Protokolle Glatz - ig-mathe - ig-mathe

Protokolle:
Organische Schulversuche (LU)
Martin Glatz
0712957
[email protected]
Nov. – Dez. 2011
Inhalt
0 Vorwort
1 Analytische organische Chemie
1.1 Nachweis der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Brenn- und Glühprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Nachweis der Halogene (Beilsteinprobe) . . . . . . . . . . .
1.1.3 Nachweis von Stickstoff durch Ammoniakbildung . . . . . .
1.1.4 Der Lassaigne-Aufschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Der Middleton-Aufschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Nachweis auf funktionelle Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Azokupplung als Nachweis für primäre, aromatische Amine
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2 Kohlenwasserstoffe
2.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Herstellung von Methan aus Natriumacetat . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Brennbarkeit des Methans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Explosionsversuch mit Benzin-Luftgemischen . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Fraktionierte Destillation von Rohpetroleum (Erdöl) . . . . . . . .
2.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Darstellung von Ethen aus Ethanol und Schwefelsäure . . . . . . .
2.2.2 Verbrennung von Ethen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Reaktion von Ethen mit Baeyers Reagens . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Reaktion von Ethen mit Brom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Nachweis von Ethen im Pyrolysegas von Polyethen . . . . . . . . .
2.2.6 Darstellung von Ethin aus Calciumcarbid . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Untersuchung von (un)gesättigten und aromatischen Verbindungen
2.3.2 Brennbarkeit von Toluol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Lösungseigenschaften von Toluol . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4 Säureeigenschaften des Phenols und der Naphthole . . . . . . . . .
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3 Derivate von Kohlenwasserstoffen
3.1 Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Gewinnung von Ethanol durch alkoholische Gärung . . . . . .
3.1.2 Destillation von Rotwein und Bestimmung des Alkoholgehaltes
3.1.3 Trennung von Ethanol und Wasser durch Aussalzen . . . . . .
3.1.4 Unterscheidung von Ethanol und Methanol . . . . . . . . . . .
3.1.5 Nachweis von Wasser in Ethanol . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Oxidation von Ethanol mit Kaliumpermanganat . . . . . . . .
3.1.7 Iodoformprobe nach Lieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.8 Das brennende Taschentuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.9 Mehrwertige Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Ether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Brennbarkeit des Diethylethers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Dichte der Dämpfe von Diethylether . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Nachweis von Peroxiden im Diethylether . . . . . . . . . . . . .
3.3 Aldehyde und Ketone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Die Fehlingsche Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3.2 Silberspiegelreaktion (Tollens Reaktion) . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Iodoformprobe für Acetaldehyd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Reaktion (von Aldehyden) mit fuchsinschwefeliger Säure . . . . . .
3.3.5 Oxidation von Benzaldehyd durch Luft . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.6 Darstellung von Aceton aus Calciumacetat . . . . . . . . . . . . .
3.3.7 Bildung von Bromaceton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carbonsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Säurestärke verschiedener Carbonsäuren . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Nachweis von Carbonsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Essigsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 Nachweis von Buttersäure als Abbauprodukt des Butterfetts . . .
3.4.5 Backpulver aus Kaliumhydrogentartrat . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.6 Brausepulver aus Weinsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.7 Darstellung von Tricalciumcitrat aus Zitronen . . . . . . . . . . . .
3.4.8 Bestimmung der Gesamtsäure von Wein bzw. in einem Fruchtsaft .
3.4.9 Pyrophores Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carbonsäureester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 Abhängigkeit der Esterausbeute von den Reaktionsbedingungen . .
3.5.2 Herstellung verschiedenen Fruchtester . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
4.1 Fette und Öle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Unterscheidung eines fetten Öles von einem Mineralöl . . . . . . .
4.1.2 Nachweis von Glycerin in Fetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Addition von Brom an Fette und fette Öle . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Isomersierung von Ölsäure zu Elaidinsäure . . . . . . . . . . . . .
4.1.5 Bestimmung der Iodzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Herstellung von Fettsäuremethylester (Biodiesel) . . . . . . . . . .
4.2 Seifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Herstellung von Seifen aus Fettsäuren . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Herstellung von Kernseife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Herstellung von Transparentseife . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Aussalzen von Seife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Wirkung der Seifen und Waschmittel auf eine Wasseroberfläche . .
4.2.6 Nachweis der Wasserhärte mit Seifenlösung . . . . . . . . . . . . .
4.2.7 Herstellung eines synthetischen Waschmittels (Natriumcetylsulfat)
4.2.8 Unterscheidung: Seife – flüssiges Waschmittel . . . . . . . . . . . .
4.2.9 Nachweis von Bestandteilen synthetischer Waschmittel . . . . . . .
4.2.10 Nachweis von Phosphat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5 Kohlenhydrate
5.1 Mono- und Disaccharide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Nachweis von Kohlenstoff in Zucker . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2 Verbrennung von Zucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate
5.1.4 Zuckerkalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.5 Polymerisation von Traubenzucker . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.6 Darstellung von Kunsthonig aus Saccharose . . . . . . . . . . . .
5.1.7 Blue Bottle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.8 Pharaoschlangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
6.1 Harnstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Nachweis von Harnstoff im Urin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Enzymatischer Abbau von Harnstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Wasserlöslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Acidität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3 Amphotere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.4 Farbreaktion von Aminosäuren mit Ninhydrin . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Herstellung einer Eiweißlösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Ausfällung von Eiweiß durch Erhitzen und durch Alkohol . . . . . . .
6.3.3 Nachweis von Schwefel und Stickstoff in Eiweiß . . . . . . . . . . . . .
6.3.4 Aussalzen von Eiweißlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.5 Xanthoproteinreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.6 Ninhydrinreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.7 Biuretreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.8 Nachweis der kolloidosmotischen Wirkung einer Eiweißlösung . . . . .
6.4 Enzyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Stärkespaltung durch Mundspeichel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Zerstörung der Enzymwirkung durch Schwermetalle und Hitze . . . .
6.4.3 Harnstoffspaltung durch Bodenbeakterien . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.4 Verdauung von Fetten durch Pankreaslipase . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.5 Nachweis der Katalase in Kartoffeln, Hitzeeinwirkung . . . . . . . . .
6.4.6 Temperaturabhängigkeit der Katalase . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.7 Enzymatische Bräunung von Kartoffelextrakt . . . . . . . . . . . . . .
6.4.8 Der Trick mit dem Gummibärchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.9 Versuche mit pflanzlichen Proteinasen – Nachweis der Enzymwirkung
6.4.10 Nachweis der Proteasen in Vollwaschmitteln . . . . . . . . . . . . . . .
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7 Polymerisation, Kunststoffe
7.1 Darstellung des Polyamids Nylon-6,10 (»Nylonseiltrick«) . . . . . . . . . . . .
7.2 Darstellung eines elastischen Polyurethanschaumes . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Darstellung eines Polyesters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Schmelzen eines Schneemanns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Herstellung von »SLIME« durch Vernetzung von Polyvinylalkohol mit Borax
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5.3
Stärke und Zellulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Die Iod-Stärke-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Reaktion von Zellulose mit Iod-Iodkalium-Lösung . . . . . .
5.2.3 Hydrolytischer Abbau von Zellulose . . . . . . . . . . . . .
5.2.4 Herstellung von Zellulosetriacetat . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.5 Darstellung einer Folie aus Zellulosetriacetat . . . . . . . .
5.2.6 Herstellung von Schießbaumwolle . . . . . . . . . . . . . . .
Vitamin C (L-Ascorbinsäure) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 pH-Wert & reduzierende Eigenschaften . . . . . . . . . . .
5.3.2 Reduktion von 2,6-Dichlorphenol-Indophenol durch Vitamin
5.3.3 Qualitativer Nachweis von Vitamin C in Obst . . . . . . . .
5.3.4 Quantitative Bestimmung von Vitamin C in Fruchtsäften .
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8 Farbstoffe, Chromatographie
8.1 Synthese von Farbstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Herstellung von Phenolphthalein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2 Herstellung von Fluoreszein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Indigosynthese nach Baeyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.4 Herstellung der Indigoküpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Tomatensaftregenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Chromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Untersuchung von Filzstiftfarben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Untersuchung von Kugelschreiberfarbstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.3 Radialchromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4 Dünnschichtchromatographie von Blütenfarbstoffen . . . . . . . . . . . . .
8.3.5 Trennung verschiedener Carotinoidkomponenten aus rotem Paprikapulver
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9 Naturstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe, Chemilumineszenz
9.1 Isolierung von Coffein aus Tee . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Aspirin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1 Isolierung der Reinsubstanz aus Tabletten . . . . . . .
9.2.2 Synthese von Aspirin . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.3 Quantitative Analyse einer Tablette Aspirin . . . . . .
9.3 Chemilumineszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Chemilumineszenz von Luminol . . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Chemilumineszenz von Lucigenin . . . . . . . . . . . .
9.3.3 Chemilumineszenz von Tetrakis(dimethylamino)ethen
9.3.4 Oxalesterchemilumineszenz . . . . . . . . . . . . . . .
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7.7
Kunststofferkennung mit einfachen Mitteln
7.6.1 Verhalten im Wasser . . . . . . . . .
7.6.2 Verhalten gegenüber Lösungsmittel .
7.6.3 Beilsteinprobe . . . . . . . . . . . .
7.6.4 Erhitzen bzw. Brennprobe . . . . . .
7.6.5 Oberflächenhärte – Bruchprobe . . .
Liste der gebräuchlichsten Kunststoffe . . .
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0 Vorwort
Martin Glatz, 0712957
0 Vorwort
Liebe Leserinnen und Leser,
lieber (zukünftiger) Herr (Prof.) Martin Glatz,
nachfolgend finden Sie die Protokolle zu den Versuchen, die im Laborbetrieb der Lehrveranstaltung Nr. 646.411 Organische Schulversuche (LU) im WS 11/12 an der KFU Graz von mir
durchgeführt wurden.
Diese Protokollsammlung ist nur in zweiter Linie verfasst, damit die LehrveranstaltungsleiterInnen etwas zum Korrigieren haben. Primär ging es mir darum, dass ich mir selbst einen Fundus
an Versuchen samt detaillierten Erklärungen und Hintergrundwissen für die organische Chemie
aufbaue, damit mir mein zukünftiges Leben im Schulbetrieb ein wenig leichter gemacht wird.
Schließlich geht es ja hauptsächlich um meinen persönlichen Lernerfolg und Erkenntnisgewinn.
Man verzeihe mir deswegen die etwas höhere Seitenanzahl, die sich daraus ergab.
Erklärungen zu den Versuchs-Symbolen:
M: Material: Spezielle verwendete Materialien, Chemikalien und zubereitete Lösungen bzw.
besondere Reagenzien werden hier angeführt.
D: Durchführung: Eventuelle Abweichungen von der Vorschrift oder zusätzliche Dinge, die
bei der Durchführung beachtet wurden/werden müssen.
B: Beobachtungen: Kurze Zusammenfassung der Beobachtungen während des Versuches.
Wenn notwendig wird auch der Versuchsablauf kurz umrissen, um die Beobachtungen
verstehen zu können.
E: Erklärungen: Unter diesem Punkt werden die Erklärungen zu den Beobachtungen gebracht, wobei ein Mindestmaß an grundlegender Theorie eingebaut wird, um ausreichend
Hintergrundwissen für die Schule bereitzustellen. Kommt Theorie mehrfach vor, so findet
sich meist ein Verweis auf die detaillierte Stelle.
S: Schule: Kommentare zum Einsatz in der Schule: Nützlichkeit, Sinnhaftigkeit, Aufwand,
Stoffgebiet, und vor allem, wie spektakulär und eindrucksvoll der Versuch war.
X Nicht durchgeführt! Diese Aussage heißt, dass der entsprechende Versuch nicht durchzuführen war und daher nicht durchgeführt wurde, weswegen auch Beobachtungen, Erklärungen etc. gebracht werden.
Aus Gründen der Lesbarkeit wird das Symbol »S&S« verwendet, um den Terminus »Schülerinnen und Schüler« (im jeweils benötigten Fall, versteht sich) abzukürzen.
Noch ein Hinweis für Interessierte: Sämtliche Strukturformeln wurden von mir mit dem (plattformübergreifenden, frei verfügbaren) Programm BKChem gestaltet, mit dem z. B. auch viele
Formeln auf Wikipedia erzeugt wurden, und dann z. T. mit Inkscape nachbearbeitet. Das Dokument an sich wurde mit dem Textsatzsystem LATEX bzw. texmaker erstellt. Speziell für die
chemischen Formeln bzw. Halbstrukturformeln wurde das Paket mhchem verwendet.
Viel Spaß beim Lesen und Durchschmökern wünscht
(Martin Glatz)
Matr. Nr. 0712957
[email protected] bzw.
[email protected]
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1 Analytische organische Chemie
Martin Glatz, 0712957
1 Analytische organische Chemie
1.1 Nachweis der Elemente
Die zu untersuchende Probe: gelbliches Pulver (Feststoff) → Hinweis auf aromatisches System.
In H2 O schwer bzw. wenig löslich. Gut/besser löslich in EtOH.
1.1.1 Brenn- und Glühprobe
B: Die zu untersuchtende Substanz verbrannte auf dem ausgebrannten Magnesiastäbchen
mit leuchtend gelber Flamme ohne übertriebene Rußbildung. Keine bläuliche Färbung
erkennbar.
E: Die gelbe (ein wenig) rußende Flamme is ein Hinweis auf auf ein kohlenstoffhältiges, ungesättigtes System (Aromat). Blaue Flammen wären charakteristisch für sauerstoffreiche
Verbindungen.
S: Relativ leicht durchführbar, aber wenig spezifisch. Kein Versuch, den man (so isoliert)
gesehen haben muss.
1.1.2 Nachweis der Halogene (Beilsteinprobe)
B: Ein ausgeglühter Kupferdraht wird mit Substanz »beladen« und dann in den Saum der
Brennerflamme gehalten: Zuerst verbrennt die Substanz mit gelber Flamme (vgl. oben).
Am Ende, wenn der Großteil verbrannt ist, zeigt sich eine deutlich grünlich/blaue Flamme.
E: Bei der Verbrennung entstehen Kupferhalogenide (z. B. CuCl), die die Flamme dann grünlich/blau färben (Spuren reichen!).
S: Diesen Versuch sollte man einmal gesehen haben, damit man die Arbeitsvorschrift versteht.
Auch im Zusammenhang mit (chlorhältigen) Kunststoffen kann dieser Versuch durchgeführt werden.
1.1.3 Nachweis von Stickstoff durch Ammoniakbildung
B: Sie Substanz wird mit NaOH versetzt und erwärmt. Es entstand eine grün gefärbte Lösung.
Die Dämpfe färben das pH-Papier leicht bläulich (→ basisch).
E: Der Stickstoff in der Substanz wird zu Ammoniak NH3 umgesetzt/reduziert. Dieser zeigt
in H2 O basisches Verhalten:
+
−−
*
NH3 + H2 O )
−
− NH4 + OH–
S: Einfach durchzuführen. Allerdings ist es schwer möglich, exakte Reaktionsgleichungen
(Umsetzung zu NH3 ) anzugeben, was unangenehm werden kann, wenn es die S&S genau
wissen wollen.
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1 Analytische organische Chemie
Martin Glatz, 0712957
1.1.4 Der Lassaigne-Aufschluss
B: Man schließt die Substanz mit metallischem Natrium auf (d. h. schmelzen bis zur Rotglut
und in Wasser abschrecken):
• Der Aufschluss versetzt mit FeSO4 hat eine grünliche Farbe, das Salz löst sich schlecht.
Nach dem Aufkochen war die Lösung grünlich/blau, ohne Niederschlag. Nach Zugeben
von HCl ist ein dunkelblauer Niederschlag (Berliner Blau) deutlich sichtbar.
• Der Aufschluss (in salpetersaurer Form) wurde mit Silbernitrat (AgNO3 ) versetzt, es
entstand ein weißer Niederschlag.
Die weiteren Untersuchungen (selektives Oxidieren der einzelnen Halogenide) wurde nicht
mehr gemacht, da nur weißer Niederschlag zu erkennen war (und keine andere Farbe).
E: Der Aufschluss mit Na0 bringt die vorhanden Elemente (C,H,O,N,S, Halogene) in eine
wasserlösliche Form (NaCN, NaX, Na2 S, NaSCN).
Die Bildung von Berliner Blau deutet auf Stickstoff hin (vgl. Ammoniakbildung):
Fe3+ + Fe2+ + 6 CN– −−→ FeIII FeII (CN)–6 (lösliches Berliner Blau) bzw.
Fe3+ + [FeIII FeII (CN)–6 ]3 −−→ FeIII [FeIII FeII (CN)–6 ]3 (unlösliches Berliner Blau)
Cl– -Ionen bilden mit AgNO3 einen weißen Niederschlag (nämlich AgCl, Silberchlorid).
Silberbromid wäre gelblich-weiß, Silberiodid gelblich. Um die einzelnen Halogene nebeneinander unterscheiden zu können, sind selektive Oxidationen nötig:
• Iod: Der spezifische Nachweis auf Iodid erfolgt, indem die Iodid-Ionen mit Natriumnitrit oxidiert werden. Dazu wird die Probe/Aufschluss essigsauer gemacht (→
H+ ) und CCl4 zugegeben (→ eigene Phase). Dann wird tropfenweise Nitritlösung
(NaNO2 ) zugegeben, wodurch elementares Iod entsteht, das sich sich (bevorzugt) in
der organischen Phase sammelt und diese violett färbt:
2 NO–2 + 4 H+ + 2 I– −−→ 2 NO + 2 H2 O + I2
• Brom: Um Bromide nachzuweisen, werden die Bromid-Ionen in der essigsauren Lösung mit Bleidioxid (PbO2 ) zu elementarem Brom oxidiert:
2 Br– + PbO2 + 4 H+ −−→ Br2 + Pb2+ + 2 H2 O
Ein eingetauchtes Fluoreszeinpapier wird durch das Brom zart rosa gefärbt, da aus
dem Fluoreszein das (rote gefärbte) Eosin (Tetrabromfluorescein) entsteht:
Br
HO
O
OH
OH
HO
+
4 Br2
Br
O
OH
Br +
Br
OH
O
4 HBr
O
Fluoreszein
Eosin
• Chlor: Beim Nachweis auf Chlor-Atome werden Iodid und Bromid durch quantitative
Oxidation duch Bleidioxid enternt. Das Filtrat wird dann mit Silbernitrat versetzt,
wodurch weißes Silberchlorid (AgCl) ausfällt.
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1 Analytische organische Chemie
Martin Glatz, 0712957
S: Ein etwas aufwendigerer Versuch, der wohl im Wahlpflichtfach/Analytik-Block besser Platz
hat als in einer »normalen« Stunde. Außerdem durch das Natrium nicht ganz ungefährlich.
1.1.5 Der Middleton-Aufschluss
X Wurde von mir nicht durchgeführt, da es zu keinen dunklen Fällungen von Eisensulfid
beim Lassaigne-Aufschluss kam.
1.2 Nachweis auf funktionelle Gruppen
1.2.1 Azokupplung als Nachweis für primäre, aromatische Amine
D: Eine Spatelspitze der Substanz wird in ein wenig verdünnter H2 SO4 gelöst. Unter Kühlen
und Rühren wird Natriumnitrit-Lösung (NaNO2 ) dazugetropft.
Dann wird eine Spatelspitze β-Naphthol in 2n NaOH gelöst. Diese Lösung wird nun zur
ersten Lösung dazugetropft.
B: Es bildet sich ein dunkelgelber/oranger Niederschlag.
E: Primäre, aromatische Amine lassen sich zu Azo-Farbstoffen kuppeln. Das sei nun am Beispiel Anilin demonstriert:
Im ersten Schritt wird im Reaktionsgefäß (in situ) aus Natriumnitrit NaNO2 und Schwe+
felsäure ein Nitro-Kation N−
−O gebildet:
+ 2 H+
O N O
H
- H2 O
O+ N O
N
O+
H
Dieses wird nun vom freien Elektronenpaar des Stickstoff-Atoms des aromatischen Amins
attackiert, wobei dann unter Wasserabspaltung ein Diazonium-Kation ensteht. Dieser erste
Teil ist als »Diazotierung« bekannt:
N
H2N
N
NaNO2
H2SO4
Aryl-Diazonium-Kation
Anilin
Im zweiten Teil (eigentliche Azokupplung) reagiert nun das β-Naphthol (bzw. die PhenolatForm, daher Zugabe von NaOH) mit dem Diazonium-Kation, wobei diese Produkte grundsätzlich färbige Stoffe sind (gelb/orange/. . . ):
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1 Analytische organische Chemie
Martin Glatz, 0712957
N
N
O
+
Aryl-Diazonium-Kation
H
N
N
O
N
N
OH
Phenolat
gelber/oranger Farbstoff
S: Auch in der Schule durchführbar, wobei das Thema doch relativ speziell erscheint. Vielleicht im Wahlpflichtfach besser aufgehoben.
Es wurden mit der Substanz keine weiteren Versuche für den Nachweis von funktionellen Gruppen durchgeführt, da die Substanz sauerstoffarm war.
Resümee
Bei der Substanz handelte es sich also um ein primäres, aromatisches Amin, das zusätzlich
Chlor-Atome enthielt.
