Eine Interaktionsbox zum Thema „Vitamin C“

Eine Interaktionsbox zum Thema „Vitamin C“
Jolanda Hermanns, Potsdam
Niveau:
Sek. II
Dauer:
6 Unterrichtsstunden
Bezug zu den KMK-Bildungsstandards
Fachkompetenz: Anwendung und Verknüpfung der Inhalte der Themenfelder „Säure-Base-Konzept“ und „Redoxreaktionen“ anhand eines konkreten
Beispiels aus dem Alltag: Vitamin C.
Erkenntnisgewinnung: Durchführen, Planen und Auswerten chemischer
Experimente, Verknüpfung chemischer Inhalte mit biologischen und historischen Inhalten.
Kommunikation: Austausch und Diskussion über die Vorgehensweise bei
der Erarbeitung, Präsentation von Inhalten sowohl innerhalb der Gruppe als
auch vor der gesamten Lerngruppe.
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C
Bewertung: Reflexion über die Erarbeitung, Diskussion über die Bedeutung
von Vitamin C.
Der Beitrag enthält Materialien für:
I
S
N
Offene Unterrichtsformen
Fachübergreifenden Unterricht
Hintergrundinformationen
Schülerversuche
Diskussion
A
R
O
Das Thema „Vitamin C“ spielt in unserem Alltag eine große Rolle. Vor allem im Winter,
wenn uns oft Erkältungen plagen, hört man, dass es günstig ist, Vitamin C zu sich zu nehmen. Die Werbung verspricht uns, dass es dafür nicht unbedingt nötig ist, Obst und Gemüse zu essen. Die einfache Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln wie z.B. Vitamin-CBrausetabletten soll ausreichen, um unseren Vitamin-C-Haushalt im Gleichgewicht zu halten. Heutzutage treten Erkrankungen, die auf einen Vitamin-C-Mangel zurückzuführen sind,
eher selten auf. In früheren Zeiten aber, vor allem im Winter, war es sehr schwierig, genügend Vitamin C zu sich zu nehmen. Ein historisches Beispiel für Vitamin-C-Mangel findet
man bei den langen Seereisen der Seefahrer im 16. und 17. Jahrhundert. Skorbut war dort
eine Krankheit, die immer mitfuhr.
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Chemisch ist Vitamin C (Ascorbinsäure) eine interessante Verbindung, da es sowohl Säure-Base-Reaktionen als auch Redoxreaktionen eingehen kann. Letztere Reaktionsart wird
auch in der Lebensmittelindustrie ausgenutzt. Vitamin C wird dort als Konservierungsstoff
eingesetzt und verhindert die Oxidation bestimmter Inhaltsstoffe, wenn diese in Kontakt mit
dem Luftsauerstoff gelangen.
Hinweise zur Didaktik und Methodik
Das Säure-Base-Konzept und Redoxreaktionen sind zwei große Themenfelder aus der
Sekundarstufe II. Das Thema „Vitamin C“ bietet die Möglichkeit, diese zwei Themenfelder
zu verknüpfen und die Inhalte dieser Themenfelder an einem konkreten Beispiel aus dem
Alltag zu wiederholen. Durch die Erarbeitung der Inhalte mithilfe einer Interaktionsbox können die Schülerinnen und Schüler ihre Vorgehensweise selbstständig planen und festlegen. Die Box bietet die Möglichkeit, Unterrichtsinhalte, die für die Erarbeitung nötig sind, zu
wiederholen oder zu festigen. Die verschiedenen Materialien (Experimente, Info-Texte,
Gruppenpuzzle usw.) gewährleisten einen abwechslungsreichen und motivierenden Umgang mit der Thematik.
Materialübersicht
M1
Tx
So gehen Sie richtig mit der Interaktionsbox um
M2
Tx
Sesam öffne dich! Der Inhalt der Interaktionsbox
M3
SV
Vitamin C in Lebensmitteln – wer wird Testsieger?
V: 5 min
D: 10 min
M4
SV
verschiedene Lebensmittel
(Obst, Gemüse)
Ascorbinsäure (Vitamin C) –
Teststäbchen
Messer
Frisch gepresst oder aus der Packung?
V: 10 min
gekaufter Orangensaft
Obstpresse
D: 30 min
Orange (zum frisch Pressen)
10-ml-Pipette
Tillmanns Reagenz
Bürette mit Ständer
Wasser dest.
