt nicht reduzierend.
Die Kohlenhydrate (Fructose und Glucose) die beide die Summenformel C6H12O6 besitzen
und durch diesen Versuch unterschieden werden sollen, weisen neben der unterschiedlichen
Kettenform, die zu Ehren des Chemikers Emil Fischer auch als Fischerprojektion bekannt ist,
auch Unterschiede in der Ringform auf. In dieser Halbacetalform liegt der größte Teil der
beiden Zucker in Lösung vor. Glucose beispielsweise liegt nur zu einem geringen Prozentsatz
von ca. 0,1 % in Lösung als offenkettige Aldehydform vor. Der Großteil der Glucose liegt in
Pyranoseform als Halbacetal vor.234 Dieses ist in Haworth-Projektion in Abb.2 dargestellt:
233
234
Vgl. INT.1.
Vgl. Asselborn et al., S.360.
227
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
OH
O H
HO
+I
H
H
H
H
Haworth - Projektion
O
H
H
OH
OH
HO
OH
OH
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
H
OH
HO
HO
H
H
H
O
Sesselkonformation
H
OH OH
Abb.2: D-Glucose in offenkettiger und Pyranoseform.
Dargestellt in Fischer- und Haworth-Projektion sowie Sesselkonformation
Die Fructose liegt hingegen hauptsächlich als Furanose und nicht als Pyranose vor.
Dargestellt in Abb.3.
HO
OH
O
H
HO
HO
H
OH
H
OH
OH
O
H HO


OH
H
OH
H
Abb.3: Fructose in Furanoseform, dargestellt in Haworth-Projektion
Gerade das Vorliegen der Fructose in Furanoseform ist entscheidend für die Unterscheidung
beider Stoffe durch die Seliwanoffreagenz. Durch Erhitzen im siedenden Wasserbad wandelt
sich die in der Furanose vorliegende Fructose in das 5-(Hydroxymethyl)Furfural um:
HO
OH
O
H
HO

HO

O
O
OH
H
OH
H
- 3 H2O
Abb.4: Bildung des Hydroxymethylfurfurals235
235
Vgl. INT.1.
228
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Das sich unter diesen Bedingungen bildende 5-Hydroxymethylfurfural reagiert dann in der
Folge mit dem Resorcin in einer Kondensationsreaktion zu dem roten Farbstoff. Diese
Reaktion kann schematisch wie folgt dargestellt werden:
HO
OH
HO
O
O
O
O
+ 2
+ 2 H2O
OH
5-Hydroxymethyl furfural
O
Res orci n
OH
Abb.5: Seliwanoffreaktion – Bildung des roten Farbstoffes 236
Unter diesen stark sauren Bedingungen reagiert Hydroxymethylfurfural mit dem Resorcin
unter Wasserabspaltung zu dem dargestellten Molekül, das für die rosa Farbe der Lösung
verantwortlich ist.
Glucose kann selbst keine Furanoseform bilden, so dass bei der Glucoselösung der positive
Nachweis nicht gelingt.
Didaktische Auswertung:
Die Seliwanoffprobe ergänzt die schon behandelten Nachweise der Fehling- und
Tollensprobe um einen wichtigen Aspekt. Zum einen testet sie nicht allein auf reduzierend
wirkende Gruppen, sondern macht sich die Bildung eines Furfurals aus Fructose bei starker
Hitze zu Nutze. Dieses sich bildende Furfural bildet mit dem Resorcin einen
charakteristischen rosa-roten Farbstoff. Des Weiteren kann mit Hilfe dieses Versuches eine
Unterscheidung zwischen Fructose und Glucose vollzogen werden, da sich der Versuch in
saurem Medium abspielt, was die Umlagerungsreaktionen der Zucker behindert. Daher
bietet sich dieser Versuch sehr für das Themengebiet der Kohlenhydrate an, da er über den
einfachen Nachweis des Zuckers hinaus in der Unterscheidung zwischen diesen beiden
Monosacchariden Anwendung finden kann.
236
Vgl. INT.2.
229
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Der Versuch erweitert den Katalog der einfachen und unkomplizierten Nachweisreaktionen
von Zuckern und erfüllt daher auch die im hessischen G8 Lehrplan unter 11G.2 geforderten
Themengebiete wie Nachweise, Strukturen und Unterscheidung der unterschiedlichen
Kohlenhydrate.
Des Weiteren ist eine Anwendung als Schülerversuch denkbar, da den einzusetzenden
Chemikalien keine Beschränkung auferlegt sind.
Das einzige Manko des Versuchs steckt in der Verwendung des Resorcins, das zur Bildung
des Farbstoffs benötigt wird. Es könnte sein, dass dieses nicht in allen Schulen vorrätig ist.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organischen Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0602.html (Zugriff: 24.02.2010).
INT.2: http://www.chids.de/dachs/expvortr/657Zucker_Fritsch_Scan.pdf (Zugriff:
24.02.2010).
230
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 4:
Zuckerverkohlung
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
1 Minute
Durchführung:
3 Minuten
Nachbereitung:
5 - 7 Minuten
Materialien :
Becherglas mit kleinem Durchmesser
Messpipette 10 mL
Glasstab
Löffel
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Schwefelsäure
(konz.)
S: 26-30-45
C
*
Haushaltszucker
(Saccharose)
R: 35
H2SO4 (konz)
10 mL
C12H22O11 (s)
-
30 g
-
3 mL
*
Wasser dest.
*
H2O
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
237
237
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
231
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
2. Schritt:
Löffel mit
Haushaltszucker
Pipette mit
dest.
Wasser
Messpipette (10 mL)
Becherglas
eng (250 mL)
Konzentrierte
Schwefelsäure
Durchführung: 238
Achtung: Der Versuch muss aufgrund sich bildender Schwefelsäure- / Schwefeldioxid –
Dämpfe in jedem Fall im Abzug durchgeführt werden!
1. Fülle 30 g Haushaltszucker (Saccharose) in ein 250 mL Becherglas mit engem
Querschnitt.
2. Gib 3 Pipettenfüllungen dest. Wasser hinzu (ca. 3 mL).
3. Füge anschließend 10 mL konzentrierte Schwefelsäure zu.
Beobachtungen:
Der Haushaltszucker ist eine weiße kristalline Substanz. Die 30 g bedecken lediglich den
Boden des Becherglases. Nach Zugabe des destillierten oder entionisierten Wassers zeigt
sich keine große Veränderung.
Nach Zugabe der konzentrierten Schwefelsäure färbt sich der weiße Zucker zunächst leicht
gelblich, dann rotbraun und schließlich nach rund einer Minute schwarz. Innerhalb von
wenigen Minuten nimmt das Volumen des Zuckers stark zu. Eine schwarze Säule wächst aus
dem Becherglas heraus.
238
Vgl. INT.2.
232
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Konzentrierte Schwefelsäure ist eine starke Säure mit einem pKs – Wert von – 3.239 Sie zählt
zu den stärksten Säuren. Neben ihrer Säurestärke wirkt sie des Weiteren wasserentziehend
(hygroskopisch) und wird deshalb unter anderem als Trocknungsmittel eingesetzt.240
Die Eigenschaft, dass Schwefelsäure Wasser an sich zu ziehen vermag, kann einfach durch
folgendes Experiment demonstriert werden:
Kleiner Demonstrationsversuch (Exkurs):
Vergleicht man ein mit Wasser gefülltes Gefäß nach einigen Tagen mit einem Gefäß, das mit
konzentrierter Schwefelsäure gefüllt ist, so stellt man fest, dass die Masse von Wasser durch
Verdunstung abgenommen hat, während die Schwefelsäure durch die Hygroskopie, Wasser
aus der Umgebungsluft an sich gezogen hat und damit die Masse zu genommen hat.241
Auf viele organische Stoffe, wie auch auf den verwendeten Haushaltszucker wirkt sie
verkohlend.242 Sie zählt wie auch die Perchlorsäure (HClO4) zu den oxidierenden Säuren;
heiße Schwefelsäure löst Beispielsweise edle Metalle wie Kupfer, Silber oder Quecksilber.
Schwefelsäure findet vielseitig Verwendung in der chemischen Industrie, so dass sie zu den
meist produzierten chemischen Grundstoffen zählt. Ihre Produktionsmenge wird sogar als
Index für den Leistungs- und Entwicklungsstand eines Landes herangezogen. Dies
verdeutlicht
nochmals
ihre
Wichtigkeit.
Verwendung
findet
sie
in
der
Düngemittelherstellung, beispielsweise zur Herstellung von „Superphosphat“, einem
wichtigen Düngemittel.243
Hierbei dient die halbkonzentrierte Schwefelsäure dazu, das beinahe unlösliche
Calciumphosphat (Ca3(PO4)2) in eine lösliche Verbindung zu überführen (Vgl.Abb.1):
Ca3(PO4)2
(s)
+ 2 H2SO4
(halbkonz)
2 CaSO4
(s)
+ Ca(H2PO4)2
(s)
Abb.1: Darstellung von „Superphosphat“
239
Vgl.INT.1.
Vgl. Deckwer et al..
241
Vgl. INT.3.
242
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.449.
243
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.499.
240
233
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
60 % der Weltweiten Schwefelsäureproduktion wird zur Herstellung von Superphosphat
verbraucht.244
Weiterhin findet sie auch in verdünnter Form (ca.33%) Anwendung als „Batteriesäure“ in
Bleiakkumulatoren, wie sie in „Autobatterien“ Verwendung finden.
Bei der durchgeführten Reaktion, wird die Saccharose, ein Disaccharid durch die
konzentrierte Schwefelsäure verkohlt.
Die Saccharose (C12H22O11) kann durch folgende Formel dargestellt werden:
Glucose - Rest
OH
H
H
OH
HO
H
HO
OH
H
Fructose - Rest
O
1
O
HO
O
HO
HO
H


Saccharose
OH
1 
OH
OH O
H
OH
2
OH

OH
H
2
OH
OH
O
HO
 -1-2 - verknüpft
 -1-2 - verknüpft
Abb.2: Saccharose
Die Reaktion der Saccharose mit der Schwefelsäure kann vereinfacht wie folgt erklärt
werden: 245
C12 H22 O11
C
(s)
H2SO4 (konz)
12 C (s) + 11 H2O
(s)
+ H2SO4
(konz)
CO 2
(g)
+ SO2
(g) +
2 H2O
Abb.3: Reaktion von Schwefelsäure mit Zucker
244
245
Vgl. Riedel, 7. Aufl. S.499.
Vgl. Hollemann/Wieberg, 102.Aufl., S.588.
234
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Das Bestreben reiner Schwefelsäure zum Wasserentzug ist sogar so groß, dass sie sich
teilweise selbst entwässert: 246
2 H2SO4
+
(konz)
H3O
-
(solv)
+ HS2O7
-5
(solv)
K = 5 * 10
Abb.4: Selbstentwässerung von reiner Schwefelsäure
Das Aufschäumen des Reaktionsgemisches kann durch die Bildung von gasförmigem CO2 und
SO2 erklärt werden (Vgl.Abb.3). Hierdurch schäumt das Gemisch stark auf und vergrößert
sein Volumen immens.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch könnte als Einstiegsversuch in das Themenfeld der Kohlenhydrate dienen. Es
kann einfach und schnell gezeigt werden, dass der Zucker Kohlenstoff enthält. Mit dem
großen schwarzen Festkörper assoziiert man leicht Kohle, was auf das Vorhandensein von
Kohlenstoff schließen lässt. Der Versuch sollte aber aufgrund der Verwendung von
konzentrierter Schwefelsäure als Demonstrationsversuch durch den Lehrer durchgeführt
werden. Des Weiteren muss aufgrund der Bildung von SO2 – Dämpfen (Vgl.Abb.3) unbedingt
im Abzug gearbeitet werden.
Darüber hinaus kann mit diesem Versuch, neben dem Einstieg in die Kohlenhydratchemie,
auch noch eine Bezugnahme auf die Wichtigkeit der Schwefelsäure als Chemikalie in der
chemischen Industrie gemacht werden. Auch kann an diesem Beispiel die hygroskopische
Eigenschaft der Schwefelsäure diskutiert werden, was neben der Säurestärke einen weiteren
Grund für die Gefährlichkeit der Chemikalie für Mensch und Umwelt darstellt.
Der Aufwand für die Vorbereitung und die Durchführung sind gering, jedoch ist die
Entsorgung und Aufarbeitung des Reaktionsgemisches recht aufwendig, so dass es bei
Zeitproblemen an dieser Stelle auf die Arbeit von Andreas Gerner verwiesen werden kann.
Gerner beschäftigt sich mit dem Filmen von Experimenten in ‚High Definition Qualität‘ zum
Themenfeld der Kohlenhydrate. Dieser Versuch wurde in seiner Arbeit in sehr guter Qualität
246
Vgl. Hollemann/Wieberg, 102.Aufl., S.588.
235
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
aufgenommen und kann an dieser Stelle, bei der Schülerexperimente nicht anzuraten sind,
durchaus Verwendung finden.
Entsorgung:
Nach beendeter Reaktion wird der Feststoff in einem großen Becherglas vorsichtig mit 200 –
300 mL Wasser versetzt und gut verrührt. Die Lösung wird neutralisiert. Der Feststoff wird
durch einen Büchnertrichter abgesaugt und anschließend getrocknet. Die Lösung wird so
lange mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis das Waschwasser sulfatfrei ist. Dies
überprüft man mit der salpetersauren BaCl2-Lösung. Die Lösung kann dann neutral in den
Behälter für anorganische Lösungsmittel. Als Produkt erhält man zusätzlich reine Aktivkohle,
die ggf. im Feststoffabfall entsorgt werden kann.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.tgs-chemie.de/pks-werte.htm (Zugriff: 19.02.2010).
INT.2: http://www.experimentalchemie.de/versuch-013.htm (Zugriff: 19.02.2010).
INT.3: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/12_98.htm (Zugriff: 19.02.2010).
236
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 5:
Zauberschrift
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5-6 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
5 Minuten
Materialien :
Gleichspannungsquelle
Unterlage aus Stoff
Kabel (Strippen) 2x
Elektroden 2x
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Kaliumiodid
*
Kartoffel
*
Summenformel
KI (s)
Gefahrensymbole
-
R- und S-Sätze
Menge
-
wenige
Gramm
-
½
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
Versuchsaufbau:
Schematischer Aufbau:
Elektrode 2:
Angeschlossen an
den + Pol
Elektrode 1:
Angeschlossen an
den - Pol
Gleichspannungsquelle
Kartoffelscheibe
bestreut mit KI
(frisch geschnitten)
237
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Durchführung: 247
1. Baue die Apparatur wie dargestellt auf.
2. Halbiere eine Kartoffel.
3. Bestreue die Kartoffel gleichmäßig mit einer Prise Kaliumiodid (KI). Warte bis sich
dieses aufgelöst hat. (wichtig, nicht zu viel nehmen, sonst wird später alles braun).
4. Stecke die Elektrode 1 die am – Pol angeschlossen ist, in die Kartoffel. Berühre mit
der Elektrode 2, die am + Pol angeschlossen ist, vorsichtig die Oberfläche.
5. Schalte die Gleichspannungsquelle ein und regle auf 10 V hoch.
6. Bewege die Elektrode 2 wie einen Stift über die Kartoffelscheibe.
Beobachtungen:
Die Kartoffel ist nach dem Anschneiden feucht. Die weißen Kaliumiodid - Kristalle lösen sich
schnell auf. Die Kartoffel zeigt eine schwarz – braun Färbung an Elektrode 2. An Elektrode 1
ist eine Schaumbildung zu erahnen.
Fachliche Auswertung:
Die Kartoffel ist ein wichtiges Nahrungsmittel in Europa. Sie besteht zu 70 – 80 % aus Wasser
und ca. 15 % aus Stärke. Die Stärke setzt sich dabei aus Amylose und Amylopektin ( Vgl.
Versuch 6, Stärkenachweis im Reis) zusammen, wobei der prozentuale Anteil je nach Sorte
unterschiedlich ist.
Weitere Bestandteile sind: Eiweiße, Ballaststoffe, Spurenelemente, Vitamine (hauptsächlich
Vitamin C) sowie zu einem sehr geringen Prozentsatz auch etwas Fett.
Die ‚Braun – schwarz‘ Färbung während der Reaktion ist auf die Bildung von Polyiodidionen
(Ix-) zurückzuführen. Während der Elektrolyse entsteht aus Iodid (I -) elementares Iod (I2).
Dabei laufen an den Elektroden folgende Reaktionen ab:
247
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.89.
238
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Anode (hier Elektrode 2, der + Pol):
-
2I
I2
(s/aq)
(s/aq)) +
-
2e
Kathode (hier Elektrode 1, der – Pol):
-
2 H2O + 2 e
-
2 OH (aq) + H2
(g)
In der Folge reagiert das Iod (I2) in einer Lewis – Säure – Base Reaktion mit dem Iodid. Es tritt
als in dieser als Elektronenpaarakzeptor (damit als Lewis – Säure) auf. Die Reaktion kann
schematisch wir folgt beschrieben werden:

-
I
I
+ :I
I
Elektronenpaar
Akzeptor
Donator

I

I

Abb.1: Bildung des Polyiodidkomplexes248
Neben dem sich bildenden I3- können in der Folge noch verschiedene Polyiodidanionen
gebildet werden (Vgl. Abb.2):
I2
I3
-
(s)
+I
(aq)
(aq) + I2 (s)
I3
I5
(aq)
(aq)
Abb.2: Lösung von Iod als Polyiodid
in der Lugolschen Lösung
Die Polyiodidanionen wie I3-, I5-, I7- oder I9- sind linear angeordnete Moleküle.249 Die
Braunfärbung geht auf den sich bildenden ‚Charge-Transfer-Komplex‘ zurück.250
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch kann wohl eher in die Kategorie „Showversuch“ eingestuft werden. Da sich
der Versuch - der an sich wohl auch ebenso in der anorganischen Chemie beheimatet ist auf der Oberfläche einer Kartoffel abspielt, welche als Nahrungsmittel einen immens hohen
Stellenwert besitzt, und damit eine wichtige Rolle in unserem Alltag spielt, kann man an ihm
248
Vgl. Hollemann – Wieberg, 91. – 100. Aufl., S.402.
Vgl. Hollemann – Wieberg, 91. – 100. Aufl., S.402f.
250
Vgl. Hollemann – Wieberg, 91. – 100. Aufl., S.402f.
249
239
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
dennoch einige Dinge besprechen. Die ablaufende Reaktion ist eine erzwungene
Redoxreaktion. Hier kann an den Stoff der Mittelstufe angeknüpft und wiederholt werden.
Dieser Versuch könnte aber auch als Abschluss einer Einheit über die Bestandteile einer
Kartoffel folgen (Vgl. Versuch 8: Untersuchung einer Kartoffel).
Entsorgung:
Die Kartoffel trocknen lassen und im Feststoffabfall entsorgen.
Literatur:
Chemikumsskript. (2008). S.89.
Internetquellen:
INT 1: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_ki.htm (Zugriff: 08.04.10).
240
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 6:
Stärkenachweis in Mehl und Reis
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
4 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Pro Gruppe:
Dreifuß
Pipette
Spatel
Reagenzglas
Becherglas 250 mL
Messkolben
Bunsenbrenner oder Magnetrührer mit
Rührfisch
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Lugolsche – Lösung
(Iod – KaliumiodidLösung)
KI3(aq)
R: 20/21-50
Xn
,N
2–3
S: -
Tropfen
R: -
1 Spatel-
S: -
Spitze
*
Mehl, Kartoffelstärke,
Reis, etc.
-
*
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
251
251
HessGiss 2008/2009
241
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
2. Schritt:
Pipette
Spatel mit der zu
untersuchenden Substanz
Reagenzglas mit
Stärkelösung
Becherglas mit
Wasser
Dreifuß mit
Drahtnetz
Bunsenbrenner
Lugolsche -Lösung
Durchführung:
Herstellen der Lösungen:
Lugolsche – Lösung (5 % ig) (diese Lösung kann Problemlos in einem dunklen Gefäß
aufbewahrt werden):
Löse in einen 100 mL Messkolben 10 g Kaliumiodid in 30mL Wasser. Gib anschließend
5 g Iod zu und fülle bis zur Eichmarke mit entionisiertem Wasser auf.
1. Erwärme 300 mL Wasser in einem Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners.
Vorsicht: Siedeverzug! Gib 1 Spatelspitze Stärke in das heiße Wasser und erhitze
anschließend bis zum Sieden.
2. Fülle mit Hilfe einer Pipette 4 mL Stärke – Lösung in ein Reagenzglas.
3. Gib 2 – 3 Tropfen der 5 % igen Lugolschen – Lösung zu.
4. (optional: Bringe die Flüssigkeit im Reagenzglas VORSICHTIG mit Hilfe des Brenners
zum Sieden).
Beobachtungen:
Nach Zugabe der Stärke zum heißen Wasser entsteht eine trübe Lösung. Die Trübung
verringert sich nach dem Aufkochen.
Die Lugolsche – Lösung hat eine braune Färbung. Nach Zugabe von 2 – 3 Tropfen der
iodhaltigen ‚Lugolschen Lösung‘ färbt sich die leicht trübe ‚Stärke – Lösung‘ tief blau.
Die Farbe verschwindet nach starkem Erhitzen.
242
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Stärke ist ein Polysaccharid und kann mit der Summenformel (C6H10O5)n beschrieben
werden. Es ist aus ‚Monomeren 𝜶 - D – Glucose‘ Einheiten aufgebaut und über sogenannte
glykodische Bindungen miteinander verknüpft. Sie zählt damit zur Klasse der Kohlenhydrate
und setzt sich im Allgemeinen aus zwei Komponenten zusammen.
Der Amylosestruktur, hier sind lineare Ketten (Abb.1a) zu einer helikalen (schraubenartigen)
Struktur (Vgl.Abb.1b) verknüpft. In diesem Polysaccharid sind 300 – 600 GlucoseMonomeren -1,4-glykosidisch miteinander verbunden. Die Amylosestruktur macht 20 – 30
% der Gesamtstärke aus.
-1,4-glykosidisch Bindungen
OH
H
....
H
OH H
OH
HO
H
OH
1
OH
H

O 4
H
OH H
H
OH
OH
OH
H

1 O 4
H
OH H
OH
OH
H
....
OH
Abb. 1a: lineare Kette von 𝜶 - D – Glucose Einheiten,
-1,4-glykosidisch verknüpft
Diese linearen Ketten ordnen sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zu einer helikalen
Struktur an:
Abb.1b: helikale Struktur der Amylose252
252
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [1].
243
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Vereinfacht können diese Einheiten folgendermaßen dargestellt werden:
Abb.1c: vereinfachte Darstellung der Amylose Struktur
70 – 80 % der Stärke besteht aus so genanntem Amylopektin, ebenfalls ein Polysaccharid.
Hier sind die Monomeren Glucose Einheiten nicht nur zu linearen Ketten angeordnet
sondern auch verzweigt. Zu der -1,4-glykosidischen Bindung der Amylose kommen noch 1,6-glykosidische Bindungen hinzu. Diese sorgen für die Verzweigung der Ketten (Abb.2a):
OH
H
...
1

O 4
H
OH H
H
H
O
H
OH H
H
1
H

O 4
H
OH H
H
1
H

O 4
H
OH H
H
1 -1,6-glykosidisch Bindung
O

6
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
....
OH
1
H

O 4
H
OH H
OH
OH
H
OH
-1,4-glykosidisch Bindung
Abb.2a: Struktur des Amylopektins
244
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Abb.2b: Vereinfachte Darstellung der Amylopektinstruktur
Mit Hilfe des sogenannten ‚Iod-Stärke-Nachweises‘ lässt sich nun die Amylose Struktur der
Stärke einfach und charakteristisch nachweisen. Die hierfür benötigte „Lugolsche-Lösung“
dient dazu, Iod, welches sich fast nicht in Wasser löst, in Lösung zu bringen. Hierfür wird Iod
(I2) zu einer Iodidhaltigen (I-) Lösung gegeben. Dabei bilden sich unter anderem I3- Moleküle.
Diese können in der Folge durch Lewissäurebaserekationen noch verschiedene andere
Polyiodidanionen bilden. Ausführlicher wird diese Bildung des „löslichen“ Iods in der
fachlichen Auswertung zu Versuch 5, Zauberschrift beschrieben (Vgl. Versuch 5:
Zauberschrift).
Wird nun die Iod-Lösung zur stärkehaltigen Lösung gegeben, so tritt eine charakteristische
Blaufärbung auf. Diese lässt sich dadurch erklären, dass die Iod- bzw. Polyiodidmoleküle sich
in die helikale Struktur der Amylose einlagern; man spricht deshalb auch von einer
Einschlussverbindung (Vgl. Abb.3 und Abb.4). Durch sogenannte Charge-Transfer-Übergänge
entsteht dabei dann die charakteristische Blaufärbung. Die Iod-Moleküle treten in dieser
Einschlussverbindung nun als Elektronendonor auf, wodurch Elektronendichte auf die
Amylose übertragen wird. Hierdurch kann nun Licht aus dem langwelligeren Bereich
absorbiert werden. Die Komplementär-Farbe nehmen wir nun als blau wahr.
Abb.3: Iod– Stärke - Komplex253
253
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [2].
245
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Abb.4: Iod – Stärke - Komplex254
Stärke wird in den Zellen der Pflanzen gelagert und im Bedarfsfall enzymatisch in die leichter
zu transportierende Glucose gespalten. Sie stellt für die Pflanzen demnach ein
Energiespeicher dar. Aus diesem Grund ist sie auch ein wichtiger Bestandteil unserer
Nahrung.
Stärke macht mit mehr als 50 % der Kohlenhydrate, die wir über unsere Nahrung zu uns
nehmen, einen gewichtigen Anteil unserer Speise aus. Je nach Art der Nahrung schwankt
allerdings der Anteil der Stärke. Diese liegt in unseren Speisen entweder frei vor, wie
Beispielsweise bei Kartoffeln, oder sie ist in eine Proteinmatrix eingebettet. Die Verdauung
des Menschen beginnt bereits beim Kauen im Mund. Im menschlichen Speichel und im
Pankreassaft ist die Amylase (ein Enzym) an der Spaltung der Nahrung beteiligt. Sie ist in
der Lage, die langen Kohlenhydratketten der Stärke in das Disaccharid Maltose hydrolytisch
zu spalten. Erst durch die Spaltung der Ketten in Mono- und Dimere Einheiten ist eine
einfache Verstoffwechslung möglich. Die Amylase greift die 1,4-glycosidischen Bindungen
an und baut so Stück für Stück die langen Ketten ab. Sie vermag es sowohl pflanzliche Stärke
als auch tierische Stärke aufzuspalten.255 Die Arbeit der Amylase kann man durch längeres
254
255
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [3].
Vgl. Deckwer et al..
246
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Kauen zum Beispiel von Brot beobachten. Durch das lange kauen entsteht ein süßlicher
Geschmack der an den Geschmack von Zucker erinnert. 256
Ein weiteres in der Natur weit verbreitetes Polysaccharid ist die Cellulose. Sie ist die
wasserunlösliche Gerüstsubstanz von Pflanzen. Auch hier ist der Monomerebaustein
Glucose. Allerdings sind diese monomeren Bausteine (hier 𝜷-1,4-glycosidisch) miteinander
verknüpft (Vgl.Abb.5). Dies führt zu einer linearen Struktur. Die linearen Ketten sind parallel
zueinander in einer faserartigen Sekundärstruktur zusammengelagert.257 Die Ketten werden
durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.
OH
OH
H
H
H
OH
HO
H
H
O 4

OH
H
H
OH
O1 O 4

OH
H
H
H
H
OH
H
H

H
O1
O 1
H
OH
H
H
O 4
H
OH
OH
H
H
O
...
OH
OH
ß-1,4 - glykosidische Bindung
Abb.5a: Struktur der Cellulose
In dem dargestellten Cellulosemolekül sind die einzelnen Glucosemoleküle 𝜷-1,4glycosidisch miteinander verbunden, dabei ist jeder zweite Monomerebaustein jedoch um
180° verdreht. Die Struktur kann jedoch in diesem Fall anschaulicher durch die
Sesselkonformation wiedergegeben werden:
OH
H
HO
H
HO
H
H
H
O
OH

1
H
HO
O
OH
H
H
4
H
OH
O
H
OH
n
Abb.5b: Ausschnitt aus der Cellulosekette - in Sesselkonformation
Doch anders als bei der Stärke vermag es das menschliche Verdauungssystem bei der
Cellulose nicht, diese in energiespendende Anteile zu zerlegen. Der Mensch und auch viele
256
257
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.169.
Vgl. INT.1.
247
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Tiere besitzen kein Enzym, um Cellulose zu spalten und damit zu verstoffwechseln. Daher
dient die Cellulose lediglich als Ballaststoff im Nahrungshaushalt. Anders sieht dies bei Kühen
aus. Sie besitzen im Darmtrakt Bakterien, die Enzyme produzieren, die wiederum eine
Hydrolyse des Makromoleküls Cellulose in verdaubare Bestandteile ermöglichen.
Didaktische Auswertung:
Die Iod-Stärke-Probe durch Lugolsche – Lösung ist ein einfach durchzuführender
charakteristischer Nachweis für Stärke und kann leicht von Schülern durchgeführt werden.
Die Vorbereitungen bedürfen keines großen Aufwandes. Es gilt lediglich einmal für alle
Gruppen eine Lugolsche - Lösung herzustellen.
Der anschließende Versuch kann in Kleingruppen durchgeführt werden. Hierfür wäre
denkbar, dass verschiedene Lebensmittel auf ihren Stärkeinhalt hin untersucht werden
können. Die Lebensmittel können von den Schülern von Zuhause mitgebracht werden. Es
würden sich hierfür Mehl, Kartoffel, Brot, Mondamin Stärkepulver oder Reis anbieten. Der
Reis sollte allerdings zuvor einige Minuten aufgekocht werden. Der Versuch kann dann
einfach mit dem Reiswasser durchgeführt werden. Um nicht nur positive Nachweise zu
erhalten, ist natürlich auch ein Testen von Zucker, Kochsalz, Butter oder anderen
Haushaltsprodukten möglich.
Anhand dieser Reaktion kann man auf die räumliche Struktur der Stärke zu sprechen
kommen. Falls es gelingen sollte, einen speziellen asiatischen Reis zu bekommen, der aus
reinem Amylopektin besteht, könnte das Versuchsergebnis mit herkömmlichem Reis aus
dem Supermarkt verglichen werden (beim asiatischen Reiswasser mit reinem Amylopektin
sollte die charakteristische Blaufärbung ausbleiben).
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT 1:
http://www.biotechberatung.de/teach/chemie/orgchem/Zucker/Zucker.htm#Polysaccharid
e (Zugriff: 26.02.2010).
248
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 7:
Unterscheidung von Glucose und Fructose durch Mittels Iod
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
4 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
Materialien :
Messpipette
Reagenzglasgestell
Peleusball
3 Reagenzgläser
Pipette
3 Bechergläser (50 mL)
Waage
Aufbewahrungsgefäß
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Lugolsche – Lösung
(Iod – KaliumiodidLösung)
KI3(aq)
R: 20/21-50
Xn
,N
S: -
2 mL
*
Fruchtzucker
(Fructose)
C6H12O6 (s)
-
2,5 g
-
2,5 g
*
Traubenzucker
(Glucose)
C6H12O6 (s)
*
Natriumcarbonat
*
R: 36
Na2CO3 (s)
Xi
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
258
S: 22-36
3g
258
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
249
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
2. Schritt:
Reagenzglas, gefüllt
mit Lugolscher Lösung
Reagenzglasgestell
Lugolsche - Lösung
3. Schritt:
Soda - Lösung
4. Schritt:
Reagenzglas, gefüllt
mit Iod-Sodalösung
Reagenzglas, gefüllt
mit Iod-Sodalösung
Fructose
- Lösung
Glucose
- Lösung
Fructose
- Lösung
Glucose
- Lösung
Durchführung:
Herstellung der Lösungen:
Lugolsche – Lösung (5 %) (Diese Lösung kann problemlos in einem dunklen Gefäß
aufbewahrt werden):
Löse in einen 100 mL Messkolben 10 g Kaliumiodid in 30mL Wasser. Gib anschließend
5 g Iod zu und fülle bis zur Eichmarke mit entionisiertem Wasser auf.
Glucose Lösung:
Fülle 2,5 g Glucose in 10 mL Wasser.
Fructose Lösung:
Fülle 2,5 g Fructose in 10 mL Wasser.
Natriumcarbonatlösung (gesättigte Sodalösung):
Löse 3 g Natriumcarbonat in 10 g dest. Wasser.
250
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
1. Gib 2 mL der Lugolschen Lösung in ein Reagenzglas.
2. Gib soviel Sodalösung zu, bis sich die Mischung hellgelb färbt.
3. Fülle in ein Reagenzglas 2 mL Fructoselösung, in ein weiteres 2 mL Glucoselösung.
4. Gib zu jedem Reagenzglas 2 mL der Iod-Soda-Lösung.
Beobachtungen:
Die Lugolsche Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung) ist braun. Nach Zugabe der Natronlauge färbt
sie sich zunächst an der Eintropfstelle, nach dem Umrühren schließlich überall gelblich.
Nach Zugabe der Glucoselösung entfärbt sich die Lösung; nach Zugabe der Fructoselösung
bleibt diese Entfärbung zunächst aus und entfärbt sich erst mit etwas Verzögerung.
Fachliche Auswertung:
Die Lugolsche Lösung dient dazu Iod, das sehr schlecht wasserlöslich ist, in eine lösliche
Verbindung zu überführen. Liegen jedoch Iodid-Ionen vor, so gelingt die Lösung des Iods
durch die Bildung von Polyiodidionen:
I2
I3
-
(s)
+I
-
I3
(aq)
(aq) + I2 (s)
I5
(aq)
(aq)
Abb.1: Lösung von Iod als Polyiodid
in der Lugolschen Lösung

-
I
I
+ :I
I
Akzeptor Elektronenpaar Donator

I

I

Abb.2: Bildung des Polyiodidkomplexes259
Iod tritt in diesem Komplex als Lewis-Säure auf. Das Iod-Ion ist der Elektronenpaar Donator,
demnach die Lewis Base. Die intensive Braunfärbung der Lösung kommt durch den sich
bildenden Charge-Transfer-Komplex (CT-Komplex) zustande.
259
Vgl. Hollemann/Wieberg, 91. – 100. Aufl., S.402.
251
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Die als Polyiodidionen vorliegenden Iod (I2) - Moleküle disproportionieren durch Zugabe von
Natronlauge zu Iodid (I-) und Hypoiodit (OI-) (Vgl. Abb3.):
0
I2
-I
-
(aq)
+ OH
I
(aq)
+I
(aq)
+ OI
(aq)
Abb.3: Disproportionierungsreaktion von Iod260
Hypoiodit ist ein schwaches Oxidationsmittel. Es vermag die Aldehydgruppe der Glucose zur
Carbonsäure zu oxidieren:
Oxidation
+I
H
O
H
OH
HO
HO
H
H
H
OH
H
OH
-
+ 2 OH
HO
(aq)
+III
O
OH
H
OH
H
OH
CH 2OH
-
+ H2O + 2 e
H
CH 2OH
(aq)
(aq)
Reduktion
+I
IO
-I
-
(aq) +
+
2H
(aq) +
-
2e
I
-
(aq) +
H2O
Abb.4: Reaktion von Hypoiodit mit Glucose
Die Reaktion verläuft mit der Fructoselösung deutlich langsamer als mit der Glucoselösung.
Der Grund ist, dass die Fructose selbst keine oxidierbare Gruppe - wie die Aldehydgruppe
der Glucose -enthält. Fructose kann sich jedoch im alkalischen Milieu, in Mannose und
Glucose umwandeln (Vgl.Abb5). Dieser Prozess wird Keto-Enol-Tautomerie genannt.
260
Vgl. Riedel, 7. Aufl., S.415.
252
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
O
H
C
H
H
C
+II C
OH
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
C
OH
C
OH
HO
C
H
O
-
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
D - Glucose
O
H
C
D - Fructose
Endiol
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
D - Mannose
Abb.5: Umwandlung von Fructose in
Mannose und Glucose
Die Bildung eines Gleichgewichtes aus Fructose, Glucose und einem Teil Mannose ist dafür
verantwortlich, dass Hypoiodit zu Iodid reduziert werden kann.
253
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Der Mechanismus dieser Umlagerung lässt sich wie folgt beschreiben:
R
R
O
1
2