Die Substanz war 2,6-Dichlor-4-Nitro-Anilin:
Cl
H2 N
Cl
NO2
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2 Kohlenwasserstoffe
Martin Glatz, 0712957
2 Kohlenwasserstoffe
2.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe
2.1.1 Herstellung von Methan aus Natriumacetat
B: Beim Erhitzen von Natriumacetat und Natriumhydroxid in einem schwer schmelzbaren
RG kommt es zu einer Gasentwicklung,. Dieses Gas wird in einem großen Glaszylinder
aufgefangen und für die nachfolgenden Versuche verwendet.
Der Rückstand im RG wird mit Salzsäure versetzt. Dabei entsteht wieder ein Gas, das in
eine Bariumhydroxid-Lösung eingeleitet wird und einen weißen Niederschlag erzeugt.
E: Aus Natriumacetat (CH3 COONa) und Natriumhydroxid entstehen Methan und Natriumcarbonat:
CH3 COONa + NaOH −−→ CH4 ↑ + Na2 CO3
Der Rückstand (u. a. Na2 CO3 ) reagiert nun mit Salzsäure, wodurch u. a. gasförmiges CO2
entsteht:
Na2 CO3 + HCl −−→ 2 NaCl + H2 O + CO2 ↑
Das CO2 wird danach in Bariumhydroxid-Lösung (Ba(OH)2 ) eingeleitet, wo nun schwer
lösliches Bariumcarbonat (BaCO3 ) ausfällt:
CO2 + Ba(OH)2 −−→ H2 O + BaCO3 ↓
S: Ein Versuch, der durchaus für Kleingrupppenarbeit brauchbar ist. Sinnvoll sicher im Zusammenhang/Vergleich mit Ethen oder Ethin. Evtl. ist so eine Art Stationenbetrieb möglich/sinnvoll.
2.1.2 Brennbarkeit des Methans
B: Das Methangas im Standzylinder wird angezündet und brennt danach mit schwach leuchtender, nicht rußender Flamme.
E: Methan ist als gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung gut brennbar:
CH4 + O2 −−→ 2 H2 O + CO2
S: Auch in kleineren Mengen vorzeigbar. Sinnvoll im Vergleich mit Ethen und Ethin.
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2 Kohlenwasserstoffe
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2.1.3 Explosionsversuch mit Benzin-Luftgemischen
B: Das Benzin-Luft-Gemisch ist brennbar. Die Explosionswirkung (bzw. das Ausmaß des
»Verpuffens«) hängt vom vom Verhältnis der Benzinmenge zum Luftvolumen ab. Die größte Wirkung war bei 9 Tropfen Benzin feststellbar.
E: Bei jedem Gas gibt es ein ideales (stöchiometrisches) Verhältnis aus Sauerstoff und Gas,
wo es ideal verbrennt (→ Explosionsfähigkeit). Rund um diesen Bereich ist das Gemisch
zündfähig, bei zu fettem (zu viel Benzin) oder zu magerem Gemisch (zu viel Luft) dagegen
nicht.
Exemplarisch eine Reaktionsgleichung einer möglichen Verbrennung:
2 C8 H18 + 25 O2 −−→ 16 CO2 + 18 H2 O
S: Bei passendem Verhältnis sehr eindrucksvoll! Im Vorfeld muss für das entsprechende Volumen/Glasgefäß die ideale Tropfenanzahl herausgefunden werden, um schnell anschauliche
Ergebnisse demonstrieren zu können.
2.1.4 Fraktionierte Destillation von Rohpetroleum (Erdöl)
X Nicht durchgeführt!
2.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe
2.2.1 Darstellung von Ethen aus Ethanol und Schwefelsäure
B: Beim Erhitzen im Heizpilz von Ethanol und konz. Schwefelsäure entsteht ein brennbares
Gas, das pneumatisch in einem Glaszylinder aufgefangen wird.
E: Bei Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Ethanol entsteht zuerst durch Veresterung Ethylschwefelsäure:
CH3 −CH2 −OH + H2 SO4 −−→ CH3 −CH2 −O−SO3 H + H2 O
Durch Erhitzen entsteht aus Ethylschwefelsäure in einer Eliminierungsreaktion Ethen:
CH3 −CH2 −O−SO3 H −−→ CH2 −CH2 ↑ + H2 SO4
S: Für die Schule ist die Apparatur sehr groß und unhandlich. Im Low-Cost-Gasentwickler
ist der Versuch angenehmer durchführbar.
2.2.2 Verbrennung von Ethen
B: Das im Glaszylinder aufgefangene Ethen (aus dem vorigen Versuch) brennt mit leuchtender Flamme. Die Verbrennungsprodukte färben einen Glasbecher (mit BariumhydroxidLösung bestrichen) mit einem weißen Beschlag.
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2 Kohlenwasserstoffe
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E: Ethen lässt sich als Kohlenwasserstoff verbrennen:
CH2 −CH2 + 3 O2 −−→ 2 CO2 + 2 H2 O
Das dabei entstandene CO2 reagiert mit Bariumhydroxid (Ba(OH)2 ) zum weißen Niederschlag Bariumcarbonat:
CO2 + Ba(OH)2 −−→ BaCO3 ↓ + H2 O
S: Die Brennbarkeit ist sehr schnell gezeigt. Das Bilden des weißen Beschlags muss man nicht
unbedingt zeigen/durchführen lassen.
2.2.3 Reaktion von Ethen mit Baeyers Reagens
B: Mit Baeyers-Reagens (1 Teil Kaliumpermanganat-Lösung wird mit 10 Teilen Natriumcarbonat-Lösung vermischt, leichte violette Farbe) wird ein Glaszylinder benetzt, der mit
Ethen gefüllt und geschüttelt wird. Die Innenseite des Glaszylinders färbt sich braun.
E: Es bilden sich (unter anderem) Ethylenglykol (1,2-Ethandiol) und ein brauner Niederschlag
von Mangan(IV)oxihydrat:
3 CH2 −CH2 +2 KMnO4 +H2 O −−→ 3 HO−CH2 −CH2 −OH+2 MnO(OH)2 ↓ +2 KOH
S: Relativ aufwendig, mit einem relativ ungewöhnlichen Salz (Mangan(IV)oxihydrat). Das
zählt meiner Meinung nicht unbedingt zu den Reaktionsgleichungen, die man einmal gesehen haben muss.
2.2.4 Reaktion von Ethen mit Brom
X Nicht durchgeführt!
2.2.5 Nachweis von Ethen im Pyrolysegas von Polyethen
X Nicht durchgeführt!
Reifung von Bananen mit PE-Pyrolyse-Gas
B: In dem Plastik-Sackerl, das mit Ethengas gefüllt ist, wird die Banane deutlich schneller
braun als in den Sackerln, die mit Luft gefüllt sind.
E: Ethen ist ein sogenanntes Reifungshormon (Abzissionsmittel; Abzission: Abwurf der Blätter) für Pflanzen. Der genau Wirkmechansimus ist noch nicht geklärt (vermutlich gibt es
einen Rezeptor in den Zellmembranen, der dann weitere Schritte in Gang setzt, z. B. Bildung von Enzymen, die die Zellwände erweichen, . . . ). Die äußere Behandlung mit Ethen
veranlasst die Pflanze auch, selbst mehr Ethen zu produzieren, wodurch sie gleichmäßig
reift.
In der Pflanze wird Ethen in mehreren enzymkatalysierten Schritten aus der Aminosäure
Methionin CH3 −S−CH3 −CH3 −CH(−NH2 )−COOH hergestellt.
S: Ohne Vorinformation der S&S ein Versuch, der neugierig macht. Evtl. können die S&S
diesen Versuch zu Hause fertig beobachten, wenn sie die Materialen mit nach Hause nehmen
und die nächsten Tage beobachten.
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2 Kohlenwasserstoffe
Martin Glatz, 0712957
Untersuchen von PE-Pyrolysegas auf Brennbarkeit
M: Durchführt mit reinem Ethen.
B: Aus der Spritze (mit Kanüle) wird das Gas in eine Seifenlösung gedrückt (→ Blasenbildung). Diese Bläschen werden angezündet (→ leicht rußende Flamme).
E: Ethen ist brennbar. Bei den Seifenblasen kommt wenig Luft hinzu, daher die Rußbildung.
S: Ein sehr einfacher, aber unterhaltsamer Versuch, der mit Low-Cost-Equipment durchführbar ist.
Untersuchung von PE-Pyrolysegas auf Wasserlöslichkeit
X Nicht durchgeführt!
Untersuchung von PE-Pyrolysegas auf ungesättigten Charakter
B: Baeyers-Reagens (vgl. 2.2.3) wird in ein RG gegeben und mit einer Kanüle wird Ethen
(bzw. PE-Pyrolysegas) eingedüst. Es bildet sich teilweise brauner Niederschlag.
E: Baeyer’sche Probe auf ungesättigte Verdindungen, siehe 2.2.3 Reaktion von Ethen mit
Baeyers Reagens, S. 13
S: Interessanter anzusehen als die Braunfärbung des großen Glaszylinders.
2.2.6 Darstellung von Ethin aus Calciumcarbid
B: Sobald Wasser auf Caciumcarbid getropft wird, kommt es zu einer Bläschenbildung (Gasentwicklung). Das Gas wird in einer aufgesetzten Spritze aufgefanngen. Wenn das angefeuchtete pH-Papier in das (flüssige) Stoffgemisch im RG getaucht wird, färbt sich das
Papier blau (→ basisch).
E: Ethin (C2 H2 bzw. H2 C−
−CH2 ) und Calciumhydroxid werden gebildet:
CaC2 + H2 O −−→ Ca(OH)2 + C2 H2 ↑
Ca(OH)2 reagiert in wässriger Lösung basisch, da es OH– -Ionen abgibt.
Eine Bromlösung wird durch Ethin entfärbt, da durch Additionsreaktionen (vgl. 2.3.1)
Dibromethen und Tetrabromethen entstehen:
HC−
−CH + Br2 −−→ C2 H2 Br2 und
C2 H2 Br2 + Br2 −−→ Br2 HC−CBr2 H
Mit Baeyers-Reagens (siehe 2.2.3 Reaktion von Ethen mit Baeyers Reagens, S. 13) bildet
sich ein brauner Niederschlag (Mangen(IV)oxihydrat):
3 HC−
−CH+8 KMnO4 +12 H2 O −−→ 3 HCOOH+3 CO2 ↑ +8 MnO(OH)2 ↓ +8 KOH
S: Mit ausreichend frischem Calciumcarbid funktioniert der Versuch sehr gut, insbesondere im
Low-Cost-Gasentwickler. Eine Durchführung in Kleingruppen mit je einem Gasentwickler
ist sicher (nicht nur im Wahlpflichtfach) möglich.
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2 Kohlenwasserstoffe
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2.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe
2.3.1 Untersuchung von gesättigten, ungesättigten und aromatischen Verbindungen
B: Hier die Ergebnisse:
lösl. in H2 O
lösl. in Benzin
+Br2
+KMnO4
nein
nein
nein
ja
ja
ja
braun
braun
braun
violett
violett
violett
Cyclohexen
nein
ja
farblos
farblos
Magarine
Speiseöl
nein
nein
ja
ja
farblos
farblos
farblos
farblos
Formel
Paraffin (fl.)
Toluol
Benzin
Cn Hn+2
Ph−CH3
E: Dieser Versuch zeigt das unterschiedliche Verhalten von gesättigten, ungesättigten und
aromatischen Kohlenwasserstoffen:
• Löslichkeit: Als unpolare Substanzen (keine OH-Gruppen etc.) sind sie im polaren
Lösungsmittel H2 O nicht löslich (→ Emulsion), im unpolaren Lösungsmittel Benzin
dagegen schon (keine Trübung): Merkspruch: Ähnliches löst sich in Ähnlichem.
• Reaktion mit Bromlösung: Die Bromlösung entfärbt sich teilweise, wenn (einzelne)
Doppelbindungen vorhanden sind, da es zu einer (elektrophilen) Additionsreaktion
kommt und Br2 -Moleküle deswegen »verbraucht« werden:
C C
C C
Br
+
Br
Br
+
Br
Br δ+
δBr
C C
Br
+
Br
Bromonium-Ion
Es entsteht immer ein trans-Produkt, da die Reaktion über ein konformativ-fixiertes
Bromium-Ion verläuft, das vom Br– von der Gegenseite angegriffen wird.
Mit Aromaten reagiert Br2 nicht, da für die Substitutionsreaktion zusätzlich noch
AlBr3 oder FeBr3 notwendig wären. Die Additionsreaktion bei Aromaten findet nicht
statt, da sie bekanntlich den aromatischen Zustand bei Reaktionen aufrecht erhalten
wollen, weil sie mesomeriestabilisiert sind. Somit zeigen sie nicht das Verhalten von
typischen Alkenen.
• Reaktion mit Kaliumpermanganat-Lösung: Bei Alkenen ensteht zuerst ein cyklischer
Ester (cis-Addition) mit dem Permanganat-Anion (MnO–4 , ein starkes Oxidationsmittel), dann durch Hydrolyse ein cis-1,2-Diol:
C
C
+
O O
Mn
O O
-
O
Mn
C
O O
C
Permanganat
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O
+ 2 H2 O
- HMnO3
- OH
C
C
OH
OH
cis-Diol
2 Kohlenwasserstoffe
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Dadurch wird das Kalimpermanganat verbraucht und die violette Farbe geht verloren.
Aromatische Systeme lassen sich nicht oxidieren (vgl. Begründung oben).
Eine interessante Erkenntnis für die S&S: In Magarine und Speiseöl gibt es sogenannte
ungesättigte Fettsäuren, die eben Doppelbindungen enthalten und dementsprechend auch
wie Alkene reagieren.
S: In diesem Ausmaß ist der Chemikalienverbrauch recht groß, auch wenn mehrere S&S pro
Laborgruppe wären. Auch das Hantieren mit Brom (bzw. Brom-Lösung) ist in der Schule
nicht notwendig.
2.3.2 Brennbarkeit von Toluol
X Nicht durchgeführt!
2.3.3 Lösungseigenschaften von Toluol
X Nicht durchgeführt!
2.3.4 Säureeigenschaften des Phenols und der Naphthole
B: Bei Zugabe von NaOH-Lösung wird der RG-Inhalt klar. Bei Zugabe von Salzsäure entsteht
wieder eine trübe Emulsion.
E: Phenole sind schwache Säuren (bei Abgabe des OH-Gruppen-Protons ist eine Mesomeriestabilisierung möglich), die mit Natriumhydroxid-Lösung Salze bilden, die leicht löslich
sind. Bei Zugabe von Säuren liegen die Phenole allerdings nicht mehr als Anionen (d. h.
in der Salzform) vor und sind daher nicht mehr leicht löslich, wodurch die trübe Emulsion
entsteht.
OH
OH
OH
Phenol
1-Naphthol
2-Naphthol
S: Ein nicht sehr spektakulärer Versuch! Auch der theoretische Hintergrund ist für die Schule
nicht vorrangig.
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3 Derivate von Kohlenwasserstoffen
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3 Derivate von Kohlenwasserstoffen
3.1 Alkohole
3.1.1 Gewinnung von Ethanol durch alkoholische Gärung
B: 15%-Zuckerlösung mit Germpulver (Backhefe) in 200 ml H2 O in 500 ml Kolben mit Gäraufsatz (BaOH-Lösung). Nach 3 Tagen war ein weißer Feststoff im Gäraufsatz zu sehen. Die
Lösung im Kolben wurde nach 4 Tagen destilliert, das Destillat auf Alkohol mittels Iodoformprobe untersucht (gelber Niederschlag → Nachweis positiv!). Nach dem Destillieren
wurden ca. 4 ml Destillat erhalten.
E: Bei der alkoholischen Gärung wandelt Hefe den Zucker in der Lösung (→ Glucose) unter
Energiegewinn (→ ATP) u. a. in Ethanol und Kohlendioxid um:
C6 H12 O6 + 2 ADP + 2 Pi −−→ 2 C2 H5 OH + 2 ATP + 2 CO2 + 2 H2 O
Etwas genauer betrachtet: Zuerst wird wie üblich die Glykolyse (Vorbereitungsphase und
Ertragsphase) durchlaufen, ein Glucose-Molekül wird dabei zu zwei Molekülen Pyruvat
CH3 −C(−O)−C(−O)−O– abgebaut:
C6 H12 O6 +2 ADP+2 Pi +2 NAD+ −−→ 2 Pyruvat+2 ATP+2 NADH+2 H+ +2 H2 O
Dieses Pyruvat wird dann weiter (die alkoholische Gärung im engeren Sinn) zu Ethanol
CH3 −CH2 −OH abgebaut:
O
C
O
C O
CH3
Pyruvat
- CO2
Pyruvatdecarboxylase
H
C
O
CH3
+
+NADH +H
- NAD+
H2C
Alkoholdehydrogenase
Acetaldehyd
OH
CH3
Ethanol
Dabei wird kein Sauerstoff benötigt, um NAD+ zu regenerieren – man spricht daher von
einem anaeroben Stoffwechsel (im Gegensatz zur Zellatmung mit der oxidativen Decarboxylierung, dem Citratzyklus und der Atmungskette).
Dieses durch Gärung entstandene CO2 bildet im Gäraufsatz nun mit Ba(OH)2 einen weißen
Niederschlag, nämlich Bariumcarbonat:
CO2 + Ba(OH)2 −−→ BaCO3 ↓ + H2 O
S: Für gute Ergebnisse ist frische Hefe und ausreichend Wärme vorteilhaft. Evtl. kann die
Apparatur eine Woche lang stehen gelassen werden. Alternativ nimmt man eine Flasche
mit aufgesetztem Luftballon, um die Gaswicklung zu demonstrieren.
3.1.2 Destillation von Rotwein und Bestimmung des Alkoholgehaltes
M: 100 ml Rotwein.
B: Es wurde eine Fraktion (ca. 15 ml) mit einem Siedebereich von 75 – 90°C gewonnen, die
deutliches Ethanol- bzw. Rotweinaroma hatte. Nach Abkühlen auf ca 20°C wurde eine
Dichtebestimmung im Pyknometer durchgeführt: 10,179 cm3 wogen 9,151 g. Laut Tabelle
entspricht das einem Alkoholgehalt von ca. 55 – 60 Gewichtsprozent.
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3 Derivate von Kohlenwasserstoffen
Martin Glatz, 0712957
E: Destillieren trennt eine Lösung zweier Flüssigkeiten aufgrund verschiedener Siedepunkte
(hier: H2 O: 100°C, EtOH: 78°C), wodurch das Ethanol im Rotwein gewonnen werden kann.
Vom Destillat (1. Fraktion) wurde die Dichte
ρ=
m
V
(m: Masse, V : Volumen)
bestimmt, wobei sich eine Dichte von ρ = 0, 899 g/cm3 ergab. Es muss also noch eine
deutliche Menge an Wasser in der Fraktion enthalten sein.
S: In diesem großen Maßstab zwar hübsch anzusehen, aber recht zeitaufwendig. Als LowCost-Versuch im RG mit einer Stahlwolle (»Drahtwaschl«) als Kolonne deutlich schneller.
Die Dichtemessung im Pyknometer sollte man einmal gesehen haben.
3.1.3 Trennung von Ethanol und Wasser durch Aussalzen
M: ca. 40%ige EtOH-Lösung: 40 ml EtOH und 60 ml H2 O
B: Nach Zugabe von reichlich(!) K2 CO3 (Kaliumcarbonat) sammelt sich dieses in der unteren
Phase (H2 O), wo es sich absetzt . Die obere Phase wird abgetrennt (Scheidetrichter) oder
mit einer Pipette entnommen und ist brennbar.
E: Kaliumcarbonat löst sich besser im Wasser als im Alkohol und verdrängt somit den im Wasser gelösten Alkohol in eine eigene Phase (vorher war das Gemisch homogen/einphasig).
Der Alkohol ist in der oberen Phase (geringere Dichte als Wasser) in einer sehr reinen
Form (»hochprozentig«) und brennt daher!
S: Von der Theorie her ein ganz interessanter, von der Durchführung her einfacher Versuch.
Die Verwendung eines Scheidetrichters ist meiner Meinung nach nicht notwendig. Insgesamt würden kleinere Mengen auch reichen.
3.1.4 Unterscheidung von Ethanol und Methanol
Flammenfärbung
B: Methanol (MeOH) brennt mit hellblauer Flamme, Ethanol (EtOH) mit blauer Flamme mit
gelbem Saum, n-Pentanol brennt mit gelber Flamme. Methanol und Ethanol unterschieden
sich deutlich (im halb abgedunkelten Raum, vgl. Abb. unten)!
E: Je sauerstoffreicher eine Verbindung (im Vergleich zum C-Gehalt) ist, desto blauer ist die
Flamme. Je kohlenstoffreicher eine Verbindung ist, desto gelber ist die Flamme.
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S: Schnell durchzuführen und ein eindeutiges Ergebnis! Das ist für einen Lehrkraftversuch
gut zu gebrauchen.
Borsäureester von Methanol und Ethanol
B: Methanol mit Borsäure brennt deutlich grün, Ethanol mit Borsäure und Schwefelsäure
brennt blau/gelb mit einem deutlich grünen Saum, Ethanol mit Borsäure (ohne Schwefelsäure) brennt nur blau/gelb.