Erlenmeyerkolben (250 ml)
Messer
Heizplatte
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C
Schutzbrille
M5
SV
Vorher schälen oder später pellen? – Vitamin-C-Gehalt in Kartoffeln
I
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N
V: 15 min
rohe Kartoffeln
Gasbrenner
D: 45 min
Becherglas (500 ml)
Dreifuß mit Drahtnetz
Messer
Schutzbrille
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Wasser
Tipps zu M 5
Vitamin-C-Teststäbchen
M6
V
M7
M8
M9
Tx
Säure-Base-Konzept nach Brønsted
Tx
Redoxreaktionen
Ab
Ein Lückentext zu „Vitamin C“
D: 15 min
Tx
Ein Gruppenpuzzle zu „Vitamin C“
D: 20 min
M 10
Tx
Vitamin C – was ist das eigentlich?
D: 15 min
M 11
SV
Welche Eigenschaften hat Vitamin C? – Experimente
V: 5 min
Ascorbinsäure (Vitamin C)
Universalindikatorpapier
D: 20 min
Wasser dest.
Spatel
Natronlauge verd.
Pipetten
Phenolphthaleinlösung
(w˂1%)
Reagenzgläser
Silbernitratlösung
M 12
Tx
Vorschläge zur Präsentation Ihrer Ergebnisse
M 13
Tx
Glossar
M 1 So gehen Sie richtig mit der Interaktionsbox um
Chemiebaukästen oder Bausatzsysteme wie z.B. „Lego“ sind Ihnen bestimmt bekannt. Die
Übertragung dieser erfolgreichen Idee auf den Unterricht ist die Interaktionsbox. Alle Materialien, die Sie für die Bearbeitung dieser Einheit zum Thema Vitamin C benötigen, befinden sich in einer solchen Interaktionsbox.
Arbeitsaufträge, Fragestellungen, Info-Texte, aber auch Geräte und Chemikalien haben
dort ihren Platz. Folgende Tipps sollen Ihnen beim Arbeiten mit der Interaktionsbox helfen:
Lesen Sie sich zunächst die Materialliste (M 2) durch und suchen Sie die
entsprechenden Materialien in der Box.
Erstellen Sie einen Arbeitsplan. Brauchen alle Gruppenmitglieder die Wiederholung oder kann einer aus der Gruppe die Wiederholung erarbeiten und
den anderen vorstellen? Welche Reihenfolge ist bei der Erarbeitung sinnvoll?
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C
Bestimmen Sie in Ihrer Gruppe einen Protokollanten, der alle Ergebnisse
festhält. Wichtig ist, dass Sie auch die Vorgehensweise bei der Erarbeitung
dokumentieren. Für die spätere Präsentation ist es sinnvoll, Experimente
z.B. fotografisch (etwa mit einem Foto-Handy) festzuhalten.
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Teilen Sie die durchzuführenden Arbeiten sinnvoll und gleichmäßig auf. Achten Sie darauf, dass alle Gruppenmitglieder im gleichen Umfang mitarbeiten
können. Vor allem die Arbeitsprozesse sollen allen zu jeder Zeit transparent
sein. Kurze Arbeitsbesprechungen vor Beginn und am Ende eines Arbeitsabschnittes (z.B. Unterrichtsstunde) sind von Vorteil.
Präsentieren Sie nach Beendigung der Arbeiten Ihre Ergebnisse den Mitschülern. Wählen Sie dazu eine geeignete Präsentationsart. Die Präsentation soll auch die Vorgehensweise bei der Durchführung beinhalten. Nutzen
Sie Bilder und weitere Visualisierungen (z.B. Tafelanschrieb, Folie).
Geben Sie keine Inhalte wieder, die allen bereits bekannt sind (z.B. die
Durchführung der Experimente). Ihre Mitschüler arbeiten ja ebenfalls mit der
Interaktionsbox.
Achtung: Achten Sie beim Experimentieren auf die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften und befolgen Sie die Entsorgungshinweise für Chemikalien
M 2 Sesam öffne dich! Der Inhalt der Interaktionsbox
Das ist eure Interaktionsbox.
Der Inhalt lässt sich in drei Kategorien unterteilen:
I.
Materialien
M 1 bis M 13 (Texte, Wiederholungen,
Experimente, Glossar) auf buntem
Papier und laminiert
Tipps zu M 5 (in beschrifteten Umschlägen)
Lösungen (in beschrifteten Umschlägen)
II.