C
R
C
R
-
Das α-C-Atom
+
C
+H
R
(aq)
basischer
R
-
1
C
R
R
R
2
1
C
-
R
C
R
+
(aq)
R
2
R
1
Lösung
in
ein
R
des Enolat-Anions.
R
2
an
R
2
Mesomeriestabilisierung
Anlagerung des Protons
C
C
-
C
R
OH
+H
1
C
-
C
C
O
O
R
C
gibt
Proton ab.
1
O
R
C
2
O
R
1
H
R
2
Abspaltung eines Protons:
O
OH-
das
Enolat-Anion,
Bildung des Enols.261
Abb.6: Keto-Enol-Tautomerie in alkalischer Lösung
Mannose und Glucose
Informationen zu den verwendeten Zuckern sind im Protokoll zur Fehlingprobe und im
Theorieteil, Abschnitt Kohlenhydrate zu finden.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch dient der Unterscheidung zwischen Fructose und Glucose. Beide tragen die
gleiche Summenformel, unterscheiden sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen
funktionellen Gruppen im Reaktionsverhalte, wie auch in den physikalischen Eigenschaften,
wie Schmelzpunkt und Dichte. Wie schon die beiden Versuche zur Silberspiegelprobe und
zum Fehling-Nachweis wird auch hier die Verbindung vom Aldehyd zur Carbonsäure oxidiert.
Auf den ersten Blick dürfte die Fructose gar nicht mit der Hypoiodithaltigen Lösung
reagieren, da sie selbst keine oxidierbare Aldehydgruppe trägt. Doch durch den Bezug auf
die Keto-Enol-Tautomerie kann die stattfindende Reaktion erklärt werden. Falls diese den
261
Vgl. Bruice, S. 978.
254
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Schülern noch nicht erläutert wurde, kann sie an diesem Beispiel besprochen werden.
Andernfalls könnte sie der Wiederholung dienen.
Anhand dieses Versuches kann auch die Disproportionierungsneigung von Halogenen in
alkalischem Milieu und die verschiedenen Redoxvorgänge wieder aufgegriffen werden. Der
Versuch ist für den Unterrichtsehr zu empfehlen. Im Anschluss an diesen Versuch würde sich
der ebenfalls zur Unterscheidung von Fructose und Glucose dienende Versuch der
Seliwanoffprobe anfügen. Dieser ist ein spezifischer Nachweis für Ketohexosen. Da jedoch
bewusst im ‚sauren Milieu‘ gearbeitet wird, wird die Umlagerung (Vgl.Abb.5) von Glucose in
Fructose und umgekehrt behindert.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden. Die
Lugolsche Lösung kann aufbewahrt werden. Die Zuckerlösungen können im Ausguss entsorgt
werden.
Literatur:
Experimente mit Supermarktprodukten: eine chemische Warenkunde / Georg Schwedt.
INT.1: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_naco.htm (Zugriff: 15.04.2010).
255
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 8:
Untersuchung der Inhaltsstoffe einer Kartoffel
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
5 - 9 Minuten
Durchführung:
15 Minuten 262
Nachbereitung:
5 Minuten
Materialien :
Tropfpipetten
Gemüsereibe
Messer
500 mL Becherglas 2x
Spatel
Glasstab
Reagenzglasständer
Magnetrührer + Rührfisch
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Lugolsche – Lösung
(Iod – KaliumiodidLösung)
*
Kartoffel
*
Wasser
*
R: 20/21-50
S: -
KI3(aq)
Xn
H2O (aq)
Natronlauge
*
NaOH (aq)
Kupfersulfat
Penthydrat
*
CuSO4 * 5
H2O (s)
,N
-
C
Xn
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
-
1
-
75 mL
R: 34
S: 26-37/39-45
1 molar
R: 22-26/38-50/53
S: 22-60-61
,N
2–3
Tropfen
7g
263
262
Dieser Versuch dauert zwar deutlich länger als die meisten anderen Versuche, gehört jedoch trotzdem
zum Themengebiet der aufwandsarmen Schulversuche, da hier mehrere Versuche zu einem vereint sind. Die
gesamte Vorbereitungszeit ist vor diesem Hintergrund als gering einzustufen. Es besteht ein großer
Alltagsbezug und der Versuch kann aufgrund der geringen Giftigkeit der eingesetzten Chemikalien
problemlos als Schülerversuch durchgeführt werden. Die Vorbereitungsarbeiten, wie das Herstellen des
Kartoffelwassers (nimmt den größten Teil der Vorbereitungszeit in Anspruch), könnte bereits im
Klassenverband durchgeführt werden, wodurch sich die Schüleraktivität erhöht und die Vorbereitungszeit
sinkt.
263
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
256
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt264:
2. Schritt:
Geriebene
Kartoffel
Gemüsereibe
Becherglas mit
warmem Wasser
Geriebene
Kartoffel
3. Schritt:
Magnetrührer mit
Rührfisch
4. Schritt:
Leinentuch
(dient als Filter)
Durchführung: 265
Vorbereitungen:
0. Fülle ein 250 mL Becherglas mit 75 mL entionisiertem oder destilliertes Wasser.
Erwärme es auf einem Magnetrührer auf über 50 °C (BEACHTE: Das Wasser sollte
nicht sieden, jedoch über 50°C heiß werden).
1. Schäle eine Kartoffel und zerkleinere sie anschließend mit einer Gemüsereibe.
2. Gib die geriebene Kartoffel in das Becherglas, das auf dem Magnetrührer steht. Stelle
die Rührfunktion auf die mittlere Stufe und erwärme 5 Minuten lang.
Währenddessen können die Lösungen angesetzt werden.
264
265
Vgl. INT.1.
Vgl. INT.5.
257
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Herstellung der Lösungen:
Lugolsche Lösung (5%ig):
Löse in einem 100 mL Messkolben 10 g Kaliumiodid in 30 mL Wasser. Gib
anschließend 5 g Iod zu und fülle bis zur Eichmarke mit entionisiertem Wasser auf.
Buiret - Reagenz:
Löse 1,25 g Kupfersulfat-Penthydrat (CuSO4*5H2O) in 5 mL Wasser. Gib anschließend
5 mL der 1-molaren Natronlauge zu.
3. Filtriere das Kartoffelwasser in ein 500 mL Becherglas. Gieße hierfür das
Kartoffelwasser durch ein Leinentuch und presse es dann aus. Bei trüber Lösung
(Anwesenheit von Schwebteilchen) ist die ausgepresste Lösung noch 2 – 3 Minuten
stehen zu lassen damit sich die Schwebeteilchen absetzten können. Dekantiere nach
2 – 3 Minuten ab.
4. Fülle 2 mL der klaren Lösung in ein Reagenzglas und verteile sie an die
Arbeitsgruppen. Es werden 2 Stück pro Gruppe benötigt.
Untersuchung auf Eiweiß:
5. Tropfe 8 Tropfen der Biuret – Lösung (1 molare Natronlauge + 1 molare
Kupfersulfatlösung) hinzu.
Untersuchung auf Stärke:
6. Übergieße den Bodensatz der Kartoffellösung mit 2 mL Wasser und versetzte die
Lösung mit 3 Tropfen Lugolscher Lösung.
Das Herstellen des zu untersuchenden „Kartoffelwassers“ kann auch schon im
Klassenverband
durchgeführt
werden.
Hierdurch
verringert
sich
nicht
nur
die
Vorbereitungszeit durch den Lehrer immens, die Schüler werden zudem noch aktiv an den
Arbeiten beteiligt.
258
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Nach Zugabe der geriebenen Kartoffel zum Wasser ist anfangs keine Trübung der Lösung zu
erkennen, das Wasser bleibt zunächst klar. Erst durch längeres Erwärmen beginnt sich die
Lösung gelblich zu trüben. Nach dem Auspressen entsteht je nach Länge des Aufkochens
eine klare oder trübe Lösung. Die Schwebeteilchen setzten sich nach kurzer Zeit am Boden
ab.
Schwemmt man diese mit etwas Wasser auf und gibt 2 – 3 Tropfen der Lugolschen – Lösung
hinzu, färbt sich die leicht trübe Lösung tiefblau. Das klare, abdekantierte, „Kartoffelwasser“
zeigt nach Zugabe der Biuret – Reagenz sofort eine Blaufärbung, die nach kurzer Zeit ins
Violette umschlägt.
Fachliche Auswertung:
Die Kartoffel ist eine wichtige Nahrungsquelle. Der Prokopfverbrauch in Deutschland liegt
bei rund 60 kg im Jahr. Zwar ist der Verbrauch in letzter Zeit stark gesunken (vor 50 Jahren
lag der Verbrauch noch bei der dreifachen Menge) doch trotz alledem bleibt die Kartoffel
ein wichtiger Bestandteil unserer Nahrung.266 (Vgl.Abb.1)
Abb.1: Prokopfverbrauch von Speiskartoffeln in Deutschland267
266
267
Vgl. INT.2
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [4].
259
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Neben der Verwendung der Kartoffel als Nahrungsmittel findet sie auch immer mehr
technisch Anwendung. So steigt der Anteil der Kartoffel, die industriell verarbeitet und im
„Non-Food“ Bereich verwendet wird. Hier vor allem in der Papier-, Textil- und
Kunststoffindustrie. So werden immer mehr speziell gentechnisch veränderte Kartoffel
entwickelt, deren Stärkegehalt an die Bedürfnisse der Industrie angepasst ist. Der Anteil der
Stärke, die im „Non-Food“ Bereich verwendet werden, steigt stetig.268
Dass Kartoffel Stärke enthalten, kann durch den zweiten Teil des Versuchs nachgewiesen
werden. Allerdings ist die Kartoffelstärke in kaltem Wasser schlecht löslich, so dass erwärmt
werden muss. Bei Temperaturen oberhalb von 50 °C quillt die Stärke auf und es bildet sich
eine kolloidale Lösung. Bei dem anschließenden Nachweis handelt es sich um die bereits
angesprochene Anwendung der Iod-Stärke-Probe. (Vgl. Versuch 6: Stärkenachweis im
Reis). Bei diesem spezifischen Nachweis wird Iod in die helikale Struktur der Amylose
eingelagert. Der sich daraus ergebende Charge-Transfer-Komplex aus Iod und Stärke ist für
die intensive Blaufärbung verantwortlich (Vgl. Versuch 6: Stärkenachweis im Reis).
Der erste Teil des Versuchs dient einem Eiweißnachweis. So enthält die Kartoffel neben
Stärke (15%), Wasser (70-80%) auch noch Spurenelemente, Vitamin C und eben dieses
Eiweiß. Die Biuretprobe ist ein spezifischer Nachweis für Eiweiß, bzw. genauer gesagt für die
Anwesenheit von Peptidbindungen. Das Eiweiß gehört zur Klasse der Polypeptide. Sie
bestehen aus Aminosäuren, die über sogenannte Peptidbindungen miteinander verbunden
sind. Mit diesen bildet Kupfer einen Komplex, der für die charakteristische DunkelviolettFärbung der Lösung verantwortlich ist (Vgl. Abschnitt Aminosäuren und Proteine, Versuch
2: Biuretreaktion von Glycin).
268
Vgl. INT.2.
260
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Der sich bildende Kupferbiuretkomplex kann folgendermaßen dargestellt werden:269
O
R
R
....
NH
NH
O
2+
....
Cu
....
O
HN
NH
....
R
R
O
Abb.2a: Vereinfachte Darstellung des Kupferbiurettekomplex
O
2
-
HN
O
NH
NH
+ [Cu(H2O)6]
-
2+
(aq)
OH2
(aq)
O
O
-
HN
-
NH
NH
Cu
-
2+
NH
-NH
HN
O
+ 4 H2O
O
OH2
Abb.2b: Kupfer(II)-Biuretkomplex in wässrigem Millieu
Die Nachweisgrenze ist sehr gering, so dass man selbst bei einem prozentual geringen
Eiweißanteil wie bei der Kartoffel (der Anteil liegt lediglich bei 2%) dieses trotzdem noch
qualitativ nachweisen kann.
Didaktische Auswertung:
Der Gesamtaufwand des Versuchs ist etwas umfangreicher, doch sind hier mehrere
Teilversuche zu einem vereint. Es werden gleich zwei Nachweisreaktionen abgehandelt.
269
Suchanfrage CSD Database.
261
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Daher sollte der Zeitbedarf für die Durchführung des Versuches unter einem etwas anderen
Blickwinkel betrachtet werde. Gerade durch seinen hohen Alltagsbezug zu einem wichtigen
Nahrungsmittel, das in welcher Form auch immer sicher den Schülern bekannt sein sollte,
wird er für den Chemieunterricht dadurch interessant. Mit diesem Versuch können so leicht
zwei Bestandteile qualitativ nachgewiesen werden. Dieser Versuch könnte daher auch als
Überleitung vom Themengebiet der Kohlenhydrate hin zum Themengebiet der
Aminosäuren und Proteine dienen.
Ein weiterer großer Pluspunkt ist, dass sich der Versuch uneingeschränkt als Schülerversuch
eignet. So werden weder große Aufbauten, noch teure, giftige oder stark ätzende
Chemikalien benötigt. Wird der Versuch als Schülerversuch in den Unterricht eingebunden,
sollten die Schüler in den Vorbereitungsprozess mit eingebunden werden, da auch dieser
Teil ein wichtiger Bestandteil des Versuchs ist. Außerdem wird so die Vorbereitungszeit des
Versuches reduziert. Der Versuch zählt trotz des etwas größeren Umfanges zu den
aufwandsarmen Handversuchen der organischen Chemie. Ausgehend von diesem Versuch
kann auch die großindustrielle Stärkeproduktion im Unterricht besprochen werden, woran
dann eine Überleitung durch den Biuretnachweis in das Themenfeld der Aminosäuren,
Proteine und Eiweiße möglich ist.
Entsorgung:
Die Lösungen, die mit Biuret oder Lugolscher-Lösung versetzt wurden, müssen neutralisiert
werden und können anschließend im Sammelbehälter für anorganische Abfälle entsorgt
werden. Die Kartoffelreste sowie das unberührte Kartoffelwasser können im Hausmüll bzw.
im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Suchanfrage CSD Database, 04.05.2010.
Internetquellen: INT 1:
http://www.shoppingkarl.de/images/product_images/popup_images/23265_0.jpg (Zugriff:
18.02.2010). INT.2: http://www.biosicherheit.de/de/kartoffel/26.doku.html (Zugriff: 18.02.2010).
INT.3: http://www.biosicherheit.de/de/kartoffel/staerke/30.doku.html (Zugriff: 18.02.2010).
INT.4: http://www.seilnacht.com/Lexikon/biuret.html (Zugriff: 18.02.2010).
INT.5: http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-Starch-d.htm
(Zugriff: 18.02.2010).
262
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 9:
Gummibärcheninferno
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
3 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Bunsenbrenner
Reagenzglasklammer
Reagenzglas
Spatel
Waage
Becherglas
Chemikalien:
Stoffbezeichnung Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Gummibärchen
-
-
*
Kaliumchlorat
R: 9-20/21-51/53
KClO3 (s)
*
O
, Xn
S: 13-16-61
,N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
1 Stück
5g
270
Versuchsaufbau:
Variante 1:
Variante 2:
Reagenzglasklammer
Gummibärchen
Heißes, geschmolzenes
Kaliumchlorat
Bunsenbrenner
270
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
263
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Durchführung:
ACHTUNG: Der Versuch sollte hinter einer Schutzscheibe im Abzug durchgeführt werden!
In der Nähe des Versuchs dürfen sich keine brennbaren Stoffe befinden. Die Unterlage muss
feuerfest sein, beispielsweise Fliesen. Kaliumchlorat reagiert mit vielen organischen Stoffen
sehr heftig, teilweise explosionsartig. Kaliumchlorat ist ein sehr starkes Oxidationsmittel!271
VORSICHT: Die Reaktion kann so heftig ablaufen, dass Teile des brennenden
Gummibärchens oder Teile der Kaliumchloratschmelze mit dem entstehenden
Kohlendioxid und Wasser aus dem Reagenzglas geschleudert werden können. Daher
sollte das Reagenzglas leicht schräg eingespannt und nicht in Richtung der Beobachter
weisen.272
1. Wiege 5 g Kaliumchlorat ab und fülle es in ein sauberes Reagenzglas.
2. Erwärme es vorsichtig mit Hilfe des Brenners bis es schmilzt.
3. Entferne den Brenner und werfe ein Gummibärchen in die Schmelze.
Variante 1 und 2 unterscheiden sich nur dadurch, dass bei Variante 2 das Reagenzglas durch
Stativmaterial befestigt ist.
Beobachtungen:
Kaliumchlorat ist ein weißes Pulver. Durch die Wärme des Brenners beginnt es allmählich zu
schmelzen. Nach kurzer Zeit ist es vollständig geschmolzen. Die Schmelze ist beinahe klar.
Die Reaktion beginnt sofort nach Zugabe des Gummibärchens. Sie ist durch eine grelle
Flamme und ein Rauschen wahrnehmbar. Die Feuer- und Hitzeentwicklung übersteigt die
einer normalen Verbrennung bei weitem. Die Flammen schlagen teilweise bis zum Rand des
Reagenzglases. Außerdem ist eine weiße Rauchentwicklung erkennbar. Die Reaktion hält
beinahe 2 Minuten an.
271
272
Vgl. INT.1.
Vgl. INT.1.
264
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Fachliche Auswertung:
Bei dem durchgeführten Versuch handelt es sich um eine Verbrennungsreaktion des
Gummibärchens. Das Gummibärchen besteht zu einem hohen Prozentsatz aus Zucker und
Gelatine, des Weiteren sind Farb- und Aromastoffe zugesetzt. Weitere Bestandteile sind
Stärke und pflanzliche Öle. Die genaue Zusammensetzung ist natürlich ein Firmengeheimis
und variiert von Marke zu Marke.273
Zucker, die zur Klasse der Kohlenhydrate zählen, sind wichtige Bestandteile unserer Nahrung
(Vgl. Abschnitt Carbonylverbindungen, Versuch 3, Fehlingprobe.) und dienen der
Energiegewinnung in unserem Körper. Die dabei im Körper ablaufende Reaktion kann als
„stille Verbrennung“ bezeichnet werden. Sie läuft in verschiedenen Stufen ab und dient der
Aufrechterhaltung der Körperfunktionen. Anders ist das bei den im Alltag zu beobachtenden
Verbrennungsprozessen. Hier ist beispielsweise das Verbrennen von Kerzen zur
Lichterzeugung, von Methan oder Öl in Heizungen, die der Wärmegewinnung dienen. Die
Verbrennung von Benzin im Motor, in dem thermische Energie in mechanische umgewandelt
wird, dient der Fortbewegung in Fahrzeugen. Aber auch das Verbrennen von Holz oder Kohle
auf dem Grill oder im Herd, das der Zubereitung von Speisen dient, sind wichtige alltägliche
Reaktionen. Hierbei wird die Energie des Verbrennungsprozesses durch Strahlungs- und
Wärmeenergie freigesetzt und damit wahrnehmbar.
Abb.1: schematischer Reaktionsverlauf
einer exothermen Reaktion274
273
274
Vgl. INT.2.
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [5].
265
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Die aufgezählten Verbrennungsreaktionen sind stark exotherme Vorgänge. Sie können durch
die in Abb.1 dargestellte Graphik beschrieben werden. Die Ausgangsstoffe (Edukte) werden
durch Energieaufnahme oder durch das Erhitzen in einen aktivierten Zustand überführt.
Diese Energie muss den Ausgangsstoffen zugeführt werden, um sie zur Reaktion zu bringen,
das heißt sie zu aktivieren. Sie wird daher auch als Aktivierungsenergie bezeichnet. Bei
exothermen Reaktionen ist der folgende Schritt nun mit einer Energieabgabe (im Falle der
Verbrennung mit einer Wärme- und Strahlungsenergieabgabe) verbunden. Die sich
bildenden Produkte sind im Vergleich zu den Edukten als energiearm zu bezeichnen.
Mit Hilfe des durchgeführten Versuches kann nun anschaulich und spektakulär der
Energiegehalt eines Lebensmittels demonstriert werden.
Während bei der normalen Verbrennung von Kohle oder Holz der Sauerstoff der
Umgebungsluft als Oxidationsmittel dient und zu einem gemächlichen Reaktionsverlauf
führt, entsteht der Sauerstoff, der im Reagenzglas für die extrem schnelle und heiße
Verbrennung verantwortlich ist, durch thermische Zersetzung von Kaliumchlorat oberhalb
von 400 °C. 275 Diese Reaktion kann dabei wie folgt beschrieben werden:
+V
4 KClO3 (l)

-I
+VII
3 KClO4 (l) + KCl (s)
Abb.2a: Zersetzung von Kaliumchlorat
Das feste Kaliumchlorat, das einen Schmelzpunkt von 357 °C hat, beginnt ab dieser
Temperatur zu schmelzen. Bei Temperaturen oberhalb von 550 °C zersetzt sich Chlorat in
einer Disproportionierungsreaktion zu Chlorid (Cl-) und Perchlorat (ClO4-). Das entstandene
Kaliumchlorat zersetzt sich dann selbst zu Kaliumchlorid und Sauerstoff: 276
+VII-II
3 KClO4

(l)
0
6 O2
(g)
-I
+ 3 KCl (s)
Abb.2b: Zersetzung von Kaliumchlorat
275
276
Vgl. Merck, 2005.
Vgl. INT.3.
266
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Als Bruttoreaktion kann diese Reaktion wie folgt zusammengefasst werden:
+V-II
4 KClO3
-I
0
4 KCl (s) + 6 O 2 (g)
(l)
Abb.2c: Zersetzung von Kaliumchlorat277
Der dabei entstehende Sauerstoff ist das Oxidationsmittel, das aufgrund der hohen
Konzentration in der Schmelze die heftige Verbrennungsreaktion unterhält.
Die Verbrennungsreaktion des enthaltenen Zuckers (der Glucose (Vgl. INT.2)), lässt sich
folgendermaßen beschreiben:
C6H12O6 (s) + 6 O2

(g)
6 H2O
(g)
+ 6 CO2
(g)
Abb.3: Verbrennungsreaktion von Glucose
Bei der Verbrennungsreaktion des Gummibärchens entstehen neben den beiden
Hauptprodukten - Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) - noch; Kohlenmonoxid (CO) sowie
Stickoxide (NOx).
Reiner Zucker, wie Saccharose oder Glucose, lässt sich jedoch nicht ohne weiteres
verbrennen. Zucker schmilzt und karamellisiert, anstatt vollständig zu Kohlendioxid oxidiert
zu werden. Selbst wenn man einen Bunsenbrenner direkt auf einen kleinen Zuckerberg hält,
kann die Verbrennung nicht ohne Weiteres eingeleitet werden. Man benötigt beispielsweise
katalytische Mengen von Zigarettenasche. Eine kleine Menge der Asche unter den Zucker
gemischt reicht aus um die Aktivierungsenergie herabzusetzen und die Reaktion einzuleiten.
277
Vgl. Neumüller, 2008, S.15.
267
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Einschub ---------------------------------
Kleiner Nebenversuch (Exkurs):
1. Verbrennung von Zucker
2. Schlange des Pharaos 278
1. Lege etwas Zucker auf einen Verbrennungslöffel und halte ihn in die rauschende
Brennerflamme. Beobachte was passiert (Vergleiche andere Substanzen wie Mehl,
Salz, Öl und teste diese auf ihre Brennbarkeit)!
2. Tränke Emser Pastillen in Ethanol. Lege 3 Pastillen in eine mit einer Mischung aus
Sand und Zigarettenasche gefüllten Schale und entzünde sie. Beobachte die
Reaktion!
Zu [1]: Einfacher Haushaltszucker (Saccharose) verbrennt nicht sondern
karamellisiert. Es ist ein karamellartiger Geruch zu vernehmen.
Zu [2]: Emser Pastillen bestehen zum größten Teil aus Natriumhydrogencarbonat
(NaHCO3) und Zucker (C6H12O6). Werden nun die Emserpastillen durch die
Verbrennung des Ethanols erzeugte Wärme über 65 °C erhitzt, so zerfällt das darin
enthaltene Natriumhydrogencarbonat nach folgender Gleichung:
2 NaHCO3

(s)
Na2CO 3
(s)
+ CO2
(g) +
H2 O
Abb.4: Zersetzungsreaktion des Hydrogencarbonats
Durch das Erwärmen schmilzt der Zucker. Teilweise beginnt er aber durch die
katalytische Wirkung der Zigarettenasche zu brennen.

C6H12 O6 (s)
C6H12 O6 (s) + 6 O2
6 C (s) + 6 H2O

(g)
6 H2O
(g)
(g)
+ 6 CO2
(g)
Abb.5: Verbrennungsreaktion und Verkohlungsreaktion279
278
279
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.50f.
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.50f.
268
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Es türmt sich eine bis zu 15 cm hohen schwarze ‚Schlange‘ aus Kohlenstoff auf. Sie wird
durch das sich während der Reaktionen (Abb.4 und Abb.5) bildende Kohlendioxid
„aufgebläht“.280
______________________________________________________________________
Zurück zur Gummibärchenreaktion, dem Gummibärcheninferno:
Die während der Reaktion hörbaren Geräusche aus dem Reagenzglas, die mit zischend,
knisternd oder knarrend beschrieben werden können, kommen durch das sich bildende
Kohlendioxid, das der heißen Schmelze als Gas entweicht.
Die weißen Dämpfe stammen wahrscheinlich vom Kaliumchlorid, das sich während der
Zersetzungsreaktion bildet. Es wird als Aerosol mit den aufsteigenden heißen Gasen
‚mitgerissen‘.
Didaktische Auswertung:
Bei dem durchgeführten Versuch handelt es sich um einen reinen Showversuch. Er lässt sich
in die Kategorie von Verbrennungsreaktionen einordnen. Man kann daher an ihm die
typischen Eigenschaften von Verbrennungsreaktion (Vgl. Fachliche Auswertung) zum Thema
machen. Diese Verbrennungsreaktion wird allerdings nicht durch den Sauerstoff der
Umgebungsluft genährt bzw. unterhalten, sondern er entsteht bei der thermischen
Zersetzung von Kaliumchlorat. Aus diesem Grund wird in der heißen Schmelze nicht nur die
Zündtemperatur für die Verbrennung erreicht, sondern aufgrund der hohen Sauerstoffdichte
auch noch eine extrem schnellen Reaktion. Das Gummibärchen könnte auch durch einen
anderen oxidierbaren organischen Stoff - wie Zucker, Schokolade etc. - ersetzt werden. Der
Versuch ist, obwohl er in die Kategorie Showversuch einzuordnen ist, trotzdem ein Versuch,
der seinen Platz im Chemieunterricht finden sollte, da es sich um ein spektakuläres
Experiment handelt.
Aufgrund der schwierigen Handhabbarkeit des Kaliumchlorats und dessen Gefahren, sollte
der Versuch als reiner Demoversuch durch den Lehrer durchgeführt werden.
280
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.50f.
269
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Der Versuch könnte auch als Einstiegsexperiment in die Kohlenhydratchemie dienen und so
den Schülern einen Eindruck vermitteln, wie viel Energie doch in so einem kleinen
Gummibärchen steckt. Außerdem könnte an diesem Beispiel die Wirkung von
brandfördernden Substanzen - wie Kaliumchlorat (KClO3), Kaliumnitrat (KNO3) - gesprochen
werden.
Entsorgung:
Die Reste des Kaliumchlorates werden mit Salzsäure verkocht und anschließend
neutralisiert. Das neutralisierte Produkt kann im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Chemikumsskript.
Internetquellen:
INT.1: http://www.experimentalchemie.de/versuch-011.htm (Zugriff: 26.03.2010).
INT.2: http://www.ciao.de/Haribo_Goldbaren__Test_2021825 (Zugriff: 26.03.2010).
INT.3: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_kclo4.htm (Zugriff: 28.03.2010).
270
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuch 10:
Hydrolyse von Stärke
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
6 Minuten
Nachbereitung:
3 Minuten
Materialien :
Magnetrührer mit Rührfisch
Spatel
Becherglas 100 mL
Reagenzglas 2x
Pipette 2x
Messpipette
Filter, Filterpapier
Trichter
Reagenzglasständer
Reagenzglasstopfen
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Lugolsche – Lösung
(Iod – KaliumiodidLösung)
KI3(aq)
R: 20/21-50
Xn
,N
S: -
2–3
Tropfen
*
Lösliche Stärke
-
*
Dest. Wasser
*
H2O (l)
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
281
-
1g
-
75 mL
281
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
271
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1. Schritt:
(Lösen der Stärke)
4. Schritt:
(Zugabe der Lugolschen Lösung)
2. Schritt:
3. Schritt:
(heiß filtrieren)
(umfüllen)
5. Schritt:
(Speichelzugabe)
Durchführung: 282
1. Löse 1 g lösliche Stärke in 50 mL heißem entionisiertem oder destilliertem Wasser
und koche es kurz auf. Stelle während dessen die Lugolsche Lösung her:
Herstellung der Lösung:
Lugolsche Lösung (5%ig):
Fülle 2,5 g Kaliumiodid (KI) in 25 mL dest. Wasser, anschließend werden 1,25 g Iod (I 2)
zugegeben.
282
Vgl. INT.3.
272
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
2. Filtriere die Lösung ab. Gieße sie hierzu in einen Filter der in einem Trichter steckt.
3. Fülle mit Hilfe einer Messpipette 5 mL der Lösung in je ein Reagenzglas.
4. Gib nun 2 – 3 Tropfen der zuvor hergestellten Lugolschen Lösung zu.
5. Gib anschließend mit Hilfe einer Pipette und einem Reagenzglas etwas Speichel zu.
Verschließe das Reagenzglas mit einem Stopfen und schüttle vorsichtig durch.
Beobachtungen:
Das weiße Stärkepulver löst sich in dem erwärmten Wasser auf. Es entsteht eine trübe
Lösung. Durch Filtration wird die Lösung klar. Nach Zugabe der Lugolschen – Lösung, die
selbst eine braune Färbung aufweist, färbt sich die Stärkelösung Tiefblau. Durch Zugabe von
ausreichend Speichel verschwindet die blaue Farbe der Lösung nach einiger Zeit.
Fachliche Auswertung:
Stärke ist ein Polysaccharid und kann mit der Summenformel (C6H10O5)n beschrieben
werden. Es setzt sich aus Monomeren 𝜶 - D – Glucose Einheiten zusammen, die über
sogenannte glykodische Bindungen miteinander verknüpft sind. Es ist demnach ein
Polykondensationsprodukt der D-Glucose und zählt damit zur Klasse der Kohlenhydrate.
Stärke setzt sich allgemeinen aus drei Komponenten zusammen, der Amylose, dem
Amylopektin (Vgl. Versuch 6: Stärkenachwies in Reis Abb.1a und 1b) und einer
Zwischenfraktion.283 Beide setzten sich zwar aus 𝜶 - D – Glucose Einheiten zusammen, doch
sind sie unterschiedlich miteinander verknüpft. Stärke besteht zu 70 - 80 % aus dem
wasserunlöslichen Amylopektin. Wird Stärke mit heißem Wasser versetzt oder in ihm
aufgekocht, bleibt Amylopektin zurück und trübt die Lösung, während Amylose in Lösung
geht. In diesem Polysaccharid sind 300 – 600 Glucose-Monomeren -1,4-glykosidisch
miteinander verbunden. 284
und 285
Damit ergibt sich eine molare Masse von
50.000 – 150.000 g.286
Die monomeren Bausteine der Glucose werden bei der Photosynthese von Pflanzen
gewonnen. Diese werden von der Pflanze in speicherbare Kohlenhydrate, Beispielsweise der
283
Vgl. Deckwer et al..
Vgl. Asselborn et al., S.366.
285
Vgl. INT.1.
286
Vgl. Deckwer et al..
284
273
III.
Kohlenhydrate
Experimenteller Teil
Stärke, umgewandelt und dienen der Pflanze als Energiereserve. Durch enzymatischen
Abbau können diese Reserven wieder abgerufen werden.287
Die in heißem Wasser lösliche Amylose kann durch Zugabe von Iod nachgewiesen werden.
Das Iod lagert sich dabei in die helikale Struktur der Stärke ein, was durch eine Blaufärbung
der Lösung deutlich wird (Vgl. Versuch 6: Stärkenachweis in Reis). Solange die Lösung nun
nicht stark erhitzt wird, bleibt die intensive Blaufärbung erhalten.
Wird jedoch Speichel zugegeben, kann die polysaccharide Stärke in seine Bausteine zerlegt
werden. Dies geschieht durch enzymatische Spaltung des Polysaccharides. Als Enzym findet
im Speichel und dem Pankreassaft die sogenannte Amylase Verwendung. Diese vermag es,
die -1,4-glykosidisch verknüpften polymeren Kohlenhydrate statistisch zu spalten, so dass
unter anderem Maltose entsteht. Die -1,6-Bindung wird nicht zerlegt.288
Maltose ist ein Disaccharid das sich aus zwei -1,4-glykosidisch verknüpften Glucose
Molekülen zusammensetzt.289
OH
H
OH
OH
H
OH H
1
HO
H
H

O 4
OH
OH
H
OH H
H
OH
OH
Abb.1a: Haworth Darstellung des Disaccharides Maltose
Maltose
H
OH
HO
HO
H
H
H
O

OH
Glucose - Rest
1
H
H
O
HO
OH
4
H
H
H
O
H
OH OH
Glucose - Rest
Abb.1b: Sesselkonformation des Disaccharides Maltose
287
Vgl. Asselborn et al., S.366.
Vgl. Deckwer et al..
289
Vgl. Asselborn et al., S.362.
288
274
III.
Experimenteller Teil
Kohlenhydrate
Wird die Amylose, der lösliche Teil der Stärke, nun enzymatisch in Disaccharide gespalten,
geht die helikale Struktur der Amylose verloren. Hierdurch kann Iod, genauer gesagt das
Polyiodid (Vgl. Versuch 5: Zauberschrift) nicht mehr in die helikale Struktur eingelagert
werden, was das Verschwinden der blauen Farbe erklärt.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch geht über den einfachen Stärkenachweis durch Iod hinaus. Er zeigt die
Funktionsweise des Speichels zur enzymatischen Spaltung der Stärke in verwertbare
Bausteine. Der im Themenfeld der Kohlenhydrate angesiedelte Versuch funktioniert gut und
ist durch die Farbveränderung - die gut beobachtbar ist - eindeutig. An diesem Versuch kann
der Stärkenachweis durch Iod kurz wiederholt werden. Des Weiteren kann einfach und
schnell die Funktionsweise von Enzymen demonstriert werden.
Der Versuch ist aufgrund seines Alltagsbezugs sehr zu empfehlen. Es kann so verdeutlicht
werden, welch wichtige Aufgabe der Speichel als erste Instanz unserer Verdauung hat. Da
keine teuren oder giftigen Chemikalien verwendet werden müssen, eignet sich der Versuch
auch durchaus auch als Schülerversuch.
Entsorgung:
Die Iod-haltigen Lösungen werden mit einer gesättigten Natriumthiosulfat-Lösung versetzt
und können deshalb neutral im Abguss entsorgt werden. Die Stärke Lösung kann ebenfalls
bedenkenlos in den Ausguss gegeben werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.lebensmittellexikon.de/p0000110.php (Zugriff: 20.02.2010).
INT.2: http://www.laborlexikon.de/Lexikon/Infoframe/a/Amylase.htm (Zugriff: 20.02.2010).
INT.3: http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/DStarch-d.htm (Zugriff: 20.02.2010).
275
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Aminosäuren und Proteine:
Nachweise:
VersuchsNummer:
1
2
3
4
5
Name des Versuch
Xanthoproteinreaktion
Biuret Reaktion (Glycin als Komplexbildner)
Ninhydrin Reaktion mit verschiedenen
Substanzen (Eiweißlösung, Glycin, Reis)
Stickstoffnachweis durch Thermolyse
(Indikatorpapier) [S.120]
Schwefelnachweis durch Thermolyse
(PbAcetat-Papier) [S.120]
Reaktionen:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer:
6
Oxidation von Cystein zu Cystin
7
Maillard Reaktion (siehe Kohlenhydrate)
Sonstiges:
Versuchs- Name des Versuch
Nummer
8
Löslichkeit von Tyrosin (Amphoteres
Verhalten)
9
Denaturierung von Hühnereiweiß und Milch
durch verschiedene Stoffe (Früchtetee, EtOH)
10
Tyndall – Effekt einer Eiklarlösung
276
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 1:
Xanthoproteinreaktion
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
1 Minute
Nachbereitung:
2 Minuten
Dieser Versuch wird am besten zusammen mit der Biuretprobe durchgeführt!
Materialien :
Reagenzglas 2x
Reagenzglasgestell
Reagenzglasklammer
Pipette + Hütchen 2x
Becherglas 250 mL
Bunsenbrenner
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Konz. Salpetersäure
w = 100 %
O
*
Hühnerei
*
Dest. Wasser
*
Natriumchlorid
*
R: 8-35
HNO3 (konz)
-
H2O
NaCl (s)
,C
-
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
290
S: 23.2-26-36-45
5 Tropfen
-
1 Stück
-
250 mL
-
2,5 g
290
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
277
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Pipette
Reagenzglas mit
Eiklarlösung
Eiklarlösung
Pipette
Verd. Eiklarlösung
Konz. Salpetersäure
Durchführung: 291
Herstellung der Lösung:
Eiweißlösung:
Wiege 2,5 g Natriumchlorid ab, löse es in 250 mL dest. Wasser (dies entspricht
ungefähr dem Wert einer isotonischen Kochsalzlösung). Gib anschließend das Eiweiß
eines Hühnereis hinein und verrühre es (Diese ‚isotonische Eiweißlösung‘ sollte für
die Xanthoproteinreaktion aufbewahrt werden).
1. Fülle ein Reagenzglas zur Hälfte mit der Eiweißlösung, das zweite zur Hälfte mit der
isotonischen Kochsalzlösung.
2. Gib 5 Tropfen konz. Salpetersäure zu.
3. Erhitze die Reagenzglasfüllung vorsichtig über der Brennerflamme.
----4. (optional) Führe den Versuch mit weiteren eiweißhaltigen Haushaltsprodukten
durch.
291
Vgl. Asselborn et al., S.374.
278
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Beobachtungen:
Die Eiweißlösung ist eine klare bis leicht trübe Flüssigkeit. Nach Zugabe einiger Tropfen der
Salpetersäure entsteht zunächst ein weißer Niederschlag, der sich allerdings schnell gelb –
orange verfärbt.
Fachliche Auswertung:
Bei der durchgeführten Reaktion handelt es sich um eine Nitrierungsreaktion, genauer
gesagt um eine elektrophile aromatische Substitution. Die gelbe Färbung der Lösung geht
auf das entstandene Nitroderivat zurück.
Doch woher stammen die Aromaten?
Unter den 20 proteinogenen Aminosäuren besitzen die folgende drei einen aromatischen
Rest:
O
O
H2N
H2N
OH
OH
L - Tyros i n (Tyr)
O
H2N
OH
OH
N
H
L - Phenyl al ani n(Phe)
L - Tryptophan(Try)
Abb.1: aromatische Aminosäuren292
Exemplarisch soll nun die Nitrierungsreaktion am Phenylalanin (Phe) aufgezeigt werden. Die
Grundstruktur der Aminosäure wird dabei als Rest (-R) dargestellt, so dass die eigentlich
ablaufende Reaktion in den Vordergrund gestellt werden kann.
Das zur Nitrierung benötigte Nitroniumion (NO2+) entsteht durch die Autoprotolyse Reaktion
der konzentrierten Salpetersäure. Dabei gibt ein Salpetersäuremolekül ein Proton an ein
anderes Salpetersäuremolekül ab. Durch die anschließende Wasserabspaltung entsteht dann
das benötigte Nitroniumion (schematisch in Abb.2 und 2a dargestellt).
292
Vgl. Deckwer et al..
279
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
H
O
O
+
H
N
+ H+
O
+
+
H
O
N
O
- H2O
O
+
N
O
O
Abb.2: Bildung des Nitroniumions
Allgemein kann dann die elektrophile aromatische Substitution wie folgt beschrieben
werden:
O
H2N
R
OH
L - Phenyla lani n(Phe)
(Phe)
R
H N O
O
R
R
R
R
- H+
+
H
O
+
N
O
H N O
H N O
O
O
O
N
O
R
H
N
O
O
Abb.2b: Elektrophile aromatische Substitution
Die Peptidkette des Polypeptides (oder wie in Abb.2 dargestellt die Grundstruktur der
Aminosäure), die hier als Erstsubstituent auftritt, dirigiert das Nitroniumion (NO2+), das als
280
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
elektrophil agiert, in para-Position. Die Peptidkette aufgrund eines +I Effektes als „Electron
Donaiting Group“ zu bezeichnen (EDG). Sie wirkt damit elektronenspendend. Diese EDG
sorgt von sich aus schon in der Regioselektivität, dass para- und ortho- Positionen bevorzugt
werden. Aufgrund des sterisch sehr anspruchsvollen Erstsubstituenten, wird jedoch die paraPosition bevorzugt. (Vgl.Abb.3 und 4a-c)
Allgemein gilt:
EDG
Abb.3: Einfluss des Erstsubstituenten
Der Grund für die para- und orthodirigierung steckt in der besseren Stabilisierung des sich
bildenden -Komplexes (Vgl.Abb.4a-c):
R
R
R
PARA - Angriff
H
N
O
O
H
N
O
O
H
N
O
O
wichtigste
Resonanzformel
Abb.4a: Resonanzformeln des aromatischen
Peptides nach Para-Angriff
In der mittleren der drei Resonanzformeln entsteht ein Hexadienyl-Kation, das die positive
Ladung direkt neben der Alkylgruppe trägt. Diese ist die wichtigste der drei Resonanzformeln
und die am besten stabilisierte, da sie etwas vom Charakter eines tertiären Carbenium-Ions
besitzt. Ihr kommt daher mehr Bedeutung zu als den anderen beiden, die die positive
Ladung nur an einem sekundären Kohlenstoffatom tragen.293
293
Vgl. Vollhardt, S.743.
281
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
R
R
O
O
R
N
N
N
O
O
O
O
ORTHO - Angriff
wichtigste
Resonanzformel
Abb.4b: Resonanzformeln des aromatischen
Peptides nach ortho-Angriff
Auch nach einem Ortho-Angriff entsteht ebenfalls ein Hexadienyl-Kation mit einer
Resonanzformel, die der eines tertiären Carbenium-Ions ähnelt und daher als stabilste der
drei Formen angesehen werden kann.294
R
R
R
O
O
N
H
O
N
O
H
N
O
H
META - Angriff
O
Abb.4c: Resonanzformeln des aromatischen
Peptides nach meta-Angriff
Nach einem Meta-Angriff entsteht keine solch stabile Resonanzformel wie bei Ortho- und
Para-Stellung, die der eines tertiären Carbenium-Ions entspricht. Daher besitzen die
Zwischenstufen, die nach einem Ortho- und Para-Angriff entstehen, eine niedrigere
potentielle Energie als die meta-Zwischenstufe, so dass ihre Bildung begünstigt ist. Anders
ausgedrückt ist die sich bei einem Meta-Angriff bildende Zwischenstufe energetisch
höherliegend, so dass die Bildung des Metaprodukts ungünstiger wird, was zu der Orthound Para-Selektivität führt.295
294
295
Vgl. Vollhardt, S.742f.
Vgl. Vollhardt, S.707-S.743.
282
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Die Xanthoproteinreaktion dient allerdings nicht nur als Nachweis für die aromatische
Aminosäure, sondern auch für aromatische Aminosäuren in Proteinen. Sie kann daher als
Nachweis für alle eiweißhaltigen, aromatischen Aminosäuren angesehen werden.296
Didaktische Auswertung:
Die Xanthoproteinreaktion, die als Nitrierungsreaktion der aromatischen Seitenkette
verstanden werden kann, ist eine einfache, schnell durchzuführende Reaktion, die als
Nachweis für aromatische Aminosäuren dient. Da diese allerdings auch in fast allen
Proteinen enthalten sind, kann der Versuch ebenso als Proteinnachweis Verwendung finden.
In diesem Fall sollten die Schüler jedoch schon das Themengebiet der Polypeptide und
Proteine kennengelernt haben. An dieser Reaktion kann die elektrophile Substitution am
Aromaten die in 11 G.1 im hessischen Lehrplan verankert ist, wieder aufgegriffen und
wiederholt werden. So könnte an dieser Stelle - falls dies nicht schon zuvor geschehen ist die Zweitsubstitution am Aromaten zum Thema gemacht werden.
Darüber hinaus erklärt der Versuch auch, warum beim unkonzentrierten Arbeiten mit
konzentrierter Salpetersäure es zu gelben Verfärbungen der Haut kommen kann. Denn auch
in diesem Fall läuft eine elektrophile Substitution an den aromatischen proteinogenen
Aminosäuren der Haut ab.
Sollte der Versuch als Schülerversuch durchgeführt werden, ist jedoch beim Arbeiten mit
konz. Salpetersäure auf das Tragen von Handschuhen zu achten.
Entsorgung:
Die neutralisierte Lösung kann im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.seilnacht.com/Lexikon/xantho.html (Zugriff: 06.03.2010)
296
Vgl. INT.1.
283
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 2:
Biuretreaktion
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Reagenzglas
Reagenzglasgestell
Spatel
Becherglas 50 mL
Pipette 3 x
Messkolben 100 mL
Becherglas 250 mL
Vollpipette 10 mL
Messpipette
Peleusball
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Natriumhydroxid
*
Kupfersulfat
Penthydrat
*
Hühnerei
*
Dest. Wasser
*
R: 35
NaOH (s)
S: 26-37/39-45
C
CuSO4
* 5 H2O (s)
-
H2O
R: 22-26/38-50/53
Xn
-
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
297
S: 22-60-61
,N
4g
2,5 g
1 Stück
297
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
284
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Messpipette mit
dest. Wasser
Reagenzglas mit
Eiklarlösung
Eiklarlösung
Pipette
dest. Wasser
1 Molare
Verd. Eiklarlösung Kupfersulfatlösung
Durchführung: 298
Herstellung der Lösungen:
Natronlauge (1 molar): Falls diese noch nicht vorhanden sein sollte:
Wiege 4 g festes Natriumhydroxid ab. Fülle einen 100 mL Messkolben zur Hälfte mit
destilliertem Wasser und löse anschließend festes Natriumhydroxid darin. Fülle bis
zur Eichmarke auf.
Kupfersulfatlösung (1 molar):
Wiege 2,5 g festes Kupfersulfatpenthydrat ab. Miss mit Hilfe einer 10 mL Vollpipette
genau 10 mL dest. Wasser ab und gib es in ein 50 mL Becherglas. Löse anschließend
das Kupfersulfatpenthydrat darin.
Eiweißlösung:
Wiege 2,5 g Natriumchlorid ab und löse es in 250 mL dest. Wasser (dies entspricht
ungefähr dem Wert einer isotonischen Kochsalzlösung).
Gib anschließend das Eiweiß eines Hühnereis hinein und verrühre es mit der Lösung
(diese Lösung sollte für die Xanthoproteinreaktion aufbewahrt werden).
1. Gib in ein Reagenzglas 2 mL der Eiweißlösung und fülle mit 5 mL dest. Wasser auf.
Schüttle die Lösung.
298
Vgl. Asselborn et al., S.374.
285
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
2. Gib anschließend 5 Tropfen der Kupfersulfatlösung zu.
Beobachtungen:
Die Kupfersulfatlösung weist eine hellblaue Färbung auf. Die Eiweißlösung ist eine klare bis
leicht trübe Flüssigkeit. Nach Zugabe der der Kupfersulfatlösung färbt sich die Eiklarlösung
zunächst dunkelblau und schlägt dann in dunkelblau-violett um.
Fachliche Auswertung:
Der Name Biuret-Reaktion geht zurück auf den Trivialnamen des Allophansäureamids (Vgl.
Abb.1), das ebenfalls Biuret genannt wird. Es bildet sich beim Erhitzen von Harnstoff. Bei der
Reaktion mit Kupfer(II)-Ionen geht es eine Komplexreaktion unter Bildung einer tiefblauen
Färbung ein.
O
H2N
O
NH
NH2
Abb.1: Allophansäureamid, Trivialname Biuret
Die Komplexbildung des Biurets kann folgendermaßen dargestellt werden:
O
O
O
-
H2N
NH
NH2
+ 2 OH
(aq)
-
(aq)
HN
O
NH
NH
+ 2 H2O
(aq)
Abb.2a: Bildung des Komplexes – 1.Teil
O
2
-
HN
O
NH
NH
+ [Cu(H2O)6]
-
2+
(aq)
OH2
(aq)
O
O
-
HN
-
NH
NH
Cu
-
2+
NH
-NH
HN
O
+ 4 H2O
O
OH2
Abb.2: Bildung des Kupfer(II)-Biuretkomplex – 2. Teil299
299
Vgl. Suchanfrage CSD Database.
286
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Biuret bildet dabei in alkalischem Milieu mit Kupfer(II) einen tiefblauen Komplex. Kupfer(II)
ist dabei quadratisch-planar von zwei Biuret Molekülen umlagert, die als Chelatliganden
agieren.300 Der gesamte Komplex hat in wässriger Umgebung allerdings wohl - wie auch der
Tetraaminkupfer(II)-Komplex - oktaedrische Gestalt (Vgl. Abb.2 und Abb.3):
2+
OH2
H3N
NH 3
Cu
H3N
NH 3
OH2
Abb.3: Tetraaminkupfer(II)-Komplex
In beiden Fällen sind jeweils die Spitzen des Oktaeders mit zwei Wasserliganden besetzt. Der
entstehende Komplex wird jedoch eher verzerrt-oktaedrische Gestalt haben. Der Grund liegt
im Jahn-Teller-Effekt begründet.
Bereits im Jahr 1961 wurde ein Kupfer(II)-Biuretkomplex durch Röntgenstrukturanalyse
aufgeklärt, dies ergab die CSD-Suchanfrage vom 04.05.2010. Als Referenz ist hierfür
H.C.Freeman, J.E.W.L. Smith zu nennen.
Versetzt man nun (wie im durchgeführten Versuch) eine alkalische Kupfersulfat-Lösung mit
einer polypeptidhaltigen Lösung (hier einer Eiklarlösung) tritt ebenfalls eine intensive
Farbreaktion auf. Hier schlägt diese allerdings aus anfänglichem Blau in Richtung Violett um.
300
Vgl.INT.2.
287
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Der sich dabei bildende Komplex kann wie folgt dargestellt werden:
O
R
O
.
2
.
.
.
NH
NH
NH
R
O
.
+ [Cu(H2O)6]
.
-
2+
(aq)
+ 2 OH
(aq)
(aq)
. .
.
NH
.
O
OH 2
O
NH
.
R
R
R
.
N
O
O
NH
Cu
NH
.
.
O
N
.
.
OH 2
.
.
R
+ 6 H2O
O
Abb.4: Mögliche oktaedrische Form des Kupfer(II)-Peptidkomplexes
in alkalischer Lösung
Das alkalische Milieu sorgt für die Deprotonierung der Peptidbindung(NH). So können nun
die Kupfer(II)-Ionen - ähnlich dem Biuretkomplex (Vgl.Abb.2) - einen verzerrt oktaedrischen
Komplex bilden. Dieser ist für die intensive blau-violett-Färbung der Lösung verantwortlich.
Außerdem verhindert er das Ausfallen der Kupfer(II)-Ionen als Kupferhydroxid, da Kupfer
durch den Chelatliganden - das Polypeptid - komplexiert wurde. Für diese Reaktion kommen
allerdings – anders als beim Biuret - nur Peptide mit mindestens 4 Peptidbindungen in
Frage.301
In eiweißhaltigen Lösungen sind Polypeptide enthalten, die dieses Kriterium erfüllen.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch ist ein klassischer Protein- bzw. Polypeptidnachweis. Er findet im Themenfeld
der Aminosäuren Anwendung (siehe G8 Lehrplan von Hessen, Punkt 11.2). Der Versuch ist
301
Vgl. INT.2
288
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
sehr einfach der problemlos als Schülerversuch Anwendung finden kann. Hierzu können die
Schüler in Kleingruppen verschiedene Lebensmittel - wie Reis, Milch etc. - auf deren
Proteingehalt testen. Der Versuch kann allerdings auch zusammen mit den beiden ebenfalls
zu diesem Themenkomplex gehörenden Nachweisreaktionen Xanthoprotein-, und
Ninhydrinreaktion (Vgl. Protokoll zu Ninhydrin und Protokoll zu Xanthoprotein), als kleiner
Lernzirkel im Klassenverband durchgeführt werden.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für anorganische Abfälle entsorgt werden.
Literatur:
Suchanfrage CSD Database 04.05.2010.
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/715AminosaeurenProteine_Schleipen.doc
(Zugriff: 25.02.2010).
INT.2: http://www.chids.de/dachs/wiss_hausarbeiten/BiochemieBiotechnologie_Weide.pdf
(Zugriff: 25.02.2010).
289
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 3:
Ninhydrinreaktion mit verschiedenen Substanzen
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
1 Minute
Nachbereitung:
2 Minuten
Dieser Versuch wird am besten zusammen mit der Biuretprobe durchgeführt.
Materialien :
Reagenzglas 2x
Reagenzglasgestell
Reagenzglasklammer
Becherglas 250 mL 2x
Dreifuß
Drahtnetz
Bunsenbrenner
Tropfpipette
Becherglas 50 mL
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Glycin
*
Hühnerei
*
Dest. Wasser
*
Ninhydrin - Reagenz
*
Natriumchlorid
*
Summenformel
NH2CH2COOH(s)
H2O
Gefahrensymbole
-
Xn
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
302
Menge
S: 22-24/25
100 mg
-
1 Stück
-
C9H6O4 (solv)
NaCl (s)
R- und S-Sätze
R: 22-36/37/38
S: 26-36
0,5 g
-
2,5 g
302
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
290
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
I.
Schritt
II.
Schritt
Becherglas mit
Leitungswasser
Glycin
III.
Schritt
IV.
Isotonische
Eiklarlösung
Schritt
Becherglas mit
siedendem Wasser
Glycinlösung
Eiklarlösung
Ninhydrinlösung
Bunsenbrenner
Durchführung: 303
0. Fülle ein 250 mL Becherglas mit 100 mL Leitungswasser. Erwärme es auf einem
Drahtnetz stehend mit der rauschenden Brennerflamme bis zum Sieden. Setze
währenddessen folgende Lösung an:
Herstellung der Lösungen:
Wässrige Ninhydrinlösung (w=0,01):
Löse 0,5 g Ninhydrin in einem 50 mL Becherglas in 25 mL dest. Wasser.304
303
304
Vgl. Asselborn et al., S.374.
Vgl. INT.1.
291
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Eiweißlösung:
Wiege 2,5 g Natriumchlorid ab. Löse es in 250 mL dest. Wasser (dies entspricht
ungefähr dem Wert einer isotonischen Kochsalzlösung). Gib anschließend das Eiweiß
eines Hühnereis hinein und verrühre es mit der Flüssigkeit (Alternativ kann auch die
für die Versuche Biuret und Xanthoproteinreaktion angesetzte Lösung verwendet
werden).
Glycinlösung:
Gib in ein Reagenzglas 100 mg Glycin und fülle bis zur Hälfte mit dest. Wasser auf.
1. Fülle das zweite Reagenzglas zur Hälfte mit der Eiweißlösung.
2. Gib zu beiden Reagenzgläsern 3 mL der Ninhydrinlösung.
3. Stelle die beiden Reagenzgläser in das Wasserbad. Erwärme mit mittlerer Flamme
vorsichtig weiter.
----4. (optional) Führe den Versuch mit weiteren eiweißhaltigen Haushaltsprodukten
durch.
Beobachtungen:
Die Eiweißlösung sowie die Glycinlösung sind klare bis leicht trübe Flüssigkeiten. Nach
Zugabe des Ninhydrins tritt zunächst keine Farbänderung ein. Nach kurzer Zeit im
Wasserbad färbt sich die Glycinlösung tief blau-violette. Die Eiweißlösung färbt sich violette
bis leicht rosa.
Fachliche Auswertung:
Die Ninhydrinprobe - auch Ninhydrin Nachweis genannt - ist ein Test für primäre Aminosäuren. Der Test spricht aber auch auf primäre Amine jeglicher Art an. Von größerer
Bedeutung ist jedoch der Nachweis der primären -Aminosäuren, da diese von großer
biologischer Bedeutung sind. So können mit diesem Nachweis Beispielsweise Proteine,
Polypeptide oder die 20 proteinogenen Aminosäuren selbst nachgewiesen werden.
292
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Die intensive blau-violett Färbung die dabei auftritt, ist auf die Bildung eines ‚RuhmannsPurpur‘ zurückzuführen305 (Vgl.Abb.1):
3 aqivalente Grenzformeln
O
-
O
N
O
O
Abb.1: Grenzformel des Ruhmannspurpurs
Das entstehende Anion (Vgl. Abb.1) ist durch vier Enolat-Grenzformeln sowie zwei
Carbanion-Grenzformeln darstellbar. Wegen des so beschreibbaren delokalisierten Elektronensystems
sowie
der
in
Abb.1
dargestellten
Kreuzkonjugation
ist
der
Ruhmannspurpur ein Farbstoff, dessen Absorptionsmaximum bei 570 nm liegt.306
305
306
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.34.
Vgl. Brückner, S.391.
293
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
A
3 aqivalente Grenzformeln
O
+
NH 3
H2N
-
O
N
O
R
O
O
-