E: Es bilden sich Borsäureester (Borsäuremethylester bzw. Borsäureethylester), die grün verbrennen. Mit Ethanol bilden sich diese nur, wenn Schwefelsäure zugegeben wird (Verstärkung der Säurewirkung):
B(OH)3 + 3 CH3 OH −−→ B(OCH3 )3 + 3 H2 O bzw.
B(OH)3 + 3 CH3 −CH3 OH −−→ B(OCH3 −CH3 )3 + 3 H2 O
S: Bunte Flammen sind immer gut, auch wenn der Farbunterschied nicht so deutlich wie
erwartet zu sehen war.
Iodoformprobe
B: Mit Methanol kein gelber Niederschlag. Mit Ethanol gelber Niederschlag.
E: siehe 3.1.7 Iodoformprobe nach Lieben, S. 22
Reaktion mit fuchsinschwefeliger Säure (Schiffsche Probe)
M: Fuchsinschwefelige Säure (Schiffsche Reagenz): Der (rote) Farbstoff Fuchsin wird in heißem
Wasser gelöst und Natriumsulfit und konz. Salzsäure zugeben, danach mit Aktivkohle
versetzt und abfiltriert, wodurch die gewünschte, farblose Lösung entsteht.
D: RG 1: mit 6 Tropfen EtOH; RG 2: mit je 3 Tropfen EtOH bzw. MeOH.
B: Zu beiden RGs wird nun (vioelette) Kaliumpermanganatlösung und ein wenig H2 SO4
zugegeben, danach Oxalsäure (→ braune Farbe). Nach Zugabe von mehr konz. H2 SO4
kommt es zu einer heftigen Reaktion – die Lösung wird farblos.
Zuletzt wird fuchsinschwefilige Säure zugegeben. Nach einer Minute ist RG 2 schon leicht
bläulich-violett, nach 5 Minuten schon deutlich blau/violett gefärbt. RG 1 bleibt dagegen
farblos.
E: Primäre Alkohole werden durch Kaliumpermanganat (bzw. Dimanganheptoxid, vgl. unten)
(zunächst) zu Aldehyden oxidiert:
−2 [H+ ],−2 e–
R−CH2 −OH −−−−−−−−→ R−CH−O
Somit wird Methnol H3 −C−OH zum Methanal (Formaledhyd) H2 −C−O oxidiert und
Ethanol CH3 −CH2 −OH zu Ethanal (Acetaldehyd) CH3 −CH−O
Eigentlich würden die Aldehyde nun weiter zu Carbonsäuren oxidiert werden. Allerdings
reagieren diese Aldeyhde mit der fuchsinschwefeligen Säure, wodurch dieses erste Reaktionsprodukt praktisch »abgezogen« wird (siehe weiter unten).
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Wenig Schwefelsäure wird zugegeben, um das Kaliumpermanganat in ein das Anhydrid
der instabilen Permangansäure (HMnO4 ) zu überführen, nämlich Dimanganheptoxid, ein
hochreaktiver Stoff (vgl. 3.1.6 Oxidation von Ethanol mit Kaliumpermanganat, S. 21):
2 KMnO4 + H2 SO4 −−→ Mn2 O7 + K2 SO4 + H2 O
Zur fuschsinschwefeligen Säure: Durch Natriumsulfit Na2 SO3 , dem Natrium-Salz der
schwefeligen Säure H2 SO3 wird Schwefeldioxid in die wässrige Lösung gebracht:
*
SO2 (g) + H2 O(l) )−
−− H2 SO3 (aq)
Durch Anlagerung der schwefeligen Säure wird das konjugierte System im Fuchsin (ein
Triphenylmethan-Farbstoff, links) unterbrochen, das für die rote Farbe verantwortlich war.
Das entstandene Produkt, die fuchsinschwefelige Säure (rechts) ist dagegen farblos:
NH+3
NH
CH3
CH3
H2 N
NH2
H2 N
SO3
NH2
Aldehyde reagieren mit der fuchsinschwefeligen Säure – die genaue Reaktion ist noch nicht
bekannt. Es ensteht eine rosa bzw. blau/violette Färbung. Diese ist im Gegensatz zum
Ethanal beim Methanal auch in saurer Lösung beständig.
Die Rolle der Oxalsäure: Oxalsäure wird zugegeben, um überschüssiges Kaliumpermanganat (das ebenfalls violett gefärbt ist und dadurch das Ergebnis verfälschen würde) abzubauen:
5 HOOC−COOH + 2 KMnO4 + 3 H2 SO4 −−→ 10 CO2 ↑ + 8 H2 O + K2 SO4 + 2 MnSO4
S: Mit der Theorie im Hintergrund recht aufwendig. Die Herstellung der fuchsinschwefeligen
Säure samt Abfiltrieren dauert etwas. Ansonsten aber ein schöner Versuch.
3.1.5 Nachweis von Wasser in Ethanol
B: Abs. Ethanol und Brennspiritus wurden das eine Mal mit Calciumcarbid (CaC2 ) versetzt,
das andere Mal mit Benzin versetzt:
mit CaC2
mit Benzin
EtOH abs.
(fast) keine Reaktion
homogenes Gemisch
(keine Schlierenbildung)
Brennspiritus
Bläschenbildung
(Gasentwicklung)
Schlieren-/Phasenbildung
(EtOH unten, Benzin oben)
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E: Im Gegensatz zum absoluten (=reinen) Ethanol enthält Brennspiritus einen beträchtlichen
Wasseranteil. Dieses Wasser im Brennspiritus reagiert mit Carbid zu (gasförmigem) Ethin:
CaC2 + 2 H2 O −−→ Ca(OH)2 + C2 H2 ↑
Die leichte Reaktion des reinen Ethanols mit Calciumcarbid zeigt, dass trotzdem eine
minimale Menge Wasser enthalten war.
Brennspiritus ist mit Benzin nicht mischbar, da die δ + -δ − -Wechselwirkungen zwischen
Wasser und Ethanol verhindern, dass sich Benzin, das mit Ethanol viel schwächer (nur
van der Waals-Kräfte) wechselwirkt, in wasserhältigem Ethanol löst.
S: Vor allem der Versuch mit Caliumcarbid ist dann interessant, wenn zuvor schon die Ethinherstellung gemacht wurde. Evtl. kann man im Rahmen eines forschend-entdeckendes Unterrichts die S&S selbst Versuche erarbeiten lassen, wie Brennspiritus und abs. Ethanol
unterschieden werden können.
3.1.6 Oxidation von Ethanol mit Kaliumpermanganat
B: Kleine, helle Blitze entstehen, wenn das Kaliumpermanganat an die Grenzfläche zwischen
Schwefelsäure und Ethanol tritt. Zuvor ist eine Gasentwicklung (mehr oder weniger starke
Bläschenbildung) zu sehen. Das RG wird sehr heiß, der Inhalt ist teilweise fast am Sieden.
E: Kaliumpermanganat oxidiert Ethanol vollständig zu Kohlendioxid und Wasser. Diese Oxidation ist stark exotherm (Lichtblitze bzw. leise Knallgeräusche):
CH3 −CH2 −OH + 4 KMnO4 + 2 H2 SO4 −−→ 2 CO2 ↑ + 5 H2 O4 MnO2 + 2 K2 SO4
Der Ablauf der Reaktion im Detail:
• Im RG ensteht Dimanganheptoxid, das »Anhydrid« der instabilen Permangansäure
HMnO4 , aus Kaliumpermanganat und Schwefelsäure:
2 KMnO4 + H2 SO4 −−→ Mn2 O7 + K2 SO4 + H2 O
• Dieses Manganheptoxid ist an sich ein hochreaktiver Stoff, der leicht in Braunstein
(→ braune Farbe) und Sauerstoff zerfällt:
2 Mn2 O7 −−→ 4 MnO2 + 3 O2
• Dieser an der Phasengrenze entstandene Sauerstoff oxidiert nun das Ethanol:
CH3 −CH2 −OH + 3 O2 −−→ 2 CO2 ↑ + 3 H2 O
S: Ein Versuch, der sich trotz der konzentrieren Säure gut als S&S-Versuch eignet. Einerseits
lernen die S&S genaues Beobachten, andererseits praktische (feinmotorische) Laborfähigkeiten.
In der Praxis hat es sich bewährt, nach der ersten kleinen Spatelspitze KMnO4 (→ Gasentwicklung, Wärme) noch eine zweite Spatelspitze nachzulegen, um auf jeden Fall Knallgeräusche/Blitze zu erhalten. Die S&S sollten sicherheitshalber gewarnt werden, sich nicht
zu schrecken, damit sie bei plötzlichen Knallgeräuschen nicht panisch die RGs fallen lassen.
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3.1.7 Iodoformprobe nach Lieben
B: (Nicht wasserlösliche Verbindungen in Dioxan lösen, Säuren durch Alkali-Zugaben in Salze
überführen). Zu 1 ml Probe werden 10 ml Iodiodkalilösung (20 g Kaliumiodid, 10 g Iod,
80 ml Wasser) gegeben, danach Natronlauge bis zur Gelbfärbung zugeben. Bei einigen
Substanzen ist ein gelber Niederschlag zu erkennen:
Formel
Niederschlag
Methanol
Ethanol
1-Propanol
2-Propanol
CH3 −OH
CH3 −CH2 −OH
CH3 −CH2 −CH2 −OH
CH3 −CH(−OH)−CH3
nein
gelb
nein
gelb
Aceton
Diacetyl
CH2 −C(−O)−CH3
CH3 −C(−O)−C(−O)−CH3
gelb
gelb
Essigsäure
CH3 −C(−O)−OH
nein
E: Durch Natronlauge und Iod entsteht Natriumhypoiodit (NaOI):
I2 + 2 NaOH −−→ NaI + NaOI + H2 O
Dieses oxidiert Alkohole zuerst zu den entsprechenden Aldehyden (Zeile 1) bzw. Ketonen
(Zeile 2):
R−CH2 −OH + NaOI −−→ R−C(−O)−H + NaI + H2 O
R−CH(−OH)−R + NaOI −−→ R−C(−O)−R + NaI + H2 O
Die Aldehyde bzw. Ketone werden danach durch das Hypoiodit (OI– ) am α-C-Atom (also am Carbonyl-C-Atom-Nachbarn) nucleophil substituiert (Dieser Schritt ist durch den
Elektronenzug der Carbonylgruppe begünstigt):
H3 C−C(−O)−H + NaOI −−→ I3 C−C(−O)−H + 3 NaOH
H3 C−C(−O)−R + NaOI −−→ I3 C−C(−O)−R + 3 NaOH
Die gebildete Triiod-Carbonylverbindung wird schließlich vom Hydroxid-Ion am CarbonylC-Atom (nucleophil) angegriffen, worauf es zur Spaltung in Iodoform (CI3 H, gelbe Farbe)
und einen Carboxylat-Rest kommt:
I3 C−C(−O)−H + OH– −−→ CI3 H + H−C(−O)−O–
I3 C−C(−O)−R + OH– −−→ CI3 H + R−C(−O)−O–
Bei Methanol und 1-Propanol kann sich keine Acetylgruppe bilden, da der Alkylrest zu
kurz bzw. zu lang ist. Essigsäure enthält zwar eine Acetylgruppe, ihre Carbonylaktivität
ist jedoch so gering, dass die letzten beiden Reaktionsschritte nicht ablaufen.
S: Ein Versuch, der viel Theorie beinhaltet/benötigt. Im Vergleich ist das Ergebnis wenig
spektakulär. Meiner Meinung nach entweder nur bei theoretisch interessierten Klassen
sinnnvoll oder im Wahlpflichtfach zur Vertiefung der Kenntnisse oder zur Vorbereitung
auf Chemie-Olympiaden oder Ähnlichem.
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3.1.8 Das brennende Taschentuch
B: Das Taschentuch brennt (mit einer hellen Flamme), nach Ende des Verbrennungsvorganges
sind allerdings keine (schwarzen) Brandspuren zu entdecken.
E: Nicht das Taschentuch (oder der flüssige Alkohol) brennt bei diesem Versuch, sondern
die Alkoholdämpfe. Das Wasser auf dem/im Taschentuch nimmt viel Wärmeenergie auf,
wodurch die Entzündungstemperatur für das Taschentuch selbst nicht erreicht wird.
S: Ein Versuch, den man als kleinen Zaubertrick (also ohne Vorinformation der S&S) in
der Schule vorführen kann. Die S&S können dann versuchen, sich Gründe zu überlegen,
weswegen keine Brandspuren zu sehen sind . . .
3.1.9 Mehrwertige Alkohole
Geschmack und Wasserlöslichkeit des Glycerins
B: Geschmacksprobe aus Gesundheitsgründen nicht durchgeführt! Glycerin ist (unter Rühren,
da sehr viskos) gut wasserlöslich.
E: Glycerin soll ( durch seine OH-Gruppen) süß schmecken. Durch die drei OH-Gruppen ist es
im polaren Lösungsmittel Wasser gut löslich, da sich H-Brücken zu H2 O-Molekülen bilden
können.
S: Realtiv unspektakulär, aber sehr einfach durchführbar! Die Geschmacksprobe ist meiner
Meinung nach in der Schule nicht durchführbar, da sie den Grundsatz »Im Chemiesaal
wird weder gegessen noch getrunken« verletzt!
Herstellung von Nitroglycerin
B: Schon winzige, mit einer Glaskapillare entnommene Nitroglycerin-Portionen (also Tröpfchen) explodieren in der Bunsenbrennerflamme mit lautem Knall.
E: Geringe Mengen Glycerin (ein Alkohol, nämlich 1,2,3-Propantriol) wurden durch die Verwendung von sogenannte Nitriersäure (HNO3 und H2 SO4 ) verestert:
–
–
HNO3 + H2 SO4 −−→ H2 NO+
−→ H2 O + NO+
3 + HSO4 −
2 + HSO4
+
+
Glycerin +NO3 −−→ Nitroglycerin +3 H
Glycerin und Nitroglcerin in Strukturformelschreibweise:
O NO2
OH
OH
O NO2
O NO2
OH
Wegen des hohen e– -Zuges sowie der (möglichen) positiven Formalladung am Sitckstoff
sind solche Salpetersäureester sehr instabil. Bei der Zersetzung werden große Mengen Gase
(siehe unten) sowie Energiebeträge frei, weshalb Nitroglycerin als wirksamer Sprengstoff
eingesetzt wird:
4 Nitroglycerin −−→ 12 CO2 ↑ + 10 H2 O + 5 N2 ↑ + 2 NO ↑
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S: Die Herstellung dauert. Das Ergebnis ist aber sehr, sehr spektakulär. Selbstverständlich
nur als Lehrkraftversuch geeignet.
Meiner Meinung nach reicht die Demonstration von Schießbaumwolle, um einerseits die
Veresterung mit Salpetersäure zu erklären und andererseits die explosive Wirkung der Produkte zu zeigen. Die Schießbaumwolle ist außerdem deutlich einfacher zu lagern/entsorgen.
Oxidation von Glycerin durch Kaliumpermanganat
B: Mit ein wenig Glück kommt es zu einer kräftigen Flammenbildung, wenn das Glycerin auf
das Kaliumpermanganat trifft.
E: Das Kaliumpermanganat war von schlechter Qualität, da nicht (mehr) besonders reaktiv.
Kaliumpermanganat (ein starkes Oxidationsmittel) oxidiert Glycerin (in einer stark exothermen Reaktion) vollständig:
3 CH2 OH−CHOH−CH2 OH+14 KMnO4 −−→ 9 CO2 ↑ +5 H2 O+14 MnO2 +14 KOH
S: Ein schneller Versuch mit relativ spektakulärer Wirkung, schon bei kleinsten Mengen (→
Chemikalien-sparend). Es kann die Wirkung von Oxidationsmittel in der organischen Chemie thematisiert werden. Je trockener das Kaliumpermanganat, desto besser die Wirkung.
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3.2 Ether
3.2.1 Brennbarkeit des Diethylethers
X Nicht durchgeführt!
3.2.2 Dichte der Dämpfe von Diethylether
B: 1.) Am unteren Ende des Glasrohres tritt offensichtlich ein brennbares Gas aus, das hell
brennt. 2.) Die Kerze am unteren Ende der Rinnen entzündet ein Gas, das entlang der
Rinne nach oben brennt.
E: Die Dämpfe von Diethylehter (CH3 −CH2 −O−CH2 −CH3 , bzw. Et−O−Et, eine leicht
flüchtige Flüssigkeit) sind schwerer als Luft und sinken somit zu Boden. Außerdem sind
sie (da sie Kohlenstoff enthalten) brennbar.
S: Als eindrucksvoller Demonstrationsversuch gut geeignet, um die Brennbarkeit und Dichte
von Dämpfen/Gasen zu thematisieren sowie auf die Gefährlichkeit von Chemikalien und
den gewissenhaften Umgang damit einzugehen.
3.2.3 Nachweis von Peroxiden im Diethylether
B: Es ensteht eine rote Färbung, wenn Diethylether mit einer Eisen(II)sulfat-Lösung (FeSO4 )
und einigen Tropfen Kaliumthiocyanat-Lösung (KSCN) versetzt wird.
E: Durch Luftsauerstoff und Licht können sich aus Ethern hochexplosive bzw. reaktive Verbindungen bilden, nämlich sogenannte Etherhydroperoxide. Dabei greift radikalischer Sauerstoff (»Tripett-Sauerstoff«) das Ether-Molekül an:
R O C H
+
O O
R O C O O H
Diese Peroxide reduzieren dann Fe2+ -Ionen zu Fe3+ -Ionen, die mit Thiocyanat ( -S−C−N)
einen (in Lösung) rot gefärbten Komplex (Eisen(III)-thiocyanat bzw. Eisen(III)-rhodanit)
ergeben, der in Ether gut löslich ist: Fe(SCN)3
S: Ein kurzer Versuch, mit relativ aufwendiger Chemie dahinter. Den dafür notwendigen Stoff
zähle ich nicht wirklich zu den wichtigsten Themen. Der Versuch eignet sich daher wohl
eher für das Wahlpflichtfach.
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3.3 Aldehyde und Ketone
3.3.1 Die Fehlingsche Probe
B: Die Zugabe der blauen Fehling-Lösung (I & II) zur Probe und anschließendes Erhitzen
liefern:
Formel
Methanal
Ethanal
Propanal
Benzaldehyd
H2 C−O
CH3 −C(−O)−H
CH3 −CH2 −C(−O)−H
Ph−C(−O)−H
Farbe der Lösung
Niederschlag
blau
farblos
farblos
blau
rot/orange
rot/orange
rot/orange
nein
E: Vergleiche auch 5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate,
S. 47.
Aldehyde reduzieren Cu2+ im basischen Milieu zu Kupfer(I)oxid (Cu2 O), das einen rotorangen Niederschlag bildet:
R−C(−O)−H + Cu2+ + 4 OH– −−→ R−C(−O)−OH + Cu2 O ↓ + 2 H2 O
Bei Methanal verschwindet die blaue Farbe nicht (vollständig), da hier unter alkalischen
Bedingungen auch eine sogenannte Cannizzaro-Reaktion stattfindet, bei der Methanal in
Methanol und Formiat disproportioniert, welche keine reduzierenden Eigenschaften besitzen, so dass die Reduktion von Cu2+ zum Stillstand kommt:
2 H2 C−O + OH– −−→ H3 C−OH + H−C(−O)−O–
Bei Benzaldehyd verläuft die Cannizzaro-Reaktion so schnell, dass es zu gar keiner Reduktion kommt, wodurch die Lösung blau bleibt und kein roter Niederschlag sichtbar ist. Es
entstehen das Benzoat-Anion Ph−C(−O)−O– und der Benzylalkohol Ph−CH2 −OH.
S: Ein Standard-Versuch, der auch im Zusammenhang mit den reduzierenden Eigenschaften
von Zuckern brauchbar ist. Handwerklich sehr einfach durchzuführen.
3.3.2 Silberspiegelreaktion (Tollens Reaktion)
M: Tollens-Reagens (Tollens’sche Silbersalzlösung): 2 ml 5%ige Silbernitrat-Lösung (AgNO3 )
+ 1 Tropfen NaOH. Dann so viel 2%ige Ammoniak-Lösung zugeben, dass sich das ausgefallen Silberhydroxid AgOH gerade wieder löst (Komplexbildung).
B: Mit Formaldehyd, Acetaledyhd oder z. B. Lactose im RG fällt kolloides (graues) Silber
aus. Beim Erhitzen wird die RG-Innenseite schön versilbert.
E: Silber-Ionen bilden in basischer,wässriger Lösung schwer lösliches Silberhydroxid:
Ag+ + OH– −−→ AgOH ↓
Dieses muss wieder in Lösung gebracht werden, um reagieren zu können. Mit Ammoniak
bildet sich ein sogenannter Silber-Diamin-Komplex, wodurch die Silber-Ionen für Reaktionen verfügbar sind:
Ag+ + 2 NH3 −−→ [Ag(NH3 )2 ]+
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Silber(I)-Kationen (Ag+ ) lassen sich durch Aldehyde bzw. reduzierende Zucker unter Erwärmen zu metallischem Silber reduzieren, das eine metallische, glänzende Spiegeloberfläche bildet:
R−C(−O)−H + 2 Ag+ + 2 OH– −−→ R−C(−O)−OH + 2 Ag0 + H2 O
S: Der Versuch im RG funktioniert sehr gut und geht schnell. Deutlich sinnvoller als die
Versilberung der Objektträger.