Die Interaktionsbox ist mit allen nötigen Materialien und
Geräten bestückt
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Chemikalien / Experimentiermaterialien
Versch. Obst und Gemüse
Orange
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Wasser dest.
Kartoffeln
Vitamin-C-Teststäbchen
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Orangensaft
Tillmanns Reagenz
Wasser
Natronlauge verd.
Silbernitratlösung
Ascorbinsäure (Vitamin C)
Phenolphthaleinlösung (w˂1%)
III.
Geräte
Messer
Obstpresse
10-ml-Pipette
Bürette mit Ständer
Erlenmeyerkolben (250 ml)
Heizplatte
Schutzbrille
Becherglas (500 ml)
Gasbrenner
Dreifuß mit Drahtnetz
Spatel
Pipetten
Reagenzgläser
M 5 Vorher schälen oder später pellen? – Vitamin-C Gehalt in
Kartoffeln
Kartoffeln gehören zu unseren Grundnahrungsmitteln. Auch sie enthalten Vitamin C.
Um Kartoffeln zu genießen, gibt es viele Zubereitungsmöglichkeiten: Salzkartoffeln, Pellkartoffeln, Bratkartoffeln oder auch Pommes
frites.
Gourmet International
empfiehlt
Würde man sie roh essen, bekäme man pro
100 g Kartoffeln etwa 20 mg Vitamin C.
Durchschnittlich 100 mg Vitamin C sollte ein
Erwachsener täglich zu sich nehmen. Der
Haken ist nur, dass man Kartoffeln nicht roh
essen sollte.
Wussten Sie, dass geschälte Kartoffeln
beim Kochen circa 30 % ihres ursprünglichen Vitamin-C-Gehalts verlieren? Bei
Pellkartoffeln hingegen beträgt der Verlust nur circa 10 %.
Also kochen, doch wie?
Deshalb haben wir für Sie in dieser Ausgabe tolle Rezepte mit Pellkartoffeln …
Ab jetzt essen wir nur noch Pellkartoffeln!
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Schülerversuch: Gehalt von Vitamin C in
Kartoffeln
V: 15 min
D: 45 min
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Chemikalien / Gefahrenhinweise
Geräte
rohe Kartoffeln
Gasbrenner
Becherglas (500 ml)
Dreifuß mit Drahtnetz
Messer
Schutzbrille
Tipps zu M 5 (siehe Erläuterungen und LöVitamin-C-Teststäbchen
sungen, Seite 20)
Wasser
Achtung: Schutzbrille tragen!
Entsorgung Die Teststäbchen können über den Hausmüll entsorgt werden.
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Aufgabe
Planen Sie ein Experiment, mit dem Sie die Behauptung des obigen Artikels einer Kochzeitschrift überprüfen und erklären können.
Meine Versuchsplanung
Tipps: Brauchen Sie Hinweise zum Experiment? Dann schauen Sie sich die bereitgestellten Tipps zu M 5 an. Die Tipps sind durchnummeriert. Fangen Sie bitte mit Tipp 1 an.
Allerdings: Die Tipps sollen Ihre eigene Planung nicht ersetzen! Sie können sie auch nach
der Durchführung des Experiments als Kontrolle lesen.
M 8 Ein Lückentext zu „Vitamin C“
Setzen Sie die folgenden Begriffe in den Lückentext und Sie werden viel Wissenswertes über Vitamin C erfahren.
ausgeschieden – Citrusfrüchte – Ernährung – Erstisolierung – Glucose – Handelsschiffe –
100 mg / Tag – Infektionen – Lebensalter und Lebensweise – Nebennierenrinden von Rindern – Nobelpreis für Chemie – Obst und Gemüse – Redoxreaktionen – Schwäche – Therapieerfolge – Überschuss – Seefahrerkrankheit – 60 000 Tonnen – Skorbut – Stoffwechselprozessen – täglich – Tiere und Pflanzen – Tod – Nahrung – Versorgung – Vitamine –
Zahnausfall – Zufuhr – 20. Jahrhunderts
Der menschliche Organismus braucht ____________ zur Aufrechterhaltung vieler lebensnotwendiger Körperfunktionen. Da er diese nicht selber herstellen kann, sind wir auf die
___________ dieser Vitamine über die ______________ angewiesen.
Vitaminmangel macht sich am Anfang vor allem durch die Anfälligkeit für _____________
bemerkbar. Die bekannteste Vitamin-C-Mangelerkrankung ist ____________. Diese
Krankheit plagt die Menschheit schon seit dem Altertum, wurde aber als
_________________________ erst richtig bekannt. Die Entdeckungsreisen der
___________________ nach Indien, Ostasien und Ostafrika dauerten im 16. bis 18. Jahrhundert oft mehrere Monate bzw. Jahre. Die __________________ der Seefahrer war wegen der langen Zeit auf See problematisch. Eine rätselhafte Krankheit, Skorbut, trat hervor.