+
O
O
O
O
OH

Imin - Bildung
+A
OH
O
R
R
NH2
O
O
O
H
-
O
NH 2
O
+
+
OH

R
OH
R
- H+
+ H2O
+
N
H
O
O
-
+ H2O, - OH
O
OH
O
NH

O
-
C
OH
R
O
R
+
C
-
R
+
N
N
H
H
O
O
O
- CO 2
OH
R
O
O
R
+
O
N
H
O
-
O
- H2O
+
N
-OH
O
H
O
Abb.2: Reaktionsmechanismus des Ninhydrin-Test307
307
Vgl. Brückner, S.390.
294
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Das zum Nachweis eingesetzte Ninhydrin, das der Reaktion auch seinen Namen gibt, ist das
Hydrat des Indian-1,2,3-trion (Vgl.Abb.3a):
O
O
+ H2O
OH
O
OH
O
O
Indan-1,2,3-trion
Ninhydrin (farblos)
Abb.3a: Ninhydrin
Neben der Möglichkeit zur Verwendung als Nachweisreagenz für primäre -Aminosäuren
hat Ninhydrin die besondere Eigenschaft, dass es eine der wenigen Substanzen ist, die nicht
der Erlenmeyerregel gehorcht.
Diese besagt, dass Verbindungen mit zwei Hydroxygruppen an einem Kohlenstoffatom
instabil sind.308 Anders ist es bei Ninhydrin: Dieses besitz in -Stellung jeweils
elektronenziehende Gruppen, so dass es nicht - wie Beispielsweise das Hydrat des
Formaldehyds - nur in wässrigen Lösungen stabil ist, sondern sich sogar isolieren lässt.309
In wässriger Lösung liegt jedoch das Gleichgewicht fast vollständig auf der Seite des
Aldehydhydrates. Anders sieht dies jedoch beispielsweise der wässrigen Lösung von Aceton
aus.
OH
O
+ H 2O
H
HO
Formaldehyd
Aldehydhydrat (Methandiol)
99,9 %
0,1 %
O
OH
+ H 2O
CH3
Aceton
99,8 %
H
H
H
H3C
C
HO
C
CH3
CH3
Propan-2-diol
0,2 %
Abb.3b: geminale Diolbildung – Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit Wasser
308
309
Vgl. Asselborn et al., S.245.
Vgl. Bruice, S.932.
295
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Die angegebenen Gleichgewichte liegen jedoch nur in wässriger Lösung vor. Die
Gleichgewichtseinstellung kann durch Zugabe von Säure beschleunigt werden. Trotz allem
ändert dies nichts daran, dass diese geminalen Diole (auch Hydrate genannt) im Allgemeinen
zu instabil sind um isoliert zu werden.310 Sie gehorchen damit der beschriebenen
Erlenmeyerregel.
Die Ninhydrin-Reaktion dient als Nachweis von Aminosäuren, Polypeptiden und Proteinen.
Diese müssen allerdings primäre -Aminosäuren besitzen, so ist bei der proteinogenen
Aminosäure Prolin (Abb.4) kein positiver Nachweis zu erwarten.311 Der Grund ist, dass Prolin
eine sekundäre -Aminosäure ist.
H
N
O
OH
Prol i n (Pro)
Abb.4: Prolin, eine sekundäre, proteinogene -Aminosäure
Auch bei zu langen Peptidketten, wie dies in einer Proteinlösung der Fall wäre, kann der
Nachweis länger dauern, da in dieser der prozentuale Anteil primärer -Aminosäuren sehr
gering ist und Ninhydrin nur auf -Aminosäuren anschlägt. Durch längeres Erwärmen in
einem Wasserbad ist jedoch nach einiger Zeit die Bildung des intensiven Farbstoffes
erkennbar.
Didaktische Auswertung:
Der Versuch ist ein weiterer einfach durchzuführender Aminosäure - sowie Proteinnachweis.
Er kann - wie auch die beiden Nachweise Biuret und Xanthoprotein - im Themenkomplex der
Aminosäuren Anwendung finden. Neben dem Themengebiet der Aminosäuren kann durch
diesen Versuch auch noch die bereits im Themenfeld der Alkanole angesprochene
Erlenmeyerregel aufgegriffen werden. Ninhydrin ist eine der wenigen Substanzen, die dieser
310
311
Vgl. Bruice, S.932.
Vgl. Brückner, S.390.
296
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Regel widerspricht und dadurch noch auf eine andere Art und Weise chemisch von Interesse
ist.
In der beschriebenen Variante ist der Versuch sowohl als ‚Schülerversuch‘ als auch als
‚Demonstrationsversuch‘ durch den Lehrer denkbar. Eine andere Variante, die jedoch etwas
aufwendiger und kostenintensiver ist, ist folgende:
Alternativer Ninhydrinnachweis (Exkurs):
Die Schüler legen ihre feuchte Hand, die länger nicht gewaschen wurde, 5
Minuten auf ein Filterpapier. Dieses wird mit Hilfe einer ethanolischen
Ninhydrin-Sprühreagenz besprüht und anschließend 3 bis 5 Minuten in einen
Trockenschrank gelegt. Alternativ kann es auch 3 Minuten lang mit einem
herkömmlichen Haartrockner oder einem Bügeleisen bei niedriger Stufe
getrocknet werden. Dabei ist ein deutlicher Handabdruck auf dem
Filterpapier zu erkennen. An den Stellen, an denen die Haut am stärksten
durch den Schweiß befeuchtet war, sind die intensivsten blau-violette
Abdrücke zu erkennen. Der Grund ist, dass im menschlichen Schweiß
Proteine, und Polypeptide enthalten sind, die mit Ninhydrin nach dem in
Abb.2 beschriebenen Mechanismus einen violetten Farbstoff bilden.312
Bei dieser Variante des Versuchs ist für die Schüler erkennbar, dass Proteine einen engen
Bezug zum eigenen Körper haben. An dieser Stelle kann auch auf die verschiedenen
Kriminalserien verwiesen werden, in denen dieser Versuch vielseitig Anwendung findet. Es
ist jedoch abzuwägen, in welcher Form der Versuch den Schülern geboten werden soll.
Unabhängig davon sollte seinen Platz im Unterricht finden.
312
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke, S.33.
297
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Behälter für organischen Abfall entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www-organik.chemie.uniwuerzburg.de/fileadmin/08020000/pdf/erlebnis/verraeterische_spuren.pdf
(Zugriff.28.02.2010).
INT.2:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteinanalytik/chromatogr
aphie.vlu/Page/vsc/de/ch/8/bc/proteinanalytik/methoden_protein/ninhydrin_reaktion.vsc
ml.html (Zugriff.28.02.2010).
INT.3: http://tu-freiberg.de/fakult2/bio/ag_mikrobio/lehre/biochemie_skript_1-2.pdf
(Zugriff.28.02.2010).
298
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 4:
Stickstoffnachweis durch Thermolyse
Zeitaufwand:
Materialien :
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Feststofftrichter
Schwerschmelzbares Reagenzglas
Bunsenbrenner
Stativfuß
Doppelmuffe
Stativklemme
Pinzette
Universalindikator-Papier
Glasstab
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Getrocknetes
Hühnereiweiß /
Eiweißpulver
*
Dest. Wasser
*
(Optional):
Calciumhydroxid
*
(Optional):
Cobaltchloridpapier
***
-
H2O
-
Xi
T
,N
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
*** keine Schülerexperimente erlaubt
313
Siehe
unten
-
250 mL
R: 41
S: 22-24-26-39
Ca(OH)2 (s)
CoCl2 (s)
-
R: 49-60-22-42/43-6850/53
S: 53-45-60-61
Krebserzeugend (Kat.K2),
Erbgutverändernd (Kat M3),
Fortpflanzungsgefährdend (Kat
RF2).
0,5 g
Siehe
unten
313
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
299
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau: 314
1.Schritt:
2.Schritt:
3.Schritt:
Pinzette
Pinzette
Feststofftrichter
Feuchtes
Indikatorpapier
Cobaltchlorid
-papier
Schwerschmelzbares
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Bunsenbrenner
Durchführung:
ACHTUNG: Der Versuch sollte im Abzug durchgeführt werden da sich giftige Dämpfe
bilden! Wasserfreies Cobaltchlorid gilt als krebserzeugend, erbgutverändernd und
fortpflanzungsgefährdend.
Daher
sollte
selbst
beim
Einsatz
des
trockenen
Cobaltchloridstreifens auf das Tragen von Handschuhen geachtet werden. Falls kein
Cobaltchloridpapier vorhanden ist, kann dies folgendermaßen hergestellt werden:
Kobaltchlorid-Papier: (optional)
Tauche ein Filterpapier in konzentrierte Cobaltchlorid-Lösung und trockne es
anschließend im Trockenschrank (über 40 °C) bis es blau ist. Für Schülerversuche dürfen
keine Kobalt-Verbindungen verwendet werden.315 (Aufgrund der akuten Giftigkeit des
Cobaltchlorids sollte evtl. auf das Selbstherstellen verzichtet werden, da auf diese Weise
lediglich Wasser nachgewiesen werden kann). Auf die Giftigkeit und die Problematik wird
in der Quelle INT.3 verwiesen.316 An dieser Stelle wird zum Einsatz von wasserfreiem
Kupfersulfatpapier geraten.
314
Vgl. Schuphan/Knappe, S.120.
Vgl. INT.1.
316
Vgl. INT.3.
315
300
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Calciumhydroxid-Lösung (Kalkwasser): (optional)
Löse 0,5 g Calciumhydroxid werden in 250 mL warmem Wasser gelöst und danach
filtriert.317
1. Fülle das Reagenzglas etwa 1 cm hoch mit getrocknetem Hühnereiweiß.
2. Spanne das Reagenzglas waagerecht in der Apparatur ein. Erwärme zunächst
vorsichtig mit dem Bunsenbrenner bis sich einige Wassertröpfchen bilden.
(optional): Benetze das Cobaltchloridpapier mit den Tröpfchen.
3. Erwärme nun kräftig weiter bis sich ein weißer Nebel bildet.
4. Halte in den weißlichen Nebel wird ein feuchtes Indikatorpapier.
5. (optional): Ein Glasstab, der zuvor in die Calciumhydroxidlösung getaucht wurde,
wird in den weißen Nebel gehalten.
Beobachtungen:
Bei dem getrockneten Eiweiß handelt es sich um ein weißes Pulver. Das
wasserfreie
Cobaltchloridpapier ist blau gefärbt. Wird es mit den sich bildenden Tropfen in Berührung
gebracht, färbt sich das Papier leicht rosarot.
Durch das starke Erhitzen des Eiweißes entsteht ein weiß – grauer Rauch. Wird feuchtes
Universalindikatorpapier in den Rauch gehalten, färbt sich dieses langsam blau – grün.
Ein Tropfen der klaren Calciumhydroxidlösung trübt sich bei kurzem Kontakt mit dem weißen
Rauch ein.
Fachliche Auswertung:
Proteine sind makromolekulare Naturstoffe die aus Aminosäurebausteinen aufgebaut sind.
Diese Aminosäurebausteine sind über eine Peptidbindung miteinander verbunden. Jeder
einzelne Aminosäurebaustein ist aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und
Stickstoff (N) aufgebaut. Die Aminosäuren Cystein und Methionin besitzen zusätzlich noch
Schwefel (S) (Vgl. Versuch 5: Schwefelnachweis durch Thermolyse).
317
Vgl. INT.2.
301
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Werden die getrockneten Eiweißmoleküle (Proteine) nun stark erhitzt, zersetzten sie sich.
Dabei entstehen aus den Proteinen durch Pyrolyse - also der vollständigen Zersetzung verschiedene Gase.318
Der weiße Rauch, der beobachtet werden konnte, enthält darüber hinaus allerdings auch
verschiedene Feststoffe, die als Aerosole mit den aufsteigenden Gasen mitgerissen werden.
Durch das feuchte Universalindikatorpapier kann indirekt Stickstoff in Form von Ammoniak
(NH3) nachgewiesen werden.
Das feuchte Universalindikatorpapier zeigt mit seiner grün – blau Färbung die Anwesenheit
einer Base an. Die Bildung des gasförmigen Ammoniaks ist die beste Erklärung für die
basische Reaktion.
Die Reaktion, die sich auf dem Indikatorpapier abspielt, kann vereinfacht folgendermaßen
dargestellt werden:
HIND
(aq) +
farblos
NH3
(g)
IND
-
(aq) +
NH4
+
(aq)
grün - blau
Abb.1: Universalindikator
Bei einem Universalindikator handelt es sich um ein Gemisch aus den verschiedensten
Indikatoren, wobei jeder für sich einen anderen Umschlagsbereich besitzt. Der Kniff des
Universalindikators besteht nun darin, dass die Indikatoren so gewählt sind, dass sich die
Farbe des Teststreifens (oder der Flüssigkeit) mit jeder pH – Einheit ändert. Man so dann
genau sagen kann in welchem pH – Bereich man sich befindet.319 Dies ist deshalb so
bemerkenswert, da jeder einzelne Indikator meist nur sehr grobe Richtwerte abgeben kann.
So zum Beispiel Phenolphtalein, das im basischen Milieu eine rosa Färbung aufweist,
während es im sauren farblos erscheint. Würde man nur Phenolphtalein benutzen, würde es
zwar auch die Anwesenheit der Base Ammoniak anzeigen, jedoch für genauere Messungen
wäre es ungeeignet. Ein weiterer Vorteil der Anwendung von pH – Papier ist, dass es in Form
eines Papierstreifens vorliegt und somit für diesen Versuch sehr gut handhabbar ist.
Phenolphtalein ist einer der bekanntesten Indikatoren und zählt zur Klasse der
Triphenylmethanfarbstoffe.320 Anwendung findet es als Indikator in 0,1 % -iger alkoholischer
Lösung.
318
Vgl. INT.1.
Vgl. Asselborn et al., S.118.
320
Vgl. INT.4.
319
302
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
OH
O
HO
-
O
+ 2 OHO
+ 2 H+
O
O
-
O
chinoide Form
lactonide Form
Abb.2: Phenolphtalein
Im sauren Milieu liegt Phenolphtalein321 in lactonider Form vor. Durch Zugabe von Lauge
erfolgt oberhalb von pH 8,2 ein Farbumschlag von farblos nach rosa. Dabei öffnet sich der
Lactonring und man erhält die chinoide Form. Die Reaktion ist reversibel und kann durch
Zugabe von Säure wieder umgekehrt werden (Vgl. Abb.2).
Das sich bildende Wasser, das bei diesen Temperaturen gasförmig vorliegt, kondensiert
teilweise an den Glaswänden des Reagenzglases. Dies erklärt die beobachtbare
Tröpfchenbildung. Kommt nun wasserfreies Cobaltchlorid (CoCl2), das eine blaue Farbe
aufweist, mit Wasser in Berührung, bildet sich das rosarote Hexahydrat des Cobaltchlorids.
Die intensive Rosa-Färbung des Hexahydrates geht auf die Bildung des Komplexes
[Co(H2O)6]2+ zurück.322
Neben dem Wasser (H2O) und dem Ammoniak (NH3) entsteht noch Kohlendioxid (CO2), das
durch Kalkwasser nachgewiesen werden kann (Vgl. Abb.3).
Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g)
CaCO3 (s)
+ H2O
Abb.3: Kohlendioxidnachweis durch Kalkwasser
Die Trübung des Wassertropfens ist auf die Bildung des schwerlöslichen Kalkes (CaCO3)
zurückzuführen. Aufgrund der Schwerlöslichkeit des Calciumcarbonats trübt sich die Lösung
schon bei geringen Kohlendioxidmengen.
321
322
Vgl. Deckwer et al..
Vgl. Riedel, 7. Aufl., S.857.
303
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Didaktische Auswertung:
Der Versuch erweitert durch eine weitere halbqualitative Analyse den Themenbereich der
Elementaranalyse der Aminosäuren. Aufgrund der Giftigkeit von Cobaltchlorid sollte jedoch
auf die Selbstherstellung des Cobaltchloridpapiers verzichtet werden. Falls keines festes
Papier zur Hand sein sollte, kann auf das weniger giftige Kupfersulfat zurückgegriffen
werden. Auch aus diesem lässt sich ein Nachweispapier herstellen. Jedoch ist anzumerken,
dass dieses, nach meinen Erfahrungen nicht immer ganz eindeutige Ergebnisse liefert.
Der Versuch sollte auch in jedem Fall im Abzug durchgeführt werden, da sich giftige Gase
bilden können. Aus diesem Grund eignet sich der Versuch zur Pyrolyse von Eiweißen auch
weniger als ‚Schülerversuch‘.
Entsorgung:
Die Reste können nach dem Abkühlen im Hausmüll entsorgt werden. Das evtl. verwendete
Cobaltchloridpapier wird im Feststoff entsorgt; die Calciumhydroxidlösung wird neutralisiert
und kann im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Schuphan und Knappe – Chemiebuch, S.120.
Internetquellen:
INT.1: http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0710.html (Zugriff: 11.03.2010).
INT.2: http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_caoh2.htm (Zugriff: 11.03.2010).
INT.3: http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_cocl2.htm (Zugriff: 11.03.2010).
INT.4: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_pheth.htm (Zugriff: 11.03.2010).
304
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 5:
Schwefelnachweis durch Thermolyse
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
5 Minuten
Nachbereitung:
4 Minuten
Materialien :
Reagenzglas
Stativstange
Stativfuß
Doppelmuffe
Stativklemme
Bunsenbrenner
Filterpapier
Pinzette
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Ein Büschel Haare
-
(3 cm lang)
-
*
Bleiacetatpapier
***
Dest. Wasser
*
R: 61-20/22-33Pb(CH3COO)2
50/53-62
T
H2O
,N
S: 53-45-60-61
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
323
*** keine Schülerexperimente erlaubt
323
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
305
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
Pinzette
Haarbüschel
Stativstange +
Stativständer
Bunsenbrenner
Durchführung: 324
ACHTUNG! Diesen Versuch nur in einem Abzug durchführen!
1. Besorge ein Büschel Haare (ca. 3 cm lang). Baue die Apparatur wie dargestellt auf.
2. Stecke das Büschel Haare in ein Reagenzglas.
3. Erhitze das Reagenzglas mit Hilfe des Brenners unter rauschender Flamme. Erwärme
so lange bis sich das Haarbüschel thermisch zersetzen kann.
4. Feuchte mit etwas dest. Wasser einen Streifen Bleiacetatpapier an und halte ihn mit
Hilfe einer Pinzette in die Öffnung des Reagenzglases (hierbei sollten ggf.
Handschuhe getragen werden).
Beobachtungen:
Durch das Erhitzen ist ein Brodeln und Blubbern im Reagenzglas zu erkennen. Es bildet sich
Kondenswasser an der Glaswand. Das weiße Bleiacetatpapier färbt sich nach kurzer Zeit
schwarz. Im Reagenzglas bildet sich ein schwarzer Rückstand.
324
Vgl. Schuphan/Knappe, S. 120.
306
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Menschliche Haare besten zu 90 % aus Kreatin, einem wasserunlöslichen Faserprotein.325
Die proteinogene Aminosäure Cystein ist ein Bestandteil des Kreatins. Das Protein Kreatin
besteht sogar zu einem ungewöhnlich hohen Anteil aus Cystein, nämlich zu ca. 8%. Damit ist
statistisch gesehen jede zwölfte Aminosäure Cystein.326 Aus diesem Grund wird Cystein
technisch auch aus kreatinhaltigen Substanzen - wie Horn oder Tierhaaren - gewonnen.
O
H2N
OH
SH
L - Cys tei n (Cys)
Abb.1: Schwefelhaltige Aminosäure Cystein
Das Faserprotein Kreatin im Haar ist vorwiegend in einer -Helix aufgebaut. Diese
schraubenförmige Struktur ist in Abb.2 dargestellt. Im glatten Haar sind nun mehrere dieser
Proteinstränge durch Disulfidbrücken des Cysteinrestes zu einer Kreatinfaser verbunden.
Diese Querverbindungen sorgen für die Stabilität im Haar. Durch die Einwirkung von Wärme
sowie dem Einsatz von Reduktionsmitteln kann diese Querverbindung teilweise zu 20 – 45 %
geöffnet und anschließend eine neue Struktur erzwungen werden. Dieses Phänomen wird
sich beim Erstellen einer Dauerwelle zu Nutze gemacht. Hierbei wird durch Wärme die
Verwendung eines Reduktionsmittels sowie durch den Einsatz von Lockenwicklern als
Formgeber den Haarsträhnen einen neue Struktur aufgezwungen (dargestellt in Abb.2 Punkt
2 – 4).327 und 328
325
Vgl. INT.3.
Vgl. Bruice, S.1189.
327
Vgl. INT.1.
328
Vgl. Bruice, S.1189.
326
307
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Abb.2: Schwefelbrücken im Kreatin329
Damit diese neue Struktur dann auch „dauerhaft“ bleibt, wird anschließend der zum
Thioalkohol reduzierte Cysteinrest wieder oxidiert, so dass aus zwei Cysteinresten, Cystin
gebildet wir. So werden die Proteinstränge in neuer Form wieder über eine Disulfidbrücke
(Vgl.Abb.2 Abschnitt 4) verbunden. Dies sorgt dann für Stabilität der neu arrangierten
Form.330
Von ewiger Dauer ist diese Dauerwelle jedoch auch nicht. Die nachwachsenden Haare
besitzen weiterhin die von Natur aus vorgegebenen Muster. Die Dauerwelle bleibt zwar
erhalten, wächst jedoch heraus.
Erhitzt man nun die Aminosäure stark, zersetzt sie sich. Man spricht von thermischer
Zersetzung. Dabei bildet sich unter anderem Schwefelwasserstoff (H2S). Schwefelwasserstoff
ist ein sehr giftiges, unangenehm riechendes Gas.331 Es handelt sich um eine schwache
zweiprotonige Säure. Kommt es mit feuchtem Bleiacetatpapier in Berührung, färbt sich
dieses schwarz. Die Reaktionen auf dem Bleiacetatpapier kann dabei wie folgt beschrieben
werden:
2+
Pb(CH3COO)2
H2 S
(s)
2+
(g)
+ Pb
(aq)
Pb
PbS (s)
(aq)
+ 2 CH3COO
(aq)
+
+2H
(aq)
Abb.3: Bildung des schwarzen Bleisulfides
329
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [6].
Vgl. Bruice, S.1189.
331
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.442.
330
308
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Das sich bildende Bleisulfid (PbS) ist - wie fast alle Sulfide - schwerlöslich und für die
schwarze Färbung verantwortlich.332
Das sich bildende Sulfid stammt dabei aus der schwefelhaltigen Aminosäure Cystein. Da
Kunsthaar dieses nicht besitzt, kann durch diesen einfachen Versuch echtes von unechtem
Haar unterschieden werden.
Didaktische Auswertung:
Der Schwefelnachweis erweitert den Kreis der Analyseverfahren der Aminosäuren um einen
weiteren Versuch. So kann mit diesem Versuch einfach und schnell Schwefel in Haaren
nachgewiesen werden. Aufgrund der Verwendung von Haaren als Analysesubstanz besitzt
der Versuch auch einen großen Alltagsbezug. Allgemein kann er im Themengebiet der
Aminosäuren und Proteine in der Jahrgangsstufe 11 untergebracht werden. Hier dient er der
quantitativen Analyse. Darüber hinaus kann an diesem Versuch die Struktur sowie der
Aufbau des Proteins Kreatin näher betrachtet werden. Auch das Phänomen der
Dauerwellenbildung kann anschaulich beschrieben werden. Hierzu könnte jedoch auch noch
der Versuch zur Oxidation von Cystein zu Cystin herangezogen werden, da in diesem die
Ausbildung von stabilisierend wirkenden Disulfidbrücken zum Thema gemacht wird. Beide
zusammen bilden dann eine gute Grundlage für die nähere Betrachtung.
Zu beachten ist jedoch die Verwendung von Bleiacetatpapier. Verwendet man kein
gekauftes, sondern stellt es selbst her, ist der Versuch als ‚Schülerversuch‘ aufgrund der
Giftigkeit und fruchtschädigenden Wirkung des Bleiacetats nicht mehr geeignet. Doch auch
bei der Verwendung des vorgefertigten Bleiacetatpapiers sollten Handschuhe getragen
sowie eine Pinzette zum Halten des Papiers verwendet werden. Aufgrund der akuten
Toxizität ist dazu zu raten, vorgefertigtes Bleiacetatpapier zu verwenden. Eine Rolle mit 5
Meter Länge kostet im Laborfachhandel ca. 4 Euro.333 Dies ist sicher ein gute Alternative zum
selber herstellen aus einer Bleiacetatlösung und Filterpapier.
332
333
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.443.
Vgl. INT.4.
309
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Entsorgung:
Das Reagenzglas kann nach dem Abkühlen, wie auch das getrocknete Bleiacetatpapier, im
Feststoffabfall entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.wdr.de/tv/quarks/global/pdf/haare.pdf (Zugriff: 02.03.2010) (Seite 14).
INT.2: http://www.chemieunterricht.de/dc2/fragen/frage-58.htm (Zugriff: 02.03.2010)
INT.3: http://www.chemie-im-alltag.de/articles/0083 (06.03.2010).
INT.4: http://www.lablaborfachhandel.de/katalogedownloads/indikatorpapier/bleiacetatpapier1rollea5meter.php
(Zugriff: 02.03.2010)
310
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 6:
Oxidation von Cystein zu Cystin
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
3 Minuten
Durchführung:
4 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Reagenzglas 2x
Reagenzglasgestell
Reagenzglasklammer
Pipette + Hütchen
Dreifuß
Drahtnetz
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Eisen(III)-Chlorid Hexahydrat
*
Dest. Wasser
*
Natriumacetat
*
C3H7NO2S(s)
R: 22
1g
0,5 g
Xn
H2O
(CH3COO)Na
-
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
334
S: 26-27-36/37/39
C
*
Cystein
R: 22-34
FeCl3 * 6 H2O(s)
S: 22-24/25
210 mL
4,1 g
334
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
311
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
Cystein
3.Schritt:
Spatel mit Eisen(III)Chlorid
Frischhaltefolie
0,1 molare
Natriumacetatlösung
Natriumacetat Cysteinlösung
Durchführung: 335
Herstellung der Lösungen:
Natriumacetatlösung (c = 0,5 mol/L):
Löse 4,1 g Natriumacetat in 100 mL dest. Wasser.
Eisen(III)-Chloridlösung:
Löse 1 g Eisen(III)-Chlorid in 10 mL dest. Wasser.
1. Löse in einem 250 mL Erlenmeyerkolben 0,5 g Cystein in 100 mL Natriumacetat –
Lösung.
2. Gib zu dieser Lösung nun die Eisen(III)-Chloridlösung.
3. Verschließe das Reaktionsgefäß mit Hilfe einer Frischhaltefolie.
4. Warte 2 – 3 Minuten, dann schüttle das Gefäß vorsichtig.
Beobachtungen:
Nach Zugabe des Eisen(III)-Chlorids war eine intensive violette Färbung der Lösung zu
beobachten. Nach dem 2 Minuten vergangen waren, entfärbte sich die Lösung wieder und
335
Vgl. Weide, S.160.
312
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
war fast farblos. Nach dem Schütteln trat die anfänglich zu beobachtende violette Färbung
der Lösung wieder auf.
Fachliche Auswertung:
Eisen(III)-Chlorid ist eine hygroskopische Substanz; sie liegt meist nicht mehr als das rotgrüne FeCl3, sondern als schmutzig gelbes FeCl3 * 6 H2O vor. Die wasserfreie Variante hat
eine molekulare Masse von 162
𝒈
𝒎𝒐𝒍
, während das gelbe Eisen(III)-Chlorid Hexahydrat eine
𝒈
molekulare Masse von 270 𝒎𝒐𝒍 hat.
Das Besondere an dem Eisen(III)-Chlorid ist, dass es sauer in wässriger Lösung reagiert. Der
Grund ist die starke Kationensäure Eisen(III), die eine sehr harte Lewissäure darstellt,
während das Anion (Chlorid) nur eine schwache Anionenbase ist.
Die Lösung des Eisen(III)-Chlorids kann strak vereinfacht folgendermaßen dargestellt
werden:
FeCl3 (s)
H2O
Fe
3+
(aq) +
-
3 Cl
(aq)
Abb.1: vereinfachte Darstellung des
lösens von Eisen(III)-Chlorids
Bei genauerer Betrachtung des Vorgangs ist jedoch die Bildung eines Hexaaquakomplexes zu
beobachten, dieser kann wie folgt dargestellt werden (vgl. Abb.1):
3+
OH2
[Fe(H2O)6]
3+
H2 O
:
OH2
Fe
H2 O
OH2
OH2
Abb.2: Hexaquakomplex des Eisen(III).
Die saure Eigenschaft der harten Lewissäure Eisen(III) lässt sich durch die folgende
Reaktionsgleichung erklären (Vgl.Abb.3):
313
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
3+
2+
OH2
OH2
H2O
H2O
OH2
Fe
H2O
O
+
H
+ H2O
OH2
Fe
H2O
+ H3O
+
OH
H
OH2
[Fe(H2O)6]
OH2
3+
+ H2O
[Fe(H2O)5OH]
2+
(aq)
+ H3O
+
Abb.3: Hexaquakomplex des Eisen(III).
Dieser Reaktion geht eine Komplexbildungsreaktion voraus, die mit Hilfe einer Lewis-SäureBase-Reaktion beschrieben werden kann. Die Deprotonierung des Komplexes, dargestellt in
Abb.3, die die saure Reaktion erklären kann, geht auf den Einfluss der starken Kationensäure
Eisen(III) zurück. Eisen tritt in dem Komplex als relativ kleines, hoch geladenes Zentralion auf.
Dies bewirkt, dass die Wasserliganden im Komplex stark polarisiert werden, was zu einer
Schwächung der O-H Bindung führt.
Dieser Eisen(III) – Komplex zeigt noch eine weitere interessante Eigenschaft, nämlich das
„Altern“ von Lösungen.336
Dieses Phänomen kann durch Olation und Okalation beschrieben werden, soll aber hier nicht
weiter ausgeführt werden, da das Eisen(III) schnell zu Eisen(II) reduziert wird, weil dieses
Phänomen im durchgeführten Versuch keine gewichtige Rolle spielt.337
Für die intensive Farbigkeit der Lösung ist die Bildung eines Eisen(III)-Komplexes mit dem
Cystein verantwortlich. Dieser sich bildende Komplex ist deutlich stabiler als der Eisen(III)Hexaquakomplex.
Cystein ist eine schwefelhaltige Aminosäure und ein wichtiger Bestandteil des vorwiegend in
Haaren und Horn vorkommenden Proteins Kreatin. Cystein kann im basischen Milieu als
dreizähniger Ligand auftreten (vgl. Abb.4). Aus diesem Grund findet die Reaktion auch in
acetathaltiger Lösung statt.
336
337
Vgl. Neumüller (2009).
Vgl. Neumüller (2009).
314
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Der Schwefelgehalt kann qualitativ durch Thermolyse von Haaren bestimmt werden und
durch Bleiacetatpapier nachgewiesen werden (vgl. Versuch 5: Schwefelnachweis durch
Thermolyse).
O
H2N
OH
SH
+ OH
O
H2N
(aq)
HC
O
-
+ H 2O
(aq)
CH2
SH
L - Cys tei n (Cys)
(aq)
O
H2N
HC
O
-
CH2
SH
Abb.4: Schwefelhaltige Aminosäure Cystein
Cystein tritt bei der Reaktion als dreizähniger Ligand auf und verdrängt damit das Wasser aus
dem Komplex, dargestellt in Abb.5. Mehrzähnige Liganden werden als Chelatliganden
bezeichnet. Das Wort leitet sich dabei vom griechischen „chelat“ ab, was soviel wie Schere
bedeutet.338
338
Vgl. Riedel, 7.Aufl., S.681.
315
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
H
3+
C
3+
OH 2
H2C
H2O
OH 2
+2
H2O
O
H2N
Fe
OH 2
H2C
H2N
SH
O
-
SH
O
O
O C
C
OH 2
+ 6 H 2O
Fe
SH
NH2
O
CH 2
C
H
Abb.5: Eisen(III)-Cysteinkomplex 339
Dieser Eisen(III)-Cysteinkomplex ist für die intensive violette Färbung der Lösung
verantwortlich.340
Doch der abgebildete Eisenkomplex bleibt in dieser Form unter diesen Bedingungen nicht
lange bestehen, wie das Verschwinden der intensiven violetten Farbe deutlich macht.
So wird Eisen(III) (Fe3+) durch Cystein (Cys) zu Eisen(II) (Fe2+) reduziert (Vgl.Abb.6a und 6b).
Der Schwefel hat im Cystein-Molekül die Oxidationsstufe –II. Durch die Elektronenabgabe
wird eine Disulfidbrücke gebildet. Aus zwei Cystein-Molekülen entsteht Cystin.
Oxidation
NH2
-II
2 HS
CH 2
CH
NH2
COO
-
(aq)
OOC
CH
CH 2
-I
-I
S
S
NH2
CH 2
CH
COO
-
+
+2H
(aq)
(aq) +
Cystin
Cystein (Cys)
Reduktion
+II
+III
2 Fe
3+
-
(aq)
+2e
2 Fe 2+ (aq)
Abb.6a: Reaktionsverlauf des Redoxsystems I
Das entstandene Cystin bildet mit dem Eisen(II) keinen farbigen Komplex mehr aus. Daher
verschwindet nach einiger Zeit die intensive violette Färbung der Lösung.
339
340
Vgl. Weide, S.162.
Vgl. Weide, S.161f.
316
-
2e
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Die so entstehenden Disulfidbrücken haben große Bedeutung bei Form und Stabilität der
Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen und finden Beispielsweise beim erstellen von
Dauerwellen im täglichen Leben Anwendung (Vgl.Versuch 5: Schwefelnachweis durch
Thermolyse).
Parallel zu dieser Reaktion kann noch eine weitere Oxidationsreaktion ablaufen. Nämlich die
Rückoxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) durch den gelösten Sauerstoff in der Lösung:
Oxidation
+II
2 Fe
+III
2+
2 Fe
(aq)
3+
-
(aq)
+2e
Reduktion
+
2H
0
+
1/2
O
(aq)
2
-II
(g)
H2O
Abb.6b: Reaktionsverlauf des Redoxsystems II
Wird die Lösung geschüttelt, so wird die Rückreaktion eingeleitet, da auf diese Weise
Sauerstoff in die Lösung gelangen konnte. Dieser kann dann (wie in Abb.6b) die
Rückoxidation zu Eisen(III) einleiten. Ist genügend Eisen(III) gebildet worden, kommt es
erneut zur charakteristischen violetten Farbbildung in der Lösung. Das gesamte Redoxsystem
wird in Abb. 7 beschrieben:
Abb.7: Beschreibung des Redoxsystems 341 und 342
341
342
Vgl. INT.1, S.163.
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [8].
317
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Die stabilisierende Funktion der Disulfidbrücke und die daraus resultierende Wirkung für
Form und Struktur, die die dreidimensionale Struktur der Proteine entscheidend prägt, soll in
den folgenden beiden Abb.8 a und Abb.8b schematisch und vereinfacht dargestellt werden.
Die Aminosäuren sind durch geometrische Formen dargestellt und mit ihrem Namenskürzel
versehen (Vgl. hierzu Einleitung Themengebiet Aminosäuren, II. Theorieteil).
Abb.8a: Disulfidbrücken in Form von
Interketten- und Zwischenkettendisulfidbrücken
Die in Abb.8a dargestellten Disulfidbrücken führen neben verschiedenen anderen
Wechselwirkungen dazu, dass sich das Protein in einer charakteristischen Weise 3
Dimensional anordnet (Vgl. Abb. 8b).
Abb.8b: Strukturbildende Funktion der Disulfidbrücken 343 und 344
343
344
Bruice, S.1189.
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [7].
318
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Die Disulfidbrücken bilden sich, wie auch beim durchgeführten Versuch, durch Oxidation
zweier Cysteinreste. Dabei verknüpfen sie dann die Ketten untereinander (wie in Abb.8b und
8c dargestellt) oder sie können auch Polypeptidketten miteinander verknüpfen (Vgl.Abb. 8a),
so wie dies im Protein Kreatin (Hauptbestandteil unserer Haare ist) geschieht.345
Abb.8c: Disulfidbrücken vernetzen Teile der
Polypeptidketten miteinander 346 und 347
Didaktische Auswertung:
Der durchgeführte Versuch zeigt einen anderen Aspekt der Aminosäuren. So wird hier zum
einen das Auftreten als Chelatligand zum Thema gemacht, als auch die Möglichkeit als
Redoxreagentie zu fungieren. Damit geht dies über die Puffereigenschaft, den
Zwitterionencharakter sowie die wichtigste Eigenschaft, der unwahrscheinlich großen
Variationsmöglichkeiten der Aminosäuren lange Ketten zu bilden und sich zu komplexen
organischen bioaktive Substanzen zusammen zu lagern, hinaus. Anzumerken sei an dieser
Stelle, dass die Redoxeigenschaft keine typische Eigenschaft für Aminosäuren ist, sondern
sich auf die Seitenkette mit der Schwefelgruppe beschränkt. All dies zusammen genommen
zeigt die große Vielfalt der Aminosäuren die im Körper vielfach Anwendung finden.
Der Versuch ist aufgrund des geringen Gefahrenpotentials durchaus als ‚Schülerversuch‘
geeignet, kann aber auch als ‚Demonstrationsversuch‘ durch den Lehrer Einzug in den
Unterricht finden.
Die Schüler bekommen durch diesen Versuch eine andere Seite des Naturstoffes aufgezeigt,
die auch eine Überleitung in ein mögliches Wahlthema - Komplexchemie - das in 12G.2 des
345
Vgl. Bruice, S.1189.
Bruice, S.1189.
347
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [9].
346
319
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
hessischen G8 Lehrplans verankert ist, darstellen kann. In diesem Fall wird die Möglichkeit
des Cysteins aufgezeigt, farbige Komplexe mit dem Eisen(III)–Kation einzugehen. Diese
Eigenschaft ändert sich jedoch durch die Oxidation zu Cystin und die Reduktion von Eisen(III)
zu Eisen(II).
Gerade das - zumindest zu Beginn - reversible dieser Reaktion und die dadurch auftretende
Effekte machen den Versuch für die Schüler spannend. Aufgrund seiner schönen Effekte
bereichert der Versuch das Themengebiet der Aminosäuren. Zu dem ist er einfach
durchzuführen und gibt die Möglichkeit in ein neues Themengebiet überzuleiten.
Entsorgung:
Die Lösung kann neutral im Sammelbehälter für anorganische Lösungen gegeben werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/wiss_hausarbeiten/BiochemieBiotechnologie_Weide.pdf
(Zugriff: 25.02.2010).
320
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 7:
Maillardreaktion
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
2 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Reagenzglas 2x
Bunsenbrenner
Reagenzglasklammer
Spatel
Reagenzglasgestell
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
L-Cystein
*
Glycin
*
Glucose
*
Dest. Wasser
*
R: 22
C3H7NO2S (s)
Xn
C2H5NO2 (s)
C6H12O6 (s)
H2O (l)
-
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
348
S: -
100 mg
-
100 mg
-
200 mg
-
10 – 15
Tropfen
348
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
321
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.+2. Schritt:
3.Schritt:
Reagenzglasklammer
Spatel mit der
jeweiligen
Aminosäure
Reagenzglas mit dem
Glucose-Aminosäuregemisch
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Durchführung: 349
1. Gib in ein Reagenzglas 100 mg Glycin, in das andere 100 mg L-Cystein.
2. Fülle anschließend 100 mg Glucose zu und gib 5 Tropfen dest. Wasser in jedes
Reagenzglas. Vermische alles durch vorsichtiges Schwenken.
3. Erhitze das Gemisch vorsichtig unter flackernder Flamme (später dann etwas stärker
unter halbrauschender Flamme).
4. Nimm nach kurzer Zeit vorsichtig eine Geruchsprobe. Erwärme weiter wenn die
Intensität noch nicht ausreichend ist. Verschließe das Reagenzglas, lass es abkühlen
und gib es an die Schüler zur Geruchsprobe weiter.
---5. (optional): Gib an die Schüler eine Blindprobe, eine Mischung der jeweiligen
Aminosäuren, die mit Glucose angereichert ist.
Beobachtungen:
Glycin, Glucose und L-Cystein sind farblose kristalline Substanzen. Durch Erhitzen verändert
sich die Farbe allmählich und wird leicht gelb. Beim Gemisch aus L-Cystein und Glucose wird
die Farbe bräunlich gelb.
Die Geruchsprobe zeigt bei Gemisch 1 aus Glucose und Glycin einen karamellartigen Geruch,
während das Gemisch 2 nach gebratenem Fleisch riecht.
349
Vgl. INT.1.
322
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Die ablaufende Reaktion wird als Maillard Reaktion bezeichnet. Die Maillard Reaktion ist
eine im Alltag weit verbreitete, wenn auch unscheinbar ablaufende Reaktion. Sie läuft beim
Kochen oder Braten ab und ist unter anderem für die appetitanregenden Düfte nach
knusprigem Braten, frischen Brötchen oder süßlichem Karamell sowie die Bräunung der
Lebensmittel verantwortlich. Die ablaufenden Reaktionen sind mit verantwortlich für
Geschmack und Aromen der zubereiteten Speisen. Doch nicht alle entstehende Produkte
sind als völlig unbedenklich anzusehen; so entstehen auch einige Verbindungen, die in
Verdacht stehen „in vitro toxisch“ zu sein.350
Benannt ist diese Reaktion nach dem französischen Biochemiker Louis Camille Maillard
(1878-1936), der sie 1912 entdeckte und mit ihr experimentierte.
Der chemische Ablauf ist äußerst komplex und trotz ausführlicher Untersuchungen aufgrund
der vielfachen Variationsmöglichkeiten noch immer nicht endgültig mechanistisch geklärt.351
Vereinfacht lässt sich die Reaktion folgendermaßen beschreiben: Der Zucker (hier die
Glucose) der Lebensmittel reagiert bei Temperaturen oberhalb von 140°C mit Proteinen,
Aminosäuren und Peptiden. Dabei wird Wasser abgespalten und unterschiedliche neue
Produkte gebildet. So unter anderem diejenigen, die uns als flüchtige Aromastoffe bekannt
sind und für den wohlriechenden Duft vieler Lebensmittel verantwortlich sind.
Für den karamellartigen Geruch der Probe im durchgeführten Versuch ist wohl
unteranderem die Bildung des Maltols verantwortlich:
O
OH
O
CH3
Abb.1: Maltol
Der erste Teil der Reaktion wird als Initiation bezeichnet (Vgl. Abb.2 und Abb.3). Hierbei
handelt es sich um eine 1:1 Kondensationsreaktion eines primären oder sekundären Amins
mit einer Aldose. In dem durchgeführten Versuch ist es das primäre Amin Glycin mit der
Glucose.
Vereinfacht kann diese Initiierungsreaktion wie folgt dargestellt werden:
350
351
Zit. Ebermann/Elmadfa, S.665.
Vgl. Ebermann/Elmadfa, S.665.
323
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
O
OH
H
O
H
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
H
H2N
HO
+
HO
O
NH
H
O
OH
OH
H
H
OH
H
OH
OH
N
H
- H2 O
OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
CH 2OH
Glucose
CH 2OH
Glycin
Schiffsche Base
Abb.2: Initiierungsreaktion I
Hierbei reagiert Glucose mit Glycin unter Wasserabspaltung zu einer ‚Schiffschen Base‘,
einer Aminoketose. Die Bildung des für den karamellartigen Geruch der Substanz
verantwortlichen Maltols kann nun wie folgt beschrieben werden:
O
HO
OH
OH
O
OH +
H2N
NH
O
O
OH
HO
HO
OH
HO
OH
OH
 - Glucosylglycin I
Glycin
Glucose
+
+ H , H2O
OH
OH
O
H
OH
NH
OH
+
OH
O
N
O
+
HO
OH
+H
OH
 - Glucosylglycin III
HO
OH
OH
Glucosylimin
Abb.3: Initiierungsreaktion II352
352