Herstellung eines Spielgels
B: Die Lösung versilbert die Glasfläche (Objektträger): silbrig-graue, z. T. glänzend-glatte
Oberfläche. Die Schicht ist relativ leicht entfernbar (abwischen!).
E: vgl. oben.
S: Es sind deutlich größere Chemikalien-Mengen nötig. Das Ergebnis des Spiegels ist deutlich
schlechter als das versilberte RG (vgl. oben).
Verspiegelung eines Rundkolbens
X Nicht durchgeführt!
3.3.3 Iodoformprobe für Acetaldehyd
B: Siehe 3.1.7 Iodoformprobe nach Lieben, S. 22
E: Siehe 3.1.7 Iodoformprobe nach Lieben, S. 22
3.3.4 Reaktion (von Aldehyden) mit fuchsinschwefeliger Säure
B: Fuchsinschwefelige Säure färbt sich mit Methanal oder Propanal jeweils violett.
E: Siehe 3.1.4 Reaktion mit fuchsinschwefeliger Säure (Schiffsche Probe), S. 19
3.3.5 Oxidation von Benzaldehyd durch Luft
B: Über Nacht haben sich feinste, kleine, farblose Kristalle am Objektträger gebildet.
E: Benzaldehyd wird durch Sauerstoff aus der Luft zur Benzoesäure oxidiert, die als Feststoff
farblose Kristalle bildet:
2 Ph−C(−O)−H + O2 −−→ 2 Ph−C(−O)−OH
S: Relativ unspektakulär, wobei die beteiligten Stoffe durchaus auch in der Schule kennen
gelernt werden dürfen.
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3.3.6 Darstellung von Aceton aus Calciumacetat
B: Beim Erhitzen bis zur Rotglut steigen Dämpfe auf, die durch Kühlung wieder kondensieren.
Es wurde etwa 2 ml Kondensat (leicht gelbliche Farbe) erhalten. Die Iodoformprobe fiel
positiv aus (gelblicher Niederschlag!).
E: Unter Erhitzen wird Calciumacetat zu Aceton (Propanon) umgewandelt:
(H3 C−COO)2 Ca −−→ H3 C−C(−O)−CH3 + CaCO3 −−→
H3 C−C(−O)−CH3 + CaO + CO2 ↑
S: Relativ fad und aufwendig (Kolben mit Distille). Die anschließende Iodoformprobe ist
chemisch (von der Theorie bzw. den Reaktionen her) sehr anspruchsvoll.
3.3.7 Bildung von Bromaceton
X Nicht durchgeführt, da ein unangenehmes Tränengas entsteht!
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3.4 Carbonsäuren
3.4.1 Säurestärke verschiedener Carbonsäuren
B: Jeweils 0,1 molare Säuren werden auf pH-Wert (pH-Meter) bzw. Leitfähigkeit κ überprüft:
Formel
pH-Wert
κ (mS/cm)
Salzsäure
HCl
1,86
14,74
Ameisensäure
Essigsäure
Propionsäure
H−C(−O)−OH
CH3 −C(−O)−OH
CH3 −CH2 −C(−O)−OH
2,42
2,84
2,82
1,91
0,52
0,45
Chloressigsäure
Trichloressigsäure
I−CH2 −C(−O)−OH
CI3 −C(−O)−OH
2,01
1,97
4,8
34,5
Oxalsäure
Malonsäure
HO−(O−)C−C(−O)−OH
HO−(O−)C−CH2 −C(−O)−OH
1,99
1,99
17,48
4,7
E: Bei niedrigem pH-Wert ist die elektrische Leitfähigkeit κ grundsätzlich hoch, da viele
bewegliche Ionen in Lösung sind. Zusätzlich hängt die Leitfähigkeit noch von der Beweglichkeit der Ionen ab, also auch von deren Größe.
Die stärkste Säurewirkung zeigt Salzsäure, die praktisch vollständig dissoziiert und demnach eigentlich bei einer Konzentration von 0,1 mol/l einen pH-Wert von pH= − log10 0, 1 =
− log10 10−1 = 1 haben müsste. Die Abweichung lässt sich einerseits durch die Abweichung
vom linearen Messverhalten bei niedrigem pH-Wert der pH-Elektrode (sogenannter Säurefehler) erklären, andererseits wohl durch eine ungenaue Konzentration der Lösung.
Bei Carbonsäuren (R(−O)−OH) hängt die Säurestärke grundsätzlich von der Länge des
(Alkyl-)Restes R ab: Je länger der Rest, desto schwächer ist die Säure, da der Alkylrest
einen sogenannten elektronenschiebenden (induktiven) Effekt (+I-Effekt) hat. Dadurch ist
das Carboxylat-Anion R−C(−O)−O– weniger stabilisiert, da noch mehr negative Ladung
am Carbonsäure-C-Atom zusammentreffen. Die Auswirkung der Kettenlänge zeigt sich am
auffälligsten von der Ameisensäure zur Essigsäure.
Bei chlorierten Carbonsäuren (wie z. B. Chloressigsäure oder Trichloressigsäure) nimmt
die Säurestärke mit der Anzahl der Chlor-Atome zu. Diese haben nämlich eine elektronenziehende Wirkung auf das α-C-Atom und auch auf das Carbonyl-C-Atom, sodass dort
das acide Proton leichter abgegeben werden kann, weil die resultierende negative Ladung
durch den Elektronenzug besser stabilisiert ist.
Carbonsäuren mit mehreren Säuregruppen (wie Oxalsäure bzw. Ethandisäure oder Malonsäure bzw. Propandisäure) sind üblicherweise umso saurer, je näher näher diese Gruppen
beieinander liegen: Die Säuregruppen wirken nämlich gegenseitig elektronenziehend aufeinander. Eingeschobene Kohlenwasserstoff-Reste minimieren diesen Effekt. Die Abweichung
des praktisch bestimmten pH-Werts von dieser Theorie ist wohl auf minimale Verdünnungsfehler zurückzuführen.
S: Die Herstellung bzw. das Verdünnen der 0,1 M Säuren ist sehr zeitaufwendig. Der Versuch
ist in diesem Ausmaß in der Schule nicht sinnvoll. Insbesondere macht diese Versuchsreiche
wenig Sinn, wenn der induktive Effekt im Unterricht nicht behandelt wird. (Das wird aus
Zeitgründen selten möglich sein.) Evtl. bleibt im Wahlpflichtfach Platz für dieses Thema.
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3.4.2 Nachweis von Carbonsäuren
X Nicht durchgeführt!
3.4.3 Essigsäure
Essigsäure aus Natriumacetat
B: Schwefelsäure wird mit Natriumacetat erhitzt. Das Destillat riecht säuerlich/beißend nach
Essig.
E: Es bildet sich Essigsäure:
H3 C−COONa + H2 SO4 −−→ H3 C−COOH + NaHSO4
S: Ein von den Apparaturen her ein recht aufwendiger Versuch, der praktisches Handwerk
abverlangt (Säure in Wasser geben, Apparaturen aufbauen). Von daher gut für einen etwas
fortgeschritteneren Laborbetrieb geeignet. Anschließend könnten weitere Versuche mit der
selbst hergestellten Essigsäure durchgeführt werden.
Brennbarkeit
X Nicht durchgeführt!
Kristallisation
B: Der Eisessig im RG im Eisbad bleibt flüssig, obwohl die Temperatur schon deutlich unter
dem Schmelzpunkt liegt (→ unterkühlte Flüssigkeit). Nach kurzem Reiben mit einem
Glasstab gefriert die Flüssigkeit im Nu und sieht normalem (Wasser-)Eis sehr ähnlich.
E: Der Schmelzpunkt von (reinem) Eisessig liegt bei 16,6°C. Da Eisessig stark hygroskopisch
ist und somit oft Wasser enthalten ist, liegt der Gefrierpunkt oft unter 16,6°C.
S: Ein einfacher Versuch, der anschaulich zeigt, was eine unterkühlte Flüssigkeit ist und
warum Eisessig »Eisessig« heißt. Zusätzlich zeigt er durch das Reiben mit dem Glasstab
eine Methode, wie Kristallisation in der Praxis im Labor angeregt wird.
Säurewirkung
B: Nach Zugabe von metallischem Magnesium in Eisessig passiert gar nichts. Erst nach Wasserzugabe kommt es zu einer Reaktion (Bläschenbildung bzw. Gasentwicklung).
E: Durch Zugabe von H2 O entfaltet Essigsäure ihre saure Wirkung (Brönsted-Säure), wodurch ausreichend Hydronium-Ionen H3 O+ entstehen, die mit elementarem Magnesium
Mg0 reagieren:
−−
*
H3 C−C(−O)−OH + H2 O )
−
− H3 C−C(−O)−O– + H3 O+
0
+
2+
Mg + 2 H3 O −−→ Mg + 2 H2 O + H2 ↑
S: Ein kurzer Versuch, der schnell gezeigt ist und die Säurewirkung von Essigsäure in wässriger
Lösung bestätigt.
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Bildung von basischem Kupferacetat (Grünspan)
B: Der eingetauchte Teil des Kupferplättchens bleibt blank (typische, frische Kupferfarbe
ohne Verfärbungen). Oberhalb der Lösung bilden sich kleine grüne Kristalle. Auch die
Flüssigkeit ist grünlich gefärbt.
E: Der eingetauchte Teil des Kupferblechs ist »sauber«, da die Essigsäure das Kupfer(II)oxid in lösliches Kupfer(II)-acetat umwandelt. Der aus der Flüssigkeit ragende Teil des
Kupferblechs überzog sich mit blaugrünen Kristallen (Grünspan):
2x H3 C−COOH + 2y CuO −−→ x(H3 C−COO)2 Cu · yCu(OH)2
In H2 O-hältiger Umgebung kommt Grünspan etwa in dieser Form vor:
Cu(CH3 COO)2 · [Cu(OH)2 ]3 · 2 H2 O
S: Vom Alltagsbezug relativ uninteressant, da die Grünfärbung von Kupferdächern auf basisches Kupfercarbonat zurückzuführen ist.
3.4.4 Nachweis von Buttersäure als Abbauprodukt des Butterfetts
B: Der Inhalt des RGs riecht stark säuerlich nach Schweiß.
E: Die im Butterfett enthaltene Buttersäure (Butansäure) wird freigesetzt: Zunächst wird
das Triacylglyerid hydrolysiert (vgl. 4.1 Fette und Öle, S. 37 ff.), wobei das Kaliumsalz der
Buttersäure entsteht:
R−O−(O−)C−CH2 −CH2 −CH3 + KOH −−→ R−OH + KO−(O−)CH2 −CH2 −CH3
Mit Schwefelsäure entsteht dann aus dem Kalium-Salz die Buttersäure:
H3 C−CH2 −CH2 −COOK + H2 SO4 −−→ H3 C−CH2 −CH2 −COOH + KHSO4
S: Ein kurzer Versuch, bei dem ein stinkendes Produkt entsteht, also durchaus herzeigbar:
»Chemie mit allen Sinnen begreifen«
3.4.5 Backpulver aus Kaliumhydrogentartrat
B: Ganz leichte, sanfte Bläschenbildung (→ Gasentwicklung)
E: Es steigen Gasblasen auf. Kaliumhydrogentartrat (Kalium-Salz der Weinsäure) protoniert
das Natriumhydrogencarbonat. Im Endeffekt wird CO2 frei:
KOOC−CHOH−CHOH−COOH + NaHCO3 −−→
KOOC−CHOH−CHOH−COONa + H2 CO3 und weiter
H2 CO3 −−→ H2 O + CO2 ↑
S: Geht sehr schnell, wobei nur eine relativ sanfte Gasentwicklung zu beobachten war.
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3.4.6 Brausepulver aus Weinsäure
B: Starke Bläschenbildung (Aufschäumen wie bei einem Brausepulver!).
E: Weinsäure protoniert Natriumhydrogencarbonat, so dass CO2 frei wird:
HOOC−CHOH−CHOH−COOH + 2 NaHCO3 −−→
NaOOC−CHOH−CHOH−COONa + 2 H2 CO3 und weiter
H2 CO3 −−→ H2 O + CO2 ↑
S: Deutlich heftigere Bläschenbildung als beim Backpulver-Versuch, daher interessanter als
der obige Versuch.
3.4.7 Darstellung von Tricalciumcitrat aus Zitronen
B: Filtrierter Zitronensaft wird mit Calciumhydroxidlösung neutralisiert. Das Filtrat davon
ist eine klare Lösung, die beim Erwärmen trüb wird.
E: Die Lösung enthält Tricalciumcitrat (das Calcium-Salz der Citronensäure bzw. 2-HydroxyPropantricarbonsäure), das sich gut in kaltem Wasser, aber schlecht in warmen löst, da
das Lösen von Tricalciumcitrat in Wasser eine exotherme Reaktion ist. (Zufügen von Hitze
verschiebt das Gleichgewicht somit von der gelösten Form in die ungelöste.)
S: Relativ unspektakulärer Versuch, obwohl viel Theorie im Bezug auf den Lösungsvorgang
thematisiert werden kann. (Meist ist das Lösen ein Vorgang, bei dem Wärme benötigt
wird.)
Isolierung von Citronensäure
B: Tricalciumcitrat (kurz: Ca3 Cit2 ) wird mit verdünnter Schwefelsäure versetzt und aufgekocht. Das Filtrat beinhaltet nun gelöste Citronensäure. Beim Einengen entstehen farblose
Kristalle, die allerdings nicht gekostet wurden.
E: Bei der Reaktion von Tricalciumcitrat mit Schwefelsäure bildet sich in Wasser unlösliches
Calciumsulfat (Gips, weißer Feststoff, in wässriger Lösung als Dihydrat), das abfiltriert
wird:
Ca3 Cit2 + 3 H2 SO4 + 6 H2 O −−→ 2 Citronensäure + 3 CaSO4 · 2 H2 O ↓
Die aus dem Cirat Cit3– unter Aufnahme von 3 H+ entstandene Citronensäure (2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure) ist dagegen in Wasser löslich. Nachstehend die Strukturformel
der Citronensäure:
O
HO
O
OH
O
OH
OH
S: Ganz interessanter Versuch, bei dem auch Ausbeuteberechnungen durchführbar sind. Nebenbei sind auch noch handwerkliche Fertigkeiten (Filtrieren, Einengen) notwendig, weswegen sich dieser Versuch für ein Wahlpflichtfach besonders empfiehlt.
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3.4.8 Bestimmung der Gesamtsäure von Wein bzw. in einem Fruchtsaft
D: Der Tropfenzähler der Chembox wurde zuerst anhand von 10 ml Titer geeicht. Das Eichen
der pH-Elektrode ist nicht notwendig, weil nur der Äquivalenzpunkt von Interesse ist.
B: 30 ml Orangensaft wurden auf 60 ml mit dest. H2 O verdünnt. Diese Lösung wurde dann
mit 0,1 M NaOH titriert. Die Daten wurden mit der Chembox automatisch mitgeschrieben:
E: In Fruchtsäften bzw. Getränken wie z. B. im untersuchten Orangensaft sind etliche (organische) Säuren (R−C(−O)−OH bzw. R−COOH) wie die folgenden enthalten:
system. Name
Formel
Essigsäure
Milchsäure
Ethansäure
2-Hydroxypropansäure
CH3 −COOH
CH3 −CH(−OH)−COOH
Bernsteinsäure
Fumarsäure
Äpfelsäure
Weinsäure
Butandisäure
trans-Butendisäure
2-Hydroxybutandisäure
2,3-Dihydroxybutandisäure
HOOC−CH2 −CH2 −COOH
HOOC−CH−CH−COOH
HOOC−CH(−OH)−CH2 −COOH
HOOC−CH(−OH)−CH(−OH)−COOH
Zitronensäure
siehe 3.4.7, S. 32
Diese Säuren werden durch die starke Base (0,1 molare Natronlauge) neutralisiert. Der
Äquivalenzpunkt wurde nach Zugabe von (ca.) 36 ml der Natronlauge (0,1 mmol/ml) erreicht. Dementsprechend mussten 3,6 mmol H+ (in 30 ml Saft) neutralisiert werden. Damit
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erhalten wir für den untersuchten Orangensaft eine Konzentration von 1,2 mol/l an H+ Äquivalenten.
Zum Vergleich wurde auch die Gesamtsäure eines Rotweines bestimmt, dieses Mal ohne die
Chembox. Wieder wurden 30 ml Ausgangsprobe titriert. Der Äquivalenzpunkt wurde bei
ca. 21,7 ml NaOH erreicht, was 2,17 mmol H+ in den 30 ml Wein entspricht. Damit erhalten
wir für den untersuchten Wein eine Konzentration von 0,723 mol/l an H+ -Äquivalenten.
12
Titration - Wein
11
10
9
pH-Wert
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
ml NaOH
S: In diesem Ausmaß eine relativ mühsame Titration, die viel Zeit verschlingen kann. In
kleinerem Maßstab kann dieser Versuch aber interessant sein, da Substanzen aus dem
täglichen Leben untersucht werden (→ Alltagsbezug). Sinnvoll wäre es natürlich, wenn
verschiedene Substanzen verglichen würden.
3.4.9 Pyrophores Eisen
B: Das gelb gefärbte Salz Eisen(II)oxalat verfärbt sich beim langsamen, andauernden Erhitzen
zu einer schwarzen, feinstkörnigen Masse. Beim Ausstreuen des Pulvers im abgedunkelten
Raum entsteht ein kleiner »Feuerregen«.
E: Das Eisen(II)oxalat zersetzt sich beim Erwärmen. Das Oxalat wird zu CO2 oxidiert, während die Eisenionen zu elementarem Eisen (Fe0 ) reduziert werden:
Fe(O−(O−)C−C(−O)−O) −−→ 2 CO2 ↑ + Fe0
Somit wird die Luft im RG verdrängt und es bildet sich eine (nicht oxidierende) CO2 Atmosphäre. Dieses elementare Eisen ist dermaßen fein verteilt und so kleinkörnig, dass
es aufgrund der großen Oberfläche schon bei Zimmertemperatur mit dem Luftsauerstoff
reagiert, also oxidiert wird.
S: Ein eindrucksvoller Versuch, der gut den Zusammenhang der Oberflächengröße mit der Reaktivität (bzw. Reaktionstemperatur) zeigt. Bedauerlicherweise dauert das Erhitzen unter
Umständen einige Zeit (15 Minuten und mehr), da man nicht zur Rotglut erhitzen darf (da
dann die pyrophoren Eigenschaften des Eisens verloren gehen). Evtl. muss man ein wenig
mehr experimentieren/ausprobieren, um abschätzen zu können, wie hoch man erhitzen
darf (ohne bis zur Rotglut), damit der Versuch schneller geht.
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3.5 Carbonsäureester
3.5.1 Abhängigkeit der Esterausbeute von den Reaktionsbedingungen
X Nicht durchgeführt!
3.5.2 Herstellung verschiedenen Fruchtester
Unter Veresterung versteht man die Reaktion einer Säure mit einem Alkohol zu einem sogenannten Ester:
−
*
R−C(−O)−O−H + H−O−R’ −
)
−
− R−C(−O)−O−R’ + H2 O
Die Rückreaktion nennt sich Verseifung oder Ester-Hydrolyse.
Um die Reaktion zu beschleunigen, ist Säure-Katalyse eine gebräuchliche, vorteilhafte Methode,
die den (nucleophilen) Angriff des Alkohols an der Carbonsäure erleichtert:
O
+H+
R
OH
O
R'
R
R
OH
+ H
OH
OH
OH
OH
R
H
OH
O
protonierte Carbonsäure
Verseifung
Veresterung
- R'-OH
+H2O
+R'-OH
- H2O
R'
- H+
OH
Orthocarbonsäuremonoester R
OH
O
R'
+H+
protonierter Ester
O
- H+
OH
OH
R
R
R
OR'
OR'
OR'
- H2O
OH2
R
OH
O
R'
Essigsäureamylester
B: Pentanol, Eisessig und Zinkchlorid werden auf einem Heizpilz (inkl. Rückflusskühler) erhitzt. Das flüssige Reaktionsprodukt wird in ein halb mit Wasser gefülltes RG geleert. Die
obenauf schwimmende Schicht riecht nach Birnen.
E: Aus Pentanol (Amylalkohol) und Eisessig (Essigsäure) entsteht durch Veresterung Essigsäureamylester (Essigsäurepentylester):
CH3 −COOH + HO−(CH2 )4 −CH3 −−→ CH3 −C(−O)−O−(CH2 )4 −CH3 + H2 O
S: Eine relative aufwendige Apparatur (Rückflusskühler sind sehr teuer), weswegen dieser
Ester nur sehr schwer im Klassenverband hergestellt werden kann.
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Buttersäureethylester
B: Buttersäure (Butansäure) und Ethanol werden mit konz. Schwefelsäure versetzt, erhitzt
und destilliert. Das Destillat riecht nach Ananas
E: Buttersäure (beißender Geruch!) und Ethanol reagieren zu Buttersäureethylester (Veresterung):
Et−OH + CH3 −(CH2 )2 −COOH −−→ CH3 −(CH2 )2 −C(−O)−O−Et + H2 O
S: Wieder ein Versuch mit einer relativ aufwendigen Apparatur.