Typische Symptome sind Blutergüsse, Schwellungen, vor allem des Zahnfleischs,
____________, Blutarmut, ___________ und letztlich der _______.
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Der schottische Arzt James Lind stellte während einer Seefahrt fest, dass Seeleute, die
_______________
zu
sich
nahmen,
nicht
erkrankten.
Seine
publizierten
_____________________ fanden jedoch bei seinen Kollegen nicht die nötige Beachtung.
Erst im frühen 19. Jahrhundert schaffte man es, durch die entsprechende
_______________, die Krankheit weitgehend zurückzudrängen.
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Die Entdeckung von Vitamin C als eigenständiges Vitamin fand Anfang des
______________________ statt. Die __________________ von Vitamin C gelang dem
ungarischen
Biochemiker
Szent-Györgyi
Nagyrápolt.
Er
isolierte
es
aus
______________________________________. Wie wichtig Vitamin C ist, zeigt die Tatsache, dass es für die synthetische Herstellung den ______________________ gegeben hat.
Vitamin C wird heutzutage großtechnisch hergestellt. Über ________________ werden
jährlich hergestellt.
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Der Mensch kann Vitamin C nicht herstellen, ___________________________ können
dies jedoch. Die biochemische Synthese geht in beiden Fällen von ___________ aus. Ausgehend von dieser Verbindung wird Vitamin C auch großtechnisch produziert.
Die Bedeutung von Vitamin C für unseren Körper liegt in der Fähigkeit des Vitamins,
___________________ eingehen zu können. Das Redoxpaar Ascorbinsäure (Vitamin C) /
Dehydroascorbinsäure („oxidiertes Vitamin C“) spielt bei _________________________
eine wichtige Rolle.
Die Frage, wie viel Vitamin C wir ____________ zu uns nehmen müssen, lässt sich nicht
so
einfach
beantworten.
Sie
hängt
von
den
Faktoren
_______________________________ ab. So müssen Raucher mehr Vitamin C zu sich
nehmen, genau wie schwangere und stillende Frauen. Für Erwachsene wird eine tägliche
Dosis von __________________ empfohlen. Größere Mengen zu sich zu nehmen, lohnt
sich nicht, da ein _______________ an Vitamin C über die Niere____________________
wird. Eine ausgewogene Ernährung mit genügend __________________________ reicht
jedoch aus, um den Vitamin-C-Haushalt im Gleichgewicht zu halten.
M 13 Glossar
Brønstedbase: Chemische Verbindung, die Protonen aufnimmt.
Brønstedsäure: Chemische Verbindung, die Protonen abgibt.
Bürette: Langes Glasrohr mit Milliliterangabe und Hahn. Wird benutzt, um gezielt eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit abzugeben. Der Verbrauch kann dann direkt an der Bürette abgelesen werden. Wird in einer Titration zur Gehaltsbestimmung bestimmter Stoffe eingesetzt.
Dehydroascorbinsäure: Oxidierte Form der Ascorbinsäure (Vitamin
C).
Elektronenakzeptor: Chemische Verbindung, die Elektronen aufnimmt.
Elektronendonator: Chemische Verbindung, die Elektronen abgibt.
Glucose: Traubenzucker, Dextrose. Kommt häufig in süßen Früchten
vor. Im Organismus tritt Glucose im Blut auf (normaler Blutzuckerspiegel: ca. 0,1 %).
Glutathion: Tripeptid, welches in Hefe vorkommt. Es geht leicht in
das entsprechende Disulfid über und wirkt somit als Überträger bei
Redoxprozessen.
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Indikator: Farbstoff, der seine Farbe abhängig vom pH-Wert ändert.
Indikatoren werden zur pH-Wert-Bestimmung, aber vor allem bei der
Titration eingesetzt. Den Bereich, wo sich die Farbe ändert, nennt
man Umschlagsbereich.