Vgl. Ebermann/Elmadafa, S.664ff.
324
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
H
OH
OH
+
N
OH
O
HO
OH
OH
NH
OH
NH
OH
O
+
O
HO
OH
OH
OH
OH
Glucosylimin
H +
HO
OH
O
Amadori - Verbindung
OH
OH
weitere Reaktionen möglich
+
+H
N - Protonierung
OH
+
OH
Enol
OH
OH
H
H
N
OH
O
HO
O
CH2
HO
OH
+
H2N
Glycin
O
OH
OH
OH
OH
H3C
OH
CH3
- 2 H2O
Umlagerung
HO
O
O
HO
Maltol
O
O
Abb.4: Bildung des Maltols353
Die dargestellte komplexe Reaktion ist nur eine der vielen möglichen Reaktionen, die unter
dem Namen ‚Maillard Reaktion‘ bekannt sind. Viele dieser Reaktionen laufen bei
Temperaturen oberhalb von 140 °C gleichzeitig ab, so dass der entstehende Geruch eine
Mischung aus einer Vielzahl von Stoffen ist.354
353
354
Vgl. Ebermann/Elmadafa, S.664ff.
Vgl. Ebermann/Elmadafa, S.665f.
325
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Dass neben der in Abb.4 beschriebenen Reaktion noch Weitere ablaufen müssen, ist an der
gelb – braun Färbung der Substanz erkennbar. Diese ist wohl durch die Bildung von
Melanoidinen erklärbar.
Als Melanoidine werden gelbbraune, stickstoffhaltige, organische Verbindungen bezeichnet,
die während des Erhitzens von Lebensmitteln entstehen.
Eines der bekannten und strukturell aufgeklärten Melanoidine ist das sogenannte PronylLysin. Dieses soll exemplarisch für die Kategorie der Melanoidine stehen, die wohl für die
bräunliche Färbung der Substanz mit verantwortlich sind.
O
H3C
O
NH
CH3
O
CH3
N
H3C
OH
HO
O
Abb.5: Pronyl-Lysin
Dieses Pronyl-Lysin - wie auch weitere Melanoidine - sind unter anderem auch für die
schöne Braunfärbung der Kruste der Brötchen verantwortlich. Diese Substanzen schützen, so
wird angenommen, unseren Körper vor Umweltgiften. Dabei sollen sie im Körper als
‚Radikalfänger‘ dienen.355
Dass diese Reaktionen erst bei Temperaturen oberhalb von 140 °C ablaufen, ist auch eine
Erklärung dafür, warum sich viele Aromen in der Mikrowelle nicht entwickeln können. Die
Mikrowellenstrahlen versetzten die Wassermoleküle in Schwingung und erhitzen so die
Speisen. Auf diesem Wege entstehen allerdings nicht die für den Ablauf der MaillardReaktion benötigten hohen Temperaturen.
Neben den positiven Eigenschaften der Stoffe, die sich über eine Maillard-Reaktion bilden
können und für Aromen, Geschmack, Farbe und den positiven Einfluss als ‚Radikalfänger‘
verantwortlich sind, können sich bei dieser Reaktion allerdings auch noch toxische und
355
Vgl. INT.2.
326
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
teilweise sogar cancerogene Stoffe bilden. Ein Beispiel für Verbindungen dieser Art, ist das
sogenannte Acrylamid, auch als Propensäureamid bekannt (Vgl.Abb.6):
NH2
O
CH2
Abb.6: Acrylamid
Acrylamid wurde bei Tierversuchen als krebserzeugend eingestuft und ist daher auch für den
Menschen mit „Verdacht auf krebserzeugende Wirkung“ zu bewerten. Es wird vermutet,
dass Acrylamid mit Proteinen und Aminosäuren Verbindungen eingeht und so die Struktur
und Funktion von DNA und Hämoglobin beeinflusst. Im Tierversuch wurde sogar eine
erbgutverändernde Wirkung auf die Tochtergeneration festgestellt.356 und 357
Wie schon erwähnt, entsteht das Acrylamid als Nebenprodukt der ‚Maillard-Reaktion‘.
Besonders hoch ist jedoch dessen Konzentration, wenn Kartoffel und getreidehaltige Stoffe
unter Wasserausschluss für längere Zeit über 180 °C erhitzt werden. So ist der Anteil an
Acrylamid in ‚Pommes‘ die lange in heißem Fett frittiert wurden, besonders hoch. Der Grund
ist wohl auch darin zu suchen, dass diese einen besonders hohen Asparagingehalt aufweisen.
So hat man in Laborversuchen festgestellt, dass die Reaktion von Glucose mit Asparagin zur
Bildung eines hohen Acrylamidgehaltes führt.358
Asparagin ist eine nicht essentielle Aminosäure. Sie lässt sich durch folgende
‚Lewisschreibweise‘ darstellen:359
O
H2N
OH
O
NH2
Abb.7: L - Asparagin
Interessanterweise finden sich bei Lebensmitteln, die auf diese Weise hergestellt wurden,
besonders hohe Konzentrationen an Acrylamid in der braunen Kruste, die aufgrund ihres
356
Vgl.INT.3.
Vgl.INT.4.
358
Vgl.INT.1
359
Vgl.INT.6.
357
327
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Melanoidinegehaltes als „sehr Gesund“360 deklariert wurde. Die Acrylamidbildung kann
durch niedrigere Temperaturen während des Zubereitungsprozesses minimiert werden.
Durch die ‚Maillard-Reaktion‘ kann es allerdings noch zu einer weiteren bedenklichen
Stoffbildung kommen, nämlich durch die Reaktion zwischen sekundären Aminen und Nitrit
aus Speichelflüssigkeit oder durch die Reaktion mit nitrithaltigen Salzen. Nitrithaltige Salze,
dienen der Haltbarmachung von Lebensmitteln. Sekundären Amine können sich auch
während der ‚Maillard-Reaktion‘ bilden. In dieser treten sie unter anderem als Amadori Verbindung auf (Vgl. Abb.4). Durch die Reaktion zwischen Nitrit und den sekundären Aminen
kann es im Magen zur Bildung von Nitrosaminen kommen.361 und 362Diese gelten ebenfalls als
krebserzeugend.
So stecken in der ‚Maillard-Reaktion‘ unbewusster Weise sehr viele im alltäglichen Leben
ablaufenden Reaktionen, die sich uns positiven oder negativ auswirken und uns auf
verschiedensten Wegen begegnen.
Didaktische Auswertung:
Dieser Versuch, der sicher ohne jeden großen Aufwand schnell und einfach in den Unterricht
integrierbar ist, bietet eine Vielzahl von Aspekten aus dem täglichen Leben. Bei
Durchführung des Versuches als ‚Demoversuch‘ durch den kann den Schülern und
Schülerinnen die entstehenden Gerüche durch das Herumreichen der Reagenzgläser
demonstriert werden. Alternativ kann der Versuch bei einer experimentell gut geschulten
Klasse als ‚Schülerversuch‘ durchgeführt werden.
Der Hintergrund ist zwar vielseitig und aufgrund des großen Alltagsbezuges auch sehr
aufschlussreich, jedoch auch sehr komplex. So ist beispielsweise die ablaufende Reaktion zur
Bildung von Maltol (Abb.1), die den karamellartigen Geruch erklären kann, sehr umfangreich
und sicher nicht ganz einfach. Diese könnte den Schülern als Einführung in das
Themengebiet
dienen
und
die
komplexen
Folgereaktionen
(Abb.2
und
Abb.3)
außenvorgelassen werden.
Gerade die Bildung des toxischen und krebserzeugenden Acrylamids, das bei zu hohen
Temperaturen in Friteusen entstehen kann, ist ein weiterer wichtiger Aspekt der ‚Maillard-
360
Vgl.INT.2.
Vgl.INT.5.
362
Vgl.INT.1.
361
328
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Reaktionen‘, der den Schülern bewusst gemacht werden kann. So kann der Versuch das
Problembewusstsein der Schüler für diese mögliche Reaktion aufzeigen. Der Versuch kann
sowohl im Themengebiet der Kohlenhydrate als auch im Themengebiet der Aminosäuren
und Proteine Anwendung finden.
Entsorgung:
Die Rückstände werden abgekühlt, mit Wasser aufgenommen und können anschließend im
Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/663Aminosaeuren_Hartmann_Scan.pdf (Zugriff:
23.02.2010).
INT.2: http://www.hronline.de/website/rubriken/ratgeber/index.jsp?rubrik=3628&key=standard_document_339
28736 (Zugriff: 23.02.2010).
INT.3: http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0
Oder genauer:
INT.4:
http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll/Infobase/uberschrift00473/glied100477.htm?f=templa
tes&fn=document-frame.htm&2.0#JD_rt014330 (Zugriff: 23.02.2010).
INT.5: http://www.inform24.de/nitro.html (Zugriff: 23.02.2010).
INT.6: http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/bio/aminoacid/asparagin.html (Zugriff:
23.02.2010).
329
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 8:
Löslichkeit von Tyrosin
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
3 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Reagenzglas
Reagenzglasgestell
Becherglas 2x 100 mL
Pipette + Hütchen 2x
Magnetrührer
Rührfisch
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
1 molare
Natronlauge
*
Dest. Wasser
*
Tyrosin
*
S: 26-37/39-45
C
*
1 molare Salzsäure
R: 34
NaOH (aq)
HCl (aq)
H2O
-
-
-
R: 36/3738
C9H11NO3
S: 26-36
Xi
Phenolphtalein in
R: 11
Ethanol
*
363
0,15 g
(Optional)
S: 7-16
F
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
40 mL
363
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
330
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
1.Schritt:
2.Schritt:
3.Schritt + 4. Schritt:
Rührfisch
Magnetrührer
Dest. Wasser
Durchführung: 364
1. Gib 0,15 g Tyrosin in ein 100 mL Becherglas, schlemme alles mit 40 mL dest. Wasser
auf. es entsteht eine trübe Suspension). Stelle das Becherglas auf den Magnetrührer.
molarebis
HCl
2. Gib nun unterrühren mit Hilfe einer Pipette einige Tropfen Natronlauge1hinzu,
die
Lösung klar wird.
3. Tropfe erneut unter rühren, vorsichtig, Salzsäure zu bis die Lösung erneut trüb wird.
(optional): Versetze die Lösung zuvor mit einigen Tropfen Phenolphtalein und fahre
wie beschrieben fort.
4. Gib 5 weitere Tropfen Salzsäure zu und beobachte was passiert.
Beobachtungen:
Die Tyrosin-Wasser-Lösung ist trüb; nach Zugabe von Natronlaugen wird diese allmählich
klar. Durch Zugabe von Salzsäure trübt sie sich anfangs wieder ein. Gibt man immer mehr
Salzsäure zu, wird die Lösung erneut klar.
364
Vgl. Asselborn, S.374.
331
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Fachliche Auswertung:
Tyrosin (Vgl.Abb.1) zählt zwar zur Gruppe der polaren Aminosäuren, doch trotzdem ist die
Löslichkeit aufgrund des sterisch anspruchsvollen unpolaren aromatischen Systems in
Wasser eher schlecht. So sind in 1 Liter Wasser nur 0,36 g löslich.365 Dies führt auch dazu,
dass sich die 0,15 g Tyrosin nicht in den 40 mL Wasser lösen, sondern sich eine trübe
Suspension bildet.
Im neutralen Medium liegt Tyrosin als Zwitterion vor (Vgl. Abb.1). Wird nun Natronlauge
zugegeben, wird im ersten Schritt die -NH3+ - Gruppe deprotoniert. Bei weiterer Zugabe von
Natronlauge dann auch die –OH Gruppe des aromatischen Rings deprotoniert (der pKs –
Wert entspricht ungefähr dem des Phenols). Die verschiedenen Stufen sind in Abb.1
dargestellt, sowie die unterschiedlichen pH – Werte.
L - Tyros i n (Tyr)
O
H 3N
H2N
O
O
O
O
O
H 3N
O
50 %
OH
OH
+
-H
+ H+
100 %
OH
H 3N
O
- H+
+ H+ 100 %
O
50 %
OH
- H+
+ H+
OH
OH
+ H+
O
H2N
O
- H+
100 %
O
O
50 %
OH
O
14
pH = 5,67
12
H2N
50 %
H 3N
pH = 9,11 = pKS2
pH = 10,07
10
8
pH<1
pH = 2,2 = pKS1
6
4
2
0
Zugabe von Salzsäure
Wasser
Zugabe von Natronlauge
Abb.1: Tyrosin in wässriger Lösung bei verschiedenen pH - Werten366
365
366
Vgl. INT.3, S.3.
Vgl. Asselborn et al., S.373 und INT.2
332
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Aminosäuren
-
wie
auch
das
verwendete
Tyrosin
-
können
aufgrund
des
Zwitterionencharakters sowohl als Säure als auch als Base fungieren. Aminosäuren sind
daher als Ampholyte zu bezeichnen, die Puffereigenschaften besitzen. Bei niedrigem pH –
Wert, erreichbar durch Zugabe einer Säure zur Lösung, nimmt die –COO- Gruppe ein Proton
auf, so dass sich die kationische Form bildet (Vgl.Abb.1 – Zugabe von Salzsäure). Im
alkalischen Milieu hingegen gibt die -NH3+ - Gruppe ein Proton ab und das Zwitterion reagiert
zum Anion. Das genaue Gleichgewicht dieser Reaktion hängt vom pH – Wert ab. Bei einem
pH – Wert oberhalb von 9,11 überwiegt die anionische Form der Aminosäure (Vgl.Abb.1).
Liegt nun ein Großteil in anionischer Form vor (wie im alkalischen Medium) oder der
kationischen Form (wie im sauren Milieu) so steigt die Löslichkeit der Aminosäure stark an.
Der Punkt, an dem beinahe 100 % als Zwitterion vorliegt, wird als Isoelektrischer Punkt
bezeichnet. An diesem ist die Löslichkeit der Aminosäure am schlechtesten. Der
Isoelektrische Punkt bei Tyrosin liegt bei pH = 5,67.367
Ähnliches Verhalten kann auch bei Histidin festgestellt werden.368
Didaktische Auswertung:
Mit Hilfe dieses Versuches kann anschaulich das amphotere Verhalten von Aminosäuren
sowie deren unterschiedliche Löslichkeiten demonstriert werden. Dieser Versuch eignet sich
in jedem Fall als Schülerversuch, da die eingesetzten Chemikalien relativ ungefährlich sind
und der Versuch am eindrucksvollsten ist, wenn er selbst durchgeführt wird. Auch der
Aufwand für die Durchführung in Kleingruppen ist sehr gering.
Verankert ist er im Themenfeld der Aminosäuren, Peptide und Polypeptide nach dem G8Lehrplan von Hessen in Klasse 11.2. Er ist sowohl für Grundkurse als auch für Leistungskurse
geeignet. Thematisch kann der Versuch dem Feld Struktur und Eigenschaften der
Aminosäuren zugeordnet werden.
Neben der Eigenschaft der Löslichkeit kann so der Zwitterionencharakter sowie die
unterschiedlichen pKs – Werte der Aminosäuren diskutiert werden.
An dieser Stelle kann ein kurzer Rückgriff auf den Vergleich zwischen Alkoholen und
Phenolen durchgeführt werden (Vgl. Versuch 12: Vergleich Alkohol und Phenol). So kann
367
368
Vgl. Asselborn et al., S.373.
Vgl. Bruice, S.1174.
333
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
den Schülern und Schülerinnen nochmal ins Gedächtnis gerufen werden, weshalb Phenole
sauer wirken, während die Hydroxygruppe der Alkohole in wässrigem Milieu dies nicht sind.
Der Bezug zu diesem Phänomen wird durch die letzte Dissoziationsstufe der Aminosäure
hergestellt. Hier spaltet der Phenolrest der Aminosäure das Proton ab.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/715AminosaeurenProteine_Schleipen.doc
(Zugriff: 01.03.2010).
INT.2: http://www.bentz46.de/pdf/abi/org/aufgaben/Aminosaeuren%20Proteine.pdf
(Zugriff: 01.03.2010).
INT.3: http://chemdat.merck.de/documents/sds/emd/deu/de/8160/816021.pdf (Zugriff:
01.03.2010).
334
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 9:
Denaturierung von Hühnereiweiß und Milch
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
4 Minuten
Durchführung:
5 - 10 Minuten369
Nachbereitung:
1 Minute
Materialien :
Becherglas 50 mL 5 x
Becherglas 250 mL
Magnetrührer mit Heizplatte 2 x
Becherglas 200 mL
Pipette
Becherglas 100 mL
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Milch
*
Hühnerei
*
Dest. Wasser
*
Früchtetee
*
Salzsäure
(c = 5 mol/L)
*
Natriumchlorid
*
Schwarzer Tee
*
Summenformel
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
-
H2O
-
-
HCl (aq)
NaCl (s)
-
Xi
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
Menge
-
20 mL
-
1 Stück
-
350 mL
-
1 Stück
R: 36/37/38
S: 26-45
6 mL
-
1,5 g
-
1 Stück
370
369
Dieser Versuch vereint verschiedene Teilversuche zur Wirkung von Hitze und Säuren auf Proteine, die sich sinnvoll
verbinden lassen, so dass dieser trotz des etwas umfangreicheren zeitlichen Aufwandes in der Durchführung in das
Themengebiet der aufwandsarmen Schulversuche gehört.
370
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
335
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
0.Vorbereitungen:
Löffel mit Natriumchlorid
Wasser
Hühnerei
Magnetrührer
Magnetrührer
Dest. Wasser
1.Schritt:
Eiklarlösung
1.
2.Schritt:
2.
3.
4.
5.
3.Schritt:
4.Schritt:
Eiweißlösung
1.
3.
2.
Magnetrührer
Eiweißlösung
5 molare Salzsäure
Früchtetee
Eiweißlösung
5.Schritt:
6.Schritt:
4.
5.
Milch
Früchtetee
Milch
Schwarzer Tee
336
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Durchführung: 371
0. Herstellung der Lösungen:
Früchte- und Schwarzer Tee:
Erwärme in einem 250 mL Becherglas 200 mL Wasser mit Hilfe der Heizplatte eines
Magnetrührers bis zum Sieden.
Verteile das siedende Wasser auf zwei Bechergläser. Gib in jeweils ein Glas ein
Teebeutel. Lasse den Tee 3 – 5 Minuten im heißen Wasser ziehen es in der
Flüssigkeit.
Eiweißlösung:
Wiege 1,5 g Natriumchlorid ab und löse es in 150 mL dest. Wasser. Gib anschließend
das Eiweiß eines Hühnereis hinein und verrühre.
1. Fülle in drei 50 mL Bechergläser jeweils 15 mL der hergestellten Eiweißlösung. In das
vierte und fünfte Becherglas werden jeweils 15 mL Milch gegeben.
2. Stelle eines der Bechergläser auf die Heizplatte des Magnetrührers und erwärme es
bis deutlich ein Niederschlag zu erkennen ist (alternativ kann auch das Becherglas in
siedendes Wasser gestellt werden).
(Die weiteren Bechergläser 2 – 5 werden nebeneinander gut sichtbar für die Schüler
aufgestellt.)
3. Versetze Eiweißlösung 2 mit 6 mL 5 molarer Salzsäure.
4. Gib zur 3. Eiweißlösung 6 mL Früchtetee.
5. Versetze Becherglas 4, das mit Milch gefüllt ist, ebenfalls mit 6 mL Früchtetee.
6. Versetze Becherglas 5 mit 6 mL schwarzem Tee.
Beobachtungen:
Die isotonische Eiweißlösung ist eine klare, leicht trübe Lösung. Die Milch weist ihre
charakteristische weiße Farbe auf.
In Becherglas 1 kommt es nach 3 bis 4 Minuten zu einem weißen Niederschlag.
371
Vgl. Buckel / Dehnen / Dehnicke et al., S.65.
337
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Becherglas 2 zeigt sofort nach Zugabe der Salzsäure die Bildung eines weißen Niederschlags,
ebenso Becherglas 3. Die Milch flockt durch Zugabe des warmen Früchtetees aus. Bei
Zugabe des warmen Schwarzen Tees ist keine solche Veränderung zu erkennen.
Fachliche Auswertung:
Milch, wie auch das Eiweiß enthalten Proteine. Diese setzen sich aus Monomeren
Aminosäurebausteinen zusammen, die über Peptidketten miteinander verbunden sind. 10 –
100 solcher Peptide werden als Polypeptide bezeichnet. Sind mehr als 100 Aminosäuren
über Peptidbindungen miteinander verknüpft, spricht man von einem Protein.
Ein Peptid entsteht, wenn die Aminogruppe (-NH2) eines Aminosäuremoleküls mit der
Carboxylgruppe einer weiteren Aminosäure reagiert. Es handelt sich dabei, wie in Abb.1
vereinfacht dargestellt um eine Kondensationsreaktion:372
H
H
N
N
H
O
O
R
Phenyl (Phe)
1
H
R
O
N
OH
OH H
R
H
O
NH
R
+ H 2O
HO
Alanin (Ala)
Abb.1: Bildung eines Dipeptides
Da das Dipeptid weiterhin eine endständige Aminogruppe sowie eine endständige
Carboxylgruppe trägt (man spricht in diesem Zusammenhang auch von N und C –
terminalem Ende) kann durch weitere Kondensationsreaktionen größere Einheiten aus
mehreren Bausteinen bestehendes Peptid entstehen. (Vgl. Einleitung Aminosäuren).
Proteine als Peptidmoleküle, die aus mehr als 100 Aminosäuren aufgebaut sind,
unterscheiden sich nicht nur in ihrer Aminosäuresequenz (Abfolge der miteinander
verbundenen Aminosäuren, Primärstruktur genannt), sondern auch in ihrer lokalen
räumlichen Abfolge. Diese wird als Sekundärsturktur bezeichnet. Pauling und Corey
erkannten bereits in den 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts, dass Proteine mit
372
Vgl. Asselborn et al., S.376.
338
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
gleicher Aminosäuresequenz sich in 2 charakteristischen räumlichen Mustern anordnen, der
schraubenartigen Helix, sowie einer als Faltblatt Struktur (Vgl.Abb2.).
Abb.2: Ausschnitt aus einer Peptidkette mit Abb.3:
Helixkonformation
373
Ausschnitt
einer
Peptidkette
mit
Faltblattkonformation374
Darüber hinaus zeigen sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Seitengruppen und der daraus
möglichen unterschiedlichen Wechselwirkungen eine charakteristische 3-dimensionale
räumliche Anordnung des Proteinstranges. Diese Anordnung geht auf verschiedene
Wechselwirkungen zwischen den Seitengruppen zurück. So können Londonkräfte,
Wasserstoffbrückenbindungen, Disulfidbrücken sowie elektrostatische Wechselwirkungen
die Stabilität und Form der Proteine stark beeinflussen. Die stabilen Disulfidbrücken, die sich
durch Oxidation der Thioalkohol Gruppe des Cysteins mit einem weiteren Cysteinmolekül
373
374
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [10].
Vgl. Abbildungsverzeichnis, [11].
339
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
bildet, sorgen durch die entstehende kovalente Bindung für hohe Stabilität. Beispielsweise
im Kreatin (einem Protein), das in Horn und Haar enthalten ist. (Vgl. Versuch 5:
Schwefelnachweis durch Thermolyse / Vgl. Versuch 6: Oxidation von Cystein).
Besteht ein Protein aus mehreren Polypeptidsträngen und ordnen sich zu einer globalen
Anordnung (beispielsweise um ein zentrales Kation an), spricht man von einer
Quartärstruktur eines Proteins.
Ausführlicher ist dies in der Theoretischen Einleitung in dem Themengebiet der Aminosäuren
beschrieben.
Durch das Einwirken von Säuren oder Wärme von über 60 °C auf die Proteine375 kann sich
die Struktur der Proteine irreversibel verändern. Der Grund hierfür ist, dass die zur
Stabilisierung der dreidimensionalen Struktur benötigten Kräfte nur in engen Grenzen stabil
genug sind um diese aufrecht zu erhalten. Einwirkung von außen, sei es durch chemische
Stoffe oder physikalische Vorgänge, kann zum teilweisen oder vollständigen Verlust der
biologischen
Funktionsfähigkeit
der
Proteine
führen. Diese
ist
durch
sichtbare
Veränderungen gut wahrnehmbar: Beispielsweise das Ausflocken der Milch oder die
Schlierenbildung nach Zugabe von Säuren (oder auch des Früchtetees in der Eiklarlösung)
gehen auf diese irreversible Veränderung der Tertiär- und Quartärstruktur zurück. Man
spricht in diesem Fall von der Denaturierung. 376
Auch die Bildung von festem weißem Eiweiß geht auf Denaturierung der im Eiweiß
enthaltenen Proteine zurück.
Dieses Phänomen ist fast täglich beim Zubereiten des
Frühstückseis oder dem abendlichen Spiegelei zu beobachten.
Säuren und Basen ändern den pH-Wert der Lösungen, so dass die stabilisierenden
Ionenbindungen durch das Auftauchen neuer Ionen beeinflusst.377
So vermag es nicht nur die 5-molare Salzsäure durch Veränderung des pH – Wertes die
Proteine der Milch zu denaturieren, sondern auch der Früchtetee. Früchtetee wirkt aufgrund
der Fruchtsäuren ebenfalls sauer. Doch nicht nur Säuren oder Basen können zur
Denaturierung führen, auch Schwermetallionen können diese teilweise irreversible
Veränderung hervorrufen. Der Grund ist, dass die Proteine, die als Chelatliganden fungieren
375
Vgl. Asselborn et al., S.377.
Vgl. Asselborn et al., S.377.
377
Vgl. Asselborn et al., S.377.
376
340
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
können, stabile Komplexe mit den Schwermetallionen bilden können ( Vgl. Versuch 6:
Oxidation von Cystein). Bildet sich nun ein neuer Komplex zwischen Schwermetallion und
dem Protein, bedeutet das ziemlich sicher den Verlust der biologischen Funktion, die eng mit
der dreidimensionalen Struktur der Proteine verbunden ist.
Auch Reduktionsmittel können die Struktur irreversibel beeinträchtigen. So können durch
Reduktionsmittel die Disulfidbrücken im Cystin gespalten werden. Disulfidbrücken haben
jedoch einen sehr starken Einfluss, der auf die hohen Stabilität dieser Bindung zurückgeht,
auf die dreidimensionale Struktur. Durch Reduktionsmittel können Proteine ebenfalls
denaturiert werden.
Proteine sind wichtige biochemische Systeme, die im menschlichen - wie auch tierischen Stoffwechsel eine gewichtige Rolle spielen. Allerdings funktionieren sie nur in engen
Grenzen, die man als physiologische Bedingungen bezeichnen könnte. Werden diese
verändert, kann die Funktionsweise der Proteine irreversiblen Schaden nehmen.
Milch und die verwendete isotonische Eiweißlösung bestehen unter anderem aus Proteinen.
Die Milch setzt sich Beispielsweise folgendermaßen zusammen:
Milchzucker:
4,7 %
Milchfett:
3,5 % (bei Vollmilch)
Milcheiweiß (Proteine):
3,2 – 3,5 %
Vitamine: (Carotin, Vitamin A,B1,B2, C, D und E)
Mineralstoffe (Calcium, Kalium, und Phosphate).378
Der Großteil (87,5 %) der Milch besteht jedoch aus Wasser. (Die Werte variieren allerdings je
nach Sorte etwas). Die Nährstoffe - wie die Vitamine - sind teils in Wasser, teils in Öl / Fett
gelöst. Die Proteine, die in der Milch enthalten sind, werden durch die Zugabe verschiedener
Stoffe denaturiert; sichtbar wird dies durch das Ausflocken. Auf diese Weise können nun
verschiedene Substanzen der Milch oder Eiweißlösung zugegeben und auf ihre Wirkung auf
die Lösungen getestet werden.
378
Vgl. INT.2.
341
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Didaktische Auswertung:
Der Versuch vereint verschiedene Versuche zur Denaturierung von Protein- oder
Eiweißlösungen. Er weist des Weiteren einen hohen Alltagsbezug durch die Verwendung
von Lebensmitteln auf. Aufgrund des geringen Aufwandes, der überschaubaren Gefahren
der eingesetzten Stoffe ist er sehr für den Einsatz im Unterricht in Form von
‚Schülerversuchen‘ (evtl. in Lernzirkeln) zu empfehlen.
Lernziel des Versuches ist es, den Schülern und Schülerinnen den Aufbau und die Funktion
von Proteinen näher zu bringen und sie für dieses Thema zu sensibilisieren. Dies kann
dadurch gelingen, dass die Schüler auf die möglichen irreversiblen Veränderungen in
Struktur und Eigenschaften der Proteine aufmerksam gemacht werden. Die chemischen und
physikalischen Einflüsse auf die wichtige Verbindungsklasse der Proteine kann so einfach
und eindeutig aufgezeigt werden.
Gerade die starke Veränderung der Eiklarlösung, bei der es durch Erwärmen zum Ausflocken
kommt, hat großen Alltagsbezug. An dieser Stelle lässt sich sicherlich gut in das
Themengebiet einsteigen. Die irreversiblen Veränderungen sind den meisten Schülern wenn auch unbewusst - bekannt. Sie treten nämlich in dieser Form auch beim Kochen des
Frühstückseis, bzw. dem Braten des Spiegeleis auf und verändern das Lebensmittel. Die
Frage nach dem Warum könnte viele Schüler dazu bringen, sich näher mit dem Aufbau der
Aminosäuren und der Proteine zu beschäftigen. So lassen sich - falls dies noch nicht
geschehen ist - mit diesem Versuch den verschiedenen Strukturebenen, mit denen man
Proteine beschreiben kann, besprechen bzw. einführen. Eine Durchführung kann nach dem
hessischen Lehrplan (G8) sowohl im Grundkurs, wie auch im Leistungskurs im Rahmen der
Einheit „Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“
zum Unterpunkt „Aminosäuren, Peptide, Polypeptide“ erfolgen.
Der Versuch ist auch zur Durchführung als ‚Schülerversuch‘ geeignet, da außer der 5molaren Salzsäure keine allzu giftigen Chemikalien Verwendung finden. Jedoch wäre auch
eine Erweiterung des Versuches denkbar, in dem auch Schwermetallionen herangezogen
werden, die ebenfalls eine irreversible Veränderung der Tertiärstruktur hervorrufen können.
Des Weiteren ist positiv zu erwähnen, dass die Effekte rasch auftreten und Bestand haben.
Ebenso ist dieser Versuch für die fächerübergreifende Zusammenarbeit mit der Biologie
geeignet, die die Aufgaben und Eigenschaften der Proteine im Körper von einer anderen
Seite aus beleuchten können.
342
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.gmundner-milch.at/bilder/thmbn/Frischmilch%20I.jpg (Stand:
07.03.2010).
INT.2: http://www.lebensmittellexikon.de/m0000200.php (Stand: 07.03.2010).
343
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuch 10:
Tyndall – Effekt einer Eiklarlösung
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
2 Minuten
Durchführung:
3 Minuten
Nachbereitung:
2 Minuten
Materialien :
Reagenzglas 3x
Reagenzglasgestell
Glastrichter
Magnetrührer und Rührfisch
Taschenlampe
Becherglas 2x (250 mL)
Chemikalien:
Stoffbezeichnung
Summen-
Gefahrensymbole
R- und S-Sätze
Menge
formel
Hühnerei
*
Natriumchlorid
*
Dest. Wasser
*
Glaswolle
*
-
NaCl (s)
H2O
-
-
-
-
-
* keine Beschränkungen, d.h. Schülerexperimente in SI und SII möglich
379
-
1 Stück
-
2g
-
205 mL
-
etwas
379
Vgl. Belzer / Hildebrandt (2008).
344
III.
Aminosäuren
und Proteine
Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
0.Schritt:
1.Schritt:
2.Schritt:
Spatel mit NaCl
Spitzflasche dest.
Wasser
Magnetrührer
Hühnerei
Glastrichter mit
Glaswolle
Becherglas
Eiklarlösung
3.Schritt
Reagenzglas
Starke Taschenlampe
Durchführung: 380
Herstellung der Lösungen:
Eiweißlösung:
Eiweißlösung:
Wiege 2 g Natriumchlorid ab und löse es in 200 mL dest. Wasser. Gib anschließend
das Eiweiß eines Hühnereis hinein und verrühre es mit der Flüssigkeit.
380
Vgl. Schuphan / Knappe, S.120.
345
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
1. Filtriere die hergestellte Eiweißlösung in dem du sie in einen Glastrichter, der mit
Glaswolle ausgestopft ist, gibst. Fange die filtrierte Flüssigkeit in einem darunter
stehenden Becherglas auf.
2. Fülle ein Reagenzglas zur Hälfte mit Eiklarlösung, das andere zur Hälfte mit dest.
Wasser.
3. Halte nacheinander in einem abgedunkelten Raum die beiden Reagenzgläser in den
Strahlengang einer starken Taschenlampe.
4. (optional): Um Irritationen bezüglich der Rolle des Kochsalzes zu vermeiden, kann
einfach ein Reagenzglas mit einer isotonischen Kochsalzlösung gefüllt werden und
wie Reagenzglas 1 und 2 auf ihre optische Aktivität beim Durchgang des Lichtstrahls
der Taschenlampe durch die Lösung untersucht werden.
Beobachtungen:
Bei der der Eiklarlösung kann der Lichtstrahl der Taschenlampe durch die Lösung hindurch
verfolgt werden, während das Wasser in Reagenzglas II optisch leer wirkt. Der Lichtstrahl
demnach auch von der Seite zu erkennen ist.
Fachliche Auswertung:
Durch die Zugabe des Eiklars und der anschließenden Filtration durch die Glaswolle entsteht
eine klare Lösung, die sich aber doch von der klaren wässrigen Lösung unterscheidet.
Genauer betrachtet handelt es sich bei der Eiklarlösung um eine kolloidale Verteilung von
Proteinen. Diese werden bei Zugabe von Wasser nicht zerstört sondern bleiben in der
Schwebe. Wirken auf den ersten Blick beide Lösungen (evtl. auch die dritte, die reine
Kochsalzlösung) noch gleich, so wird der Unterschied beim Einbringen in den Strahlengang
der Taschenlampe sichtbar.
Der so genannte Faraday-Tyndall-Effekt, beschreibt den Effekt der Lichtstreuung beim
Durchgang durch ein trübes Medium. Dabei verursacht eine kolloidale Lösung, (Teilchen
deren Größe zwischen der von Atomen bzw. Molekülen und makroskopischen Teilchen liegt)
eine Streuung die bei Betrachtung senkrecht zum Strahlengang. Diese Streuung kann dabei
beobachtet werden, wodurch der Strahlengang des Lichtstrahls sichtbar wird. 381
381
Vgl. Deckwer et al..
346
III.
Experimenteller Teil
Aminosäuren
und Proteine
In kolloiden Systemen, wie der verwendeten Eiklarlösung sind die Teilchen fein verteil in
einer Lösung und quasi in der Schwebe. Das besondere bei kolloidalen Systemen ist, dass die
Zahl der energiereichen Oberflächenatome nicht mehr gegen die Zahl der Teilchen im
Phaseninneren zu vernachlässigen ist. Die Größe der kolloiden Teilchen liegt zwischen 1 und
bis zu 1000 nm.
Dieser Effekt ist typisch für kolloidale Systeme. In der Natur ist dieser Effekt bei Nebel zu
beobachten. Hier sind feinverteilte Wassertröpfchen in einem Gas zu beobachten.
Didaktische Auswertung:
Das Phänomen des Tyndall – Effektes, dass bei diesem Versuch zu beobachten ist, tritt nicht
nur bei Proteinen auf. Es ist also ein spezifisches für Proteinlösungen, sondern eines das
allgemein bei feinverteilten Teilchen in einer Lösung (oder feinen Tröpfchen in einem Gas) zu
beobachten ist. Trotzdem ist es ein schöner Versuch, der indirekt zeigt, welche Größe die
Proteine doch haben müssen, damit sie diesen Effekt hervorrufen.
Der Versuch kann daher im Themenfeld der Aminosäuren und Proteine untergebracht
werden.
Entsorgung:
Die Lösungen können neutral im Ausguss entsorgt werden.
Literatur:
Internetquellen:
INT.1: http://www.chids.de/dachs/expvortr/715AminosaeurenProteine_Schleipen.doc
(Zugriff: 05.03.2010).
347
IV.
Unterrichtsmaterialien
IV. Unterrichtsmaterialien
Im folgenden Kapitel sind Unterrichtsmaterialien angefügt, die die Inhalte des
vorangegangenen ‚Experimentellen Teils‘ der Arbeit vertiefen sollen. Sie stellen damit eine
Ergänzung zu diesem dar.
Jedem Arbeitsblatt ist eine kurze Beschreibung vorangestellt, die dabei helfen soll, sich
schnell einen Überblick zu verschaffen. An jedes Arbeitsblatt folgt jeweils ein Lösungsblatt.
Die Antworten sind dabei farbig hervorgehoben.
Die Arbeitsblätter sind so gestaltet, dass sie möglichst ohne große Umgestaltungsarbeiten
Anwendung im Unterricht finden können. Bei Bedarf können diese natürlich jederzeit
individuell angepasst werden.
Ob und in welcher Form diese Arbeitsblätter Anwendung finden, liegt im Ermessen des
Lehrers.
Zum besseren Navigieren in der Arbeit, ist das Inhaltsverzeichnis mit Verlinkungen versehen,
so dass durch einen Klick auf die Seitenzahl, mit der linken Maustaste bei gedrückter „Strg“Taste, ein Sprung an die entsprechende Stelle in der Arbeit gelingt.
348
Arbeitsblatt
Mischbarkeit von Alkoholen
Arbeitsblätter zum Thema Alkanole
Arbeitsblatt:
Mischbarkeit von Alkoholen
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt schließt an den Versuch zur ‘Mischbarkeit von Alkoholen‘
an und soll dabei helfen, den Inhalt dieses Versuches zu vertiefen.382
382
Jedem Arbeitsblatt ist eine kurze Infoseite vorangestellt, die der Übersichtlichkeit dienen soll, so dass mit
Hilfe des interaktiven Inhaltsverzeichnisses besser in der Arbeit navigiert werden kann. Darüber hinaus soll
diese Infoseite einen kurzen Überblick über das Arbeitsblatt verschaffen und die Auswahl erleichtern. Um zu
gewährleisten, dass diese Arbeitsblätter möglichst ohne große Umgestaltungsarbeiten einfach in den
Unterricht integriert werden können wurde bewusst darauf verzichtet, diese Angaben auf das Arbeitsblatt
selbst zu schreiben.
349
Arbeitsblatt
Mischbarkeit von Alkoholen
Aufgabe: Vervollständige die abgebildete Übersicht!
Heptan
 Mischt sich
 Misch sich nicht
Hydrophil
Polar
Wasser
a) Zeichne die
Wechselwirkungen
zwischen den Heptan
Molekülen.
b) Wie lautet jeweils
der Name der
Wechselwirkung:
 Mischt sich
 Misch sich nicht
Alkyl-Rest
c) Zeichne jeweils die
Wechselwirkungen
zwischen den
einzelnen
Molekülteilen des
Ethanol Moleküls.
 Mischt sich
 Misch sich nicht
Ethanol
Hydroxygruppe
d) Wie lautet jeweils
der Name der
Wechselwirkung:
350
Lösungsblatt
Mischbarkeit von Alkoholen
Aufgabe: Vervollständige die abgebildete Übersicht!
Hydrophob
unpolar
H
H
 Mischt sich nicht
Heptan
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
b) Wie lautet jeweils
der Name der
Wechselwirkung?
Van-der-Waals-Wechselwirkung
Wasserstoffbrückenbindungen
 Mischt sich
 Mischt sich
Alkyl-Rest
Unpolar
c) Zeichne jeweils die
Wechselwirkungen
zwischen den
einzelnen
Molekülteilen des
Ethanol Moleküls.
Wasser
a) Zeichne die
Wechselwirkungen
zwischen den
Heptan -Molekülen.
H
H
Hydrophil
Polar
Ethanol
Hydroxygruppe
Polar
Hydrophob
Hydrophil
H
H
C
C
H
H
H
H
C
OH
H
H
H
H
C
O
H
H
O
H
H
H
C
H
C
H
H
C
C
H
H
OH
Van-der-WaalsWechselwirkungen
H
H
Wasserstoffbrückenbindungen
d) Wie lautet jeweils der
Name der
Wechselwirkung?
351
Arbeitsblatt
50 + 50 = 100 ?
Arbeitsblatt:
Volumenkontraktion: 50 + 50 = 100 ?
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt behandelt thematisch das Phänomen der
Volumenkontraktion. Mit Hilfe eines Schülerversuches und anschließenden Fragestellungen
durch die Schüler und Schülerinnen soll versucht werden, das Phänomen besser zu
verstehen.
Vorbereitungen durch den Lehrer:
Materialien pro Gruppe:
Reagenzglasständer
Streichhölzer
Messer
Benötigte Chemikalien:
Ethanol (w=0,96):
Für jede Gruppe werden 3 - 4 mL
benötigt.
2 Reagenzgläser
Pipetten
Filterpapier
Octan-1-ol:
Für jede Gruppe werden 3 - 4 mL
benötigt.
Sudanrot:
Zum Anfärben der Alkohole
352
Arbeitsblatt
50 + 50 = 100 ?
Versuchsvorschrift:
Materialien:
Reagenzglasgestell mit Reagenzgläsern, Streichhölzer, Spatel
Chemikalien:
Wasser, Ethanol, Octan-1-ol
Gefahren
Hinweise:
-
Schutzbrille tragen!
-
Octan-1-ol wirkt reizend,
deshalb Hautkontakt vermeiden!
Durchführung:
0. Die Alkohole werden vom Lehrer mit Sudanrot eingefärbt.
1. Miss mit Hilfe eines Messzylinders genau 50 mL Ethanol ab. Fülle diese
anschließend in einen 100 mL Messzylinder.
2. Miss nun genau 50 mL destilliertes Wasser ab und fülle es zum Ethanol.
3. Notiere das Volumen des Gemisches sowie das Löslichkeitsverhalten.
4. Der 50 mL Messzylinder wird gespült und mit genau 50 mL Octan-1-ol gefüllt.
Dieses wird in einen weiteren 100 mL Messzylinder gegossen.
(Es darf nichts daneben gehen!)
5. Miss nun erneut genau 50 mL destilliertes Wasser ab und fülle es zum Octan-1-ol.
6. Notiere auch hier das Volumen des Gemisches sowie dessen Löslichkeitsverhalten
-------7. Nach Beendigung des Versuchen ist der Inhalt der Messzylinder im vorgesehen
Abfallbehälter zu sammeln, dann zu spülen und in die Kästen des Lehrerwagens
zurück zu legen.
Beantworte die folgenden Fragen in Deinem Heft. Fertige zuvor ein kurzes
Ergebnisprotokoll mit Versuchsaufbau und Deinen Beobachtungen an:
I. Zeichne die Strukturformeln der verwendeten Alkohole (Ethanol und Octan-1-ol).
II. Markiere jeweils polare und unpolare Teile des Moleküls.
III. Handelt es sich bei Wasser um eine polaren oder einen unpolaren Stoff?
IV. Wie kann man die „Polarität / Unpolarität“ beim Molekül Wasser erklären?
Tipp: Denk an die unterschiedlichen Elelektronegativitäten!
353
Arbeitsblatt
50 + 50 = 100 ?
V. Welche der folgenden Stoffe lösen sich in Wasser? Begründe kurz!
 Zucker
 Kochsalz
 Olivenöl
 Vitamine
 Iod
 Butter
VI. Wie lautet der Merksatz zur Löslichkeit?
VII. Wodurch lässt sich die Verkleinerung des Volumens (Volumenkontraktion) erklären?
Tipp: Was passiert beim Vermischen von 50 mL Erbsen mit
50 mL Linsen? Wodurch lässt sich hier das auftretende
Phänomen erklären?
VIII. ZUSATZ: Erkläre kurz was Wasserstoffbrückenbindungen sind. Wie könnten diese bei der
Erklärung des Phänomens der Volumenkontraktion helfen?
354
Lösungsblatt
50 + 50 = 100 ?
Beantworte die folgenden Fragen in Deinem Heft. Fertige zuvor ein kurzes
Ergebnisprotokoll mit Versuchsaufbau und Deinen Beobachtungen an:
I. Zeichne die Strukturformeln der verwendeten Alkohole (Ethanol und Octan-1-ol):
H
H
H
C
C
H
H
OH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
Ethanol
OH
Octan-1-ol
II. Markiere polare und unpolare Teile des Moleküls:
Ethanol
Octan-1-ol
III. Handelt es sich beim Wasser um eine polaren oder einen unpolaren Stoff?
Wasser ist ein polarer Stoff.
IV. Wie kann man die Polarität beim Molekül Wasser erklären?