Benzoesäureethylester
B: (Feste) Benzoesäure, Ethanol und ein wenig konz. Schwefelsäure werden erwärmt. Dabei
entsteht ein blumenartiger Geruch (angeblich nelkenähnlich).
E: Ethanol und Benzoesäure reagieren zu Benzoesäurethylester:
O
O
OH
+
O
HO
+
H2 O
S: Diesmal ist die Versuchsdurchführung weniger aufwendig, allerdings ist der Geruch nicht
so spektakulär wie die obigen Fruchtaromen.
Salicylsäuremethylester
B: Methonal und konz. Schwefelsäure werden vermischt. Mit ein wenig (fester) Salicylsäure wird dann am siedenden Wasserbad erhitzt. Es entsteht ein ausgeprägter Mentholähnlicher Geruch.
E: Methanol und Salicylsäure (ortho-Hydroxy-Benzoesäure) reagiert mit Methanol unter Säurekatalyse zu Salicylsäuremethylester und Wasser:
O
O
OH
+
HO
CH3
O
CH3
+
H2 O
OH
OH
S: Ein sehr intensives Aroma wird hergestellt. Die Versuchsdurchführung kommt ohne aufwendige Gerätschaften aus, was in der Schule sehr praktisch ist.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
Martin Glatz, 0712957
4 Fette und Seifen, Waschmittel
Der Vorgang der »Verseifung« ist eine Esterhydrolyse. Üblicherweise wird der erste Schritt durch
alkalische Stoffe (z. B. KOH oder NaOH) katalysiert (»alkalische Hydrolyse«), der zweite Schritt
davon ist nicht mehr reversibel.
1
OH
+
O
R
3
2
OH
+
R
OR'
O
O R'
-
+
R
HO R'
O
O
Aus dem Ester entsteht somit das Säureanion (→ Salzbildung) sowie der Alkohol.
4.1 Fette und Öle
4.1.1 Unterscheidung eines fetten Öles von einem Mineralöl
M: Mineralöl: Paraffinöl. Fettes Öl: Sonnenblumenöl.
B: Nach Zugabe von KOH und nach kräftigem Erhitzen schwimmt das Paraffinöl (als »Fettauge«) auf der Flüssigkeit, das Sonnenblumenöl hat sich dagegen gelöst.
E: Sogenannte fette Öle sind Ester (Triacylglyceride bzw. Glycerol-Triester), die durch alkalische Hydrolyse in den Alkohol Glycerin und in die Kaliumsalze der Fettsäuren zerfallen
und dadurch verseifen, also ihren hydrophoben Fett-Charakter verlieren:
O
R1
O
OH
O
O
2
R
R3
O
+ 3 KOH
OH
+
K+
O
O
R1
+
K+
O
O
2
R
+
K+
O
O
3
R
OH
O
Das Paraffinöl bildet als hydrophobes Gemisch längerkettiger Alkane (CH3 −(CH2 )n −CH3 ,
reaktionsträge) eine eigene Phase.
S: Um den Versuch verstehen zu können, ist die Theorie der Hydrolyse/Veresterung bereits
zu kennen.
4.1.2 Nachweis von Glycerin in Fetten
B: Das Filterpapier riecht stechend.
E: KHSO4 reagiert in wässriger Lösung sauer und erleichtert die Verseifung des Fettes in
Fettsäure-Salze und Glycerin. Aus diesem bildet sich Acrolein (giftig!), welches stechend
riecht:
CH2 OH−CHOH−CH2 OH −−→ CH2 −CH−CHO + 2 H2 O
Acrolein ist ein Stoff, der im Alltag z. B. beim Frittieren entsteht und relativ gesundheitsschädlich ist.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
Martin Glatz, 0712957
S: Dadurch, dass Acrolein beim Frittieren entsteht, ist ein gewisser Alltagsbezug geben, wenn
es auch fragwürdig erscheint, relativ giftige Stoffe im Labor herzustellen (und einzuatmen
→ Geruchsprobe), da die meisten Schullabore auch nur einen einzigen Abzug haben.
4.1.3 Addition von Brom an Fette und fette Öle
B: Beim gelösten Butterschmalz bleibt nach wenigen Tropfen Bromlösung die braune Farbe
erhalten. Beim Rapsöl und Leinöl geht die braune Farbe zuerst verloren (→ Gelbfärbung),
erst bei Zugabe von deutlich mehr Bromlösung bleibt die Bräune bestehen.
E: Fettsäuren liegen in Fetten/Ölen als Triacylglyceride vor. Nachstehend ein Beispiel mit
drei verschiedenen Fettsäuren (Palmitinsäure, Ölsäure, α-Linolensäure):
O
O
O
O
O
O
Bestimmte Fettsäuren in den untersuchten Fetten sind gesättigt, andere ungesättigt:
systemat. Name
Lipidname
Myristinsäure
Palmitinsäure (Cetylsäure)
Tetradecansäure
Hexadecansäure
14:0
16:0
Ölsäure
Linolsäure
(α-)Linolensäure
(Z)-9-Octadecensäure
(Z,Z)-Octadeca-9,12-diensäure
(Z,Z,Z)-Octadeca-9,12,15-triensäure
18:1 (ω-9)
18:2 (ω-6)
18:3 (ω-3)
Zur Erklärung des Lipid-Namens: Die Schreibweise 18:2 (ω-6) bedeutet, dass es sich um
eine Fettsäure mit 18 C-Atomen und 2 Doppelbindungen handelt. Die erste Doppelbindungen ist am 6. C-Atom, vom ω-Ende (d. h. das Nicht-Carbonsäure-Ende) aus gezählt,
die zweite Doppelbindung am 9. (= 6 + 3) C-Atom.
Die Fettsäuren im Butterschmalz sind zu etwa 2/3 gesättigt (darunter vor allem Myristinsäure und Palmitinsäure). Rapsöl enthält zu etwa 70% Ölsäure (einfach ungesättigt),
Leinöl dagegen etwa 70% Linolensäure (mehrfach ungesättigt). Die Anteile der gesättigten
Fettsäuren sind in diesen beiden Ölen relativ gering.
Liegen nun ungesättigte Fettsäuren vor, so wird Brom in einer Additionsreaktion an diese
Doppelbindungen der Fette addiert (vgl. 2.3.1 Untersuchung von (un)gesättigten und aromatischen Verbindungen, S. 15). Das gelöste Brom reagiert somit, weswegen am Beginn
die braune Farbe der Bromlösung verschwindet. Erst wenn an (praktisch) alle Doppelbindungen Brom addiert wurde, verbleibt es in Lösung, was die Braunfärbung erklärt.
Je mehr ungesättigte Fettsäuren enthalten sind, desto mehr Bromlösung ist notwendig,
bis die Braunfärbung erhalten bleibt. Somit wurde gezeigt, dass Butterschmalz deutlich
weniger ungesättigte Fettsäuren als Leinöl und Rapsöl enthält.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
Martin Glatz, 0712957
S: Ein Versuch mit einer interessanten Theorie. Insbesondere müssen die S&S den Zusammenhang zwischen Formeln, Reaktivität und Beobachtungen herstellen. Nachteil: Es wird
mit Brom gearbeitet.
4.1.4 Isomersierung von Ölsäure zu Elaidinsäure
B: Nach ca. 10 Minuten bildet sich eine feste, gelbliche Substanz.
E: Ölsäure (cis-Octadecen-9-säure) wird durch die Reaktion in ihr trans-Isomer (trans-Octadecen-9-säure bzw. Elaidinsäure) umgewandelt:
O
OH
O
OH
Trans-Fettsäuren liegen im Kristall ungewinkelt vor, weswegen die Kristallstruktur weniger behindert wird als bei cis-Fettsäuren, die gewinkelt sind. Diese cis-Fettsäuren lassen
sich daher nicht so leicht kristallisieren/verfestigen, weswegen sie einen niedrigeren Erstarrungspunkt als trans-Fettsäuren haben.
Im chemischen Gleichgewicht zwischen Ölsäure und Elaidinsäure liegen etwa 70% Elaidinsäure vor.
S: Der Versuch an sich ist nur zur Vertiefung im Stoffgebiet Fettsäuren interessant. Die Theorie dahinter ist aber durchaus erwähnenswert, auch ohne Versuch dazu.
4.1.5 Bestimmung der Iodzahl
X Nicht durchgeführt!
4.1.6 Herstellung von Fettsäuremethylester (Biodiesel) aus Fetten und Ölen, Alkolyse von
Triglyceriden
X Nicht durchgeführt!
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
Martin Glatz, 0712957
4.2 Seifen
4.2.1 Herstellung von Seifen aus Fettsäuren
B: Ölsäure wir in Ethanol gelöst und erwärmt. Bei der Zugabe von Natriumcarbonat kommt
es zu einer Bläschenbildung (Gasentwicklung). Die Mischung wird dann zähflüssig, aber
nicht wirklich fest. Die weißlich-gelben (halbfesten) Seifenflocken wurden dann über Nacht
in einer Kristallisierschale getrocknet, woraufhin ein festes Produkt entstand. Mit warmen
Wasser kommt es zu einer Bläschenbildung.
E: Man erhielt eine Natriumseife (Kernseife), ein Natriumsalz einer Fettsäure:
2 R−COOH + Na2 CO3 −−→ 2 R−COONa + H2 O + CO2 ↑
S: Ein Versuch, der im Wahlpflichtfach sicher seinen Platz hat, weil doch einige Zeit notwendig
ist, bis die Konsistenz des Produktes der einer handelsüblichen Seife entspricht.
4.2.2 Herstellung von Kernseife
M: Olivenöl
B: Olivenöl, Ethanol und Natronlauge ergeben unter Rühren und Erhitzen nach einiger Zeit
eine gelbe, homogene Flüssigkeit. Diese wurde in NaCl-Lösung gegeben, woraufhin die
Flocken obenauf schwammen. Nach dem Absaugen blieben hellgelbe Flocken übrig, die zu
einem größeren Brocken zusammengeschmolzen wurden und im Eisbad fest wurden.
E: Nach der basekatalysierten Esterhydrolyse erfolgte mit Kochsalz ein Aussalzverfahren,
damit sich die Kernseife abscheidet:
R−O−(O−)C−R’ + NaOH −−→ R−OH + R’ −COONa mit R = Glycerin
S: Ein deutlich schöneres Ergebnis als bei der Natriumseife (siehe oben). Allerdings auch
wieder vergleichsweise aufwendig, wodurch sich dieser Versuch wieder eher nur im Laborunterricht (Doppelstunde) eignet und als Demonstrationsversuch weniger sinnvoll ist.
4.2.3 Herstellung von Transparentseife
X Nicht durchgeführt!
4.2.4 Aussalzen von Seife
B: Zu einer Seifenlösung wird NaCl-Lösung zugegeben. Die Seife flockt aus und sammelt sich
an der Oberfläche.
E: Seifenlösungen in ausreichend hoher Konzentration sind kolloide Lösungen, die kleine, (mit
freiem Auge) nicht sichtbare Mizellen bilden. Die polare Kopfgruppen zeigen dabei nach
außen, der unpolare Rest nach innen. Werden nun Elektrolyte (d. h. Ionen) zugesetzt, so
verhindern diese Ionen die Abstoßung der einzelnen (nach außen hin negativ geladenen)
Mizellen (Kolloid-Teilchen) untereinander, wodurch größere Verbände entstehen, die dann
ausflocken.
S: Ein anschaulicher Versuch mit einer interessanten Theorie dahinter.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
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4.2.5 Wirkung der Seifen und Waschmittel auf eine Wasseroberfläche
B: Die Papierstückchen wandern sofort vom Glasstab weg.
E: Seifen (und Waschmittel) setzen die Oberflächenspannung von Wasser herab, da sich die
Seifenbestandteile auch an der Oberfläche anordnen. Der polare Kopf ragt dabei in die
Flüssigkeit, der unpolare Schwanz in die Luft.
S: Nicht besonders spektakulär, aber schnell durchzuführen.
4.2.6 Nachweis der Wasserhärte mit Seifenlösung
B: Zu verschiedenen Lösungen wird alkoholische Seifenlösung tropfenweise zugegeben, bis ein
dauerhafter Schaum zu sehen ist:
RG-Nr.
1
2
3
4
Inhalt
Tropfenanzahl
dest. H2 O
Grazer Leitungswasser
CaSO4 -Lösung + Na2 CO3 -Lösung (basisch)
CaSO4 -Lösung
3
30
4
15
E: Fettsäuren bilden mit Calcium-Ionen unlösliche Salze (sogenannte Kalkseifen). Um daher
eine Reinigungswirkung (und damit Schaumbildung) durch die gelöste Seife erreichen zu
können, müssen vorher alle Ca2+ -Ionen »verbraucht« (d. h. gebunden) werden:
2 R−COONa + Ca2+ −−→ (R−COO)2 Ca + 2 Na+
• Im RG 1 sind praktisch keine Ca2+ -Ionen vorhanden, wodurch die Seifenlösung sofort
ihre Wirkung entfaltet.
• Im RG 2 ist eine sehr große Tropfenanzahl an Seifenlösung notwendig, was darauf
hindeutet, dass das Grazer Leitungswasser viele Calcium-Ionen enthält und dementsprechend »hart« ist.
• Im RG 3 werden die Ca2+ -Ionen durch sogenannte Carbonatfällung entfernt, daher
stehen keine Ca2+ -Ionen für die Bildung von Kalkseife zur Verfügung:
Ca2+ + Na2 CO3 −−→ CaCO3 ↓ + 2 Na+
• In RG 4 liegen die Ca2+ -Ionen frei vor, weswegen sie zuerst durch die Seife gebunden
werden muss. Das erklärt die beträchtliche Tropfenanzahl.
S: Dieser Versuch zeigt gut den Zusammenhang von Wasserhärte und Waschwirkung. Sinnvollerweise sollte zuvor oder im Anschluss auch die Wasserhärte besprochen werden.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
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4.2.7 Herstellung eines synthetischen Waschmittels (Natriumcetylsulfat)
B: Die Reaktionsmischung (zart rosa) löst sich fast vollständig in Wasser. Beim Schütteln
kommt es zu einer Schaumbildung.
E: Cetylalkohol wird durch konzentrierte Schwefelsäure zu Cetylhydrogensulfat verestert. Mit
NaOH wird im Zuge der Neutralisation Natriumcetylsulfat gebildet, das in Wasser löslich
ist und als Waschmittel für die Schaumbildung verantwortlich ist:
C16 H33 −OH + H2 SO4 −−→ C16 H33 −O−SO3 H + H2 O
C16 H33 −O−SO3 H + NaOH −−→ C16 H33 −O−SO3 Na + H2 O
Langkettige Alkylsulfate und Sulfonate besitzen (so wie Seifen) neben einem langen hydrophoben Alkylrest eine hydrophile Kopfgruppe.
S: Ein Versuch, den man nicht unbedingt gesehen haben muss. Allerdings im Rahmen eines
Seifen/Waschmittel-Workshops durchaus brauchbar.
4.2.8 Unterscheidung: Seife – flüssiges Waschmittel
B: Flüssigwaschmittel bzw. Natriumoleat (Natriumseife) wurden verglichen:
Substanz
Natriumseife
Flüssigwaschmittel
pH-Wert
8
7
+HCl
+ Kalkwasser
Trübung
keine Reaktion
Trübung
keine Reaktion
E: Siehe auch 4.2.9 Nachweis von Bestandteilen synthetischer Waschmittel, S. 43 ff.
Kalkwasser enthält Ca2+ -Ionen, die mit Natriumseifen schwer lösliche Salzverbindungen
ergeben (vgl. 4.2.6 Nachweis der Wasserhärte mit Seifenlösung, S. 41). Synthetische Waschmittel dagegen (je nach Typ) bilden diese schwer löslichen Verbindungen nicht, weswegen
es auch zu keiner Trübung kommt.
S: Relativ schnell durchzuführen. Evtl. sollte man sich einen sinnvollen Stationenbetrieb
in Kombination mit den Versuchen von 4.2.9 (Nachweis von Bestandteilen synthetischer
Waschmittel) überlegen.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
Martin Glatz, 0712957
4.2.9 Nachweis von Bestandteilen synthetischer Waschmittel
Bei synthetischen Waschmitteln können verschiedene Tenside enthalten sein:
Bezeichnung
Formel
Anwendungen
anionenaktiv:
m
n
n-Alkylbenzensulfonate
SO3 Na
Fettalkoholsulfate
H3 C−(CH2 )n −CH2 −O−SO–3 Na+
Carboxylate (Seifen)
H3 C−(CH2 )n −CO–2 Na+ (oder K+ )
kationenaktiv:
quartäre
Alkylammoniumsalze
(H3 C)2 N+ R1 R2 Cl– (R1 und R2 langkettig)
Ampholyt:
Alkylammoniumalkancarboxylate
Alkylbetaine
H3 C−(CH2 )n −N+ (−CH3 )2 −CH2 −CO–2
nichtionisch:
Alkylpolyglykolether
H3 C−(CH2 )n −O−(CH2 −CH2 −O)m −H
Alkylphenolpolyglykolether
H3 C−(CH2 )n −N+ H2 −CH2 −CH2 −CO–2
H3 C−(CH2 )n −Ph−O−(CH2 −CH2 −O)m −H
Waschmittelrohstoffe,
Geschirrspülmittel,
industrielle
Reinigungsmittel,
...
Schaumbäder,
Haarschampoos,
Spülmittel
Körperpflege
Weichspüler,
Desinfektionsmittel, . . .
Körperpflege
Waschmittelrohstoffe,
Textilhilfsmittel, . . .
Bei den nachfolgenden Versuchen wurde ein Flüssigwaschmittel (grüne Farbe) sowie Natriumseife
(Natriumoleat) verwendet:
Flammenfärbung
B: Die Flamme ist jeweils leuchtend gelb.
E: Die gelbe Flammenfärbung deutet bei der Natriumseife auf Natrium hin. Beim synthetischen Waschmittel kommt sie daher, dass es sich dabei um (verhältnismäßig sauerstoffarme) Kohlenstoffverbindungen handelt.
S: Schnell durchzuführen. Geeignet als schneller Demonstrationsversuch.
Brennprobe
B: Die Stoffe brennen nach dem Entzünden am Bunsenbrenner von alleine weiter. Gelbe
Flamme, wenig rußend. Schwarzer Rückstand.
E: Hinweis auf Kohlenstoffverbindungen (bzw. Natrium).
S: Schnell durchzuführen. Geeignet als schneller Demonstrationsversuch.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
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pH-Wert wässriger Lösungen
B: Der pH-Wert der Seifenlösung liegt im basischen Bereich, das untersuchte Waschmittel
verhält sich dagegen pH-neutral.
E: Die Seifen verhalten sich als Salz einer schwachen Säure mit einer starken Base in Wasser
leicht basisch:
R−COO– + H2 O −−→ R−COOH + OH–
(Nichtionische) Flüssigwaschmittel dagegen reagieren in wässriger Lösung neutral.
S: Schnell durchzuführen.
Reaktion mit konzentrierter Salzsäure
B: Die Seifenlösung flockt aus. Das (grüne) Waschmittel verfärbt sich nach gelb, es entsteht
wenig Schaum.
E: Die Seife bildet beim Ansäuern einen Niederschlag, da aus dem Anion der Fettsäure die
(protonierte) Fettsäure gebildet wird. Diese ist in Wasser nicht löslich:
R−C(−O)−O– + Na+ + HCl −−→ R−C(−O)−OH ↓ + Na+ + Cl–
S: Nur sinnvoll, wenn das Themengebiet Seifen und Fettsäuren sehr intensiv behandelt wird.
Nachweis von Bleichmitteln
B: Die violette Kaliumpermanganatlösung wird entfärbt, es bilden sich weiße Flocken.
E: Die Waschmittellösung entfärbt das Kaliumpermanganat, da sie Perborate enthält, aus
denen durch Ansäuern H2 O2 freigesetzt wird, das durch Kaliumpermanganat oxidiert wird:
2 KMnO4 + 3 H2 SO4 + 5 H2 O2 −−→ 2 MnSO4 + K2 SO4 + 5 O2 ↑ + 8 H2 O
Die Strukturformel des Perborat-Dimers:
O O
- OH
B
B
HO
OH
O O
HO
S: Geht schnell. Vor allem sinnvoll bei einem kleinen Waschmittel/Seifen-Projekt.
Veresterung mit Methanol
B: Der Saum der Flamme färbt sich leicht grünlich-türkis.
E: Die Grünfärbung weist auf Vorhandensein von Borsäureestern hin:
B(OH)3 + 3 H3 C−OH −−→ B(O−CH3 )3 + 3 H2 O
S: Weniger spektakulär als erwartet.
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4 Fette und Seifen, Waschmittel
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4.2.10 Nachweis von Phosphat
B: Bei dem phosphathältigen Waschmittel (z. B. Petanatriumtriphosphat als Wasserenthärter) tritt ein gelblich-weißer Niederschlag (Trübung) auf. Wenn kein Phosphat vorhanden
ist, färbt sich die Lösung nur gelb.
E: Bei Waschmitteln mit Phosphat bildet sich ein Niederschlag von Ammoniummolybdatphosphat (NH4 )3 [P(Mo3 O10 )4 ]:
+
2–
+
HPO2–
−→ (NH4 )3 [P(Mo3 O10 )4 ] + 12 H2 O bzw.