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Natronlauge: Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) in Wasser. Im Wasser liegen Na+- und
OH- - Ionen vor.
Nitritpökelsatz: Kochsalz (Natriumchlorid – NaCl) mit 0,4 bis 0,5 Prozent Natriumnitrit
(NaNO2)
V
Nitrosamine (R2N-NO): Entstehen aus sekundären Aminen und salpetriger Säure. Sind
krebserregend.
Oxidation: Die Abgabe von Elektronen.
pH-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration. Befindet sich
der pH-Wert zwischen 0 und 7, ist die Lösung sauer. Zwischen 7 und 14 ist sie basisch.
Wenn der pH-Wert genau 7 beträgt, ist die Lösung neutral.
Phenolphthalein-Lösung: Farbstoff, der als Indikator bei Säure-Base-Reaktionen eingesetzt wird. Ist im sauren Milieu farblos, im stark basischen rosa.
Protonenakzeptor: Chemische Verbindung, die Protonen aufnimmt.
Protonendonator: Chemische Verbindung, die Protonen abgibt.
Redoxreaktion: Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen.
Reduktion: Die Aufnahme von Elektronen.
Silbernitratlösung: Lösung von Silbernitrat (AgNO3) in Wasser. Im Wasser liegen Ag+- und
NO3- - Ionen vor.
Skorbut: Vitamin-C-Mangelerkrankung, auch als Seefahrerkrankheit bekannt. Symptome
sind Blutungen, Schwellungen, Blutergüsse, Zahnfleischbluten und Zahnausfall. Führt bei
andauerndem Vitamin-C-Mangel zum Tod.
Erläuterungen und Lösungen
M1
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M 11
Erläuterung (M 1)
Das Material M 1 soll den Schülern eine Einführung in die Methodik „Interaktionsbox“ geben. Als Variante ist es möglich, diese Einführung zentral durchzuführen. Es ist sicherlich
sinnvoll, kurz auf die Experimente und zu verwendenden Chemikalien einzugehen. Statt
einer Präsentation am Ende der Erarbeitungsphase kann auch ein Protokoll angefertigt
werden. Auch dieses Protokoll sollte die Vorgehensweise bei der Erarbeitung beinhalten.
Erläuterung (M 3)
Vitamin-C-Teststäbchen können über den Laborhandel bezogen werden und kosten etwa
20 Euro für 100 Stück. Die Farbreaktion, die bei Teststäbchen abläuft, beruht auf der Reduktion des gelb gefärbten Phosphormolybdatokomplexes durch Ascorbinsäure zu Molybdänblau.
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Erläuterung (M 4)
Frisch gepresster Orangensaft und gekaufter zeigen oft große Unterschiede im Vitamin-CGehalt. Oftmals ist gekaufter Saft mit Vitamin C angereichert. Der Vergleich bietet eine gute
Diskussionsgrundlage.
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Die Lösung von Tillmanns Reagenz ist möglichst frisch herzustellen und dunkel aufzubewahren. Hierzu werden 3,2941g 2,6-Dichlorindophenol-Natrium-Salz-Hydrat in einem Liter
destilliertem Wasser gelöst. Die Konzentration beträgt bei der Angabe 0,01 mol/l.
Ein Verbrauch von 1 ml Tillmanns Reagenz entspricht 1 mg Vitamin C. Wenn man den genauen Gehalt an Tillmanns Reagenz bestimmen möchte, ist eine Eichtitration mit einer Ascorbinsäure-Lösung zu empfehlen. Es empfiehlt sich, den Schülern mitzuteilen, welcher
Verbrauch an Tillmanns Reagenz welchem Ascorbinsäure-Gehalt entspricht. Tillmanns
Reagenz und Ascorbinsäure reagieren im Verhältnis 1:1. Wenn genügend Zeit zur Verfügung steht oder man diese Zeit investieren möchte, kann man die Eichung und anschließende Berechnung auch durch die Schüler durchführen lassen.
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Lösung (M 4)
Der Vitamin-C-Gehalt in gekauftem Saft ist meistens höher als der Gehalt in frisch gepresstem Orangensaft. Der Gehalt bei dem frischen Saft ist natürlich stark abhängig von der
Qualität bzw. der Frische der Orangen.
Zusatz-Experimente: 2. Der Vitamin C-Gehalt nimmt beim Erhitzen ca. 20 % ab. 3. Nach 3
Tagen an der Luft ist die Abnahme ca. 15 %.