Polare Stoffe, wie Wasser, zeichnen sich durch ein permanentes Dipolmoment
aus. Ein Dipolmoment entsteht, wenn ein Atom einer Atombindung aufgrund
O
H



H
der höheren EN die Bindungselektronen stärker an sich heranzieht, wodurch im
Molekül ein negativer (𝜹-) und positiver Pol (𝜹+) entsteht. Sind diese räumlich
voneinander getrennt, spricht man von einem permanenten Bindungsmoment.
V. Welche der folgenden Stoffe lösen sich in Wasser? Begründe kurz:
Zucker, Kochsalz und die wasserlöslichen Vitamine
VI. Wie lautet der Merksatz zur Löslichkeit?
Für die Mischbarkeit der Substanzen gilt der Grundsatz „similia smilibus solvuntur“
(„Ähnliches wird in Ähnlichem gelöst“). Die Ähnlichkeit spielt auf den Polarität der sich
mischenden Stoffgruppen an.
355
50 + 50 = 100 ?
Lösungsblatt
VII. Wodurch lässt sich die Verkleinerung des Volumens (Volumenkontraktion) erklären?
-
Beim Vermischen der Erbsen und Linsen ist es die Tatsache, dass sie unterschiedlich
groß sind, und die kleineren Linsen in die Zwischenräume der größeren Erbsen rutschen
können. Dies ist allerdings nur eine stark vereinfachte
Erklärung des Phänomens der Volumenkontraktion.
-
Bei Wasser und Ethanol spielen die Anziehungskraft
und das engere Zusammenrutschen eine Rolle. Das
folgende Schaubild soll dieses verdeutlichen:
Wasserstoffbrückenbindungen (hier rot dargestellt)
sorgen dafür, dass sich Wasser- und Ethanolmoleküle
im Gemisch stärker anziehen als sie es in den reinen Flüssigkeiten tun würden. Zwar gibt
es im reinen Wasser - wie auch in reinem Ethanol – Wasserstoffbrückenbindungen, die
sich zwischen den Molekülen ausbilden, doch vermögen es die kleineren
Wassermoleküle sich zwischen die größeren Ethanolmoleküle einzulagern.
VIII. ZUSATZ: Erkläre kurz, was Wasserstoffbrückenbindungen sind. Wie könnten diese bei der
Erklärung des Phänomens der Volumenkontraktion helfen?
Siehe Erklärung VII.
356
Arbeitsblatt
Mehrwertige Alkohole
Arbeitsblatt:
Mehrwertige Alkohole
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt widmet sich dem Themenkomplex der mehrwertigen
Alkohole.
357
Arbeitsblatt
Mehrwertige Alkohole
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.Der einfachste einwertige Alkohol, der als wichtige Grundsubstanz für die chemische
Industrie dient, aber auch wegen seiner Giftigkeit bekannt ist, ist _______________.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“ farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau.
Summenformel:
Strukturformel:
II.Der einfachste zweiwertige Alkohol ist _______________, auch Glykol genannt. Es wird als
Frostschutzmittel verwendet.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“ farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau.
Summenformel:
Strukturformel:
III.Der wichtigste dreiwertige Alkohol ist ___________________, auch als Glycerin bekannt. Er
kommt als Grundbaustein in Fetten vor.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“, farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau.
Summenformel:
Strukturformel:
358
Arbeitsblatt
Mehrwertige Alkohole
IV.Fülle die abgebildete Tabelle aus: Zeichne zuerst die Strukturformeln der angegebenen
Stoffe. Vergleiche anschließend ihre Eigenschaften. Kennzeichne, durch keilförmige Pfeile,
inwieweit sich die jeweiligen Eigenschaften der Alkohole verändern (Zu- bzw. Abnahme).
Propan-1-ol
Propan-1,3-diol
Propan-1,2,3-triol
Strukturformel
Eigenschaften
Siedetemperatur
Viskosität
Löslichkeit mit Benzin
V.Zusatz: Erstelle einen „Steckbrief“ zu einem der in Aufgabe 1 – 4 angegebenen Alkohole.
Informiere Dich dazu in Deinem Lehrbuch oder dem Internet. Der Steckbrief sollte folgende
Punkte enthalten:
Name der Verbindung, Summenformel, Strukturformel, Molare Masse, Schmelztemperatur,
Siedetemperatur, Aggregatzustand, Dichte, Brennbarkeit, Löslichkeit in Wasser,
Verwendung.
Steckbrief: 1,2-Ethandiol
359
Lösungsblatt
Mehrwertige Alkohole
I.Der einfachste einwertige Alkohol der als wichtige Grundsubstanz für die chemische
Industrie dient, wegen seiner Giftigkeit bekannt ist, ist Methanol.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“ farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau. Wie ist die Wertigkeit des Alkohols?
Summenformel:
Strukturformel:
H
CH4O
H
C
H
OH
II.Der einfachste zweiwertige Alkohol ist 1,2-Ethandiol, auch Glykol genannt. Es wird als
Frostschutzmittel verwendet.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“ farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau. Wie ist die Wertigkeit des Alkohols?
Summenformel:
Strukturformel:
H
H
C
C
OH
OH
C2H6O2
H
H
III.Der wichtigste dreiwertige Alkohol ist 1,2,3-Propantriol, auch als Glycerin bekannt. Er
kommt als Grundbaustein in Fetten vor.
Gib die Summen- und Strukturformel des Moleküls an. Gestalte anschließend das
„BallandStickmodell“, farbig: Kohlenstoff (C) schwarz, Sauerstoff (O) rot und Wasserstoff (H)
grau. Wie ist die Wertigkeit des Alkohols?
Summenformel:
Strukturformel:
H
H
H
C
C
C
OH
OH
OH
C3H8O3
H
H
360
Lösungsblatt
Mehrwertige Alkohole
IV.Fülle die abgebildete Tabelle aus: Zeichne zuerst die Strukturformeln der angegebenen
Stoffe. Vergleiche anschließend ihre Eigenschaften. Kennzeichne, durch keilförmige Pfeile,
inwieweit sich die jeweiligen Eigenschaften der Alkohole verändern (Zu- bzw. Abnahme).
Propan-1-ol
Propan-1,3-diol
Propan-1,2,3-triol
Strukturformel
H
Eigenschaften
H
H
OH
C
C
C
H
H
H
H
H
OH
H
OH
C
C
C
H
H
H
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
H
H
H
H
Siedetemperatur
Viskosität
Löslichkeit mit Benzin
V.Zusatz: Erstelle einen „Steckbrief“ zu einem der in Aufgabe 1 – 4 angegebenen Alkohole.
Informiere Dich dazu in Deinem Lehrbuch oder dem Internet. Der Steckbrief sollte folgende
Punkte enthalten:
Name der Verbindung, Summenformel, Strukturformel, Molare Masse, Schmelztemperatur,
Siedetemperatur, Aggregatzustand, Dichte, Brennbarkeit, Löslichkeit in Wasser,
Verwendung.
Steckbrief: 1,2-Ethandiol
Name der Verbindung:
Summenformel:
Molare Masse:
Schmelztemperatur:
Siedetemperatur:
Aggregatzustand:
Dichte:
Eigenschaften:
1,2-Ethandiol
C2H6O2
62 g/mol
-16 °C
197 °C
flüssig bei 20 °C
1,11 g/cm3
farblose viskose Flüssigkeit.
Brennbarkeit:
Löslichkeit in Wasser:
Löslichkeit in Benzin:
Verwendung:
gut brennbar, verbrennt vollständig
löst sich gut in Wasser
schlecht löslich
Herstellung von Polyestern (PET), Korrosionsschutzmittel,
Kühlmittel,
361
Mehrwertige Alkohole
Lösungsblatt
Steckbrief: Glycerin
Name der Verbindung:
Summenformel:
Molare Masse:
Schmelztemperatur:
Siedetemperatur:
Aggregatzustand:
Dichte:
Eigenschaften:
1,2,3-Propantriol
C3H8O3
92 g/mol
18,2 °C
290 °C
flüssig bei 20 °C
1,26 g/cm3
Wasserfreies Glycerin ist eine hochviskose, sirupartige,
stark wasseranziehende, süß schmeckende Flüssigkeit.
Brennbarkeit:
Löslichkeit in Wasser:
Löslichkeit in Benzin:
Verwendung:
gut brennbar, verbrennt vollständig
löst sich gut in Wasser
unlöslich
wichtige chemische Grundsubstanz zur vielseitigen
Anwendung, zum Beispiel der zur Synthese von
Kunststoffen, Harzen, Ölen, Sprengstoffen. Glycerin dient
des Weiteren als Frostschutzmittel und findet in
Kosmetika als Feuchthaltemittel Einsatz.
Steckbrief: Methanol
Name der Verbindung:
Summenformel:
Molare Masse:
Schmelztemperatur:
Siedetemperatur:
Aggregatzustand:
Dichte:
Eigenschaften:
Methanol
CH4O
32 g/mol
-98 °C
65 °C
flüssig bei 20 °C
0,79 g/cm3
Wasserähnliche, klare und sehr giftige Flüssigkeit.
Verdampft bei 65°C
Brennbarkeit:
Löslichkeit in Wasser:
Löslichkeit in Benzin:
Verwendung:
gut brennbar, verbrennt vollständig
löst sich gut in Wasser
unlöslich
wichtige chemische Grundsubstanz. Anwendung zur
Synthese von Formaldehyd, Essigsäure, MTBE, Harzen.
Verwendung als Brennstoff in Motoren in PKW, sowie
Rennwagen.
362
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch KMnO4
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer
Alkohole durch Kaliumpermanganat
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt behandelt thematisch die unterschiedlichen Reaktionen
primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole mit Kaliumpermanganat. Es ist als Arbeitsblatt
mit Schülerversuch ausgelegt an den sich vertiefende Fragen zum Themengebiet
anschließen.
Vorbereitungen durch den Lehrer:
Materialien allgemein:
Materialien pro Gruppe:
Becherglas 250 mL
Sammelbehälter für Abfälle
Waage
Messpipette 50 mL
Reagenzglasgestell
2 Pipetten
3 Reagenzgläser
Anzusetzende Lösungen:
Kaliumpermanganat-Lösung c = 0,0006
(Für jede Gruppe werden 3 - 4 mL
Benötigt).
Natronlauge c = 1
𝒎𝒐𝒍
:
𝑳
𝒎𝒐𝒍
:
𝑳
0,005 g KMnO4 in 50 mL dest.
Wasser lösen.
𝒎𝒐𝒍
30 mL Natronlauge c = 1 𝑳
zugeben.
1,2 g festes NaOH in 30 mL Wasser
363
Arbeitsblatt
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch KMnO4
Versuchsvorschrift:
Materialien:
Reagenzglasgestell mit 3 Reagenzgläsern, 3 Pipetten, Pipettenhütchen
Chemikalien:
Vorbereitete alkalische Kaliumpermanganat-Lösung c =0,0006
Propan-2-ol, Tert.Butanol.
Gefahren /
Hinweise:
Durchführung:
𝒎𝒐𝒍
𝑳
, Propan-1-ol,
-
Schutzbrille tragen!
-
Natronlauge wirkt ätzend!
-
Die Alkohole wirken reizend, Tert.Butanol wirkt gesundheitsschädlich,
daher längeren Hautkontakt vermeiden.
1. In jedes der 3 Reagenzgläser werden 3 mL der vorbereiteten
alkalischen Kaliumpermanganat – Lösung gegeben.
2. Zu jedem mit KMnO4-Lösung gefüllten Reagenzglas wird eine Pipettenfüllung
des Alkohols gegeben: RG 1: Propan-1-ol, RG 2: Propan-2-ol, RG 3: tert.Butanol.
3. Beobachte die Reagenzgläser. Achte auf die Farbänderungen.
-------4. Nach beendeten Versuchen: Die Lösungen in den Sammelbehälter für
organische Abfälle geben, Reagenzgläser spülen und in die Kästen des
Lehrerwagens legen.
Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft. Fertige zuvor ein kurzes
Versuchsaufbau und Beobachtungen an:
Protokoll mit
Aufgabe:
I. Zeichne die Strukturformeln der eingesetzten Alkohole! Kennzeichne, ob es sich dabei um einen
primären, sekundären oder tertiären Alkohol handelt!
II. Wie hilft dir diese Reaktion bei der Unterscheidung von primären, sekundären und tertiären
Alkoholen?
III. Wodurch lassen sich die unterschiedlichen Farben der Lösungen erklären?
IV. Welche Funktion hat das eingesetzte Kaliumpermanganat? Wie ist die Oxidationsstufe des
Mangans im Permanganat?
V. Welche Verbindungen entstehen aus dem primären Alkohol und welche aus dem sekundären
Alkohol?
VI. Welche Reaktion/ Reaktionen zur Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole
kennst du noch?
364
Lösungsblatt
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch KMnO4
I. Zeichne sie Strukturformeln der eingesetzten Alkohole. Kennzeichne, ob es sich dabei um einen
primären, sekundären oder tertiären Alkohol handelt!
H
H
H
H
C
C
C
H
H
OH
H
H
H
H
H
C
C
C
H
OH
H
(l)
H
H
Propan-2-ol
C
OH
H3C
(l)
Primärer Alkohol: Das
Kohlenstoffatom, das die
Hydroxygruppe trägt, ist nur mit
einem weiteren
Kohlenstoffatom verbunden.
C
C
C
H
OH
H
Tert.Butanol
(2-Methylpropan-2-ol)
OH
0
H
H
(l)
OH
H3C
CH3 H
(l)
Propan-1-ol
-I
H
C
CH 3
(l)
Sekundärer Alkohol: Das
Kohlenstoffatom, das die
Hydroxygruppe trägt, ist mit
zwei weiteren
Kohlenstoffatomen verbunden.
H3C
+I
CH 3
CH3
(l)
Tertiärer Alkohol: Das
Kohlenstoffatom, das die
Hydroxygruppe trägt, ist mit
drei weiteren
Kohlenstoffatomen verbunden.
II. Wie hilft diese Reaktion bei der Unterscheidung von primären, sekundären und tertiären
Alkoholen?
Durch die unterschiedlich gefärbten Lösungen können primäre, sekundäre und tertiäre
Alkohole unterschieden werden. Die verschiedenen Farben gehen auf die unterschiedlichen
Oxidationsstufen des Mangans zurück.
Bei primären Alkoholen, hier Propan-1-ol, findet eine Reduktion bis zum Braunstein
(Mangan in der Oxidationsstufe +IV) statt.
Dieser Braunstein färbt die Lösung
charakteristisch braun.
Der primäre Alkohol wird hierbei bis zur Carbonsäure oxidiert.
Bei sekundären Alkoholen, hier Propan-2-ol, findet eine Reduktion des vorgegebenen
Permanganats bis zum Manganat(V) statt. In der Folge kommt es zu einer
Komproportionierung in der Mangan(V) und Mangan(VII) zum grünen Mangan(VI)
reagieren. Dies färbt die Lösung charakteristisch grün.
Der sekundäre Alkohol - Propan-2-ol - wird hierbei zum Keton, also dem Propan-2-on
oxidiert.
Beim tertiären Alkohol findet keine Reaktion statt.
OH
+I
H3C
+
+VII
MnO4
(aq)
CH3
CH3
(l)
III. Wodurch lassen sich die unterschiedlichen Farben der Lösungen erklären?
Siehe II.
365
Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch KMnO4
Lösungsblatt
IV. Welche Funktion hat das eingesetzte Kaliumpermanganat? Wie ist die Oxidationsstufe des
Mangans im Permanganat?
- Das Permanganat fungiert als Oxidationsmittel, das selektiv mit den unterschiedlichen
Alkoholen reagiert. So ist eine Unterscheidung dieser möglich.
-
+VII
MnO4
(aq).
Das eingesetzte Permanganat – Ion hat die Oxidationsstufe + VII.
V. Was für Verbindungen entstehen aus dem primären Alkohol und was für eine aus dem
sekundären Alkohol?
- Aus dem primären entsteht zunächst ein Aldehyd, der aber weiter zur Carbonsäure
oxidiert werden kann.
- Aus dem sekundären Alkohol entsteht ein Keton. Hier ist keine Weiteroxidation
möglich.
VI. Welche Reaktion/ Reaktionen zur Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole
kennst du noch?
- Unterscheidung durch Lucas – Reagenz.
366
Arbeitsblatt
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Arbeitsblatt:
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt soll bei der Strukturaufklärung von Ethanol helfen. Es
beinhaltet einen ‚Schülerversuch‘, dem sich vertiefende Fragen anschließen sollten.
Vorbereitungen durch den Lehrer:
Materialien pro Gruppe:
Reagenzglasständer
Streichhölzer
Messer
2 Reagenzgläser
Pipetten
Filterpapier
Benötigte Chemikalien:
Ethanol (w=0,96):
Für jede Gruppe werden
3 - 4 mL benötigt.
Natrium:
Für jede Gruppe wird ein
erbsen-großes Stück
benötigt.
367
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Arbeitsblatt
Versuchsvorschrift:
Materialien:
Reagenzglasständer mit 2 Reagenzgläsern, Streichhölzer, Pinzette, Messer, Filterpapier
Chemikalien:
Ethanol (w=0,96), Natrium
Gefahren /
Hinweise:
-
Schutzbrille tragen!
-
Natrium wirkt ätzend!
Natrium ist leicht entzündlich!
Natrium darf nicht in Kontakt
mit Wasser kommen!
Durchführung:
1. Zuerst wird mit Hilfe einer Pinzette
etwas
Natrium
aus
dem
Vorratsfläschchen geholt und auf ein
Filterpapier gelegt.
2. Nun wird mit einem Messer ein ca. 1
cm3 großes Stück herausgeschnitten.
Als nächstes wird durch Kratzen das
abgeschnittene Natriumstück von der
Oxidschicht befreit.
3. Mit Hilfe eines Spatels wird das
Natriumstück in das mit 3 mL
Ethanol (w = 0,96) gefüllte
Reagenzglas geworfen.
4. Das dabei entstehende Gas wird
mit einem leeren Reagenzglas
aufgefangen.
5. Ein Holzspan wird durch ein
Feuerzeug
zum
Glimmen
gebracht und vorsichtig in das mit dem aufgefangenen Gas gefüllte Reagenzglas getaucht.
--------
6. Nach Beendigung der Versuche: Reagenzgläser spülen und in die Kästen des Lehrerwagens
zurück legen.
368
Arbeitsblatt
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Beantworte die folgenden Aufgaben in deinem Heft:
Aufgabe 1:
I.
Zeichne die beiden Funktionsisomere zu: C2H6O
II.
Zu welchen Stoffgruppen gehören sie?
III.
Was sind Funktionsisomere? Charakterisiere kurz.
Aufgabe 2:
I.
Vervollständige folgende Reaktionsgleichung:
Tipp: Formuliere die Reaktionsgleichung analog zu der aus der Mittelstufe
bekannten Reaktion von Natrium mit Wasser.
H2O +
Na
(s)
+
+
+ Na (s)
+
+
II.
Warum dient dieser Versuch der Strukturaufklärung? Wie reagieren die beiden
Funktionsisomere mit dem Alkalimetall?
III.
Wie lautet der Name der Nachweisreaktion?
IV.
Welches Element wird nachgewiesen?
V.
ZUSATZ: Wie läuft die Nachweisreaktion im Detail ab? Beantworte mittels
Reaktionsgleichungen!
VI.
Wo findet diese Reaktion Anwendung?
369
Lösungsblatt
Reaktion von Ethanol mit Natrium
Aufgabe 1:
I.
Zeichne die beiden Funktionsisomere zu: C2H6O
H
H
H
H
-I
-III
C
C
H
H
-II C
O
H
H
III.
H H
C -II
H
(l )
(l )
Dimethylether: Stoffgruppe der Ether
Ethanol: Stoffgruppe der Alkohole
II.
H
O
Zu welchen Stoffgruppen gehören sie?
Siehe I.
Funktionsisomere sind Verbindungen wie das verwendeten Ethanol und der
Dimethylether. Sie besitzen zwar dieselbe Summenformel, jedoch unterschiedliche
räumliche Strukturen sowie unterschiedliches Reaktionsverhalten.
Aufgabe 2:
I.
Erkläre die ablaufende Reaktion mit Hilfe von Reaktionsgleichungen:
Gesamtreaktion:
+I
0
2 H2O + 2 Na
H
2 H
H
C
C
H
H
O
+
0
2 OH (aq) + H 2
-
(s)
0
2 Na (s)
H
2H
H +I
(l)
+I
+
(g) + 2 Na
H
C
C
H
H
O
-
(aq)
0
+I
+
+ 2 Na (aq) + H 2 (g)
II.
Warum dient dieser Versuch der Strukturaufklärung? Wie reagieren die beiden
Funktionsisomere mit dem Alkalimetall?
Alkohol reagiert nach der Reaktion von I.
Wasserfreier Dimethylether reagiert nicht mit Natrium unter Wasserstoffentwicklung.
III.
Wie lautet der Name der Nachweisreaktion?
Knallgasprobe
370
Lösungsblatt
Reaktion von Ethanol mit Natrium
IV.
Welches Element wird nachgewiesen?
Wasserstoff
V.
ZUSATZ: Wie läuft die Nachweisreaktion im Detail ab? Beantworte mittels
Reaktionsgleichungen.
Es handelt sich um eine verzweigte Kettenreaktion, die wie folgt beschrieben werden
kann:
Energie ()
H
H
H + O2
HO + O
O + H2
HO + H
HO + H2
H2 O + H
HO + H
H2O
O + H2
VI.
2H
H2O
(8) - Kettenstart
(9 – 11) - Kettenreaktion mit
Kettenverzweigung
(12 – 13) Kettenabbruchsreaktionen
Wo findet diese Reaktion Anwendung?
Raketenantrieb, Brennstoffzellen, Knallgasbrenner. In diesen Beispiel jedoch immer
Kontrolliert.
371
Arbeitsblatt
Alkoholische Gärung
Arbeitsblatt:
Alkoholische Gärung
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt stellt ein Rätsel zum Thema Alkoholische Gärung dar. Auf
diese Art soll das Themengebiet, das im Versuch Alkoholische Gärung behandelt wurde, für
die Schüler vertieft werden.
372
Arbeitsblatt
Alkoholische Gärung
Aufgabe 1: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
1
2
3
4
5
6
7
[1] Wie heißt das älteste Verfahren zur Ethanol Gewinnung?
[2] Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung:
Wie heißt das entstehende Gas?
[Hefepilze]
C6H12 O 6
+
(aq)
[3] Häufiger Alkoholkonsum kann zu einer Krankheit führen, wie nennt man diese?
[4] Wie kann hochprozentiger, reiner Alkohol gewonnen werden?
[5] Wie wird der Trinkalkohol chemisch bezeichnet?
[6] Wo findet hochprozentiger Alkohol in der Medizin Anwendung?
[7] Mit welcher Maßeinheit wird der Blutalkoholspiegel angegeben?
Lösungswort: __ __ __ __ __ __ __
Aufgabe 2: Bearbeite folgende Aufgaben!
[1] Wie kann man das bei Aufgabe 1 [2] entstehende Gas nachweisen?
[2] Zeichne die Strukturformel von Ethanol. Gib die wichtigen Oxidationsstufen an!
373
Lösungsblatt
Alkoholische Gärung
Aufgabe 1: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
1
2
3
4
5
6
7
K O
A
D E S T I L L A T
E
D E S I N F E K T
P R O M
G
H
L
I
T
I
I
A
L
K
O
H
O
L
E
E
O
N
A
N
L
R U N G
N D I O X I D
H O L I S M U S
N O L
E
[1] Wie heißt das älteste Verfahren zur Ethanol Gewinnung? Gärung
[2] Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung:
Wie heißt das entstehende Gas? Kohlendioxid
C6H12 O 6
[Hefepilze]
(aq)
2 CO2
(g) +
2 CH3CH 2OH (aq)
[3] Häufiger Alkoholkonsum kann zu einer Krankheit führen, wie nennt man diese?
Alkoholismus
[4] Wie kann hochprozentiger, reiner Alkohol gewonnen werden. Destillation
[5] Wie wird der Trinkalkohol chemische bezeichnet? Ethanol
[6] Wo findet hochprozentiger Alkohol in der Medizin Anwendung? Desinfektion
[7] Mit welcher Maßeinheit wird der Blutalkoholspiegel angegeben? Promille
Lösungswort:
A L K O H O L
Aufgabe 2: Bearbeite folgende Aufgaben!
[1] Wie kann man das bei Aufgabe 1 [2] entstehende Gas Nachweisen? Durch einleiten
in Calciumhydroxidwasser (Kalkwasser).
[2] Zeichne die Strukturformel von Ethanol. Gib die wichtigen Oxidationsstufen an!
H H
-I
-III
H
C
C
H
H
O
H
(l )
Ethanol: Stoffgruppe der Alkohole
374
Arbeitsblatt
Allgemeines zum Thema Alkohole
Arbeitsblatt:
Allgemeines zum Thema Alkohole
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt, das in Rätselform gestaltet wurde, umfasst verschiedene
Aspekte zum Thema Alkohole und könnte am Ende einer Einheit zu diesem Thema stehen.
Es könnte als kleiner Leistungscheck für die Schüler selbst stehen.
375
Arbeitsblatt
Allgemeines zum Thema Alkohole
Aufgabe 1: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
1
2
3
4
5
6
7
8b
9
10
11
12
13
[1] Wie heißt das Funktionsisomer von Ethanol?
[2] Wie heißt das erste Oxidationsprodukt eines primären Alkohols?
Tipp: 1. Kohlenstoff trägt die Oxidationszahl +III. 2. Schiffsche
Probe dient als Nachweis.
[3] Wie heißt die folgende Verbindung?
H3C
O
CH3
B
O
O
___________________________
CH3
[4] Wie heißt der einfachste Vertreter der homologen Reihe der Alkohole? (es ist eine
hochgiftige Verbindung)
[5] Wie heißt das älteste Verfahren der Ethanol Herstellung?
[6] Mit Hilfe welcher Chemikalie kann man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole
unterscheiden?
[7] Wie heißt das Verfahren, mit dem man hochprozentigen, reinen Alkohol herstellen kann?
[8] a. Vervollständige folgende Reaktionsgleichung (mit Oxidationszahlen):
b. Wie heißt der Nachweis mit dem das entstehende Gas nachgewiesen werden kann?
H2O +
Na (s)
+
+
+ Na (s)
+
+
376
Arbeitsblatt
Allgemeines zum Thema Alkohole
[9] Wie heißt der 3-wertige Alkohol 1,2,3-Propantriol mit Trivialnamen?
Tipp: 1. Es handelt sich um eine hochviskose Flüssigkeit. 2. Findet in
Kosmetikprodukten wegen seiner wasserbindenden Eigenschaft
Verwendung.
[10] Wie lautet der Name der funktionellen Gruppe der Alkohole?
[11] Mit welchem Fachausdruck wird das Verhalten einer Substanz, die sich nicht mit Wasser
d mischen lässt, beschrieben?
[12] Wie wird Propan-2-ol noch genannt?
[13] Wie nennt man das Oxidationsprodukt eines sekundären Alkohols?
Lösungswort:
__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __
Aufgabe 2: (Für die Schnellen) Beantworte die folgenden Aufgaben in deinem Heft!
[1] Zeichne die beiden Funktionsisomere zu C2H6O und benenne sie. Gib auch die
Oxidationszahlen an.
[2] Zeichne die Strukturformel von Ethanal. Um welche Stoffklasse handelt es sich bei dieser
Verbindung?
[3] Vervollständige folgende Reaktion und gib die Oxidationszahlen an:
2 H2 (g) + O 2 (g)
[4] Vervollständige die folgende Tabelle:
Name:
Strukturformel:
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
Name:
Tert.Butanol
Strukturformel:
OH
Hexan-2-ol
OH
377
Lösungsblatt
Allgemeines zum Thema Alkohole
Aufgabe 1: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
1
2
3
4
5
6
7
8b
9
10
11
12
13
D I M E T H Y L E
A L D E H
B O
M E T
G A E R U
L U C A S R E A G E N Z
D E S T I L L A T I O
K N A L L G A S P R O
G L Y C E R I
H Y
H Y D R O P
I S O
K E T
S
Y
R
H
N
N
B
N
D
H
P
O
T E R
D
S A E U R E T R I M E T H Y L E S T E R
A N O L
G
E
O X Y G R U P P E
O B
R O P A N O L
N
Antworten zu Aufgabe [1] bis [7] und [9] bis [13] siehe Kreuzworträtsel.
[8a]
0
2 Na (s)
+I
2 H2O +
H
2H
H
C
C
H
H
+I
H
+I
Lösungswort:
+
2 OH (aq)
H
0
+ 2 Na (s)
O
0
+ 2 Na (aq) + H 2 (g)
-
2H
H
C
C
H
H
O
-
0
+I
+
+ 2 Na (aq) + H 2 (g)
LEBERZIRRHOSE
Aufgabe 2: (Für schnellen) Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
[1] Zeichne die beiden Funktionsisomere zu: C2H6O und benenne sie. Gib auch die
Oxidationszahlen an.
H
H
H
C
H
H
-I
-III
C
H
-II C
O
H
H
O
H H
H
C -II
H
(l )
(l )
[2] Zeichne die Strukturformel von Ethanal! Um welche Stoffklasse handelt es sich bei dieser
Verbindung?
H
H
H
Es handelt sich um einen Aldehyd.
-III
C
C +I
H
O
378
Lösungsblatt
Allgemeines zum Thema Alkohole
[3] Vervollständige folgende Reaktion und gibt die Oxidationszahlen an:
0