4 + 23 H + 3 NH4 + 12 MoO4 −
2–
+
+
7 HPO4 + 65 H + 21 NH4 + 12 Mo7 O6–
−→ 7 (NH4 )3 [P(Mo3 O10 )4 ] + 36 H2 O
24 −
S: Formelmäßig sehr mühsam. Als Versuch ohne genaue Theorie wohl sinnvoller.
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5 Kohlenhydrate
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5 Kohlenhydrate
5.1 Mono- und Disaccharide
Häufig vorkommende Zucker mit 6-C-Atomen:
O
C
H
O
H C OH
C
H
O
HO C H
HO C H
C
H
CH2 OH
C O
H C OH
HO C H
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
d-Glucose
d-Mannose
d-Galactose
d-Fructose
Häufig werden auch Sesselkonformationen oder HAWORTH-Projektionsformeln verwendet, was
am Beispiel der d-Glucose in ihrer 6-Ring-Form gezeigt wird:
CH2 OH
CH2 OH
O
HO
HO
=
OH
HO
HO
OH
OH
H
OH
CH2 OH
CH2 OH
O
O
OH
=
H
OH
OH
OH
α-d-Glucopyranose
OH
OH
O
OH
OH
β-d-Glucopyranose
5.1.1 Nachweis von Kohlenstoff in Zucker
B: Der Zuckerwürfel wird schwarz und zerbröselt.
E: Schwefelsäure »entzieht« dem Zucker (Summenformel Cn (H2 O)n ) Wasser, wodurch Kohlenstoff übrig bleibt.
S: Schnell durchzuführen und eindrucksvoll. Ein 2-Minuten-Experiment – ideal als Demonstrationsversuch zur Auflockerung.
5.1.2 Verbrennung von Zucker
B: Der unbehandelte Zuckerwürfel lässt sich nicht entzünden – der mit Asche beriebene
Zuckerwürfel dagegen schon.
E: Metalloxide (z.B. CaCO3 , Na2 O, Na2 CO3 ) in der Asche des organischen Materials wirken
als Katalysatoren, wodurch die Zündtemperatur herabgesetzt wird.
S: Ein schneller Versuch, bei dem die Auswirkungen von Katalysatoren demonstriert werden
kann.
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5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate
Fehling’sche Probe
B: Bei Zugabe von Fehling I (blaue CuSO4 -Lösung) sowie Fehling II (farblose KaliumtartratLösung) im Verhältnis 1:1 zu den untersuchenden Kohlenhydraten kommt es teilweise zu
Farbänderungen von blau nach rot/orange:
Formel
Behandlung
Farbe
–
rot
–
rot
–
rot
–
rot
–
blau
+ HCl
rot
Würfelzucker
Kristallzucker
–
–
blau
blau
Fruchtfleisch (Orange)
–
rot
∆T
grünlich
∆T, + H2 SO4 , + NaOH
rot
∆T
∆T, + H2 SO4
grünlich
rot
CH2 OH
OH
Glucose
O
OH
OH
OH
CH2 OH
OH
CH2 OH
Lactose
OH
OH
OH
O
O
O
OH
OH
CH2 OH
OH
Maltose
CH2 OH
O
O
OH
O
OH
OH
OH
OH
CH2 OH
O
HO
Fructose
CH2 OH
OH
CH2 OH
OH
Saccharose
Stärke
O
HO
O
OH
O
CH2 OH
O
OH
OH
CH2
OH
CH2 OH
CH2 OH
O
O
OH
O
O
OH
O
OH
Kartoffel
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E: Die anfängliche blaue Farbe der Fehling’schen Lösung (I + II) entsteht durch den blauen
Kupfer-Tatrat-Komplex:
2 [C4 H4 O6 ]2– + Cu2+ + 2 OH– −−→ [Cu(C4 H4 O6 )]4– + 2 H2 O
4O
O
O
OH
O
O
-
Cu
O
O
HO
O
O
-
O
Würde das Tatrat nicht eingesetzt werden, so würden die Kupfer-Ionen nicht in Lösung
bleiben, sondern als Niederschlag (schwer lösliches Cu(OH)2 ) ausfallen, wodurch keine
Kupfer-Ionen für die weitere Nachweisreaktion verfügbar wären.
Die (komplex-gebunden) Cu2+ -Ionen können durch sogenannte reduzierende Zucker zu
Cu1+ -Ionen reduziert werden, wodurch rot gefärbtes Kupfer(I)oxid (Cu2 O) entsteht, das
schwer löslich ist:
Cu2+ + 2 OH– + 2 e– −−→ Cu2 O ↓ + H2 O
Die Elektronen kommen vom jeweiligen Zucker, dessen reduzierende Aldehydgruppe zur
Carbonsäure bzw. Carboxylat-Gruppe oxidiert wird. Am Beispiel Glucose demonstriert:
CH2OH
CH2OH
OH
OH
O
OH
+ H2O
OH
OH
OH
D-Glucose
OH
O
H
=
O
H
H
OH
HO
OH
H
Oxidation
OH
H
OH
HO
H
OH
H
H
OH
H
CH2OH
Oxidation
O
D-Glucose (offen)
H
OH
OH
CH2OH
Gluconsäure
CH2OH
O
HO
HO
OH
+
O
H2O
delta-D-Gluconolacton (labil)
bzw. die Oxidation im Detail:
R−C(−O)−H + 2 OH– −−→ R−C(−O)−OH + H2 O + 2 e–
Im Basischen reagiert das Produkt mit Hydroxid-Ionen:
R−C(−O)−OH + OH– −−→ R−C(−O)−O– + H2 O
Somit erhalten wir folgende Gesamt-Redox-Reaktion:
R−C(−O)−H + Cu2+ + 5 OH– −−→ Cu2 O ↓ + R−C(−O)−O– + 3 H2 O
Glucose, Lactose und Maltose liefern ein positives Ergebnis: Glucose (eine Aldohexose)
besitzt als sogenannter reduzierender Zucker eine Aldehydgruppe (in der offenkettigen
Form!), die Cu2+ reduzieren kann. Lactose und Maltose bestehen aus Aldohexosen, die
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so verknüpft sind, dass noch eine Monosaccharid-Einheit ihre reduzierenden Eigenschaften
behält, da immer ein Gleichgewicht zur offenen Form besteht (am Beispiel Maltose gezeigt):
CH2 OH
OH
OH
CH2 OH
O
OH
CH2 OH
O
O
OH
OH
+ H2 O
OH
OH
OH
CH2 OH
O
OH
OH
H
O
OH
O
OH
Fructose liefert ebenfalls ein positives Ergebnis. Fructose ist zwar grundsätzlich eine Ketose, allerdings besitzt die Keto-Gruppe eine benachbarten Hydroxy-Gruppe. Die Folge ist
eine Keto-Enol-Tautomerie, wodurch Fructose erst wieder reduzierende Eigenschaften hat.
In Saccharose sind die beiden Monosaccharid-Einheiten so verknüpft, dass die reduzierenden Eigenschaften beider Zuckerbausteine verloren gehen, daher erhält man erst nach
Spaltung der glykosidischen Bindung unter Einfluss von HCl ein positives Ergebnis, da
dann die reduzierenden α-d-Glucose und β-d-Fructose vorliegen. Kristallzucker und Würfelzucker bestehen beide aus Saccharose und liefern demnach ein negatives Ergebnis.
Disaccharid
Bestandteile
Lactose
Maltose
Saccharose
d-Galactose & d-Glucose
α-d-Glucose
α-d-Glucose & β-d-Fructose
Verknüpfung
reduzierender Teil
β-1,4
β-1,4
α-β-1,2
Glucose
Glucose
–
Stärke zeigt eine Verfärbung ins leicht Grünliche, was durch das Vorhandensein von reduzierenden Enden der Polysaccharid-Ketten zustande kommt. Ein eindeutig positives Ergebnis erhält man nach der Hydrolyse durch H2 SO4 und Erhitzen, da dann die α-d-Glucose
vorliegen, weil die α-1,4 und α-1,6 Bindungen gespalten werden. Dasselbe Ergebnis liefert
die Kartoffel, die Stärke enthält.
S: An sich ein sehr interessanter Versuch, der die S&S auch dazu »zwingt«, sich mit den
Strukturformeln (Projektionsformeln) der Stoffe auseinander zu setzen. Evtl. kann auf
bestimmte Proben verzichtet werden, um Zeit zu sparen. Durchaus in der Schule einsetzbar.
Silberspiegelreaktion
B: Mit Glucose bzw. Fructose bzw. Fruchtfleisch (Orange) entsteht jeweils ein schöner Silberspiegel im RG.
E: Die Zucker haben reduzierende Eigenschaften (reduzierende Aldehyd-Gruppe), weswegen
Silber-Ionen zu metallischem Silber reduziert werden:
R−C(−O)−H + 2 Ag+ + 2 OH– −−→ R−C(−O)−OH + 2 Ag0 + H2 O
S: Reagenzgläser lassen sich mit relativ geringem Aufwand versilbern. Diese können dann als
Andenken mit nach Hause genommen werden, was z. B. auch für den Tag der offenen Tür
interessant ist.
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5.1.4 Zuckerkalk
B: Beim Zugabe der trüben Kalkmilch in die Zuckerlösung wird die Lösung (nach Abfiltrieren)
klar. Beim Einleiten von CO2 (mit dem Low-Cost-Gasentwickler aus CaCO3 und HCl
erzeugt) wir die Lösung wieder trüb (weißer Niederschlag).
E: Mit Kalkmilch (Suspension von Ca(OH)2 in H2 O) bildet sich Zuckerkalk C12 H22 O11 · CaO,
da der Zucker als mehrwertiger Alkohol mit Metallhydroxiden salzartige Verbindungen
bildet, die in Wasser gut löslich sind, weswegen die Lösung klar wird.
Durch das Einleiten von CO2 wird mit dem Zuckerkalk das schwer lösliche Kalziumcarbonat (CaCO3 ) gebildet, wodurch die Lösung wieder trüb wird.
Dieser Prozess wird in der Industrie genutzt, um den Rüben ihren Zucker zu entziehen
und ihn von den restlichen Pflanzenteilen zu trennen. (Zuckerkalk wird fälschlicherweise
auch als Calciumsaccharat bezeichnet, welches jedoch das Calciumsalz der Glucarsäure
darstellt.)
S: Relativ langweilig, wenn der Versuch auch als Modellversuch einen gewissen didaktischen
Wert hat.
5.1.5 Polymerisation von Traubenzucker
B: Es entsteht nach dem Eindampfen eine dunkelbraune, zähe Masse.
E: Es ist Zuckercouleur (Karamell) entstanden, das zum Färben von Lebensmitteln (z. B.
Bier, Rum, Cola) verwendet wird.
Wird z. B. Traubenzucker (d-Glucose) erhitzt, so spielen sich eine Reihe von (noch nicht
vollständig geklärten) Reaktionen ab, unter anderem eine Entwässerung, was zu einer
Polymerisation führt. Einige dieser Polymerisationsprodukte sind zuständig für die braune
Farbe oder für den bitteren Geschmack. Es finden zwar Oxidationen mit Luftsauerstoff
statt, die Maillard-Reaktion dagegen nicht, da hierfür Aminosäuren notwendig sind.
S: Als Modellversuch ist dieser Versuch gut geeignet. Will man der Theorie dahinter aber
wirklich auf den Grund gehen, wird es sehr schnell sehr kompliziert: Zum Vorzeigen gut,
für Halbwissen gut, zum Theorie-Diskutieren zu schwierig.
5.1.6 Darstellung von Kunsthonig aus Saccharose
B: Nach dem Eindampfen ist die Substanz leicht gelblich und ein wenig zähflüssig.
E: Die eingesetzte Saccharose wird unter saurer Katalyse gespalten:
C12 H22 O11 + H2 O −−→ 2 C6 H12 O6
Es bilden sich Glucose und Fructose, vgl. 5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate, S. 47 ff.
S: Wieder als Modellversuch geeignet. Allerdings ist das Ergebnis nicht sonderlich überzeugend bzw. eindrucksvoll.
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5.1.7 Blue Bottle
B: Nach Zugabe von einigen Tropfen des blauen Methylenblau (und nach evtl. nach kurzem
Schütteln) ist der Kolbeninhalt blau – der Kolben wird verschlossen. Diese blaue Färbung
verschwindet aber mit der Zeit, es entsteht eine farblose Lösung. Durch Schütteln des
Kolbens erfolgt dann wieder ein Farbumschlag von farblos zu blau. Und das Ganze beginnt
wieder von vorne . . . .
E: Insgesamt gehen zwei Redox-Reaktion vor sich:
• Beim Stehenlassen: Glucose wird zu Gluconsäure bzw. dessen Anion, das Gluconat
oxidiert, die blaue Form des Methylenblaus (kurz: Mb+ , chinoide Form) wird zur
farblosen Form (Leukomethylenblau, kurz: MbH) reduziert:
H
N
N
N
+
+2 H +2e
S
N
N
+
S
N
+ H+
MbH
Mb
N
N
S
N
Red: Mb+ + 2 H+ + 2 e– −−→ MbH + H+
Ox: Glucose + OH– −−→ Gluconsäure-Anion (Gluconat) + 2 H+ + 2 e–
Bei dieser Oxidation der Glucose wird Sauerstoff durch Reaktion mit H2 O (bzw.
OH– ) eingefügt. Die dabei entstehenden Protonen werden durch das basische Milieu
abgefangen, wodurch eine Gleichgewichtsverschiebung nach rechts erfolgt. Die Dauer,
bis die blaue Farbe verschwindet, ist von der NaOH-Konzentration abhängig: je höher,
deste schneller.
• Beim Schütteln: Die farblose Leukomethylenblau-Form wird zur blauen Form des
Methylenblaus reoxidiert:
Ox: MbH + H+ −−→ Mb+ + 2 H+ + 2 e–
Luftsauerstoff (durch das Schütteln in Lösung gebracht) wird zu Wasser reduziert:
Red: 1/2O2 + 2 H+ + 2 e– −−→ H2 O
Insgesamt handelt es sich als um einen Vorgang, bei der Methylenblau immer wieder regeneriert wird. Glucose wird dabei bei der Farbloswerdung verbraucht, ebenso der Luftsauerstoff (im Kolben) beim Blauwerden. Die Reaktion läuft also so lange ab, bis einer dieser
beiden Stoffe nicht mehr vorhanden ist (was üblichweise wohl die Glucose sein wird).
S: Ein schnell gemachter Versuch mit einem imposantem Ergebnis. Beeindruckend. Nachteil:
Die »verzwickte« Theorie dahinter, die man als Lehrkraft auf jeden Fall didaktisch gut
aufbereiten muss, damit die S&S nicht davon abgeschreckt werden.
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5.1.8 Pharaoschlangen
B: Aus der Zuckermasse bildet sich (Flamme!) eine schwarze, massiv aussehende Masse, die
wie eine Schlange nach oben wächst. Das Reaktionsprodukt ist – entgegen seinem Aussehen
– luftig leicht und relativ zerbrechlich.
Mit »Bad Emser Pastillen« funktioniert der Versuch ebenfalls, liefert aber (eine) kleinere
Schlange(n).
E: Die Kieselgur (poröses Pulver aus großteils SiO2 ) dient als Speicher für Ethanol (EtOH),
das zur Aufrechterhaltung der Verbrennung dient. (Einfacher Sand tut es auch!)
Verbrannt/Verkohlt wird dabei Puderzucker (Saccharose), wobei eine voluminöse Asche
entsteht, weil aus Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3 ) gasförmiges Kohlendioxid CO2
entsteht, das die Asche aufbläht (»wachsen lässt«):
2 NaHCO3 −−→ Na2 CO3 + H2 O + CO2 ↑
S: Ein sehr eindrucksvoller Versuch, ideal für den Tag der offenen Tür! Bei diesem Versuch
laufen mehrere Reaktionen gleichzeitig, ab, weswegen er auch für die Vernetzung der Theorie verschiedener Themen geeignet ist.
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5.2 Stärke und Zellulose
5.2.1 Die Iod-Stärke-Reaktion
B: Die Stärke-Lösung wird tiefblau.
E: Stärke besteht aus Polysacchariden (Grundbaustein: α-d-Glucose), die einerseits eine verzweigte Struktur aufweisen (Amylopektin), andererseits lange Ketten mit helicaler Struktur (Amylose bzw. lösl. Stärke) beinhaltet.
Innerhalb dieser Helix können sich die Iodmoleküle (bzw. Polyiodid-Ionen, siehe nachfolgend) aus der Iod-Iodkalium-Lösung (Iod-Kaliumiodid bzw. Lugol’sche Lösung, bräunlichgelb) als Einschlussverbindungen einlagern. Hier die Bildung einer Polyiodid-Kette (in
diesem Fall Pentaiodid-Anion) in der Iod-Iodkalium-Lösung:
2 I2 + I– −−→ I–3 + I2 −−→ I–5
Die Grafik zeigt die Einlagerung von I–3 in die Amylose-Helix:
I
II
Die Polyiodid-Ionen liefern in reiner Amylopektin-Lösung eine rotviolette Farbe, in reiner
Amylose-Lösung ein tiefblaue. Die sieben Valenzelektronen der eingelagerten Iod-Atome
sind delokalisiert, weswegen die Anregungsenergie der Valenz-e– herabgesetzt wird, wodurch sie im langwelligeren Bereich Licht absorbieren und blau-schwarz erscheinen.
Diese tiefblaue Farbe verschwindet in der Wärme und tritt in der Kälte wieder auf, weil
durch Wärme die Stärke entspiralisiert wird, wodurch die Einlagerung in die Helix nicht
möglich ist.
S: Ein Versuch, den man einfach kennen muss! Ideal auch geeignet, um den Unterschied
zwischen Stärke und Cellulose zu thematisieren.
Nachweis von Stärke in Nahrungsmitteln
B: Sowohl ein Kartoffelstück als auch ein Stück Brot werden zerkleinert und mit Wasser
aufgekocht. Nach Zugabe von Iod-Iodkalium-Lösung entsteht eine tiefblaue Farbe.
E: Kartoffel und Brot enthalten jeweils Stärke, die mit der Iod-Iodkalium-Lösung einen tiefblauen Farbkomplex (vgl. oben) liefert.
S: Der Stärke-Nachweis mit »Haushaltschemikalien«, um Tatsachen eigenverantwortlich zu
überprüfen. Sinnvoll evtl. auch in einem kleinen projektähnlichem Unterricht rund um das
Thema »Kohlenhydrate und Lebensmittel«.
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Versuchsanleitung zum Herstellen einer Stärkefolie
B: Nach der Zugabe der Gelatine laut Vorschrift ist die Masse nicht allzu dickflüssig. Die
Folienmasse wurde auf Plexiglasscheiben gegossen, wobei Luftbläschen zu sehen sind. Nach
dem Trocken ist die Folie milchig-durchsichtig, elastisch und ein wenig dehnbar.
E: Durch das Aufkochen wird die Kornstruktur der Stärkekörner (irreversibel) zerstört, man
spricht dabei von sogenannter Verkleisterung.
Durch die Zugabe von Glycerin wird die Stärke (mit dem verzweigten Amylopektin als
notwendigem Bestandteil) an der Kristallisation gehindert, wodurch das Ganze elastisch
bleibt: Die hygroskopische Substanz Glycerin wirkt dabei als Weichmacher.
S: Die Folie ist zwar elastisch, ingesamt ist der Versuch aber chemisch gesehen nicht allzu
anschaulich. Man tut sich als Lehrkraft schwer, passende Skizzen/Erklärungen zu geben.
5.2.2 Reaktion von Zellulose mit Iod-Iodkalium-Lösung
B: Es tritt keine Blaufärbung ein.
E: Zellulose besteht zwar genauso wie Stärke aus Glucose, allerdings aus β-d-Glucose:
OH
O
HO
O
OH
HO
O
O
OH
O
OH
Durch die Verknüpfung der Einheit entsteht dadurch keine Helix wie in der Amylose,
sondern eine lineare Struktur. Die Polyiodid-Ionen aus der Iod-Iod-Kalium-Lösung können
sich daher nicht einlagern, weswegen auch keine blaue Färbung zustande kommt.
S: Vor allem in Kombination mit der Iod-Stärke-Reaktion sinnvoll.
5.2.3 Hydrolytischer Abbau von Zellulose
B: Bei der ersten Durchführung bildet sich mit der Fehling’schen Probe eine grünliche Verfärbung. Bei der zweiten Durchführung mit längerem Kochen und mit der Fehling’schen
Probe bildet sich ein roter Niederschlag.
E: Filterpapier besteht aus Zellulose, die wiederum aus β-d-Glucose-Einheiten aufgebaut ist,
die β-1-4-glykosidisch verbunden sind (vlg. oben).
Durch das Aufkochen mit verdünnter Schwefelsäure (H2 SO4 ) werden diese Bindungen (teilweise) gespalten, wodurch die Monomere (bzw. kürzere Polymere), also β-d-Glucose, unverbunden vorliegen. Diese reagieren mit der Fehling’schen Lösung unter Bildung von
Cu2 O (roter Niederschlag). Details siehe 5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate, S. 47.
S: Es ist etwas Zeit nötig, bis die Zellulose ausreichend zerstört ist. Somit etwas schwieriger
im Unterricht einzubauen.
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5.2.4 Herstellung von Zellulosetriacetat
X Nicht durchgeführt!