0
2 H2 (g) + O 2 (g)
-I +II
2 H2O (g)
[4] Vervollständige die folgende Tabelle:
Name:
Strukturformel:
Name:
Strukturformel:
OH
Butan-1-ol
Tert.Butanol
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
C
H3C
H
+I
CH 3
CH3
OH
(l)
oder:
H
H
CH3 H
C
C
C
H
OH
H
H
(l)
H
Hexan-2-ol
H
C
H
H
C
OH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
Cyclohexanol
OH
H
379
Arbeitsblatt
Richtig oder falsch
Arbeitsblatt:
Richtig oder Falsch
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt, das verschiedene Aussagen zum Thema Alkohole
beinhaltet, soll von den Schülern auf ihre Richtigkeit hin untersucht werden. Das Arbeitsblatt
könnte aufgrund des übergreifenden Inhaltes am Ende einer Einheit zum Thema Alkohole
stehen und ebenfalls als kleiner Leistungscheck für die Schüler selbst stehen.
380
Arbeitsblatt
Richtig oder falsch
Aufgabe: (Richtig oder falsch?) Entscheide, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch
sind! Bei falschen Aussagen berichtige den Fehler!
I.
Alkanole haben als funktionelle Gruppe eine Hydroxygruppe, die ihre Eigenschaften
und ihr Reaktionsverhalten stark beeinflusst.
II.
Tertiäre Alkohole tragen 3 Hydroxygruppen, primäre nur eine.
III.
Natrium reagiert mit einem kurzkettigen Alkohol - ähnlich wie Wasser - unter
Wasserstoffentwicklung. Es entsteht dabei eine Base.
IV.
Propan-1-ol kann durch Kaliumpermanganat zur Carbonsäure oxidiert werden. Dabei
bildet sich braunes MnO2.
V.
‚Lucas-Reagenz‘ testet die Löslichkeit der Alkohole mit unpolaren Stoffen. Es kann
somit eine Aussage über ihre Kettenlänge gemacht werden.
VI.
Mehrwertige Alkohole
Kohlenstoffatom.
VII.
Glycerin wird auch Propan-1,2,3-triol genannt, wird in Handcremes verwendet und
dient als Ausgangsstoff für Sprengstoffe.
tragen
mehr
als
eine
Hydroxygruppe
an
einem
381
Richtig oder falsch
Lösungsblatt
Aufgabe 1: (Richtig oder falsch?) Entscheide, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch
sind! Bei falschen Aussagen berichtige den Fehler!
I.
Alkanole haben als funktionelle Gruppe eine Hydroxygruppe, die ihre Eigenschaften und ihr
Reaktionsverhalten stark beeinflusst.
Richtig. Die funktionelle Gruppe der Alkohole ist die Hydroxygruppe. Sie verleiht dem Molekül
unter anderem polare Eigenschaften.
II.
Tertiäre Alkohole tragen 3 Hydroxygruppen, primäre nur eine.
Falsch. Bei einem tertiären Alkohol ist das Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt,
mit 3 weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Man bezeichnet es daher als tertiäres
Kohlenstoffatom, bzw. den Alkohol als tertiären Alkohol. Bei einem primären Alkohol ist das
Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt, mit nur einem weiteren Kohlenstoffatom
verbunden. Diese Tatsache beeinflusst unter anderem auch das Reaktionsverhalten der
Alkohol. (Vgl. Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch
Kaliumpermanganat oder Lucas – Reagenz.
III.
Natrium reagiert mit einem kurzkettigen Alkohol - ähnlich wie Wasser - unter
Wasserstoffentwicklung. Es entsteht dabei eine Base.
Richtig. Bei der Reaktion entsteht ein Alkoholat, eine Base, und zusätzlich entwickelt sich
Wasserstoff.
IV.
Propan-1-ol kann durch Kaliumpermanganat zur Carbonsäure oxidiert werden. Dabei bildet
sich braunes MnO2.
Richtig.
V.
Lucas-Reagenz testet die Löslichkeit der Alkohole mit unpolaren Stoffen. Es kann somit eine
Aussage über ihre Kettenlänge gemacht werden.
Falsch. Lucas-Reagenz hilft nur bei der Unterscheidung primärer, sekundärer und tertiärer
Alkohole.
VI.
Mehrwertige Alkohole tragen mehr als eine Hydroxygruppe an einem Kohlenstoffatom.
Falsch. Mehrwertige Alkohole tragen zwar mehr als eine Hydroxygruppe, doch sind diese
nicht an ein- und demselben Kohlenstoffatom gebunden. Würde der Alkohol mehr als eine
Hydroxygruppe an einem Kohlenstoffatom tragen, wäre er als instabil anzusehen
(Erlenmeyerregel).
VII.
Glycerin wird auch Propan-1,2,3-triol genannt, wird in Handcremes verwendet und dient
als Ausgangsstoff für Sprengstoffe.
Richtig.
382
Strukturaufklärung - Spektroskopie
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Strukturaufklärung - Spektroskopie
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt beschäftigt sich mit der Strukturaufklärung durch
Spektroskopie. Es zeigt damit einen alternativen Weg zum Versuch 8 (Reaktion von Natrium
mit Wasser) auf.
383
Arbeitsblatt
Strukturaufklärung - Spektroskopie
Beantworte die folgenden Aufgaben in dein Heft:
Aufgabe 1:
I.
Zeichne die beiden Funktionsisomere zu C2H6O
II.
Zu welchen Stoffgruppen gehören sie?
III.
Was sind Funktionsisomere? Charakterisiere kurz.
Aufgabe 2:
I.
Welche Möglichkeit zur Unterscheidung der beiden Funktionsisomere hast du bereits
kennengelernt?
II.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung der Funktionsisomere ist die IR –
Spektroskopie.
Werte die folgenden IR – Spektren aus! Welches gehört zu welchem Funktionsisomer?
Wellenzahl in cm–1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
%
Absorptionsgrad in
1. IR – Spektrum:
1000
Absorptionsgrad in %
2. IR – Spektrum:
Wellenzahl in cm–1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
384
Arbeitsblatt
Strukturaufklärung - Spektroskopie
Tipp: Folgende Abbildung soll dir bei der Auswertung helfen:
Wellenzahl in cm
-1
C H
C H C H
C C
C C C C (Ar)
C C
C O
O H
O H
O H
(H-Brücken bei
Alkoholen)
C O
(H-Brücken bei
Carbonsäuren)
O H
N H
S H
P H
C H
N H
C
F
C Cl
C Br
C I
Abb.3: Lage der Absorptionsbanden einiger Bindungen im IR-Spektrum
385
Lösungsblatt
Strukturaufklärung - Spektroskopie
Beantworte die folgenden Aufgaben in dein Heft:
Aufgabe 1:
I.
Zeichne die beiden Funktionsisomere zu C2H6O
H
H
H
H
-I
-III
C
C
H
H
-II C
O
H
H
O
H H
H
C -II
H
(l )
(l )
Ethanol
Dimethylether
II.
Zu welchen Stoffgruppen gehören sie?
Ethanol gehört zur Stoffgruppe der Alkanole, Dimethylether zur Stoffgruppe der Ether.
III.
Was sind Funktionsisomere? Charakterisiere kurz.
Funktionsisomere besitzen unterschiedliche funktionelle Gruppen trotz gleicher
Summenformel
Aufgabe 2:
I.
Welche Möglichkeit zur Unterscheidung der Funktionsisomere hast du bereits
kennengelernt?
Unterscheidung durch unterschiedliches Reaktionsverhalten mit Natrium. Während
Natrium mit Ethanol heftig unter Wasserstoff reagiert zeigt, wasserfreier
Dimethylether keine Reaktion.
II.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung der Funktionsisomere ist die IR –
Spektroskopie.
Absorptionsgrad in %
1. IR – Spektrum:
Aufgrund des Vergleiches mit Abb.3 lässt sich vermuten, dass der Peak bei 3700 auf
die Absorption der O-H Gruppe zurückgeht. Somit muss es sich um Ethanol
handeln. Dimethylether besitzt keine solche Gruppe, so dass dieses Molekül an
dieser Stelle keinen Peak verursachen würde.
Wellenzahl in cm–1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
386
Absorptionsgrad
Wellenzahl in cm–1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
in %
Lösungsblatt
Strukturaufklärung - Spektroskopie
1000
2. IR – Spektrum:
Der Vergleich mit Abb.3 lässt vermuten, dass es sich um Dimethylether handeln
muss, da keine Bande bei 3700 zu finden ist, die auf eine OH-Gruppe zurückgehen
würde.
387
Arbeitsblatt
Aldehyde und Ketone
Arbeitsblätter zum Thema Carbonylverbindungen
Arbeitsblatt:
Aldehyde und Ketone
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt beschäftigt sich mit den Oxidationsprodukten von
primären und sekundären Alkoholen am Beispiel von Propan-1-ol und Propan-2-ol. Es leitet
damit vom Themenkomplex der Alkohole über zum Thema der Carbonylverbindungen.
Damit die Schüler dieses Arbeitsblatt selbstständig bearbeiten können, sollten die Aldehydund Ketogruppe als funktionelle Gruppe schon eingeführt worden sein.
388
Arbeitsblatt
Aldehyde und Ketone
Aufgabe: Bearbeite folgende Aufgaben!
I.
Vervollständige folgende Tabellen! Ergänze die leeren Felder! Gib jeweils die
Oxidationszahlen der funktionellen Gruppen an!
A)
Primärer Alkohol
polar
Propan-1-ol
hydrophil
Aldehyd
Carbonsäure
polar
hydrophil
Propansäure
H
Propylgruppe
Ethylgruppe
H
C
C
H
H
O
C
OH
Aldehydgruppe
Oxidation
B)
Sekundärer Alkohol
polar
Propan-2-ol
hydrophil
H
Oxidation
Keton
polar
hydrophil
Methylgruppe
Oxidation
II.
???
Ist eine Weiterreaktion (Oxidation) vom Keton ohne Strukturverlust möglich?
Begründe deine Antwort kurz!
Tipp: Die mögliche oder unmögliche
Weiterreaktion in B) ist mit ??? gekennzeichnet.
389
Lösungsblatt
Aldehyde und Ketone
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Vervollständige die folgenden Tabellen! Ergänze die leeren Felder! Gib jeweils die
Oxidationszahlen der funktionellen Gruppen an!
A)
Primärer Alkohol
polar
hydrophil
Propan-1-ol
H
Aldehyd
H
Carbonsäure
polar
hydrophil
Propanal
H
Propansäure
H
H
O
C
C
C +I
H
H
H
polar
hydrophil
H
H
O
C
C
C + III
H
H
OH
-I
H
C
C
C
H
H
H
Propylgruppe
OH
H
Hydroxygruppe Ethylgruppe
(primär)
Aldehydgruppe Ethylgruppe
Oxidation
B)
Sekundärer Alkohol
polar
Propan-2-ol
hydrophil
H
H
C
C
C
H
OH
H
polar
hydrophil
Propanon
H
0
H
H
H
Carboxylgruppe
Oxidation
Keton
H
H
H
C
+ II
C
C
H
O
H
H
Weiteroxidation nur unter
C – C – Bindungsbruch
möglich == > Strukturverlust!
Mögliches
Oxidationsprodukt:
+ IV
CO2
Methylgruppe Hydroxygruppe Methylgruppe
(sekundär)
Ketogruppe
-
(g)
-
Oxidation
II.
Ist eine Weiterreaktion (Oxidation) vom Keton ohne Strukturverlust möglich?
Begründe deine Antwort kurz!
Siehe Tabelle!
390
Oxidation von Ethanol am Kupferkontakt
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Oxidation von Ethanol am Kupferkontakt
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt soll den Versuch „Oxidation von Ethanol am
Kupferkontakt“ vertiefen.
391
Arbeitsblatt
Oxidation von Ethanol am Kupferkontakt
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Vervollständige die folgenden Reaktionsgleichungen!
a. Gib die jeweilige Oxidationsstufe (Oxidationszahl) der Atome in den
Verbindungen an!
__ Cu (s) + __ O2 (g)

b. Gib die jeweilige Oxidationsstufe (Oxidationszahl) der Atome in den
Verbindungen an! Benenne die beteiligten Verbindungen (Produkte wie
Edukte)!
H
H
H
C
C
H
H
+ CuO (s)
O
H
+ Cu (s) +
(l)
+
+
+
II.
Zu welcher Verbindungsklasse gehört das aus dem Alkohol entstandene Produkt in
I. b.?
________________________________________
III.
a) Wie kann das entstandene Produkt nachgewiesen werden?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
b) Welche Chemikalien werden hierfür benötigt?
Name der Lösung:
_______________________
Namen der einzelnen Substanzen:
=
_____________________________
_____________________________
_____________________________
IV.
Welche(r) andere(n) Nachweis(e) für das entstandene Produkt ist/sind Dir noch
bekannt?
_______________________
________________________
392
Lösungsblatt
Oxidation von Ethanol am Kupferkontakt
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Vervollständige die folgenden Reaktionsgleichungen!
a. Gib die jeweilige Oxidationsstufe (Oxidationszahl) der Atome in den
Verbindungen an!
0
0
2 Cu (s) + O 2 (g)

+II
2 CuO (s)
b. Gib die jeweilige Oxidationsstufe (Oxidationszahl) der Atome in den
Verbindungen an! Benenne die beteiligten Verbindungen (Produkte wie
Edukte)!
H
H
H
+II
-I
H
C
C
H
H
Ethanol
+ CuO (s)
O
H
+
(l)
Kuopfer(II)-oxid
+I
H
C
O
0
C
+ Cu (s) + H 2O (l)
H
H
Ethanal
+
(l)
Kupfer
+ Wasser
II.
Zu welcher Verbindungsklasse gehört das aus dem Alkohol entstandene Produkt in
I. b.?
Aldehyden
III.
a) Wie kann das entstandene Produkt nachgewiesen werden?
Durch Schiffscheprobe oder indirekt durch Fehling bzw. Tollensprobe.
b) Welche Chemikalien werden hierfür benötigt?
Name der Lösung:
Namen der einzelnen Substanzen:
Schiffsche-Lösung
Fuchsin
Natriumhydrogensulfit – Lösung
Salzsäure
IV.
Welche(r) andere(n) Nachweis(e) für das entstandene Produkt ist/sind dir noch
bekannt?
-Fehlingprobe
-Tollensprobe
393
Arbeitsblatt
Bakelitherstellung
Arbeitsblatt:
Bakelitdarstellung
Anmerkungen: Damit dieses Arbeitsblatt von den Schülern eigenständig bearbeitet werden
kann, sollte das Thema Aromatenchemie, sowie die aromatische Substitutionsreaktionen
bereits behandelt worden sein. Andernfalls könnte es die Schüler überfordern.
394
Arbeitsblatt
Bakelitherstellung
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Zu welcher Verbindungsklasse gehört die Verbindung Bakelit?
_________________________________
II.
Vervollständige folgende Reaktionsgleichung!
a) Gib zuerst die Wortgleichung der Reaktion von Salzsäure und Wasser an! Fasse diese
dann in einer Reaktionsgleichung zusammen!
Salzsäure
+
+
Wasser
+
+
b) Formuliere die Reaktion von Formaldehyd mit der entstandenen Säure!
H
O
+
C+
H
III.
H
In der Folge reagiert das aktivierte Formaldehyd mit Phenol. Dabei wird Formaldehyd
vom aromatischen Ring nucleophil angegriffen. Formuliere die passende Reaktion!
Whelandkomplex
H
O
+
C
H
+
H
-H
H
Tipp: 1. Ruf dir für die Beantwortung der
Frage dein Wissen über Aromaten und
deren Reaktion nochmal ins Gedächtnis.
2. Schlag ggf. nochmal in deinem
Chemiebuch
unter
elektrophiler
aromatischer Substitution nach.
H
+
OH
HO
395
Lösungsblatt
Bakelitherstellung
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Zu welcher Verbindungsklasse gehört die Verbindung Bakelit?
Bakelit ist ein duroplastischer Kunststoff auf der Basis eines Phenolharzes.
II.
Vervollständige folgende Reaktionsgleichung!
a) Gib zuerst die Wortgleichung der Reaktion von Salzsäure und Wasser an! Fasse diese
dann in einer Reaktionsgleichung zusammen!
Salzsäure
+
HCl (aq) +
Wasser
Oxonium - Ion
H 2O
H3O
+
+
Chlorid
-
+
(aq)
Cl
(aq)
b) Formuliere die Reaktion von Formaldehyd mit der entstandenen Säure!
O
+
C
H
H
+
+
H
O
H
+ H2O
H
(aq)
H
+
H
O
- H2O
O
C
C+
H
H
H
H
(aq)
III.
In der Folge reagiert das aktivierte Formaldehyd mit Phenol. Dabei wird Formaldehyd
vom aromatischen Ring nucleophil angegriffen. Formuliere die passende Reaktion!
OH
H OH
H
H
OH
H
O
+
C
H
OH
OH
H OH
H
+
H
OH
H OH
H OH
H
H
H
-H
H
H
H
H
+
OH
HO
396
Wissenstest – Thema Carbonylverbindungen
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Wissenstest - Carbonylverbindungen
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt ist als ein kurzweiliger Wissenstest ausgelegt. Er kann
zum Abschluss des Themengebietes der Carbonylverbindungen im Unterricht angewendet
werden.
397
Arbeitsblatt
Wissenstest – Thema Carbonylverbindungen
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben! Kreuze jeweils die richtige(n) Antwort(en) an.
I.
Aldehyde
 entstehen bei der Oxidation von
Alkoholen
 können nicht weiter oxidiert werden
 sind sehr unreaktiv
 ist das Kurzwort für: das lateinische
„alcohol(us) dehydrogenatus“
 tragen von der IUPAC den Namen:
„Alkanale“
III. Eine Oxidation
 führt zur Bildung von Aldehyden aus
primären Alkoholen
 führt zur Bildung von Aldehyden aus
sekundären Alkoholen
 ist eine rein anorganische Reaktion
 muss durch Wärmezufuhr getragen
werden
V.




II. Formaldehyd
 ist stark giftig und steht unter
Verdacht, Krebs auszulösen
 ist ein gutes Desinfektionsmittel
 verfeinert viele Saucen
 ist in vielen Lebensmitteln enthalten
 wird zum Haltbarmachen in der
präparativen Medizin verwendet
 ist der Trivialname von Methanal
IV.



Aceton
ist in Nagellackentfernern enthalten
ist nicht brennbar
wird durch Oxidation von Propan-2ol hergestellt
 ist ein gutes Lösungsmittel und findet
in Laboren vielseitig Verwendung
 ist eine blaue Flüssigkeit
Ethanal
VI. Carbonylverbindungen bestehen aus
ist ein Keton
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Phosphor
kann zur Essigsäure weiter oxidiert
 Wasserstoff,
Kohlenstoff
und
werden
Sauerstoff
ist ein Aldehyd
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Silicium
entsteht während des Alkoholabbaus
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff
und ist mit für den „Kater“
verantwortlich
VII. Aldehyde
VIII.
 können nur schwer nachgewiesen

werden

 können zur Carbonsäure weiter
oxidiert werden

 können durch die Fehlingprobe
identifiziert werden

 können durch die Schiffscheprobe
identifiziert werden

Ketone
sind seltene Verbindungen
können durch die Tollensprobe
nachgewiesen werden
sind
Oxidationsprodukte
der
Alkohole
enthalten mehr Sauerstoffatome als
der Alkohol, aus dem sie hergestellt
wurden
erhalten nach der IUPAC das Suffix
„-on“
398
Lösungsblatt
Wissenstest – Thema Carbonylverbindungen
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben! Kreuze jeweils die richtige(n) Antwort(en) an.
I.
Aldehyde
 entstehen bei der Oxidation von
Alkoholen
 können nicht weiter oxidiert werden
 sind sehr unreaktiv
 ist das Kurzwort für: das lateinische
„alcohol(us) dehydrogenatus“
 tragen von der IUPAC den Namen:
„Alkanale“
III. Eine Oxidation
 führt zur Bildung von Aldehyden aus
primären Alkoholen
 führt zur Bildung von Aldehyden aus
sekundären Alkoholen
 ist eine rein anorganische Reaktion
 muss durch Wärmezufuhr getragen
werden
V.




II. Formaldehyd
 ist stark giftig und steht unter
Verdacht, Krebs auszulösen
 ist ein gutes Desinfektionsmittel
 verfeinert viele Saucen
 ist in vielen Lebensmitteln enthalten
 wird zum Haltbarmachen in der
präparativen Medizin verwendet
 ist der Trivialname von Methanal
IV.



Aceton
(ist in Nagellackentfernern enthalten)
ist nicht brennbar
wird durch Oxidation von Propan-2ol hergestellt
 ist ein gutes Lösungsmittel und findet
in Laboren vielseitig Verwendung
 ist eine blaue Flüssigkeit
Ethanal
VI. Carbonylverbindungen bestehen aus
ist ein Keton
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Phosphor
kann zur Essigsäure weiter oxidiert
 Wasserstoff,
Kohlenstoff
und
werden
Sauerstoff
ist ein Aldehyd
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Silicium
entsteht während des Alkoholabbaus
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff
und ist mit für den „Kater“
verantwortlich
VII. Aldehyde
VIII.
 können nur schwer nachgewiesen

werden

 können zur Carbonsäure weiter
oxidiert werden

 können durch die Fehlingprobe
identifiziert werden

 können durch die Schiffscheprobe
identifiziert werden

Ketone
sind seltene Verbindungen
können durch die Tollensprobe
nachgewiesen werden
sind
Oxidationsprodukte
der
Alkohole
enthalten mehr Sauerstoffatome als
der Alkohol, aus dem sie hergestellt
wurden
erhalten nach der IUPAC das Suffix
„-on“
399
Abschlussrätsel - Carbonylverbindungen
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Abschlussrätel - Carbonylverbindungen
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt, das in Rätselform gestaltet wurde, umfasst verschiedene
Aspekte zum Thema „Carbonylverbindungen“ und könnte am Ende einer Unterrichtsreihe zu
diesem Thema stehen. Es könnte daher als kleiner Leistungscheck für die Schüler angesehen
werden.
400
Arbeitsblatt
Abschlussrätsel - Carbonylverbindungen
Aufgabe: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
Lösungswort: __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
[1] Der gesuchte Nachweis testet auf reduzierbare Gruppen im Molekül. Hierfür werden
Silberkationen, die in Form von Silbernitrat zugegeben werden, verwendet. Am Ende
scheidet sich Silber mit der Oxidationsstufe (0) ab. Trage den Namen dieses
Nachweises in Zeile 1 ein.
[2] Wer bin ich? Ich bin ein aprotisches Lösungsmittel und in fast jedem Labor zu finden,
Früher verwendete man mich im Nagellackentferner, so dass ich beinahe in jedem
Haushalt zu Gast war. Ich trage offiziell den Namen Propan-2-on. Hast du mich
H
erkannt? So trage meinen Namen in Zeile 2 ein.
H2N
N
[3] Wie heißt der Stoff, der folgende Strukturformel trägt
und zum Nachweisen von Aldehyden benötigt wird?
CH3
NH2
[4] Lässt man Phenol mit Formaldehyd reagieren, bildet sich durch eine
Polykondensationsreaktion Bakelit, ein duroplastischer Kunststoff. Dieser zählt zur
Klasse der __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ (e). (Einzahl!)
[5] Die __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ beschreibt die oxydative
Spaltung eines Methylketons mit Chlor, Brom oder Iod in einer alkalischen Lösung an
der Methylbindung.
401
Arbeitsblatt
Abschlussrätsel - Carbonylverbindungen
[6] Wer bin ich? Ich gelte als erster industriell produzierter Kunststoff, zähle zur Klasse
der Duroplasten und ich werde aus Phenol und Formaldehyd hergestellt.
[7] Wird bei der in [5] gefragten Reaktion in alkalischem Milieu Iod mit Aceton umgesetzt,
bildet sich ein charakteristisch gelber Stoff, der früher als Desinfektionsmittel
eingesetzt wurde. Wie heißt dieser Stoff?
Tipp: Nach dem sich bildenden gelben
Stoff ist sogar eine Nachweisreaktion für
Carbonylverbindungen benannt.
[8] Benenne die folgenden drei Verbindungen! Zu welcher Verbindungsklasse gehören
sie? Trage den Namen für 8 ein.
O
O
O
O
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
H3C
[9] Wie wird der Nachweis für Aldehyde genannt, der zu Ehren eines deutschen
Chemikers - nach ihm - benannt wurde.
Tipp: Als Nachweisreagenz wird der in
Frage [3] dargestellte Stoff sowie
Schwefligesäure benötigt. Eine violette
Färbung zeigt den positiven Nachweis an.
[10] Wer bin ich? Ich bin eine sehr giftige Verbindung und wurde daher als
Desinfektionsmittel eingesetzt. Ich stehe allerdings im Verdacht, krebserregend zu
sein, so dass beim Umgang mit mir Vorsicht geboten ist. Ich bin einer der wichtigsten
organischen Grundstoffe. Die IUPAC nennt mich Methanal. Hast du mich erkannt?
Dann trage meinen Namen für 10 ein! Gesucht ist der Trivialname der Verbindung.
[11] Wie heißt die folgende Verbindung? Gib die wichtigsten Oxidationszahlen an und
trage den Namen für 11 ein.
O
Tipp: Die Verbindung entsteht beim
Alkoholabbauprozess im Körper.
H3C
H
402
Lösungsblatt
Abschlussrätsel: Carbonylverbindungen
Aufgabe: (Löse das Rätsel, finde das Lösungswort)
Lösungswort: B E N Z A L D E H Y D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
T O L L E N S P R
A
F U C H S
P H E N O L H A
H A L O F O R M R
B A K
I
O
C
I
R
E
E
O
K
S C
F O R M A L D E H
A C E T A L A L
B
E
N
Z
A
L
D
E
H
Y
D
E
T O N
K
I
O
T
I
D
E
T
T
F
O
F
I O N
O R M
N
F S C H E P R O B E
H Y D
Die Antworten 1 – 7 und 9 – 10 sind direkt im Rätsel zufinden.
[8] Benenne die folgenden drei Verbindungen! Zu welcher Verbindungsklasse gehören sie?
Trage den Namen für 8 ein.
O
O
O
O
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
Aceton
Acetylaceton (Acac)
Propanon
Pentan -2,4 - dion
H3C
Butanon
[11] Wie heißt die folgende Verbindung? Gib die wichtigsten Oxidationszahlen an und trage
den Namen bei Zeile 11 ein.
O
Tipp: Die Verbindung entsteht beim
Alkoholabbauprozess im Körper.
+I
H3C
H
Ethanal
403
Unterscheidung von Glucose und Fructose
Arbeitsblatt
Arbeitsblätter zum Thema Kohlenhydrate
Arbeitsblatt:
Unterscheidung von Glucose und Fructose
Anmerkungen: Das Arbeitsblatt schließt an die Versuche zur Glucose und Fructose an. Es soll
der Vertiefung dieses Themengebietes dienen.
404
Arbeitsblatt
Unterscheidung von Glucose und Fructose
Aufgabe: Beantworte die folgenden Aufgaben in deinem Heft:
I.
Nenne zwei Nachweisreaktionen für Glucose. Reagieren diese auch mit Fructose?
Begründe kurz deine Antwort.
II.
Iod ist in Wasser unlöslich; erkläre, wie man Iod trotzdem in Lösung bekommt. Wie
nennt man diese Lösung?
III.
Fructose kann sich durch sogenannte Keto – Enol - Tautomerie in Glucose
umwandeln und zeigt daher reduzierende Wirkung. Vervollständige die folgende
Abbildung. Welcher andere Stoff kann sich aus dem fehlenden Endiol
(Abbildungsmitte) noch bilden?
O
H
C
H
H
C
+II C
OH
O
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
OH-
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
D - Glucose
CH 2OH
D - Fructose
Name:
IV.
a) Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung und b) benenne die beteiligten
Stoffe (Edukte und Produkte):
a)
b)
I2
(aq)
+
OH
(aq)
+
V.
Wie nennt man die in Aufgabe VI. dargestellte Reaktion.
VI.
Nenne einen spezifischen Zuckernachweis für Fructose.
+
+
405
Lösungsblatt
Unterscheidung von Glucose und Fructose
Aufgabe: Beantworte die folgenden Aufgaben in deinem Heft:
I.
-
Nenne zwei Nachweisreaktionen für Glucose. Reagieren diese auch mit Fructose?
Begründe kurz deine Antwort.
Der GOD – Test reagiert nur mit Glucose, nicht mit Fructose. Der Grund ist, dass es
sich um einen Enzymatischen Nachweis handelt, der nur mit Glucose positiv
verläuft.
-
Die Tollensprobe reagiert auch mit Fructose.
II.
Iod ist in Wasser unlöslich; erkläre, wie man Iod trotzdem in Lösung bekommt. Wie
nennt man diese Lösung?
Durch Zugabe von Kaliumiodid. So bilden sich lösliches Triiodid sowie
Polyiodidionen. Die sich bildende braune Lösung heißt Lugolsche Lösung.
III.
Fructose kann sich durch sogenannte Keto – Enol - Tautomerie in Glucose
umwandeln und zeigt daher reduzierende Wirkung auf Nachweise. Vervollständige
die folgende Abbildung. Welcher andere Stoff kann sich aus dem fehlenden Endiol
noch bilden?
O
H
C
H
H
C
+II C
OH
H
C
OH
C
OH
HO
C
H
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
-
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
D - Glucose
O
H
C
D - Fructose
Endiol
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH 2OH
D - Mannose
406
Lösungsblatt
Unterscheidung von Glucose und Fructose
IV.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung, benenne die beteiligten Stoffe.
(Edukte und Produkte)
0
I2
-I
(aq)
Iod
+
+
-
OH
(aq)
Hydroxid
I
+I
(aq)
Iodid
V.
Wie nennt man die in Aufgabe VI. dargestellte Reaktion.
Disproportionierungsreaktion.
VI.
Nenne einen spezifischen Zuckernachweis für Fructose.
Seliwanoffreaktion.
+
HOI (aq)
+
Hypoiodit
407
Arbeitsblatt
Zuckernachweis durch Fehling
Arbeitsblatt:
Zuckernachweis durch Fehling
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt beschäftigt sich vorwiegend mit dem Themengebiet der
Fehlingprobe. Es kann daher als vertiefende Ergänzung zu den Versuchen der Fehlingprobe
herangezogen werden.
408
Arbeitsblatt
Zuckernachweis durch Fehling
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Skizziere grob die wichtigsten Schritte der Fehlingprobe!
Tipp: benötigte Chemikalien, Durchführung, Geräte und
Beobachtung
II.
Was zeigt eine positive Fehlingprobe an?
III.
Vervollständige die abgebildete Reaktionsgleichung zur Fehlingprobe! Gib die wichtigen
Oxidationsstufen der Reaktion an!
Gesamtreaktion:
H
+
C
R
+
+ Cu2O(s) +
O
(aq)
IV.
Zeichne D-Glucose in Haworth Darstellung!
V.
Nenne zwei weitere Zucker, die reduzierend wirken!
VI.
Bei der Fehlingprobe wird Natrium-Kalium-Tartrat; (Salz der Weinsäure) benötigt.
Welche Aufgabe hat dieses bei der ablaufenden Reaktion? Begründe stichwortartig!
VII.
Zeichne Saccharose in Haworth-Projektion!
VIII.
Wie reagiert eine Saccharose-Lösung mit Fehling? Begründe deine Antwort kurz!
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Zeichne D-Fructose in Fischerprojektion!
II.
Mit welchem Nachweis lässt sich Fructose von Glucose unterscheiden? Nenne einen
Nachweis!
409
Lösungsblatt
Zuckernachweis durch Fehling
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
-
Skizziere grob die wichtigsten Schritte der Fehlingprobe!
Fehling I: Löse Kupfersulfat in dest. Wasser.
Fehling II: Löse Kalium-Natrium-Tartrat und Natriumhydroxid in dest. Wasser.
Stelle eine Probenlösung her (Beispielsweise eine Glucose Lösung).
Gib nun zur Probenlösung gleiche Teile Fehling I und II.
Erwärme im Wasserbad.
II.
Was zeigt eine positive Fehlingprobe an?
Bei einer positiven Fehlingprobe ist ein orange–roter Niederschlag zu erkennen.
Wie die Silberspiegelprobe ist die Fehlingprobe ein Nachweis für reduzierend
wirkende Gruppe, wie beispielsweise die Aldehydgruppe.
III.
Vervollständige die abgebildete Reaktionsgleichung zur Fehlingprobe! Gib die
wichtigen Oxidationsstufen der Reaktion an!
Gesamtreaktion:
H
+III
+II
+I
2+
+ 2 Cu
C
R
IV.
O
-
(aq) + 4 OH
R
(aq)
(aq)
C
O
+I
Cu 2O(s) + 2 H2O
OH (aq)
Zeichne D-Glucose in Haworth Darstellung!
OH
O H
H
H
OH
H
HO
OH
H
OH
D-Glucose in Pyranoseform
V.
Nenne zwei weitere Zucker, die reduzierend wirken!
Maltose, Glucose, Galactose, (Fructose nach Umlagerung)
410
Lösungsblatt
Zuckernachweis durch Fehling
VI.
Bei der Fehlingprobe wird Natrium-Kalium-Tartrat (Salz der Weinsäure) benötigt.
Welche Aufgabe hat dieses bei der ablaufenden Reaktion? Begründe stichwortartig.
Tartrat hat die Aufgabe, die Kupferionen in Lösung zu halten. Dies gelingt, weil
Kupfer(II) mit Tartrat einen stabilen Komplex bildet. So wird verhindert, dass
Kupfer(II) mit dem Hydroxid zu schwerlöslichem Cu(OH)2 reagiert und ausfällt. Wäre
dies der Fall, so würde die Reaktion lediglich am Boden des Reaktionsgefäßes
ablaufen. Die deutliche rot-orange Färbung der Lösung würde ausbleiben.
VII.
Zeichne Saccharose in Haworth-Projektion!
Glucose - Rest
Fructose - Rest
OH
H
HO
OH
H
OH
H
H
OH
HO


O
1
H
O
HO
H
2
OH
H
OH
 -1-2 - verknüpft
VIII.
Wie reagiert eine Saccharose-Lösung mit Fehling? Begründe deine Antwort kurz!
Saccharose ist kein reduzierend wirkender Zucker, so dass eine Reaktion mit Fehling wie auch mit Tollens - ausbleibt. Der Grund ist, dass die reduzierend wirkende
Aldehydgruppe der Glucose an der Bindung beteiligt ist, und Fructose in dieser
gebundenen Form sich nicht durch ‚Keto – Enol – Tautomerie‘ in einen reduzierend
wirkenden Zucker umwandeln kann.
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die Folgenden Fragen in deinem Heft!
I. Zeichne D-Fructose in Fischerprojektion!
CH 2OH
+II
HO
O
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
D - Fructose in Fischerprojektion.
II.
Mit welchem Nachweis lässt sich Fructose von Glucose unterscheiden? Nenne einen
Nachweis! Seliwanoffprobe, GOD-Test.
411
Zuckernachweis durch Tollensprobe
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Zuckernachweis durch Tollensprobe
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt beschäftigt sich vorwiegend mit dem Themengebiet der
Tollensprobe (auch Silberspiegelprobe genannt). Es kann daher als vertiefende Ergänzung zu
den Versuchen der Tollensprobe herangezogen werden.
412
Arbeitsblatt
Zuckernachweis durch Tollensprobe
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Zeichne D-Glucose in
Kohlenstoffatoms Nr.1!
Fischerprojektion!
Ergänze
die
Oxidationszahl
des
II.
Wie lautet der Name der funktionellen Gruppe der Glucose?
III.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung! Gib jeweils die Oxidationszahlen
der beteiligten Stoffe (Edukte wie Produkte) an!
H
+
+ x Ag
C
R
O
(aq)
IV.
Unter welchem anderen Namen ist die Tollensprobe noch bekannt?
V.
Für die Tollensprobe wird neben dem Silbernitrat auch Ammoniak benötigt. Welche
Aufgabe hat der Ammoniak bei der ablaufenden Reaktion? Begründe mit Hilfe von
Reaktionsgleichungen!
VI.
Formuliere die Redoxreaktion von ammoniakalischer Silbernitratlösung mit Glucose.
Tipp: 1. Die Glucose wird zur Gluconsäure oxidiert.
2. Das Silberkation ist das entscheidende Reagenz.
Silbernitrat dient lediglich als lösliches Silbersalz.
3. Unterteile die Reaktion in Reduktion und Oxidation,
formuliere erst anschließend die Gesamtreaktion.
VII.
Was zeigt den positiven Nachweis bei der Tollensprobe an?
VIII.
Welche weitere Nachweisreaktion für reduzierend wirkende Zucker ist dir bekannt?
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die Folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Zeichne Mannose in Fischerprojektion.
II.
Mit welchem Nachweis lässt sich spezifisch und halbquantitativ Glucose nachweisen?
III.
Kann Fructose durch ein mildes Oxidationsmittel wie beispielsweise das Silberkation
oxidiert werden? Begründe kurz!
413
Lösungsblatt
Zuckernachweis durch Tollensprobe
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Zeichne D-Glucose in
Kohlenstoffatoms Nr.1!
Fischerprojektion!
Ergänze
die
Oxidationszahl
des
+I
H
O
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
D-Glucose in Fischerprojektion
II.
Wie lautet der Name der funktionellen Gruppe der Glucose?
Aldehydgruppe
III.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung! Gib jeweils die Oxidationszahlen
der beteiligten Stoffe (Edukte wie Produkte) an!
H
+I
+
+ 2 Ag (aq)
C
R
+III O
+I
O
(aq)
R
0
C
+ 2 Ag
O
H (aq)
IV.
Unter welchem anderen Namen ist die Tollensprobe noch bekannt?
Silberspiegelprobe
V.
Für die Tollensprobe wird neben dem Silbernitrat auch Ammoniak benötigt, welche
Aufgabe hat der Ammoniak bei der ablaufenden Reaktion? Begründe mit Hilfe von
Reaktionsgleichungen!
Wird Silbernitrat (AgNO3) in Wasser gegeben, dann löst es sich. Die einzelnen Ionen
werden aquatisiert (Gleichung 1). Die gelösten Silber(I)-Ionen bilden mit dem
Hydroxid der alkalischen Lösung (Gleichung 2) schwerlösliches Silberoxid (Ag2O)
(Gleichung 3). Letzteres fällt aus, so dass sich in der Folge kein gleichmäßiger
Silberspiegel bilden könnte (Silber(I) wäre lediglich am Boden des Gefäßes zu finden).
Deshalb wird Ammoniak zugegeben, das mit dem Silber(I) einen stabilen Komplex
bildet, und es so - trotz des alkalischen Milieus -in Lösung hält (Gleichung 4).
414
Lösungsblatt
Zuckernachweis durch Tollensprobe
H2O
1.
AgNO3
2.
NH 3
(aq) +
+
VI.
H2O
3. 2 Ag
(aq) +
4.
(s)
Ag2O
+
Ag
(s)
(aq) +
NH 4
+
-
2 OH
+ 4 NH3
(aq)
(aq) +
NO3
(aq)
-
(aq) +
OH
Ag2O
(s)
H2O
(aq)
+ H2O
2 [Ag(NH3)2]
+
-
(aq) +
2 OH
(aq)
Formuliere die Redoxreaktion von ammoniakalischer Silbernitratlösung mit Glucose.
Oxidation
+I
H
O
H
OH
HO
HO
H
H
+ H2O
H
OH
H
OH
+III
OH
HO
(aq)
CH 2OH
O
+
+2H
H
H
OH
H
OH
-
(aq)
+2e
CH 2OH
(aq)
(aq)
Gl ucos e
Gl ucons ä ure
Reduktion
+I
[Ag(NH3)2]
+
0
-
(aq)
+e
Ag (s) + 2 NH3
|x2
(aq)
Si lberdiami n - Komplex
Gesamtreaktion:
H
+I
+
+ 2 Ag (aq)
C
R
VII.
+III O
+I
O
(aq)
R
0
C
+ 2 Ag
O
H (aq)
Was zeigt den positiven Nachweis bei der Tollensprobe an?
Ein sich an der Gefäßwand bildender Silberspiegel.
415
Lösungsblatt
Zuckernachweis durch Tollensprobe
VIII.
Welche weitere Nachweisreaktion für reduzierend wirkende Zucker ist dir bekannt?
- Fehlingprobe
- Tollensprobe.
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die folgenden Fragen in deinem Heft!
I.
Zeichne D-Mannose in Fischerprojektion.
+I
H
O
HO
H
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
II.
Mit welchem Nachweis lässt sich spezifisch und halbquantitativ Glucose nachweisen?
Glucose-Oxidase-Test (GOD-Test).
III.
Kann Fructose durch ein mildes Oxidationsmittel wie beispielsweise das Silberkation
oxidiert werden? Begründe kurz!
Nein, da Fructose selbst keine oxidierbare Gruppe besitzt, kann es direkt nicht durch
Beispielsweise Silber(I) oxidiert werden. Dass Fructose jedoch trotzdem einen
positiven Silbernachweis zeigt, liegt an der Möglichkeit der Umlagerung (Keto-EnolTautomerie). Durch diese kann sich ein gewisser Prozentsatz an Fructose in Glucose
oder Mannose umlagern (Vgl. Fachliche Auswertung Versuch Fehlingprobe –
Themengebiet der Kohlenhydrate – Abb.5).
416
Arbeitsblatt
Disaccharide
Arbeitsblatt:
Disaccharide
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt legt Augenmerk auf die Disaccharide. Es dient daher der
Vertiefung dieses Themenkomplexes.
417
Arbeitsblatt
Disaccharide
Aufgabe 1: Bearbeite die folgenden Fragen!
I.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung!
Glucose
+
+
Fructose
HO
+
H
OH
O
HO 
H
OH
+
OH
H
a. Wie lautet der Trivialname des entstandenen Disaccharides?
______________________
II.
In Gegenwart von verdünnter Salzsäure wird Maltose durch Wasser gespalten. In der
Folge lässt sich Glucose nachweisen.
a. Wie wird diese Spaltungsreaktion genannt? _________________________
b. Welche Aufgabe hat die verdünnte Salzsäure? _________________________
c. Wie lässt sich Glucose nachweisen? Beschreibe stichwortartig die
Reaktionsbedingungen!
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
d. Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung!
Maltose
+
+
Wasser
OH
H
+
+ H2O
H
OH H
OH
HO
OH
H
III.
+
OH
Wie lautet der Name des wichtigen Disaccharides, das in der Milch der Säugetiere zu
etwa 5 % vorliegt?
Tipp: Im Molekül sind eine Galactose-Einheit und eine
Glucose Einheit -(1,4)-glycosidisch verbunden.
________________________
418
Lösungsblatt
Disaccharide
Aufgabe 1: Bearbeite die folgenden Fragen!
I. Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung!
+
Glucos e
OH
OH
HO
O H
HO
H H
H
H
OH
OH
OH
O
H HO 
+
H
OH
OH
+ Wasser
Saccharose
Fructose
H
OH
H
HO
OH
H
OH
H
H
OH
1
HO
H
O


O
HO
+ H2O
H
2
OH
H
OH
 -1-2 - Verknüpft
a. Wie lautet der Trivialname des entstandenen Disaccharides? Haushaltszucker
II.
In Gegenwart von verdünnter Salzsäure wird Maltose durch Wasser gespalten. In der
Folge lässt sich Glucose nachweisen.
a. Wie wird diese Spaltungsreaktion genannt?
Hydrolyse
b. Welche Aufgabe hat die verdünnte Salzsäure?
Sie wirkt als Katalysator für die Reaktion
c. Wie lässt sich Glucose nachweisen? Beschreibe stichwortartig die
Reaktionsbedingungen!
Durch den GOD – Test, der spezifisch auf Glucose testet. Glucose kann aber
auch indirekt nachgewiesen werden durch die Fehlingprobe oder die
Tollensprobe. Beide Reaktionen laufen jedoch im alkalischen Milieu ab, so
dass die Lösung zuvor alkalisch gemacht werde muss.
Reaktionsbedingungen (Vgl. III. Experimenteller Teil, Abschnitt
Kohlenhydrate, Versuch 1: Silberspiegelprobe und Versuch 2: Fehlingprobe).
d. Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung!
+
Maltose
OH
H
H
OH
H
HO
1
H
OH

H
O 4
OH
H
OH
H
H
HO
OH
 - D - Glucose
OH
OH
OH
OH
+
 - D - Glucose
Wasser
H
++ H2O
H
OH H
OH
HO
H

OH
H
OH
+
H
OH H
OH
HO

OH
H
OH
-1-4 - Verknüpft
III.
Wie lautet der Name des wichtigen Disaccharides, das in der Milch der Säugetiere zu
etwa 5 % vorliegt? Milchzucker oder Lactose genannt.
419
Arbeitsblatt
Wissenstest - Kohlenhydrate
Arbeitsblatt:
Wissenstest - Kohlenhydrate
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt ist als ein kurzweiliger Wissenstest ausgelegt. Er kann
deshalb zum Abschluss des Themengebietes der Kohlenhydrate im Unterricht verwendet
werden.
420
Arbeitsblatt
Wissenstest - Kohlenhydrate
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben! Kreuze jeweils die richtige(n) Antwort(en) an
(es können mehrere Antworten richtig sein):
I.
Haushaltszucker wird
 aus speziellen Rüben gewonnen
 im Untertagebau abgebaut
 in Laboren großtechnisch synthetisch
hergestellt
 aus Zuckerrohr gewonnen.
II.
Kohlenhydrate
bestehen
im
allgemeinen
aus
folgenden
Elementen:
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Phosphor
 Wasserstoff,
Kohlenstoff
und
Sauerstoff
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Silicium
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff
IV. Polysaccharide
 dienen der Energiegewinnung im
Körper
 dienen als Gerüststoff in Pflanzen
 lassen sich nicht zerlegen
 entstehen durch Synthese im Labor
VI. Stärke
 besteht
aus
Kohlenstoff
und
Stickstoff
 ist die Gerüstsubstanz von Pflanzen
 ist eine einheitliche Substanz die nur
aus Amylose besteht
III.




Glucose
ist ein Monosaccharid
ist eine Ketohexose
hat die Summenformel: C6H12O6
wirkt oxidierend
V.
Saccharose ist
kein Disaccharid
auch
unter
dem
Namen
Traubenzucker bekannt
durch Fehlingprobe nachweisbar
lässt sich durch saure Hydrolyse in
Glucose und Fructose spalten
Amylose
VIII.
besteht aus bis zu 10000 Glucose
Einheiten

besitzt ein verzweigtes Netz von

Glucose-Einheiten

lässt sich mit Hilfe von LugolscherLösung identifizieren

ist die unlösliche Form der Stärke
Die Tollensprobe verläuft positiv
X.
mit:

Glucose, Saccharose, Maltose

Glucose, Fructose, Maltose

Glucose, Fructose, Cellulose
Maltose, Saccharose, Lactose





VII.




IX.




Fehlingprobe
ist ein spezifischer Fructosenachweis
testet auf oxidierbare Gruppen
verläuft im sauren Milieu
dient als Glucose- und Aldehydnachweis
benötigt Kupfer(II)-Ionen, die in Form
von Kupfersulfat zugegeben werden
Cellulose
ist Gerüstsubstanz für Pflanzen
ist ein Polysaccharid
dient
als
Energielieferant
im
menschlichen Körper
kann durch Säure hydrolysiert
werden
421
Lösungsblatt
Wissenstest - Kohlenhydrate
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben! Kreuze jeweils die richtige(n) Antwort(en) an
(es können mehrere Antworten richtig sein):
I.
Haushaltszucker wird
 aus speziellen Rüben gewonnen
 im Untertagebau abgebaut
 in Laboren großtechnisch synthetisch
hergestellt
 aus Zuckerrohr gewonnen.
II.
Kohlenhydrate
bestehen
im
allgemeinen
aus
folgenden
Elementen:
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Phosphor
 Wasserstoff,
Kohlenstoff
und
Sauerstoff
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Silicium
 Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff
IV. Polysaccharide
 dienen der Energiegewinnung im
Körper
 dienen als Gerüststoff in Pflanzen
 lassen sich nicht zerlegen
 entstehen durch Synthese im Labor
VI. Stärke
 besteht
aus
Kohlenstoff
und
Stickstoff
 ist die nur mäßig wasserlöslich
 ist eine einheitliche Substanz die nur
aus Amylose besteht
III.




Glucose
ist ein Monosaccharid
ist eine Ketohexose
hat die Summenformel: C6H12O6
wirkt oxidierend
V.
Saccharose ist
kein Disaccharid
auch
unter
dem
Namen
Traubenzucker bekannt
durch Fehlingprobe nachweisbar
lässt sich durch saure Hydrolyse in
Glucose und Fructose spalten
Amylose
VIII.
besteht aus bis zu 10000 -Glucose

Einheiten

besitzt ein verzweigtes Netz von

Glucose-Einheiten

lässt sich mit Hilfe von Lugolscher
Lösung identifizieren

ist die unlösliche Form der Stärke
Die Tollensprobe verläuft positiv
X.
mit:

Glucose, Saccharose, Maltose

Glucose, Fructose, Maltose

Glucose, Fructose, Cellulose
Maltose, Saccharose, Lactose





VII.




IX.




Fehlingprobe
ist ein spezifischer Fructosenachweis
testet auf oxidierbare Gruppen
verläuft im sauren Milieu
dient
als
Glucoseund
Aldehydnachweis
benötigt Kupfer(II)-Ionen die in Form
von Kupfersulfat zugegeben werden
Cellulose
ist Gerüstsubstanz für Pflanzen
ist ein Polysaccharid
dient
als
Energielieferant
im
menschlichen Körper
kann durch Säure hydrolysiert
werden
422
Allgemeines zum Thema Kohlenhydrate
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Allgemeines zum Thema Kohlenhydrate
Anmerkungen: Das in Rätselform gestaltete Arbeitsblatt umfasst verschiedene Aspekte zum
Thema Kohlenhydrate und könnte am Ende einer Unterrichtseinheit zum Thema
Kohlenhydrate stehen und als kleiner Leistungscheck für die Schüler selbst dienen.
423
Allgemeines zum Thema Kohlenhydrate
Arbeitsblatt
Aufgabe: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
Lösungswort:
__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
[1] Wie heißt die unlösliche Form der Stärke?
[2] Wer bin ich?
Ich wirke reduzierend, bin wasserlöslich, schmecke süßlich, diene als Energielieferant
im Körper, bin ein indirektes Produkt der Photosynthese und zähle zur Klasse der
Monosaccharide. Mit dem „GOD – Test“ kann man mich eindeutig nachweisen,
während die Seliwanoff-Probe bei mir negativ ausfällt. Hast du mich erkannt?
A) Dann zeichne mich in Fischer Projektion und B) trage meinen Namen in Zeile 2 ein.
[3] Wie nennt man die Reaktion, bei der sich ein Kupfer-Tartrat-Komplex bildet?
(zusammengeschrieben)
Tipp: Die Lösung färbt sich bei positivem Nachweis von
Dunkelblau zu Orange.
[4] Wie nennt man die Lösung für den Stärkenachweis? (zusammengeschrieben)
Tipp: 1. Die Lösung ist nach einem französischen Arzt
benannt. 2. Die Lösung ist braun gefärbt. 3. Aus ö wird oe
[5] Wer bin ich?
Ich bin stadtbekannt, bin in jeder Küche zu finden, schmecke süß, bin ein weißer
kristalliner Stoff, bin gut wasserlöslich und habe die Summenformel C12H22O11.
Hast du mich erkannt?
A) Dann sag mir, aus welchen Zuckern setze ich mich zusammen? B) Wie reagiere ich
mit der Tollensreagenz? C) Mein Name ist die Lösung für Nr. 5.
424
Arbeitsblatt
Allgemeines zum Thema Kohlenhydrate
[6] Energiereiche Verbindungen, die dem Menschen als schneller Energielieferant dienen,
werden in Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert. Dieser Prozess wird
wie genannt?
[7] Cellulose gehört zur Stoffgruppe der __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __
[8] Wie heißt die im Folgenden abgebildete Form der Stärke?
OH
H
....
H
OH H
OH
1
HO
H
OH
H

O 4
OH
H
OH H
H
OH
OH
1
H

O 4
OH
H
OH H
OH
OH
H
....
OH
[9] Glucose, Mannose und Maltose sind Stoffe, die mit Tollens positiv reagieren und
einen Silberspiegel bilden. Wie wirken sie auf die gelösten Silberkationen?
(gesucht ist das Adjektiv)!
[10] Maltose ist ein Disaccharid. Es besteht aus zwei -1,4-glycosidisch miteinander
verbundenen Monosaccharidbausteinen Glucose
A) Zeichne es in Haworth Projektion. B) Wie nennt man die Spaltungsreaktion, bei der
die beiden Monosaccharide entstehen? Trage den Namen bei 10 ein.
[11] Die in Haworth Projektion abgebildete Fructose ist eine
sogenannte __ __ __ __ __ __ __ __ __ .
HO
OH
O
H
Tipp: Der Name der Stoffklasse der Kohlenhydrate
leitet sich vom cyclischen Molekül Furan ab.
O
HO
OH
H
OH
H
[12] Zeichne Fructose in der Fischer Projektion. In dieser Darstellung kann man dann
erkennen,
dass es sich um eine __ __ __ __ __ __ handelt.
425
Lösungsblatt
Allgemeines zu Kohlenhydraten
Die Lösung ist jeweils blau dargestellt.
Aufgabe: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort!
Lösungswort: Kohlenhydrat
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
A M Y L O P
G L U
F
L U G
S A C C H A R O
P H O T O S
P O L Y S A C
A
R
H Y
F U
K
E
C
E
O
S
Y
C
M
E
D
R
E
K
O
H
L
E
N
H
Y
D
R
A
T
T
S
L
S
I N
E
I N G P R O B E
C H E L O E S U N G
T
A
L
U
O
N
O
H
R
O
Z
L
O
S
E
I
S
I
Y
S
E
S
D
E
E
S
E
E
E
R E N D
E
[1] Wie heißt die unlösliche Form der Stärke? Amylopektin
[2] Wer bin ich? Glucose
Ich wirke reduzierend, bin wasserlöslich, schmecke süßlich, diene als Energielieferant
im Körper, bin ein indirektes Produkt der Photosynthese und zähle zur Klasse der
Monosaccharide. Mit dem „GOD – Test“ kann man mich eindeutig nachweisen,
während die Seliwanoffprobe bei mir negativ ausfällt.
Hast du mich erkannt?
A) Dann zeichne mich in Fischer Projektion und trage meinen Namen in Zeile 2 ein.
+I
H
O
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
D - Glucose
[3] Wie nennt man die Reaktion bei der sich ein Kupfer-Tartrat-Komplex bildet?
(zusammengeschrieben).
Fehlingprobe
426
Lösungsblatt
Allgemeines zu Kohlenhydraten
[4] Wie nennt man die Lösung für den Stärkenachweis?
Lugolschelösung
[5] Wer bin ich? Saccharose
Ich bin stadtbekannt, bin in jeder Küche zu finden, schmecke süß, bin ein weißer
kristalliner Stoff, bin gut wasserlöslich und habe die Summenformel C12H22O11.
Hast du mich erkannt?
A) Dann sag mir aus welchen Zuckern setze ich mich zusammen?
Glucose und Fructose
B) Wie reagiere ich mit der Tollensreagenz?
C) Mein Name ist die Lösung für Nr. 5:
Die Tollensprobe verläuft negativ
Saccharose
[6] Energiereiche Verbindungen, die dem Menschen als schneller Energielieferant dienen,
werden in Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert. Dieser Prozess wird
wie genannt?
Photosynthese
[7] Cellulose gehört zur Stoffgruppe der
Polysaccharide.
[8] Wie heißt die im Folgenden abgebildete Form der Stärke? Amylose
OH
H
....
H
OH H
OH
HO
H
OH
OH
1
H

O 4
H
OH H
H
OH
OH
OH
1
H

O 4
H
OH H
OH
OH
H
....
OH
[9] Glucose, Mannose und Maltose sind Stoffe, die mit Tollens positiv reagieren und
einen Silberspiegel bilden. Wie wirken sie auf die gelösten Silberkationen?
Reduzierend, sie zählen daher zur Gruppe der reduzierenden Zucker
427
Lösungsblatt
Allgemeines zu Kohlenhydraten
[10] Maltose ist ein Disaccharid. Es besteht aus zwei -1,4-glycosidisch miteinander
verbundenen Monosaccharidbausteinen Glucose A) Zeichne es in Haworth Projektion.
Glucose - Rest
Fructos e - Rest
OH
H
H
OH
OH
OH
H
HO
1
H
H