5.2.5 Darstellung einer Folie aus Zellulosetriacetat
B: Nachdem die viskose, aber noch klare Lösung auf eine mit Öl bestrichene Glasplatte verrieben wird, härtet die Lösung aus: Es bildet sich eine dünne, durchsichtige, elastische
Folie.
E: Dichlormethan (Methylenchlorid, CH2 Cl2 ) dient als Lösungsmittel, um die Zellulosetriacetat-Polymere in eine verarbeitbare Konsistenz zu bringen (→ viskose, klare Lösung). Diese
Lösung wird dann auf den Objektträger aufgebracht, wobei das Lösungsmittel verdunstet
und das Zellulosetriacetat aushärtet (vgl. Klebstoff-Aushärtung). Die Polymerfasern haben
sich nun so angeordnet, dass ein elastischer (Natur-)Kunststoff (CTA: CelluloseTriAcetat)
entstanden ist (links):
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HO
O
O
HO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
In der Wirtschaft wird häufig auch Zellulosediacetat (CA bzw. Celluloseacetat) (rechts)
als Kunststoff eingesetzt, der aus Zellulose und Essigsäure durch Veresterung (→ CTA)
mit anschließender, teilweiser Hydrolyse entsteht.
S: Das Herstellen dünner Folien ist gut möglich. Allerdings hat man relativ viel chlorierten
Abfall, der entsorgt werden will. Meiner Meinung nach zahlt es sich nicht aus, diesen
Versuch in der Schule durchzuführen.
5.2.6 Herstellung von Schießbaumwolle
B: 9,4 g trockene Baumwolle (Watte) werden in Nitriersäure gegeben, wobei ein leicht gelbliche
Färbung entsteht. Nach dem Herausnehmen der Schießbaumwolle wird diese mehrfach gewaschen, wobei die leicht gelbliche Farbe bestehen bleibt. Nach dem Trocknen im Schrank
bei 72°C wurden 14,73 g Schießbaumwolle erhalten.
Stupst man mit einem im Brenner zuvor erhitzten Glasstab an, so entzündet sich diese
sofort und verpufft unter Bildung einer großen, gelben Flamme auf der Stelle.
Ein Kügelchen aus zusammengeknüllte Alufolie ( ≈ 7 mm) diente als Geschoss in einem
Plastikröhrchen, wo am unteren Ende eine etwas größere Menge (etwa 5 cm Rohrlänge)
Schießbaumwolle hineingestopft wurde. Das Zünden erfolgte mit einem Holzspan, da eine
kräftige Stichflamme von etwa 20 cm hinten aus dem Rohr kommt. Das Kügelchen flog
etwa 7 m weit.
Ein kleines Stück (trockener) Schießbaumwolle verbrennt auf der Hand so schnell, dass die
Hitzentwicklung relativ gering bzw. erträglich ist.
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E: In der Cellulose sind pro β-d-Glucose-Molekül noch drei freie OH-Gruppen, die mit Salpetersäure (die Schwefelsäure dient zur Aktivierung) (vollständig) verestert werden können:
[C6 H10 O5 ]n + 3n HNO3 −−→ [C6 H7 O2 (ONO2 )3 ]n + 3n H2 O
O
OH
O
HO
O
HO
O
OH
+HNO3
OH
O
O
O
O 2N
OH
O 2N
O
O
O
O
- H2O
NO2
O
NO2
O 2N
O
O
O
O
NO2
Durch die Massezunahme kann der durchschnittliche Veresterungsgrad bestimmt werden.
Aus 10 g Baumwolle können bei vollständiger Veresterung aller (drei) OH-Gruppen zu
ONO2 -Gruppen etwa 18 g Schießbaumwolle enstehen:
Auf unsere Einwaage von 9,4 g bezogen:
Masse (g)
Anzahl ONO2 -Gruppen
pro Glucose-Einheit
Veresterungsgrad
9,4
11,91
14,41
0 von 3
1 von 3
2 von 3
0 %
33,3 %
66,6 %
14,73
–
70,9 %
16,92
3 von 3
100
%
Die folgende Grafik zeigt Cellulose-Ausschnitte, die nicht vollständig verestert wurden
(links: Verersterungsgrad 50%, rechts: 2 von 3):
OH
O
HO
O
O
O2N
O2N
O
O
O
O
OH
NO2
O
OH
O
O
O2N
O
O
HO
O
NO2
O2N
O
O
O
O
NO2
Ähnlich wie in Nitroglycerin steckt in den ONO2 -Gruppen viel Energie, wobei beim Verbrennen viele Gas-Moleküle frei werden:
2 (C6 H7 O2 (ONO2 )3 −−→ 3 N2 + 7 H2 O + 9 CO + 3 CO2 + Energie
S: Das Abbrennen ist sehr spektakulär! Die Theorie dahinter ist geeignet, um Beziehungen
zwischen verschiedene Themen (Veresterung, Sprengstoffe, Cellulose und Zucker sowie Polymere,. . . ) herzustellen. Ein toller Versuch!
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5.3 Vitamin C (L-Ascorbinsäure)
Vitamin C wird auch L-Ascorbinsäure genannt und ist durch interne H-Brücken stabilisiert:
HO
HO
O
HO
O
HO
O
O
bzw.
HO
H
O
OH
O
H
5.3.1 pH-Wert & reduzierende Eigenschaften
B: Die pH-Wert-Bestimmung einer Ascorbinsäure-Lösung liefert ca. den Wert 2. Mit ammoniakalischer Silbernitratlösung wird das RG (innen) versilbert; es fällt graues, kolloides
Silber aus.
E: Die sauren Eigenschaften entstehen durch die Endiol-Struktur: Diese ist bei H+ -Abgabe
stabilisiert, weswegen die Ascorbinsäure in wässriger Lösung als Säure reagiert (pKS ≈
4, 3). Das dabei entstehende Enolat-Anion ist mittel Keto-Enol-Tautomerie stabisisiert, da
die negative Ladung am Sauerstoffatom auch auf die Doppelbindung übertragen werden
kann (→ Delokalisierung):
HO
HO
HO
HO
O
HO
O
O
HO
- H+
OH
O
O
HO
O
O
OH
Enolat
O
OH
Ketoform
Ascorbinsäure wirkt durch die Dienol-Struktur stark reduzierend, da diese relativ leicht
zu einer Diketon-Struktur oxidiert werden kann. Dabei entsteht Dehydroascorbinsäure
(DHA):
HO
HO
O
HO
HO
O
OH
+
-2H
O
HO
O
+ H2 O
HO
O
O
OH
-2e
O
O
- H2 O
O
OH
OH
DHA
S: Um die Eigenschaften von Vitamin C verstehen zu können (und somit die Versuche erklären
zu können), ist relativ viel Theorie notwendig. Wohl eher ein Versuch für interessierte
Klassen bzw. fürs Wahlpflichtfach.
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5 Kohlenhydrate
Martin Glatz, 0712957
5.3.2 Reduktion von 2,6-Dichlorphenol-Indophenol durch Vitamin C
B: Gibt man 2,6-Dichlorphenol-Indophenol (DCPIP) in Wasser, so erhält man eine blaue Lösung. In RG I wird nur Ascorbinsäure zugegeben, wodurch die Farbe von blau nach farblos
umschlägt. In RG II wird zuerst etwas Eisessig (Essigsäure) zugeben, wodurch zuerst eine
rote Lösung entsteht. Nach Zugabe von Ascorbinsäure erfolgt wieder ein Farbumschlag,
nämlich von rot nach farblos.
E: Das 2,6-Dichlorphenol-Indophenol wird durch Reduktion durch Ascorbinsäure jeweils entfärbt, es entsteht eine farblose Aminodiphenol-Form (ein Leuko-Farbstoff).
HO
Cl
O
HO
O
O
+
HO
OH
N
OH
Cl
2,6-Dichlorphenol-indophenol
Cl
HO
O
HO
O
O
+
HO
O
NH
OH
Cl
farblose Leukoverbindung
DHA
Zur Farbe der Ausgangslösungen vor Vitamin-C-Zugabe: 2,6-Dichlorphenol-Indophenol ist
in neutraler oder basischer Umgebung blau, in saurer dagegen rot.
S: Ein Indikator-Versuch, der auch die reduzierende Wirkung von Vitamin C zeigt. Der Versuch funktioniert sehr gut, was sehr vorteilhaft in der Schule ist.
5.3.3 Qualitativer Nachweis von Vitamin C in Obst
B: Ausgangslösung ist jeweils eine blau gefärbte 2,6-Dichlorphenol-Indophenol-Lösung. Danach werden verschiedene Stoffe zugegeben und der Farbumschlag beobachtet:
1
2
3
4
+ Substanz
Farbe
Zitronensäure-Lösung
Glucose-Lösung
Zitronensaft
Apfelsaft
rot
rot
farblos
blau
E: Je nach Vitamin-C-Gehalt findet eine Reduktion des Farbstoffes statt (vgl. 5.3.2 Reduktion von 2,6-Dichlorphenol-Indophenol durch Vitamin C): In Zitronensaft ist viel Vitamin
C enthalten, in Apfelsaft dagegen so wenig, dass nicht das gesamte 2,6-DichlorphenolIndophenol zur farblosen Form reduziert wird, weswegen die Lösung nach wie vor blau ist.
Glucose bzw. Zitronensäure wirken nicht (so stark) reduzierend, dass die farblose LeukoForm entstehen würde – stattdessen ist die (im Sauren) rote Farbe von DCPIP beständig.
S: Deutlich sinnvoller als die quantitative Bestimmung von Vitamin C in Fruchtsäften, da
die Ergebnisse sehr deutlich sind.
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5.3.4 Quantitative Bestimmung von Vitamin C in Fruchtsäften
B: Der Farbumschlag war praktisch nicht sichtbar, der Farbstoff 2,6-Dichlorphenol-Indophenol
(kurz: DCPIP) zeigte offenbar geringe Beständigkeit (bei allen Laborgruppen), wodurch
der Versuch schlussendlich nur »halbquantitativ« durchgeführt wurde.
Es stellte sich heraus, dass Orangensaft deutlich mehr Vitamin C enthält als Apfelsaft.
Auch frisch gepresster Kiwisaft (hart/unreif) enthielt deutlich weniger Vitamin C. Nach
dem längerem Erhitzen der Säfte stellte sich heraus, dass deutlich weniger Vitamin C
vorhanden war.
E: Der Farbstoff/Indikator reagiert mit Vitamin C grundsätzlich 1:1 (vgl. 5.3.2 Reduktion
von 2,6-Dichlorphenol-Indophenol durch Vitamin C, S. 58).
• Ascorbinsäure-Standard: 0,107 g Ascorbinsäure wurden mit H2 O aufgefüllt auf 10,044
g aufgefüllt. Davon wurden 1,026 g entnommen und mit einer-DCPIP-Lösung (=Maßlösung) titriert. In diesen 1,026 g Ascorbinsäure-Lösung sind 0,0109 g Ascorbinsäure
enthalten, das entspricht (Molare Masse = 176,13 g) 0,0619 mmol.
• Maßlösung: 1 ml der DCPIP-Lösung (0,05 g in 100 ml H2 O) enthält 0,5 mg DCPIP,
das sind (Molare Masse = 290 g laut Chemikalienetikett) 0,00172 mmol. Somit entspricht 1 ml der DCPIP-Lösung 0,00172 mmol bzw. 0,304 mg Ascorbinsäure. Rückgerechnet auf die Fruchtsaftproben (3 ml verwendet) würde ein Milliliter DCPIP-Lösung
einen Gehalt an Ascorbinsäure von 0,101 mg pro Milliliter Saft bedeuten.
Zum Vergleich: 1 l Orangensaft sollte etwa (Größenordnung) 400 mg Vitamin C enthalten, also 1 ml etwa 0,4 mg. Somit sollten etwa 4 ml Maßlösung bis zum Äquivalenzpunkt notwendig sein.
Um also 1,026 g Ascorbinsäure-Standardlösung umzusetzen, wären also theoretisch 39,4 ml
DCPIP-Maßlösung notwendig gewesen.
Vitamin C wird durch hohe Temperaturen zerstört, weswegen nach dem Erhitzen (80°C)
der Lösungen deutlich weniger Vitamin C nachgewiesen werden konnte.
S: Meiner Meinung nicht für die Schule geeignet, da die Titration recht lange dauert. Zusätzlich ist der Farbstoff sehr sensibel, weswegen der Äquivalenzpunkt sehr schwer zu sehen
ist (bzw. nur erraten werden kann), da die (im Sauren) rote Farbe des Farbstoffs schnell
verschwindet.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
Martin Glatz, 0712957
6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
6.1 Harnstoff
6.1.1 Nachweis von Harnstoff im Urin
X Nicht durchgeführt!
6.1.2 Enzymatischer Abbau von Harnstoff
B: Die zuerst farblose Flüssigkeit verfärbt sich mit der Zeit nach rosa, wobei die Färbung mit
der Zeit immer intensiver wird.
E: Das Enzym Urease katalysiert die (hydrolytische) Spaltung von Harnstoff in Kohlendioxid
und Ammoniak:
H2 N−C(−O)−NH2 + H2 O −−→ 2 NH3 + CO2 ↑
Der aus Harnstoff entstandene Ammoniak reagiert nun im Wasser basisch
+
−−
*
NH3 + H2 O )
−
− NH4 + OH–
und er verursacht dadurch die Rosafärbung der Lösung, da Phenolphthalein (als sogenannter Indikator) im Basischen rosa/violett gefärbt ist.
S: Ein schöner Versuch, der die Wirkungsweise von Enzymen gut zeigt. Der Einsatz in der
Schule ist wohl auch eine Kostenfrage.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
Martin Glatz, 0712957
6.2 Aminosäuren
6.2.1 Wasserlöslichkeit
B: Die Substanzen sind nur in heißem Wasser löslich, in kaltem fallen die Aminosäuren bis
auf Glycin aus.
E: Verschiedene Aminosäuren besitzen eine unterschiedliche Wasserlöslichkeit. Es lösen sich
in 5 ml Wasser bei 20°C: 1 g Glycin, 0,1 g Asparagin bzw. 0,03 g Glutaminsäure.
H2N
H
O
H2N
OH
H
Glycin
H
O
OH
H2N
H
O
OH
O
NH2
Asparagin
O
OH
Glutaminsäure
S: Sehr unspektakulär.
6.2.2 Acidität
B: pH-Wert der Glycin-Lösung: ca. 7, pH-Wert der Glutaminsäure-Lösung: etwa 5.
E: Durch die Carboxygruppen agieren Aminosäuren auch als Säuren (Strukturformeln siehe voriger Versuch). Glutaminsäure reagiert dabei in wässriger Lösung durch seine zwei
Säuregruppen saurer als Glycin.
S: Ein relativ langweiliger Versuch, obwohl er im Prinzip das Wort Aminosäure begründet.
6.2.3 Amphotere Eigenschaften
B: In Wasser liefert Glutaminsäure keine klare Lösung, da es sie sich in dieser hohen Menge
(4 g/50 ml) nicht vollständig löst. In der Salzsäure bzw. Natronlauge dagegen entsteht nach
Zugabe von Glutaminsäure ein klare Lösung.
E: Im (stark) Sauren reagiert Glutaminsäure durch die Amino-Gruppe (bzw. die CarboxyGruppen mit relativ hohem pKS ) als Base, im Basischen als Säure (= amphotere Eigenschaft der Aminosäuren). Dadurch bilden sich Salze, die sich gut lösen, wodurch die
Lösungen klar werden.
S: Meiner Meinung nach in Kombination mit dem Versuch oben sinnvoller als alleine, da man
dadurch die Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren gut herausstreichen kann.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
Martin Glatz, 0712957
6.2.4 Farbreaktion von Aminosäuren mit Ninhydrin
B: Glycin und Glutamin liefern eine blaue Färbung, Asparagin bräunlich/violett und Ammoniak eine gelblich/braune Farbe.
E: α-Aminosäuren reagieren mit Ninhydrin in einer mehrstufigen Reaktion zu einem blauviolett gefärbten Farbstoff (Ruhemanns Purpur). Durch zahlreiche Nebenreaktionen reagieren nicht alle Aminosäuren zu einer rein violetten Farbe, wodurch fast jede Aminosäure
ihre eigene Farbe hat.
O
O
O
R
OH
OH
+
OH
- 2 H2 O
R
O
N
OH
O
- CO2
H
NH2
O
O
O
R
N
Ninhydrin
-
O
OH
O
R
+ H2 O
OH
O
+
OH
N
O
O
O
O
- H2 O
O
H
NH2
O
O
N
O
O
blaues Imin
Mit Ammoniak laufen ebenfalls Reaktionen ab, was die gelblich/braune Farbe ergibt.
S: Die Reaktionen liefern deutliche Farben, weswegen sie in der Schule durchaus auch als S&SExperiment durchführbar sind. Die eigentliche Reaktion samt Mechanismus ist allerdings
wohl eher etwas zum Abschrecken der S&S.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
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6.3 Proteine
6.3.1 Herstellung einer Eiweißlösung
Diese Eiweißlösung wird für die Versuche in diesem Unterkapitel herangezogen.
B: Das Filtrieren ist sehr zeitaufwendig. Es entsteht eine klebrige, durchsichtige Eiweißlösung.
E: Globuläre, auch sehr große Proteine – wie sie im Hühnereiweiß enthalten sind – sind durch
ihre besonderen Strukturen wasserlöslich.
S: Dieser Versuch ist eine kleine Sauerei, aber es reicht, wenn die Lösung einmal für die
gesamte Klasse bereitet wird.
6.3.2 Ausfällung von Eiweiß durch Erhitzen und durch Alkohol
B: Die klare Lösung wird jeweils trüb/weißlich.
E: Proteine lassen sich durch Einflüsse wie Hitzeeinwirkung, organische Lösungsmittel, Säuren
oder Basen, Salze oder Schwermetalle »denaturieren«. Diese Denaturierung kann reversibel oder auch irreversibel sein. Im Prinzip werden die Sekundär- und die Tertiärstruktur
zerstört, was üblicherweise auch eine Zerstörung der Quartärstruktur mit sich führt. Die
Primärstruktur, also die Aminosäurenabfolge in der Polypeptidkette bleibt dagegen unverändert, es kommt also zu keiner Spaltung der Eiweiße.
Ethanol stört (als polares, kleines Molekül) interne H-Brücken, die für die Aufrechterhaltung der Strukturen der Peptide notwendig sind.
• Unter Primärstruktur eines Proteins versteht man die Aminosäurenabfolge (Sequenz).
• Mit Sekundärstruktur meint man räumlich häufig auftretende Strukturen wie α-Helix
(gut H2 O-löslich) oder β-Faltblatt (schlecht H2 O-löslich), die sich durch H-Brücken
zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrats ergeben.
• Mit Tertiär-Struktur beschreibt man die räumliche Anordnung der verschiedenen
Sekundärstruktur-Bestandteile. Vor allem die Reste der Aminosäuren tragen zur die
räumliche Anordnung bei (z. B. Di-Sulfid-Brücken).
• Unter Quartärstruktur versteht man den Zusammenschluss mehrerer (einzelner) Proteinbauteile zu einem (funktionsfähigen) Proteinkomplex.
S: Ein Versuch, den man ruhig durchführen lassen kann. Es stellt sich nur die Frage, in wie
weit Proteine (Strukturen etc.) im Unterricht behandelt werden können, um erklären zu
können, was auf molekularer Ebene passiert.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
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6.3.3 Nachweis von Schwefel und Stickstoff in Eiweiß
B: Zu Bleiacetat wird Natronlauge zugegeben. Zuerst entsteht weißer Niederschlag, der sich
bei Zugabe von mehr NaOH wieder löst. Nach dem Zugeben der Eiweißlösung und durch
Erhitzen verfärbt sich der RG-Inhalt von gelb über braun zu dunkelbraun (Niederschlag).
Das über das RG gehaltene, angefeuchtete pH-Papier färbt sich blau (→ basisch).
E: Durch NaOH wird das Hühnereiweiß zersetzt. Durch die Hühnereiweiß-Schwefel-Atome
(die als Sulfid-Ionen in der Lösung vorkommen) bildet sich Blei(II)sulfid (Bleiglanz, PbS),
das braun/schwarz gefärbt ist:
Pb(CH3 COO– )2 + S2– −−→ PbS ↓ + 2 CH3 COO–
Bei der Reaktion/Zersetzung der Eiweiße mit NaOH entsteht NH3 , das gasförmig aufsteigt
und in Wasser basisch reagiert (→ Färbung des pH-Papiers).
S: Ein durchaus brauchbarer Versuch, der in einem Protein-Workshop sicher seinen Platz
haben kann.
6.3.4 Aussalzen von Eiweißlösungen
B: Bei Zugabe von ausreichend Ammoniumsulfat ((NH4 )2 SO4 ) wird die Lösung trüb (weißlicher Niederschlag).
E: Durch die Erhöhung der Salzkonzentration geht die Wasserlöslichkeit verloren, da etwaige
Ladungsträger, die zu Wechselwirkungen mit Wassermolekülen fähig sind, gestört werden.
Wird das Salz wieder entfernt, so ist das Protein wieder wasserlöslich. Somit handelt es
sich beim Aussalzen um eine reversible Denaturierung.
S: Ein typischer Modellversuch, der sehr einfach ist, aber auch relativ unspektakulär.