O 4
OH
OH
H
OH
H
H
HO
OH
-1-4 - verknüpft
B) Wie nennt man die Spaltungsreaktion, bei der die beiden Monosaccharide
entstehen? Trage den Namen für 10 ein. Hydrolyse
[11] Die in Haworth Projektion abgebildete Fructose ist eine sogenannte Furanose.
HO
OH
O
H
HO
OH
H
OH
H
[12] A) Zeichne Fructose in der Fischer Projektion. In dieser Darstellung kann man dann
erkennen dass es sich um eine
Ketose
handelt.
428
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
Spiel:
Spiel
Frage und Anwortspiel – Thema Kohlenhydrate
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt ist als Gruppenspiel ausgelegt. Das Spiel kann als
spielerischer Abschluss des Themengebietes der Kohlenhydrate herangezogen werden. Auf
diese Weise können die Schüler spielerisch in einem kleinen Wettkampf ihr Wissen testen.
Die Regeln sowie die benötigten Materialien sind im folgende aufgelistet.
Materialien:
- Overheadprojektor, Folienstift, Stoppuhr
Vorbereitungen durch den Lehrer:
- Unterteile die Klasse in 4 Gruppen.
- Jede Gruppe wählt einen Sprecher und sucht sich einen Namen aus. Außerdem
werden die Gruppen durchnummeriert.
- Stelle einen Overheadprojektor auf. Verdecke die Fragen des Quiz.
- Die Namen der Gruppen sowie deren aktueller Punktestand werden an der Tafel
festgehalten.
- Jeder Schüler sollte ein leeres Blatt und einen Stift vor sich auf den Tisch legen.
Spielregeln:
- Ziel des Spiels: Punkte für die Beantwortung von Fragen zu erhalten.
- Jede Gruppe hat ein Startguthaben von 100 Punkten.
Diese Punktezahl gilt es durch richtiges Beantworten der Fragen zu vermehren. Bei
falscher Antwort wird der angegebene Wert von den Punkten abgezogen.
- Eine falsch beantwortete Frage wird an die nächste Gruppe weitergegeben. Diese
kann die Frage beantworten oder aber passen.
- Wird gepasst, geht die Frage automatisch an die nächste Gruppe weiter.
- Passen alle Gruppen, wird die Antwort vom Lehrer gegeben und keiner erhält Punkte.
Start des Spiels:
- Die Gruppe mit dem jüngsten Spieler beginnt.
- Sie wählt ein Feld aus. Dieses Feld wird mit einem wasserlöslichen Folienstift
markiert und ist für den weiteren Spielverlauf nicht mehr wählbar.
- Die Frage wird vorgelesen, anschließend hat die Gruppe 1 Minute Zeit, sich zu
beraten. Die Antwort wird dann vom Gruppensprecher gegeben.
- Ist die Frage richtig beantwortet, werden die Punkte hinzuaddiert und der Wert an
der Tafel angepasst. Ist sie falsch beantwortet, werden die Punkte abgezogen.
Spielverlauf:
- Nach jeder Frage beginnt die nächste Gruppe. Nach Gruppe 1 ist also 2 dran, usw..
Wurde die Frage an eine andere Gruppe weitergegeben, beginnt trotzdem die der
beginnenden Mannschaft benachbarte Gruppe.
Ende des Spiels:
- Sind alle Felder bearbeitet, gewinnt das Team mit den meisten Punkten. Ist die
Schulstunde vorher beendet, gewinnt das Team mit den zu diesem Zeitpunkt meisten
Punkten.
429
Spiel
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
10
15
20
30
35
40
45
45
Aufgabe
Nenne ein Monosaccharid!
Aufgabe
Wie wird Traubenzucker noch genannt?
Aufgabe
Wie
lautet
der
Haushaltszuckers?
wissenschaftliche
Name
des
Aufgabe
Nenne zwei Zuckernachweise!
Aufgabe
Aus welchen Monosaccharid-Bausteinen
Saccharose aufgebaut?
ist
die
Aufgabe
Nenne eine Aldose (Aldohexose)!
Aufgabe
Nenne eine Ketose (Ketohexose)!
Aufgabe
Wie lautet die Summenformel von Fructose?
50
Aufgabe
Nenne einen spezifischen Glucose - und einen spezifischen
Fructosenachweis? (Dieser soll bei der Unterscheidung
beider Stoffe eingesetzt werden können!)
60
Aufgabe
Welche Chemikalien werden
benötigt?
65
für
die
Tollensprobe
Aufgabe
Zeichne D-Glucose in der Fischerprojektion!
430
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
65
70
70
80
85
90
100
Spiel
Aufgabe
Nenne die beiden in der Natur verbreitetsten Formen aus
denen sich Stärke zusammensetzt!
Aufgabe
Nenne die beiden wichtigsten Polysaccharide!
Aufgabe
Nenne 3 Disaccharide!
Aufgabe
Welche Chemikalien werden für die Fehlingprobe
benötigt?
Aufgabe
Zeichne D-Mannose in Fischerprojektion!
Aufgabe
Wie lautet die genaue Bezeichnung der glycosidischen
Bindung der Saccharose?
Aufgabe
Zeichne D-Glucose in Haworthprojektion!
431
Lösungen
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
Aufgabe
Nenne ein Monosaccharid!
10
Glucose, Fructose, Galactose, ….
Aufgabe
Wie wird Traubenzucker noch genannt?
15
20
Glucose
Aufgabe
Wie
lautet
der
Haushaltszuckers?
wissenschaftliche
Name
des
Saccharose
Aufgabe
Nenne zwei Zuckernachweise!
30
35
Fehlingprobe, Tollensprobe, Seliwanoffprobe, GOD - Test
Aufgabe
Aus welchen Monosaccharid
Saccharose aufgebaut?
Bausteinen
ist
die
Glucose, Fructose
Aufgabe
Nenne zwei Aldose (Aldohexosen)!
40
Glucose, Galactose, Mannose
Aufgabe
Nenne eine Ketose!
45
45
Fructose
Aufgabe
Wie lautet die Summenformel von Fructose?
C6H12O
432
Lösungen
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
50
Aufgabe
Nenne einen spezifischen Glucose- und einen spezifischen
Fructosenachweis? (Dieser soll bei der Unterscheidung
beider Stoffe eingesetzt werden können!)
Seliwanoffprobe, GOD (Glucose-Oxidase) - Test
60
Aufgabe
Welche Chemikalien werden
benötigt?
für
Ammoniak,
Silbernitrat,
(Ammoniumsulfat)
die
Tollensprobe
Kaliumhydroxid,
Aufgabe
Zeichne D-Glucose in Fischerprojektion!
+I
65
H
O
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
65
70
70
80
Aufgabe
Nenne die beiden in der Natur verbreiteten Formen aus
denen sich Stärke zusammensetzt!
Amylose, Amylopektin
Aufgabe
Nenne die beiden wichtigsten Polysaccharide!
Cellulose, Stärke.
Aufgabe
Nenne 3 Disaccharide!
Maltose, Cellobiose, Saccharose, Lactose, …
Aufgabe
Welche Chemikalien werden für die Fehlingprobe
benötigt?
Kalium-Natrium-Tartrat (Salz der Weinsäure);
Kupfersulfat, Natriumhydroxid
433
Lösungen
Frage und Antwort Spiel - Kohlenhydrate
Aufgabe
Zeichne D-Mannose in Fischerprojektion!
+I
85
H
O
HO
H
HO
H
H
OH
H
OH
CH 2OH
90
Aufgabe
Wie lautet die genaue Bezeichnung der glycosidischen
Bindung der Saccharose?
α,β-1,2-glycosidische Bindung
Aufgabe
Zeichne D-Glucose in Haworthprojektion!
OH
O H
HO
100
H
H
H
H
OH
OH
OH
434
Arbeitsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
Arbeitsblätter zum Thema Aminosäuren
Arbeitsblatt:
Nachweisreaktionen
Anmerkungen: In diesem Arbeitsblatt wird sich übergreifend mit den Nachweisreaktionen
von Aminosäuren und Proteinen beschäftigt. Es dient der vertiefenden Auseinandersetzung
mit diesem Themengebiet. Es könnte als Abschluss einer Unterrichtseinheit über
verschiedene Nachweisreaktionen herangezogen werden.
435
Arbeitsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
Aufgabe: Beantworte die folgenden Fragen!
I.
Ninhydrin dient als Nachweisreagenz für?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
II.
Ninhydrin ist das Hydrat des Indian-1,2,3-trions. Zeichne ausgehend vom des Indian1,2,3-trion die Strukturformel von Ninhydrin. Vervollständige hierfür die folgende
Gleichung:
O
+ H2O
O
O
Ninhydrin
Indan-1,2,3-trion
III.
Ninhydrin ist eine der wenigen Stoffe, die der Erlenmeyerregel widersprechen. Was
besagt diese Regel? Gib ein Beispiel für ein Stoffpaar, das der Erlenmeyerregel folgt!
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Beispiel:
IV.
Das folgende Oligopeptid kann durch welche andere Reaktion (außer der
Ninhydrinprobe) nachgewiesen werden? Begründe deine Antwort stichwortartig!
O
R
O
R
O
R
.
NH
NH
HO
NH
NH
R
O
NH
R
O
NH2
R
O
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
436
Arbeitsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
V.
Erkläre kurz den Unterschied zwischen Di-, Oligo-, und Polypeptid!
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
VI.
Für die Xanthoproteinreaktion wird welche nicht ganz ungefährliche Chemikalie
benötigt?
___________________________
VII.
Vervollständige die folgende Reaktion! Um welche Art von Reaktion handelt es sich
bei der Nitrierung? Wie wird die Zwischenstufe der Reaktion genannt? [ ]
R
- H+
+
O
+
N
O
H
Reaktionsart: ________________
Name der Reaktion: _______________________
Tipp: Erinnere dich an die Aromatenchemie. Die Reaktion
tritt auch zu Tage, wenn du unvorsichtig mit einer
bestimmten konzentrierten Säure arbeitest und Spritzer
auf die Haut bekommst.
VIII.
Nenne eine Aminosäure die mit Hilfe der in VII. dargestellten Reaktion nachgewiesen
werden kann. Zeichne sie in der Lewisformel! Was müssen diese Aminosäuren
besitzen, um wie in Aufgabe VII. nitriert zu werden?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
437
Lösungsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
Aufgabe: Beantworte die Folgenden Fragen!
I.
Ninhydrin dient als Nachweisreagenz für?
Dient als Nachweis für primäre Aminosäuren. Der Nachweis spricht aber auch
auf primäre Amine jeglicher Art an. Ninhydrin bildet mit den Aminosäuren einen
intensiven Farbkomplex. So können mit diesem Nachweis Beispielsweise Proteine,
Polypeptide oder die 20 - proteinogenen Aminosäuren selbst nachgewiesen
werden.
II.
Ninhydrin ist das Hydrat des Indian-1,2,3-trions. Zeichne ausgehend vom des Indian1,2,3-trion die Strukturformel von Ninhydrin. Vervollständige hierfür die folgende
Gleichung:
O
O
+ H2O
OH
O
OH
O
O
Ninhydrin (farblos)
Indan-1,2,3-trion
III.
Ninhydrin ist eine der wenigen Stoffe die der Erlenmeyerregel widersprechen. Was
besagt diese Regel? Gib ein Beispiel für ein Stoffpaar, das der Erlenmeyerregel folgt!
Die Erlenmeyerregel besagt, dass Verbindungen mit zwei Hydroxygruppen an
einem Kohlenstoffatom instabil sind.383 Anders ist es bei Ninhydrin; dieses besitzt in
-Stellung jeweils elektronenziehende Gruppen - so dass es nicht, wie
Beispielsweise das Hydrat des Formaldehyds nur in wässrigen Lösungen stabil ist sondern sich sogar als dieses isolieren lässt.
In wässriger Lösung liegt jedoch ein großer Teil auf der Seite des Aldehydhydrates
(Bsp. Formaldehyd). Anders sieht dies beispielsweise bei der wässrigen Lösung von
Aceton aus (Vgl. fachliche Auswertung Ninhydrinnachweis).
O
HO
OH
H
H
+ H 2O
H
H
Formaldehyd
Beispiel:
383
0,1 %
Aldehydhydrat (Methandiol)
99,9 %
Vgl. Asselborn et al., S.245.
438
Lösungsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
IV.
Das folgende Oligopeptid kann durch welche andere Reaktion (außer der
Ninhydrinprobe) nachgewiesen werden? Begründe deine Antwort stichwortartig!
O
R
O
R
O
R
.
NH
NH
HO
NH
NH
R
NH
O
R
NH2
O
R
O
Allgemein kann ein solches Oligopeptid durch die Biuretreaktion nachgewiesen
werden. In dieser Reaktion tritt das Peptid als zweizähniger Chelatligand auf. Dabei
ist eine intensive blauviolette Färbung zu beobachten.
. .
.
NH
.
O
OH 2
O
NH
.
R
R
R
.
N
O
O
NH
Cu
NH
.
.
O
N
.
.
OH 2
.
.
R
+ 6 H2O
O
Besitzt das Oligopeptid allerdings aromatische Seitenketten, könnte auch die
Xanthoproteinreaktion als Nachweis verwendet werden. Hierfür müsste R = ein
aromatisches System sein.
V.
Erkläre kurz den Unterschied zwischen Di-, Oligo-, und Polypeptid.
Dipeptide bestehen aus 2 Aminosäuren, die über eine Peptidbindung verbunden
sind.
Oligopeptide bestehen aus 2 bis 9 Aminosäuren, die über Peptidbindungen
miteinander verbunden sind.
Polypeptide bestehen aus 10 bis 100 Aminosäuren, die über Peptidbindungen
miteinander verbunden sind.
VI.
Für die Xanthoproteinreaktion wird welche nicht ganz ungefährliche Chemikalie
benötigt?
Konzentrierte Salpetersäure
439
Lösungsblatt
Aminosäuren - Nachweisreaktionen
VII.
Vervollständige die folgende Reaktion! Um welche Art von Reaktion handelt es sich
bei der Nitrierung? Wie wird die Zwischenstufe der Reaktion genannt? [ ]
R
H N O
O
R
R
R
R
- H+
+
O
+
N
O
H N O
H N O
H
O
O
O
N
O
R
H
N
O
O
Wheland - Komplex (Zwischenstufe)
Reaktionsart: Elektrophile aromatische Substitution SE Ar (Zweitsubstitution)
Name der Reaktion: Xanthoproteinreaktion
VIII.
Nenne eine Aminosäure, die mit Hilfe der in VII. dargestellten Reaktion nachgewiesen
werden kann. Zeichne sie in Lewisformel! Was müssen diese Aminosäuren besitzen
um wie in Aufgabe VII. nitriert zu werden?
Die Aminosäuren müssen einen aromatischen Rest besitzen, an der die eigentliche
elektrophile aromatische Substitution stattfinden kann.
O
O
H2N
H2N
OH
OH
L - Tyros i n (Tyr)
O
OH
H2N
OH
N
H
L - Tryptophan(Try)
L - Phenyl al ani n(Phe)
440
Arbeitsblatt
Aminosäuren - Peptidbindung
Arbeitsblatt:
Peptidbindung
Anmerkung: Das folgende Arbeitsblatt beschäftigt sich mit der Peptidbindung. Es knüpft am
Punkt der Aminosäuren an und schließt mit der Bildung eines Tripeptides ab.
441
Arbeitsblatt
Aminosäuren - Peptidbindung
Aufgabe: Beantworte die folgenden Fragen!
I.
Die einfachst gebaute Aminosäure ist das Glycin.
Zeichne die Strukturformel von Glycin in den
nebenstehenden Kasten, kennzeichne in der
Strukturformel die funktionellen Gruppen und
benenne sie!
II.
Zeichne in den nebenstehenden Kasten das
allgemeine Bauprinzip der Aminosäuren. Kennzeichne
auch hier die funktionellen Gruppen! Wodurch
unterscheiden sich die verschiedenen Aminosäuren?
Beschreibe stichwortartig!
____________________________________________
____________________________________________
____________________________________________
____________________________________________
III.
Die unten stehende Grafik zeigt die Strukturformeln von drei Aminosäuremolekülen
mit Symbolen für die Reste.
a. Zeichne in die anhängenden Symbole die Restgruppen (R) des jeweiligen
Aminosäuremoleküls!
b. Durch welche Reaktion können diese zu einem Tripeptid verknüpft werden?
Trage deine Antwort in den grauen Kasten ein!
c. Welche Produkte bilden sind bei dieser Reaktion? Trage deine Antwort in den
grauen Kasten ein! Zeichne die Strukturformel für das Tripeptid. Welche
Moleküle entstehen noch?
Glycin
H
Alanin
H
H
O
N
C
C
H
OH
H
Cystein
H
H
O
N
C
C
OH
H
H
H
O
N
C
C
H
OH
H
a)
b)
Tripeptid
+
c)
+
442
Lösungsblatt
Aminosäuren - Peptidbindung
Aufgabe: Beantworte die folgenden Fragen!
Glycin
Die einfachst gebaute Aminosäure ist das
Glycin. Zeichne die Strukturformel von Glycin in
den nebenstehenden Kasten, kennzeichne in
der Strukturformel die funktionellen Gruppen
und benenne sie!
H
H
N
O
C
H
C
OH
H
Aminogruppe
Carboxyl gruppe
I.
Zeichne in den nebenstehenden Kasten das allgemeine Bauprinzip der Aminosäuren.
Kennzeichne auch hier die funktionellen Gruppen! Wodurch unterscheiden sich die
verschiedenen Aminosäuren? Beschreibe stichwortartig!
Die Aminogruppe ist an das der Carboxylgruppe
H
H
O
benachbarte Kohlenstoffatom gebunden. Aminosäuremoleküle unterscheiden sich durch die am zweiten
N
C
C
Kohlenstoffatom gebundenen Reste.
H
OH
R
II.
Die unten stehende Grafik zeigt die Strukturformeln von drei Aminosäuremolekülen
mit Symbolen für die Reste.
a. Zeichne in die anhängenden Symbole die Restgruppen (R) des jeweiligen
Aminosäuremoleküls!
b. Durch welche Reaktion können diese zu einem Tripeptid verknüpft werden?
Trage deine Antwort in den grauen Kasten ein!
c. Welche Produkte bilden sind bei dieser Reaktion? Trage deine Antwort in den
grauen Kasten ein! Zeichne die Strukturformel für das Tripeptid. Welche
Moleküle entstehen noch?
Glycin
H
Alanin
H
H
O
N
C
C
H
OH
Cystein
H
H
O
N
C
C
H
OH
H
H
H
O
N
C
C
CH 3
CH 2SH
a)
b)
OH
Kondensationsreaktion
Tripeptid
+
Wasser
c)
H
H
H
O
H
H
O
H
H
O
N
C
C
N
C
C
N
C
C
H
CH 3
OH
+
2 H2O
CH 2SH
443
Arbeitsblatt
Bindungsarten in Proteinen
Arbeitsblatt:
Bindungsarten in Proteinen
Anmerkung: Das folgende Arbeitsblatt beschäftigt sich mit Bindungsarten, die stabilisierend
auf die Struktur von Proteine wirken. Es knüpft an den Versuch zur Oxidation von Cystein zu
Cystin an. Als Alltagsbezug wird die stabilisierende Wirkung der verschiedenen
Bindungsarten am Beispiel der Haare diskutiert.
444
Arbeitsblatt
Bindungsarten in Proteinen
Aufgabe: Beantworte die Folgenden Fragen!
I. Die Peptidkette des Haares werden durch verschiedene Bindungsarten miteinander
verbunden und dadurch stabilisiert. Zwei Peptidketten sind in der folgenden
Abbildung dargestellt. Gib die jeweilige Bindungsart der dargestellten Bindung
zwischen den Peptidketten an und trage sie in das nebenstehende Kästchen ein:
Bindungstyp:
.
CH2
S
CH2
S
H
.
O
+
CH 2
N
H
CH 2
CH3
H3C
CH 2
CH 2
.
.
O
H
.
.
CH 2
.
H
O
.
H
N
.
Peptidkette
II.
Die folgende Redoxreaktion stellt die Wirkung einer Fixierlösung auf die Proteine der
Haare dar. Sie dient dazu, die Struktur der Dauerwelle dauerhaft zu fixieren.
a) Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung! Gib jeweils die Oxidationszahlen
der an der Redoxreaktion beteiligten Atome an!
H
R
O
N
O
NH
H
HO
H 2C
S
H
+ H2O 2
S
H
H 2C
HO
H
NH
N
H
+ 2 H 2O
O
O
R
b) Wie heißt die Wirksubstanz im Fixiermittel? Gib die wichtigen Oxidationszahlen
der Verbindung an!
445
Lösungsblatt
Bindungsarten in Proteinen
Aufgabe: Beantworte die Folgenden Fragen!
I.
Die Peptidketten des Haares werden durch verschiedene Bindungsarten miteinander
verbunden und dadurch stabilisiert. Zwei Peptidketten sind in der folgenden
Abbildungen dargestellt. Gib die jeweilige Bindungsart der dargestellten Bindung
zwischen den Peptidketten an und trage sie in das Nebenstehende Kästchen ein:
Bindungstyp:
.
CH2
S
CH2
S
H
.
CH 2
O
+
N
H
H
.
CH 2
Disulfidbrücke
.
CH 2
CH3
H3C
CH 2
Ionenbindung
.
.
O
Van - der - Waals - Wechselwirkungen
CH 2
.
H
O
.
H
N
.
Wasserstoffbrückenbinungen
Peptidkette
II.
Die folgende Redoxreaktion stellt die Wirkung einer Fixierlösung auf die Proteine der
Haare dar. Sie dient dazu, die Struktur der Dauerwelle dauerhaft zu fixieren.
a) Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung! Gib jeweils die Oxidationszahlen
der an der Redoxreaktion beteiligten Atome an!
H
R
O
N
NH
H
-II S
H
H
HO
-II
-I
+ H2O 2
H
S -I
Wasserstoffperoxid
NH
N
O
H2C
O
R
+ 2 H 2O
S -I
HO
H
O
NH
H 2C
H2C
H
R
O
N
HO
H 2C
-II S
H
O
HO
H
NH
N
H
O
O
R
b) Wie heißt die Wirksubstanz im Fixiermittel? Gib die wichtigen Oxidationszahlen
der
Verbindung
an!
Zu
finden
II
a.
446
Arbeitsblatt
Denaturierung von Proteinen
Arbeitsblatt:
Denaturierung von Proteinen
Anmerkungen: Im folgenden Arbeitsblatt soll sich dem lehrplanrelevanten Punkt der
Denaturierung von Proteinen angenommen werden. Das Arbeitsblatt knüpft an die Versuche
zur Denaturierung von Proteinen an.
447
Arbeitsblatt
Denaturierung von Proteinen
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen!
I.
Erkläre stichwortartig worum es sich bei einem Protein handelt!
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
II.
Was versteht man unter der Primärstruktur eines Proteins? Gib ein Beispiel für diese!
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
III.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung, benenne die Edukte!
H
OH
O
+
N
+
N
H
H
O
OH
H
H2C
CH3
OH
Edukte
+
IV.
Zu welcher Verbindungsklasse
Kondensationsreaktion?
gehört
das
sich
bildende
Produkt
der
________________________________________
V.
Welche grundsätzlichen räumlichen Merkmale sind in der Sekundärsturktur bekannt?
Tipp: Erkannt und bestimmt wurden sie durch Pauling und
Corey in den 30er Jahren. Es handelt sich um 2 mögliche
räumliche Anordnungen.
_____________________________
_____________________________
448
Arbeitsblatt
Denaturierung von Proteinen
VI.
Welche Art von Wechselwirkungen / Bindungsarten beeinflussen stark die Form und die
Stabilität der Tertiärstruktur von Proteinen?
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
Aufgabe 2: Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Was bedeutet Denaturierung von Proteinen? Beschreibe stichwortartig!
II.
Nenne 2 Beispiele, mit deren Hilfe Proteine denaturiert werden!
III.
Nenne ein Alltagsbeispiel für eine Denaturierung!
Tipp: Der Gang in die Küche und die Überlegung an die sich
dort abspielenden Reaktionen könnten dir helfen.
IV.
Welche Folgen könnte die Denaturierung von Proteinen im Körper haben? Erkundige
dich hierfür in deinem Lehrbuch, dem Internet oder in der Schulbibliothek über
Funktionen und Aufgaben von Proteinen im Organismus!
449
Lösungsblatt
Denaturierung von Proteinen
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen!
I.
Erkläre stichwortartig worum es sich bei einem Protein handelt!
Proteine - auch Eiweißstoffe genannt - sind makromolekulare Naturstoffe, die aus über
100 Aminosäure-Bausteinen aufgebaut sind. Diese Aminosäure-Bausteine sind über
Peptidbindungen miteinander verbunden.
II.
Was versteht man unter der Primärstruktur eines Proteins? Gib ein Beispiel für diese!
Die Primärstruktur beschreibt die Aminosäuresequenz (die Abfolge) der einzelnen
Aminosäuren in Proteinen. Sie beschreibt nur diese und macht keine Aussage über den
räumlichen Aufbau des Proteins.
III.
Vervollständige die folgende Reaktionsgleichung, benenne die Edukte!
H
OH
H
OH
H
H 2C
CH3
CH3 H
O
N
+
N
H
H
O
O
OH
Alanin (Ala)
+
+
N
N
H
O
OH
CH2
OH
Tyrosin (Tyr)
IV.
Zu welcher Verbindungsklasse gehört das sich
Kondensationsreaktion?
Zur Gruppe der Peptide. Es handelt sich um ein Dipeptid.
V.
Welche grundsätzlichen räumlichen Merkmale sind in der Sekundärsturktur bekannt?
Als Grundstrukturen in Proteinen gibt es die -Helix (in dieser ist die Peptidkette
schraubenartig gewunden) sowie die -Faltblatt - Struktur, in der eine zickzackförmig
gefaltete Fläche zu beobachten ist.
VI.
Welche Art von Wechselwirkungen / Bindungsarten beeinflussen stark die Form und die
Stabilität der Tertiärstruktur von Proteinen?
Wasserstoffbrückenbindungen
Van-der-WaalsWechselwirkungen
Ionenbindungen
H2O
bildende
Produkt
der
Disulfidbrücken
450
Denaturierung von Proteinen
Lösungsblatt
Aufgabe 2: Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Was bedeutet Denaturierung von Proteinen? Beschreibe Stichwortartig!
Denaturierung ist die meist irreversible Veränderung der Tertiär- und Quartärstruktur
von Proteinen. Diese Strukturen sind nur unter physiologischen Bedingungen sehr
stabil, Veränderung dieser Bedingungen kann zur irreversiblen Veränderung der
Struktur und damit auch der Funktionsweise der Proteine führen.
II.
Nenne 2 Beispiele mit deren Hilfe Proteine denaturiert werden!
Proteine können durch Säuren, Laugen, Schwermetallionen
Wärmeeinwirkung denaturiert werden.
oder
starke
III.
Nenne ein Alltagsbeispiel für eine Denaturierung!
Die Bildung des festen Eiweißes beim Kochen des Frühstückseis oder dem Braten des
Spiegeleis ist ein Beispiel für die Denaturierung von Proteinen durch Wärmeeinwirkung
über 60 °C.
IV.
Welche Folgen könnte die Denaturierung von Proteinen im Körper haben? Erkundige
dich hierfür in deinem Lehrbuch, dem Internet oder in der Schulbibliothek über
Funktionen und Aufgaben von Proteinen im Organismus.
Proteine können im Organismus sehr unterschiedliche Funktionen haben, wie zum
Beispiel:
Sie dienen der als Antikörper der Immunabwehr des Körpers; sie haben
Transportfunktionen (das Hämoglobin transportiert den Sauerstoff transportiert im
Körper) sie steuern als Hormone Vorgänge im Körper, besitzen Stütz- und
Strukturfunktionen, so zum Beispiel durch das Kollagen; sie dienen der
Muskelkontraktion und damit der Fortbewegung (hier wird dieses durch die
Veränderlichkeit der Aktin- und Myosinfilamente erreicht).
Dies ist nur ein kleiner Bereich der Aufgaben von Proteinen im Körper. Doch allein vor
diesem Hintergrund wird deutlich, welch wichtige Funktion sie im menschlichen
Organismus haben. Das Erfüllen der verschiedensten Aufgaben im Körper hängt eng
mit der Struktur dieser Proteine zusammen, so dass wird deutlich, dass eine
irreversible Veränderung dieser den Verlust der Funktionsweise der Proteine zur Folge
haben kann. Dies ist unter anderem ein Grund für die Toxizität von Schwermetallionen.
451
Arbeitsblatt
Löslichkeit von Tyrosin
Arbeitsblatt:
Löslichkeit von Tyrosin
Anmerkungen: In diesem Arbeitsblatt geht es um die Löslichkeit von Aminosäuren am
Beispiel von Tyrosin. Es knüpft damit an den Versuch zur Löslichkeit von Tyrosin an.
452
Arbeitsblatt
Löslichkeit von Tyrosin
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Zeichne L-Tyrosin in der Lewisschreibweise! Um was für eine Art von Aminosäure handelt
es sich?
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
L - Tyrosin
II.
Beschreibe kurz den durchgeführten Versuch zur Löslichkeit von Tyrosin!
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
III.
Wie nennt man Stoffe - die wie Wasser - sowohl als Säure als auch als auch als Base
reagieren können?
IV.
Tyrosin ist eine proteinogene Aminosäure, dass heißt, Sie ist eine der -Aminosäuren,
die die Bausteine der Proteine in Lebewesen sind. Wie viele proteinogene Aminosäuren
gibt es insgesamt?
V.
Wie wird der pH – Wert bezeichnet, an dem die Zwitterionenkonzentration am höchsten
ist? Markiere diese Form im Diagramm in Aufgabe VII.
453
Arbeitsblatt
Löslichkeit von Tyrosin
VI.
Wie ist die Löslichkeit an diesem Punkt (Teilaufgabe V.)?
Tipp: Denke an den durchgeführten Versuch!
V.
Vervollständige die folgende Abbildung, ordne den verschiedenen pH – Werten die
entsprechende Lewisformel zu!
50 %
L - Tyros i n (Tyr)
O
H 3N
50 %
100 %
OH
- H+
- H+
+ H+
+ H+
100 %
- H+
- H+
+ H+
+ H+
100 %
OH
50 %
O
H 3N
OH
50 %
OH
14
pH = 5,67
12
pH = 9,11 = pKS2
pH = 10,07
10
8
pH<1
pH = 2,2 = pKS1
6
4
2
0
Zugabe von Salzsäure
Wasser
Zugabe von Natronlauge
454
Lösungsblatt
Löslichkeit von Tyrosin
Aufgabe: Bearbeite die folgenden Aufgaben!
I.
Zeichne L-Tyrosin in Lewisschreibweise! Um was für eine Art von Aminosäure handelt es
sich?
O
Aufgrund der polaren Seitengruppe handelt es sich
um eine polare Aminosäure. Da sie keine weitere
Carboxylgruppe (COOH) trägt, zählt sie nicht zu den
sauren Aminosäuren. Auch trägt sie keine weitere
Aminogruppe, so dass sie auch nicht zu den
basischen Aminosäuren gezählt werden kann.
H 3N
O
OH
L-Tyrosin
II.
Beschreibe kurz den durchgeführten Versuch zur Löslichkeit von Tyrosin.
0,15 g Tyrosin werden versucht in 100 mL dest. Wasser zu lösen. Es entsteht
eine trübe Lösung; nicht alles Tyrosin löst sich. (GRUND: Die Löslichkeit von
Tyrosin in Wasser ist sehr gering, lediglich 0,36 g lösen sich in 1 Liter Wasser).
Durch Zugabe von Natronlauge wird die Lösung klar, alles Tyrosin löst sich.
Durch Zugabe von Salzsäure fällt am isoelektrischen Punkt Tyrosin erneut
aus, nach weiterer Zugabe von Salzsäure löst es sich wieder.
III.
Wie nennt man Stoffe - die wie Wasser - sowohl als Säure als auch als Base reagieren
können?
Stoffe die - wie Wasser - sowohl als Säure als auch als Base reagieren können,
nennt man Ampholyte. Auch Aminosäuren zeigen auf Grund ihrer Carboxylund Aminogruppe amphoteres Verhalten.
IV.
Tyrosin ist eine proteinogene Aminosäure, dass heißt, Sie ist einer der Aminosäuren, die Bausteine der Proteine in Lebewesen sind. Wie viele proteinogene
Aminosäuren gibt es insgesamt?
Es sind 20 proteinogene Aminosäuren bekannt.
V.
Wie wird der pH – Wert bezeichnet, an dem die Zwitterionenkonzentration am
höchsten ist? Markiere diese Form im Diagramm in Aufgabe VII.
Den pH-Wert, an dem die Konzentration der Zwitterionen am höchsten ist,
bezeichnet man als isoelektrischen Punkt.
VI.
Wie ist die Löslichkeit an diesem Punkt (Teilaufgabe V.)?
Die Löslichkeit der Aminosäure ist am isoelektrischen Punkt in Wasser am
geringsten.
455
Lösungsblatt
Löslichkeit von Tyrosin
VII.
Vervollständige die folgende Abbildung, ordne den verschiedenen pH – Werten die
entsprechende Lewisformel zu!
L - Tyros i n (Tyr)
O
H 3N
H2N
O
O
O
O
O
H 3N
O
50 %
OH
OH
- H+
+
+H
100 %
OH
H 3N
O
+
-H
+
+ H 100 %
+H
OH
OH
OH
- H+
+
O
H2N
50 %
H 3N
50 %
H2N
-H
+ H+
O
O
O
O
Isoelektrischer Punkt
pH = 5,67
12
100 %
50 %
OH
14
O
+
pH = 9,11 = pKS2
pH = 10,07
10
8
pH<1
pH = 2,2 = pKS1
6
4
2
0
Zugabe von Salzsäure
Wasser
Zugabe von Natronlauge
456
Arbeitsblatt
Oxidation von Cystein
Arbeitsblatt:
Oxidation von Cystein
Anmerkungen: Das folgende Arbeitsblatt dient der vertiefenden Auseinandersetzung mit
dem Versuch ‚Oxidation von Cystein‘. Es versucht an diesen Versuch anzuknüpfen und einen
Alltagsbezug dieses Themengebietes herzustellen.
457
Arbeitsblatt
Oxidation von Cystein
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Zeichne die Aminosäure Cystein in Lewisschreibweise?
II.
Um welche Art von Aminosäure handelt es sich?
Tipp: Reagiert sie in wässriger Lösung sauer oder basisch?
Zählt sie zu den polaren oder zu den unpolaren Aminosäuren?
Die Seitenkette hilft dir bei der Einteilung.
III.
Beschreibe die ablaufende Redoxreaktion zwischen Cystein und Eisen(III).
Tipp: Es reagieren 2 Cysteinmoleküle mit 2 Eisen(III)-Ionen.
Cystein wird dabei Oxidiert. Eine Disulfidbrücke wird gebildet.
IV.
Wie lautet der Name der sich bildenden Verbindung?
V.
Wo spielen diese Disulfidbrücken in der Natur eine wichtige Rolle? Nenne ein
Beispiel!
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Beim Herstellen einer konzentrierten Eisen(III)-Chlorid Lösung fällt auf, dass sich der
pH – Papierstreifen rötlich färbt. Was bedeutet das, und wie kannst du das erklären?
Tipp: In wässriger Lösung bildet sich zunächst folgender
Hexaquakomplex:
3+
OH 2
H2O
OH 2
Fe
H2O
OH 2
OH 2
Formuliere zunächst die Bildungsreaktion des abgebildeten Komplexes, und erkläre
anschließend das beobachtete Phänomen mit Hilfe einer Reaktionsgleichung.
II.
Mit Hilfe welcher Theorie lässt sich die in Aufgabe 2 - I. beschriebene Reaktion
erklären?
III.
Bei Zugabe von Eisen(III)-Chlorid zu einer basischen cysteinhaltigen Lösung tritt eine
intensive
violette
Färbung
auf,
wie
ist
diese
zu
erklären?
458
Lösungsblatt
Oxidation von Cystein
Aufgabe 1: Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Zeichne die Aminosäure L-Cystein in Lewisschreibweise?
O
H2N
OH
SH
II.
Um welche Art von Aminosäure handelt es sich?
Cystein wird aufgrund ihrer polaren Seitenkette zu den polaren Aminosäuren
gezählt.384 Da sie auch keine weitere Carboxygruppe (COOH) [veraltet:
Carboxylgruppe] trägt, zählt sie nicht zu den sauren Aminosäuren. Auch trägt sie
keine weitere Aminogruppe, so dass sie auch nicht zu den basischen Aminosäuren
gezählt werden kann.385
III.
Beschreibe die ablaufende Redoxreaktion zwischen Cystein und Eisen(III).
Oxidation
NH2
-II
2 HS
CH 2
CH
NH2
COO
-
(aq)
OOC
CH
CH 2
-I
-I
S
S
NH2
CH 2
CH
COO
-
+
+2H
(aq)
-
(aq)
+2e
Cystin
Cystein (Cys)
Reduktion
+II
+III
2 Fe
3+
-
(aq)
2 Fe 2+
+2e
(aq)
Die mögliche Rückreaktion, die während des Versuchs auftritt, wird im Protokoll zum
Versuch Oxidation von Cystein beschrieben.
IV.
Wie lautet der Name der sich bildenden Verbindung?
NH2
-
OOC
CH
CH2
-I
-I
S
S
NH2
CH2
CH
COO
(aq)
Cystin
384
385
Vgl. Asselborn et al., S.373.
Vgl. Asselborn et al., S.372.
459
Lösungsblatt
Oxidation von Cystein
V.
Wo spielen diese Disulfidbrücken in der Natur eine wichtige Rolle? Nenne ein
Beispiel!
Sie dienen der Stabilisierung der Polypeptidketten in Proteinen und sind mit
formgebend. Daher sind sie maßgeblich an der Ausbildung der Tertiär- und
Quartärstruktur beteiligt.
Ein bekanntes Protein mit einem hohen Anteil an Cystein, in welchem die
Disulfidbrücken stark zur Form und Stabilisierung beitragen, ist das Kreatin. Dieses
findet sich in Horn, Borsten und Haaren.
Mit Hilfe der Disulfidbrücken kann auch die ‚Dauerwelle‘ erklärt werden, (Vgl.
Protokoll Oxidation von Cystein).
Aufgabe 2: (Für die schnellen) Beantworte die folgenden Fragen in dein Heft!
I.
Beim Herstellen einer konzentrierten Eisen(III)-Chlorid Lösung fällt auf, dass sich der
pH – Papierstreifen rötlich färbt. Was bedeutet das, und wie kannst du das erklären?
Eisen(III) ist eine starke Kationensäure und reagiert daher in wässriger Lösung sauer.
Dies erklärt die rötliche Färbung des pH – Papierstreifens.
Die Reaktion kann dabei wie folgt beschrieben werden:
3+
2+
OH2
OH2
H2O
H2O
OH2
Fe
H2O
O
+
H
+ H2O
OH2
Fe
H2O
+ H3O
+
OH
H
OH2
[Fe(H2O)6]
II.
OH2
3+
+ H2O
[Fe(H2O)5OH]
2+
(aq)
+ H3O
+
Mit Hilfe welcher Theorie lässt sich diese Reaktion erklären?
Der Reaktion geht eine Komplexbildungsreaktion voraus, diese kann mit Hilfe einer
Lewis-Säure-Base-Reaktion beschrieben werden. Die anschließende Deprotonierung
des Komplexes geht auf den Einfluss der starken Kationensäure Eisen(III) zurück.
Eisen tritt in dem Komplex als relativ kleines, hoch geladenes Zentralion auf. Dies
bewirkt, dass die Wasserliganden im Komplex stark polarisiert werden, was zu einer
Schwächung der O-H Bindung führt.
460
Lösungsblatt
Oxidation von Cystein
III.
Bei Zugabe von Eisen(III)Chlorid zu einer basischen Cysteinhaltigen Lösung tritt eine
intensive violette Färbung auf, wie ist diese zu erklären?
Die Farbigkeit ist auf die Bildung eines Eisen(III)-Cysteinkomplexes zurückzuführen.
Bei der Bildung handelt es sich um eine Ligandenaustauschreaktion. Cystein kann in
basischem Milieu als 3 zähniger Ligand auftreten.
O
H2N
HC
O
-
CH2
SH
Die Komplexbildungsreaktion des Eisen(III)-Cysteinkomplexes, kann dabei wir folgt
beschrieben werden:
H
3+
C
3+
OH 2
H2O
H2C
OH 2
Fe
H2O
+2
OH 2
OH 2
O
H2N
H2C
H2N
SH
O
-
SH
+ 6 H 2O
Fe
O
O
O C
C
SH
NH2
O
CH 2
C
H
461
Abschlussrätsel: Aminosäuren – Proteine
Arbeitsblatt:
Arbeitsblatt
Abschlussrätsel – Proteine
Anmerkungen: Dieses Arbeitsblatt, das in Rätselform gestaltet wurde, umfasst verschiedene
Aspekte zum Thema „Aminosäuren und Proteine“ und könnte am Ende einer Einheit zu
diesem Thema stehen. Es könnte als kleiner Leistungscheck für die Schüler selbst angesehen
werden.
462
Abschlussrätsel: Aminosäuren – Proteine
Arbeitsblatt
Aufgabe: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort! Beantworte dafür einfach die folgenden 13
Fragen und trage die jeweilige Antwort in die zugehörige Zeile ein!
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
[1] Wie nennt man die solideste Bindungsart, die der Stabilisierung von Tertiärstrukturen in Proteine
dient?
Tipp:
Sie bildet sich Beispielsweise bei der
Oxidation zweier Cysteinmoleküle.
[2] Wie heißt das Protein, das Hauptbestandteil unserer Haare ist?
[3] Wie nennt man die Abfolge der Aminosäuren in Proteinen? Gib ein Beispiel für eine solche
Abfolge von Aminosäuren in gängiger Weise an.
Tipp: Es geht um die Primärstruktur der Proteine.
aus ä, ü, und ö wird ae, ue und oe.
[4] Erhitzt man Proteine mit Salzsäure, werden die Makromoleküle hydrolysiert. Man hat so
herausgefunden, dass sie sich aus lediglich 20 Aminosäuren zusammensetzten. Wie nennt man
diese 20 Aminosäuren, die Bausteine der Proteine in Lebewesen sind? Trage den Namen in Zeile
4 ein! Es handelt sich dabei um __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ Aminosäuren.
[5] Die irreversible Zerstörung der Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen durch Hitze, Säuren,
Laugen oder Schwermetallionen wird wie genannt?
[6] Wie heißt die folgende Aminosäure? Trage den Namen in Zeile 6 ein!
O
H2N
Zu welcher Gruppe von Aminosäuren gehört sie?
OH
O
OH
463
Arbeitsblatt
Abschlussrätsel: Aminosäuren – Proteine
[7] Wie wird die Nachweisreaktion genannt, mit der man die im Schweiß enthaltenen Aminosäuren /
Proteine durch einen blau -violetten Farbstoff nachweisen kann?
[8] Wie heißt das zum Sauerstofftransport im Körper verwendete Protein?
Tipp: - Man bezeichnet es auch als den eisenhaltigen
roten Blutfarbstoff in den roten Blutkörperchen.
- aus ä, ü, und ö wird ae, ue, oe.
[9] Mit welchem Fachausdruck wird das Verhalten von Substanzen beschrieben, die sowohl als
Broenstedsäure, wie auch als Broenstedbase reagieren können? Dieses Verhalten ist auch bei
Aminosäuren beobachtbar (gesucht ist das Nomen)!
[10] Aminosäuren besitzen ein C - und ein N-Terminales Ende. Wie wird die Bindung, die sich aus der
Kondensationsreaktion der Amino-(N-Terminal) mit der Carboxylgruppe (C-Terminal) bildet,
genannt? Dargestellt ist sie in der folgenden Abbildung (Die Einzahl ist einzutragen)!
H
1
O
H
H
R
O
O
N
N
O
N
OH
+ H 2O
NH
OH H
1
H
H
R
HO
R
R
[11] Die schraubenartige Anordnung der Aminosäuren in der Sekundärstruktur wird als
__ __ __ __ __ __ __ bezeichnet!
[12] Wie heißt die folgende Aminosäure? Trage den Namen in Zeile 12 ein!
O
H2N
Tipp: Sie ist die kleinste und einfachste der eiweißbildenden Aminosäuren. Sie ist als einzige dieser nicht chiral.
OH
[13] Wie wird die Nachweisreaktion für Proteine genannt, die sich durch eine intensiv-violette
Färbung durch die Bildung eines Kupfer(II)komplexes anzeigt? Dieser Kupfer-Eiweißkomplex ist in
der folgenden Abbildung dargestellt!
. .
.
NH
.
O
OH 2
O
NH
.
R
R
R
.
N
O
O
NH
Cu
NH
.
.
O
N
.
.
OH 2
.
.
R
+ 6 H2O
O
Lösungswort: __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __
464
Lösungsblatt
Abschlussrätsel: Aminosäuren – Proteine
Aufgabe: Löse das Rätsel, finde das Lösungswort! Beantworte dafür einfach die folgenden 13 Fragen
und trage jeweils die Antwort in die zugehörige Zeile ein!
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
D I S
K
A M I N O S A E U
P R O T E I N
D E N A
U
R
R
O
T
A
N I N H Y
H A E
A M P H O L
L
E
E
G
U
S
D
M
Y
P
H E L
G L Y C I
B I U R
F
A
S
E
R
P
R
O
T
E
I
N
E
I
T
E
N
I
A
I
G
D
I
Q
E
E
R
N
L
B R U E C K E
N
U E N Z
R U N G
A G I N S A E U R E
O B I N
P T I D B I N D U N G
K A L
T P R O B E
[1] Wie nennt man die solideste Bindungsart die zur Stabilisierung von Tertiärstrukturen in
Proteine dient? –DISULFIDBRUECKE[2] Wie heißt das Protein das Hauptbestandteil unserer Haare ist? -KREATIN[3] Wie nennt man die Abfolge der Aminosäuren in Proteinen? Gib ein Beispiel für eine solche
Abfolge von Aminosäuren in gängiger Weise an. –AMINOSAEURESEQUENZ… -Ala-Gly-Cys-Gly-Leu-Phe-Phe-Tyr-Val-Lys-Gly-Ala- ….
[4] Erhitzt man Proteine mit Salzsäure, werden die Makromoleküle hydrolysiert. Man hat so
herausgefunden, dass sie sich aus lediglich 20 Aminosäuren zusammensetzten. Wie nennt
man diese 20 Aminosäuren
die Bausteine der Proteine in Lebewesen sind? Trage den
Namen in Zeile 4 ein! Es handelt sich dabei um -PROTEINOGENE- Aminosäuren.
[5] Die irreversible Zerstörung der Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen durch Hitze,
Säuren, Laugen oder Schwermetallionen wird wie genannt? -DENATURIERUNG[6] Wie heißt die folgende Aminosäure? Trage den Namen in Zeile 6 ein! -ASPARAGINSÄURE-
O
H2N
O
OH
Zu welcher Gruppe von Aminosäuren gehört sie? Sie zählen zur
Gruppe der sauren Aminosäuren.
OH
[7] Wie wird die Nachweisreaktion genannt, mit der man die im Schweiß enthaltenen
Aminosäuren / Proteine durch einen blau -violetten Farbstoff nachweisen kann? Ninhydrin
465
Lösungsblatt
Abschlussrätsel: Aminosäuren – Proteine
[8] Wie heißt das zum Sauerstofftransport im Körper verwendete Protein?
-HÄMOGLOBIN-
[9] Mit welchem Fachausdruck wird das Verhalten von Substanzen beschrieben, die sowohl als
Broenstedsäure, wie auch als Broenstedbase reagieren können? Dieses Verhalten ist auch bei
Aminosäuren beobachtbar (gesucht ist das Nomen)! -AMPHOLYT[10] Aminosäuren besitzen ein C - und ein N-Terminales Ende. Wie wird die Bindung die sich aus
der Kondensationsreaktion der Amino-(N-Terminal) mit der Carboxylgruppe (C-Terminal)
bildet, genannt? Dargestellt ist sie in der folgenden Abbildung (Die Einzahl ist einzutragen)!
H
H
H
N
N
H
O
O
R
R
N
OH
OH H
1
O
NH
H
1
R
O
R
+ H 2O
HO
-PEPTIDBINDUNG[11] Die schraubenartige Anordnung der Aminosäuren in der Sekundärstruktur wird als
HELIKAL bezeichnet!
[12] Wie heißt die folgende Aminosäure? Trage den Namen in Zeile 12 ein!
O
H2N
OH
-GLYCIN-
[13] Wie wird die Nachweisreaktion für Proteine genannt, die sich durch eine intensiv-violette
Färbung durch die Bildung eines Kupfer(II)komplexes anzeigt? Dieser Kupfer-Eiweißkomplex
ist in der folgenden Abbildung dargestellt!
. .
.
NH
.
O
OH 2
O
NH
.
R
R
R
.
N
O
O
NH
Cu
NH
.
.
O
N
.
.
OH 2
.
.
R
O
+ 6 H2O
-BIURETPROBE-
Lösungswort: F A S E R P R O T E I N E
466
V.
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mgKz7If58REP7OolIAqP4&hl=de&ei=MqnS_nRHMuksAbIxInlAQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CA4Q6AEwA
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Abbildungsverzeichnis:
Alle nicht genannten Abbildungen sind selbstständig mit ChemSketch – Freeware Version
10.02, Labor und Formelmaker Vol.1 erstellt und ggf. mit Microsoft Paint nachbearbeitet
worden. Sie sind jeweils in der Fußzeile aufgeführt und mit der entsprechenden Nummer,
die in eckigen Klammern in folgender Auflistung zu finden ist, wiedergegeben.
[0a] Vgl. Horn, S. 45.
[0b] Vgl. Horn, S. 46.
[0c] Vgl. Horn, S. 46.
[1] http://www.biotechberatung.de/teach/chemie/orgchem/Zucker/Zucker-Dateien/image032.jpg
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[5] Vgl. Schuphan/Knappe, S. 19.
[6] http://www.wdr.de/tv/quarks/global/pdf/haare.pdf (Seite 14), (Zugriff: 02.03.2010).
[7] Vgl. Bruice, S.1189.
[8] Vgl. http://www.chids.de/dachs/wiss_hausarbeiten/BiochemieBiotechnologie_Weide.pdf, (Seite
163), (Zugriff: 14.03.2010).
[9] Vgl. Bruice, S.1189.
[10] Vgl. Bruice, S.1207.
[11] http://www.medizin.studienkollegen.de/Biochemie/KurzBetaFalt01.htm (Zugriff: 19.04.2010).
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476
VI.
Bedeutung der
Gefahrensymbole
Anhang
VI. Anhang
Bedeutung der Gefahrensymbolem sowie der R- und S-Sätze der
verwendeten Chemikalien
Gefahrensymbole:
T
giftig
C
Ätzend
Xn
gesundheitsschädlich
Xi
Reizend
F
leichtentzündlich
N
umweltgefährlich
O
brandfördernd
R-Sätze (Risiko-Sätze – Besondere Gefahren)386
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
386
In trockenem Zustand explosionsgefährlich
Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen explosionsgefährlich
Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen besonders explosionsgefährlich
Bildet hochempfindliche explosionsgefährliche Metallverbindungen
Beim Erwärmen explosionsfähig
Mit und ohne Luft explosionsfähig
Kann Brand verursachen
Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen
Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen
Vgl. HessGISS.
477
VI.
R 10
R 11
R 12
R 14
R 15
R 16
R 17
R 18
R 19
R 20
R 21
R 22
R 23
R 24
R 25
R 26
R 27
R 28
R 29
R 30
R 31
R 32
R 33
R 34
R 35
R 36
R 37
R 38
R 39
R 40
R 41
R 42
R 43
R 44
R 45
R 46
R 48
R 49
R 50
R 51
R 52
R 53
R 54
R 55
R 56
R 57
R 58
R 59
R 60
R 61
R 62
R 63
R 64
Anhang
Bedeutung der
Gefahrensymbole
Entzündlich
Leichtentzündlich
Hochentzündlich
Reagiert heftig mit Wasser
Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase
Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Stoffen
Selbstentzündlich an der Luft
Bei Gebrauch Bildung explosionsfähiger / leichtentzündlicher Dampf-Luftgemische möglich
Kann explosionsfähige Peroxide bilden
Gesundheitsschädlich beim Einatmen
Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut
Gesundheitsschädlich beim Verschlucken
Giftig beim Einatmen
Giftig bei Berührung mit der Haut
Giftig beim Verschlucken
Sehr giftig beim Einatmen
Sehr giftig bei Berührung mit der Haut
Sehr giftig beim Verschlucken
Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase
Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden
Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase
Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase
Gefahr kumulativer Wirkung
Verursacht Verätzungen
Verursacht schwere Verätzungen
Reizt die Augen
Reizt die Atmungsorgane
Reizt die Haut
Ernste Gefahr irreversiblen Schadens
Verdacht auf krebserzeugende Wirkung
Gefahr ernster Augenschäden
Sensibilisierung durch Einatmen möglich
Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich
Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss
Kann Krebs erzeugen
Kann vererbbare Schäden verursachen
Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
Kann Krebs erzeugen beim Einatmen
Sehr giftig für Wasserorganismen
Giftig für Wasserorganismen
Schädlich für Wasserorganismen
Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben
Giftig für Pflanzen
Giftig für Tiere
Giftig für Bodenorganismen
Giftig für Bienen
Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben
Gefährlich für die Ozonschicht
Kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen
Kann das Kind im Mutterleib schädigen
Kann möglicherweise die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen
Kann das Kind im Mutterleib möglicherweise schädigen
Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen
478
VI.
R 65
R 66
R 67
R 68
Anhang
Bedeutung der
Gefahrensymbole
Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen.
Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen.
Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit erzeugen.
Irreversibler Schaden möglich
Kombinierte Sätze:
R 14/15
R 15/29
R 20/21
R 20/22
R 20/21/22
R 21/22
R 23/24
R 23/25
R 23/24/25
R 24/25
R 26/27
R 26/28
R 26/27/28
R 27/28
R 36/37
R 36/38
R 36/37/38
R 39/23
R 39/24
R 39/25
R 39/23/24
Reagiert heftig mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase
Reagiert mit Wasser unter Bildung giftiger und hochentzündlicher Gase
Gesundheitsschädlich beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut
Gesundheitsschädlich beim Einatmen und Verschlucken
Gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und bei Berührung mit der Haut
Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken
Giftig beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut
Giftig beim Einatmen und beim Verschlucken
Giftig beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut
Giftig bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken
Sehr giftig beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut
Sehr giftig beim Einatmen und Verschlucken
Sehr giftig beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut
Sehr giftig bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken
Reizt die Augen und die Atmungsorgane
Reizt die Augen und die Haut
Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Verschlucken
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und bei Berührung mit
der Haut
R 39/23/25
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch Verschlucken
R 39/24/25
Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut und durch
Verschlucken
R 39/23/24/25 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen,
Berührung mit der Haut und durch Verschlucken
R 39/26
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen
R 39/27
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut
R 39/28
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Verschlucken
R 39/26/27
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und bei Berührung
mit der Haut
R 39/26/28
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch
Verschlucken
R 39/27/28
Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührungmit der Haut und
durch Verschlucken
R 39/26/27/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen, Berührung mit der
Haut und durch Verschlucken
R 42/43
Sensibilisierung durch Einatmen und Hautkontakt möglich
R 48/20
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden beilängerer Exposition
durch Einatmen
R 48/21
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei
längerer Exposition durch Berührung mit der Haut
R 48/22
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei
längerer Exposition durch Verschlucken
479
VI.
Anhang
Bedeutung der
Gefahrensymbole
R 48/20/21
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Einatmen und durch Berührung mit der Haut
R 48/20/22
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Einatmen und durch Verschlucken
R 48/21/22
Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Berührung
R 48/20/21/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Einatmen, Berührung mit der Haut und durch Verschlucken
R 48/23
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer
Exposition durch Einatmen
R 48/24
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Berührung
mit der Haut
R 48/25
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch
Verschlucken
R 48/23/24
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Einatmen
und durch Berührung mit der Haut
R 48/23/25
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer
Exposition durch Einatmen und durch Verschlucken
R 48/24/25
Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Berührung
mit der Haut und durch Verschlucken
R 48/23/24/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Einatmen,
Berührung mit der Haut und durch Verschlucken
R 50/53
Sehr giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche
Wirkungen haben
R 51/53
Giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen
haben
R 52/53
Schädlich für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche
Wirkungen haben
R 68/20
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen
R 68/21
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens bei Berührung mit der
Haut
R 68/22
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Verschlucken
R 68/20/21
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen und bei
Berührung mit der Haut
R 68/20/22
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch
Verschlucken
R 68/21/22
Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens bei Berührung mit der
Haut und durch Verschlucken
R 68/20/21/22 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen,
Berührung mit der Haut und durch Verschlucken
S-Sätze (Sicherheitsratschläge)387
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
387
Unter Verschluss aufbewahren
Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen
Kühl aufbewahren
Von Wohnplätzen fernhalten
Unter ........ aufbewahren (geeignete Flüssigkeit vom Hersteller anzugeben)
Unter ........ aufbewahren (inertes Gas vom Hersteller anzugeben)
Behälter dicht geschlossen halten
Behälter trocken halten
Vgl. HessGISS.
480
VI.
S9
S 12
S 13
S 14
S 15
S 16
S 17
S 18
S 20
S 21
S 22
S 23
S 24
S 25
S 26
S 27
S 28
S 29
S 30
S 33
S 35
S 36
S 37
S 38
S 40
S 41
S 42
S 43
S 45
S 46
S 47
S 48
S 49
S 50
S 51
S 52
S 53
S 56
S 57
S 59
S 60
S 61
S 62
S 63
S 64
Anhang
Bedeutung der
Gefahrensymbole
Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren
Behälter nicht gasdicht verschließen
Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten
Von ....... fernhalten (inkompatible Substanzen sind vom Hersteller anzugeben)
Vor Hitze schützen
Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen
Von brennbaren Stoffen fernhalten
Behälter mit Vorsicht öffnen und handhaben
Bei der Arbeit nicht essen und trinken
Bei der Arbeit nicht rauchen
Staub nicht einatmen
Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen (geeignete Bezeichnung(en) vom Hersteller
anzugeben)
Berührung mit der Haut vermeiden
Berührung mit den Augen vermeiden
Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren
Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen
Bei Berührung mit der Haut sofort mit viel ...... abwaschen (vom Hersteller anzugeben)
Nicht in die Kanalisation gelangen lassen
Niemals Wasser hinzugießen
Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen
Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden
Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen
Geeignete Schutzhandschuhe tragen
Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät anlegen
Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit ...... reinigen (Material vom Hersteller
anzugeben).
Explosions- und Brandgase nicht einatmen
Bei Räuchern/Versprühen geeignetes Atemschutzgerät anlegen u. (geeignete
Bezeichnung(en) vom Hersteller anzugeben)
Zum Löschen ........(vom Hersteller anzugeben) verwenden (wenn Wasser die Gefahr erhöht,
anfügen: "Kein Wasser verwenden")
Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich dieses Etikett vorzeigen)
Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen
Nicht bei Temperaturen über ..... °C aufbewahren (vom Hersteller anzugeben)
Feucht halten mit ..... (geeignetes Mittel vom Hersteller anzugeben)
Nur im Originalbehälter aufbewahren
Nicht mischen mit ..... (vom Hersteller anzugeben)
Nur in gut gelüfteten Bereichen verwenden
Nicht großflächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden
Exposition vermeiden - vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen
Diesen Stoff und seinen Behälter der Problemabfallentsorgung zuführen
Zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt geeigneten Behälter verwenden
Information zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller/Lieferanten erfragen
Dieser Stoff und sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen
Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen
einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen
Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen und
Verpackung oder dieses Etikett vorzeigen
Bei Unfall durch Einatmen: Verunfallten an die frische Luft bringen und ruhigstellen
Bei Verschlucken Mund mit Wasser ausspülen (nur wenn Verunfallter bei Bewusstsein ist)
481
VI.
Anhang
Bedeutung der
Gefahrensymbole
Kombinierte S-Sätze
S 1/2
S 3/7
S 3/9/14
S 3/9/14/49
S 3/9/49
S 3/14
S 7/8
S 7/9
S 7/47
S 20/21
S 24/25
S 27/28
S 29/35
S 29/56
S 36/37
S 36/37/39
S 36/39
S 37/39
S 47/49
Unter Verschluss und für Kinder unzugänglich aufbewahren
Behälter dicht geschlossen halten und an einem kühlen Ort aufbewahren
An einem kühlen, gut gelüfteten Ort, entfernt von ..... aufbewahren (die Stoffe, mit
denen Kontakt vermieden werden muss, sind vom Hersteller anzugeben)
Nur im Originalbehälter an einem kühlen, gut gelüfteten Ort, entfernt von .....
aufbewahren (die Stoffe, mit denen Kontakt vermieden werden muss, sind vom
Hersteller anzugeben)
Nur im Originalbehälter an einem kühlen, gut gelüfteten Ort aufbewahren
An einem kühlen, von ..... entfernten Ort aufbewahren (die Stoffe, mit denen Kontakt
vermieden werden muss, sind vom Hersteller anzugeben)
Behälter trocken und dicht geschlossen halten
Behälter dicht geschlossen an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren
Behälter dicht geschlossen und nicht bei Temperaturen über .... °C aufbewahren
(vom Hersteller anzugeben)
Bei der Arbeit nicht essen, trinken, rauchen
Berührung mit den Augen und der Haut vermeiden
Bei Berührung mit der Haut beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen und
Haut sofort mit viel.......abwaschen (vom Hersteller anzugeben)
Nicht in die Kanalisation gelangen lassen; Abfälle und Behälter müssen in gesicherter
Weise beseitigt werden
Nicht in die Kanalisation gelangen lassen; diesen Stoff und seinen Behälter der
Problemabfallentsorgung zuführen
Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzkleidung tragen
Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe, Schutzkleidung und
Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen
Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen
Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen
Nur im Originalbehälter bei einer Temperatur von nicht über .....°C (vom Hersteller
anzugeben) aufbewahren
482
VI.
Anhang
Versicherung
Plagiarismuserklärung
Ich versichere hiermit, dass die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst, keine anderen
als die angegebenen Hilfsmittel verwendet und sämtliche Stellen, die den benutzten
Werken dem Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen sind, mit Quellenangaben
kenntlich gemacht sind. Alle wörtlich entnommenen Stellen sind als Zitate kenntlich
gemacht. Die Festplatte, auf der der Text der Arbeit gespeichert wurde, befindet sich in
meinem Besitz.
Marburg, den 10.05.2010:
………….………………………………………….
(Unterschrift)
483