6.3.5 Xanthoproteinreaktion
B: In der Eiweißlösung bildet sich mit konz. HNO3 ein weißer Niederschlag, der sich beim
Erhitzen gelb verfärbt. Milch ist schon ohne Erhitzen nach Zugabe von Salpetersäure gelb.
E: Einige der in Organismen/Körper vorkommenden Aminosäuren sind aromatisch:
H2 N
H
O
OH
H2 N
H
O
H
O
OH
NH
HO
Tyrosin
OH
H2 N
Phenylalanin
Tryptophan
Diese reagieren mit Salpetersäure (→ Nitrierung) zu aromatischen Nitroverbindungen, die
gelb sind, was am Beispiel Tyrosin gezeigt wird:
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H2 N
H
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O
H2 N
OH
+
HNO3
H
O
OH
+
O2 N
HO
H2 O
HO
Tyrosin
gelber Farbstoff
Somit wurde nachgewiesen, dass einige dieser aromatischen Aminosäuren im Eiklar bzw.
in der Milch vorhanden sind.
Durch diese Nitrierungsreaktion färbt sich die Haut auch gelb, wenn sie mit Salpetersäure
(HNO3 ) in Kontakt kommt, weil eben gewisse Eiweiße der Haut zu gelben, aromatischen
Nitroverbindugnen reagieren.
S: Diesen Versuch sollte man kennen bzw. gesehen haben, da er erklärt, wieso sich die Haut
gelb färbt, wenn sie mit Salpetersäure in Berührung kommt.
6.3.6 Ninhydrinreaktion
B: Unter Erwärmen (Föhn bzw. Heat-Gun) färben sich beide Filterpapiere nach dem Besprühen mit Ninhydrin leicht violett, wobei die Hautabdrücke deutlicher zu sehen sind als die
Eiweißlösung.
E: Mit Ninhydrin können Aminosäuren bzw. Aminogruppen nachgewiesen werden (vgl. 6.2.4
Farbreaktion von Aminosäuren mit Ninhydrin, S. 62). Die Hühnereiweißlösung enthält weniger (freie) Aminosäuren als die Haut, weswegen die Färbung schwächer ist.
S: Mit den Aminosäure-Lösungen war das Ergebnis deutlicher, weswegen der Versuch 6.2.4
meiner Meinung nach zu präferieren ist.
6.3.7 Biuretreaktion
B: Die Eiweißlösung wird violett.
E: Die in der Kupfersulfatlösung (CuSO4 ) gelösten Cu2+ -Ionen bilden mit Peptiden einen
blaue/violett gefärbten Komplex. Dieser Nachweis ist spezifisch für Peptide, da sich ein
Cu2+ -Ion zwischen zwei Peptidbindungen »einlagert«:
R
O
R
N
HN
O
II
Cu
O
NH
N
R
O
R
S: Ein anschaulicher Versuch, der gut funktioniert. Außerdem wird dadurch wieder die wichtige Peptidbindung wiederholt/geübt.
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6.3.8 Nachweis der kolloidosmotischen Wirkung einer Eiweißlösung
B: Die Salzsäure löst unter Bläschenbildung (CO2 -Entwicklung) die Hälfte der Kalkschale des
Eies auf. Es sind nach dem Schale-Auflösen einige Schlieren in der Flüssigkeit zu sehen.
In der Salzlösung wird der freie Teil des Eies kleiner, in destilliertem Wasser größer.
E: Die Kalk-Schale löst sich durch die Salzsäure auf:
CaCO3 + 2 HCl −−→ CO2 ↑ + CaCl2 + H2 O
Die dünne, freiliegende Haut des Eies wirkt als semipermeable Membran, die zwar Wasser,
aber keine Salz-Ionen durchlässt. Durch den osmotischen Druck will ein Konzentrationsunterschied zwischen Ei-Inhalt (Eiweißlösung) und äußere Lösung ausgeglichen werden,
indem entweder H2 O ins Ei hinein oder hinaus »fließt«.
S: Das Auflösen der Schale dauert etwas. Außerdem bräuchte man für ein schönes Ergebnis
ein halb geschältes Vergleichsei, damit die kolloidosmotische Wirkung deutlicher wird.
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6.4 Enzyme
6.4.1 Stärkespaltung durch Mundspeichel
B: Siehe nächster Versuch.
E: Siehe nächster Versuch.
6.4.2 Zerstörung der Enzymwirkung durch Schwermetalle und Hitze
B: Hier die Beobachtungen:
Inhalt
Beobachtung
L1:
L2:
Särke + Fehling
Stärke + Iod-Iodkali
leicht grünlich
blaue Farbe
L3:
L3(ii):
Stärke + Iod-Iodkali + Mundspeichel
L3 erhitzen + Fehling
blau → farblos
roter Niederschlag
L4:
L5:
Speichel kochen, + Stärke + Iod-Iodkali
Speichel + CuSO4 , + Stärke + Iod-Iodkali
blaue Farbe
blaue Farbe
E: In den einzelnen Reagenzgläsern kommt es zu unterschiedlichen Nachweisreaktionen:
• L1: Stärke zeigt mit der Fehling-Probe eine leichte Grün-Verfärbung, weil reduzierende Enden bei den Polysaccharidketten vorhanden sind.
• L2: Bei Zugabe von Iod-Iodkali-Lösung zur Stärke-Lösung (L2) kommt es zu einer
Blaufärbung (vgl. 5.2.1 Die Iod-Stärke-Reaktion, S. 53).
• L3: Das Enzym Ptyalin (die Amylase im Mundspeichel) kann Stärke (Amylopektin
bzw. Amylose) in die einzelnen Zuckermoleküle (α-D-Glucose) zerlegen, indem die
Bindungen (α-1,4 bzw. α-1,6) gespalten werden. Durch die freien Glucosemoleküle
liegen reduzierende Aldehydgruppen vor – die Fehling’sche Probe (vgl. 5.1.3 Überprüfung der Zusammensetzung verschiedener Kohlenhydrate, S. 47) liefert ein positives
Ergebnis (rotes Cu2 O ↓ ) –, allerdings keine helikale Struktur mehr wie in der Stärke.
Daher entfärbt sich die Probe mit Iod-Iodkali-Lösung.
• L4 & L5: Das stärkespaltende Enzym wird einmal durch Hitze (kochen) zerstört,
das andere Mal durch ein Schwermetall (Cu2+ -Ionen) an seiner Funktion gehindert,
wodurch die Stärke nach wie vor als Helix vorliegt und der Stärke-Nachweis mit IodIodkali-Lösung gelingt.
S: Ein umfassender Versuch mit umfassender Theorie. Ideal zum Wiederholen und Verknüpfen geeignet.
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6.4.3 Harnstoffspaltung durch Bodenbeakterien
B: Eine frische Erdprobe wird mit Harnstoff versetzt und angefeuchtet. Der Kolben wird dann
verschlossen (pH-Papier einklemmen). Der angefeuchtete pH-Streifen zeigt eine Blaufärbung (ph-Wert zwischen 7 und 8).
E: Der zur Bodenprobe zugefügte Harnstoff (NH2 −C(−O)−NH2 ) wird durch Bodenbakterien
hydrolytisch (Enzym: Urease) (u.a.) in Ammoniak (NH3 ) zerlegt:
NH2 −C(−O)−NH2 + H2 O −−→ 2 NH3 ↑ + CO2 ↑
Dieser Ammoniak reagiert in wässrigem Milieu basisch, was die Blaufärbung erklärt:
+
−−
*
NH3 + H2 O )
−
− NH4 + OH–
S: Der Versuch sollte im Vorfeld mit verschiedenen Erdproben durchgeführt werden, um ein
wirklich eindeutiges Ergebnis zu erhalten.
6.4.4 Verdauung von Fetten durch Pankreaslipase
X Nicht durchgeführt!
6.4.5 Nachweis der Katalase in Kartoffeln, Hitzeeinwirkung
B: Kartoffelstückchen wurden (z. T.) gekocht und dann mit Flüssigkeit übergossen.
Kartoffel
zugegeben
Beobachtung
roh
gekocht (15 min)
roh
+H2 O
+ H2 O2
+ H2 O2
keine Reaktion
keine Reaktion
Gasentwicklung
Die bei der rohen Kartoffel mit Wasserstoffperoxid entstanden Gase lassen einen glimmenden Holzspan kurz aufflammen (Glimmspanprobe positiv).
E: Die Glimmspanprobe deutet auf die Entstehung von Sauerstoff hin. Dieser Sauerstoff ist
bei der hydrolytischen Spaltung von Wasserstoffperoxid durch das Enzym Katalase (in der
Kartoffel enhalten) entstanden:
2 H2 O2 −−→ 2 H2 O + O2 ↑
Bei der gekochten Kartoffel ist die Enzymwirkung außer Kraft gesetzt, weswegen es zu
keiner Gasentwicklung kommt.
S: Ganz interessanter Versuch, der zeigt, wie Enzymwirkungen gestört werden können. Außerdem zeigt er, dass so chemisch/künstlich anmutende Stoffe wie H2 O2 auch in Lebewesen/Pflanzen durch Enzyme abgebaut werden können, was zeigt, dass H2 O2 auch in
Organismen bzw. im menschlichen Körper entsteht und abgebaut werden muss.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
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6.4.6 Temperaturabhängigkeit der Katalase
B: Die Kartoffel wurde fein gerieben und der Saft (je 1 ml) in eine Wasserstoffperoxid-Lösung
(je 9 ml) (passend temperiert) in einen Messzylinder gegeben. Es bilden sich durch Gasentwicklung jeweils Schaumkronen, die mit der Zeit höher werden. Nicht bei allen Temperaturen wächst die Schaumkrone gleich schnell:
Tabelleneinträge sind die Millimeter-Zunahmen (Schaumhöhe) in den Messzylindern:
Temperatur der Lösung
30”
1’
1’30”
2’
2°C (Eisbad)
21°C (Raumtemperatur)
30°C (Wasserbad)
3
5
5
4
10
6
8
15
8
10
20
11
E: Je nach Temperatur arbeiten Enzyme (wie in diesem Fall die Katalase aus einer Kartoffel)
verschieden schnell, was sich durch die Höhe der Schaumkrone zu den Messzeitpunkten
zeigt. Die Kartoffelkatalase funktionierte bei der Raumtemperatur am besten, weil dort
am meisten H2 O2 zu gasförmigen O2 (→ Schaumbildung) abgebaut wurde.
S: Ein Versuch, der sicher sinnvoller in einem fächerübergreifendem Zusammenhang mit der
Biologie ist. Aus meiner Sicht ist der vorige Versuch interessanter.
6.4.7 Enzymatische Bräunung von Kartoffelextrakt
B: Folgende Lösungen wurden in RGs gegeben und beobachtet:
Nr
Brenzcatechin
Kartoffel-Extr.
(ml)
Farbe
(Beginn)
Farbe
(Ende)
1
2
–
2 ml
2 (roh)
0,2 (roh)
leicht beige
hellbraun
bräunlich
orange/braun
3
4
2 ml
1,8 ml
0,2 (gekocht)
0,2 (roh)
(fast) farblos
(fast) farblos
(fast) farblos
(fast) farblos
Sonstiges
0,2 ml Sulfit-Lös.
Bei Zugabe von 1 ml Natriumsulfit-Lösung (Na2 CO3 ) zu RG 1 und RG 2 verschwindet die
braune Farbe wieder.
E: In der Kartoffel ist das Enzym Polyphenoloxidase (PPO) enthalten, das Phenole wie z. B.
Brenzcatechin (1,2-Dihydroxybenzol) in 1,2-Benzochinon umwandelt bzw. allgemein zu
Stoffen oxidiert, die dann das typische (enzymkatalysierte) Braunwerden von Obst bzw.
Gemüse ausmachen:
OH
O
OH
Kat: PPO
Brenzcatechin
O
1,2-Benzochinon
• In RG 1 entsteht die Farbe nur sehr langsam, weil wenig Substrat (d. h. Phenole) vorhanden sind. Die geringe Konzentration bewirkt, dass das Enzym mit dem Substrat
weniger wahrscheinlich in Kontakt tritt.
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6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
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• In RG 2 entsteht die braune Farbe schneller, da durch die Brenzcatechin-Lösung mehr
Substrat zugegeben wird, was die Bräunung beschleunigt.
• In RG 3 wurde die Enzymwirkung der PPO durch Kochen zerstört, weswegen keine
Braunfärbung entsteht.
• In RG 4 wird die Enzymwirkung der PPO durch Sulfit zerstört.
Bei Zugabe von Natriumsulfit zu RG 1 und RG 2 wird die Braunfärbung zerstört, da die
gebildeten Pigmente sogar gebleicht werden.
S: An sich ein interessanter Versuch, der aber weniger deutlich funktioniert hat als erwartet
(die Färbungen waren nicht so kräftig wie erhofft.)
6.4.8 Der Trick mit dem Gummibärchen
B: In Wasser zersetzt sich das Gummibärchen nicht, es wird nur größer. Mit der verdünnten
Papain-Lösung wird das Gummibärchen zwar ein wenig angegriffen, es zersetzt sich aber
nicht wirklich gut. Das Gefäß mit dem konzentrierten Papain ist schon nach wenigen
Minuten deutlich trüber als die anderen. Die Oberfläche des Gummibärchens ist deutlich
angegriffen, auch wenn es sich nicht vollkommen zersetzt.
E: Gummibärchen bestehen aus Gelatine, in geschmacksneutrales, tierisches Eiweiß bzw. denaturiertes/hydrolysiertes Kollagen (meist aus Schwein oder Rind).
Papain hat eine breite, eiweißspaltende Wirkung (es macht z. B. Fleisch weich), weswegen
die Gelatine zersetzt wird. Gewonnen wird es aus der Schale der noch grünen Papaya.
S: Ein einfacher Versuch, um die Wirkung von Enzymen zu demonstrieren. Das Papain muss
allerdings in der Schule vorhanden sein.
6.4.9 Versuche mit pflanzlichen Proteinasen – Nachweis der Enzymwirkung
B: In Reagenzgläser werden jeweils Substanzen (ca. 1 cm) vorgelegt (siehe unten). Dann wird
mit Gelatine (quellen lassen, erwärmen → klare Flüssigkeit) auf ca. 4 cm aufgefüllt. Gelatine erstarrt zum Teil nach einiger Zeit, zum Teil auch nicht:
Gelatine-Konsistenz
mit Substanzen erreicht
fest
Apfel, Banane, Grapefruit,
Kartoffel, Orange, H2 O
flüssig
Fleischmürbsalz, Kiwi
E: Gelatine ist ein Eiweiß mit tierischer Herkunft (z. B. aus dem Bindegewebe von Schweinen).
Durch die Proteinasen werden diese Polypeptide in kleiner Bestandteile (z. B. Aminosäuren) zerlegt, wodurch die (vormals) viskose Gelatinelösung nicht ausgelieren kann oder
erstarrte Gelatine wieder flüssig wird.
Von den untersuchten Substanzen enthielten nur Kiwi und Fleischmürbsalz passende Proteinasen.
S: Ein beträchtlicher Zeitaufwand für einen wenig spektakulären Versuch. Muss man im Regelunterricht nicht machen (lassen).
70 / 87
6 Aminosäuren, Proteine, Enzyme
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6.4.10 Nachweis der Proteasen in Vollwaschmitteln
D: Es ist darauf zu achten, die Gelatine nicht zu hoch zu erwärmen, da diese sonst immer
flüssig bleibt.
B: Die Gelatine mit dem enzymhältigen Waschmittel bleibt flüssig, die Gelatine mit dem
enzymfreien Waschmittel dagegen wird fest.
E: Enzymhältige Waschmittel enthalten Proteasen (Enzyme, die Proteine abbauen können),
um z. B. Blutflecken entfernen zu können.
S: Wieder ist ausreichend Zeit nötig, bis der RG-Inhalt fest wird. Der Versuch könnte am
Beginn einer Stunde gestartet und am Ende der Stunde ausgewertet werden.
71 / 87
7 Polymerisation, Kunststoffe
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7 Polymerisation, Kunststoffe
7.1 Darstellung des Polyamids Nylon-6,10 (»Nylonseiltrick«)
B: Wässrige Hexamethylendiamin-Lösung wird mit Sebacinsäuredichlorid-Lösung (in Tetrachlormethan) überschichtet. An der Grenzfläche bildet sich ein folienartige Substanz, die
man mit einer Pinzette herausziehen kann, ohne dass der Faden bricht, da an der Grenzfläche ausreichend schnell wieder neue »Folie« gebildet wird. Dadurch lässt sich ein farbloser,
innen hohler Faden aufwickeln, der dann in Ethanol gewaschen wird. Nach dem Trocknen
sind die Fäden weißlich bzw. farblos und spröde.
E: Nylon-6,10 ist ein Polymer, ein sogenanntes Polyamid, nämlich Polysebacinsäurehexamethylendiamid, das im Prinzip aus dem Diamin Hexamethylendiamin H2 N−(CH2 )6 −NH2
und der Dicarbonsäure Sebacinsäure HO2 C−(CH2 )8 −CO2 H bzw. dessen Dichlorid Sebacinsäuredichlorid Cl−(O−)C−(CH2 )8 −C(−O)−Cl besteht, die durch eine Amid-Bindung
(hervorgehoben) verknüpft sind:
−HN−(CH2 )6 −NH−C(−O)−(CH2 )8 −C(−O)−
S: Ein Versuch, der ideal für ein Wahlpflichtfach passt, da einige Zeit nötig ist, bis man
schöne Fäden zustande bringt. Das Ziehen der Fäden ist dann wirklich sehenswert, auch
die Theorie ist sehr interessant. Nachteilig sind die Chemikalienmengen, insbesondere das
chlorierte Lösungsmittel muss ordnungsgemäß entsorgt werden.
7.2 Darstellung eines elastischen Polyurethanschaumes
X Nicht durchgeführt!
7.3 Darstellung eines Polyesters
B: Die zuerst dünnflüssige Masse aus Phthalsäureanhydrid und Glycerin ist nach etwa 20 min
Erhitzen über kleiner Flamme dickflüssig. Der RG-Inhalt ist nach dem Abkühlen völlig
fest geworden und von gelblich-hellbrauner Farbe (durchsichtig).
E: Aus Phthalsäure-Anhydrid entsteht mit Glycerin durch Polykondensation ein Polymer:
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HO
+
O
O
HO
HO
O
O
O
OH
O
O
O
O
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7 Polymerisation, Kunststoffe
Martin Glatz, 0712957
Je länger der Kondensationsprozess fortgeführt wird, desto vollständiger werden die Bestandteile vernetzt (→ Kunststoff wird spröder; mehr OH-Gruppen des Glycerins werden
verestert). Die Glycerin-Kohlenstoffketten sind zur Verdeutlichung in der Grafik auf der
vorigen Seite hervorgehoben; das obere Glycerin ist vollständig verestert, beim unteren ist
noch eine OH-Gruppe frei.
S: Recht zeitaufwendig mit einem nicht besonders spektakulärem Ergebnis. Allerdings ist die
Theorie dahinter sehr interessant, da ein Zusammenhang vom Veresterungsgrad mit der
Härte gut dargestellt werden kann.
7.4 Schmelzen eines Schneemanns
B: Der »Schneemann« aus Styropor löst sich in Ethylacetat (Essigester bzw. Essigsäureethylester). Es bleibt ein klebriger, klebstoff-ähnlicher Rückstand übrig.
E: Styropor besteht aus mit Luft (bis zu 98%) aufgeschäumtem Polystyrol, einem Polymer.
Sowohl Ethylacetat (flüssig, CH3 −C(−O)−O−CH2 −CH3 ) als auch Polystyrol sind recht
unpolare Stoffe, weswegen sich der Styropor-Schneemann im Ethylacetat nur physikalisch
löst, d. h. es werden keine Bindungen gebrochen. Das Treibmittel (Luft) entweicht während
des Lösungsvorgangs. Die Polystyrol-Ethylacetat-Lösung ist danach etwas dickflüssig.
Ein Ausschnitt einer Polystyrol-Kette (in eckiger Klamme eine Monomer-Einheit):
S: Schnell durchzuführen – und auch OberstufenschülerInnen haben Spaß daran. Ideal für eine
Weihnachtsstunde (Diesen Versuch habe ich im Rahmen meines zweiten Schulpraktikums
mit meinen vier Oberstufen-Klassen durchgeführt.)
7.5 Herstellung von »SLIME« durch Vernetzung von
Polyvinylalkohol mit Borax
M: Polyvinylalkohol (Hydrolysationsgrad: 99-100%, Molekülmasse über 100 000). Guarkemehl
wurde nicht verwendet.
B: Das Lösen des Polyvinylalkohols dauert sehr lang. Auch nach einer Stunde sind noch kleine Klümpchen enthalten. Je 20 ml Polymerlösung (Polyvinylalkohol) werden mit etwas
Lebensmittelfarbe gefärbt und mit je 2 ml Boraxlösung versetzt. Nach Umrühren (bis zu
einige Minuten) wird die Masse immer klebriger und zäher, bis ein halbwegs festes, gleichförmiges Gel entsteht, das sich feucht und klitschig anfühlt. Das Gel ist so flüssig, dass
es seine Form nicht behält, sondern »auseinanderrinnt«. Der SLIME hinterlässt z. B. auf
einem Blatt Papier einen feuchten Fleck.
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7 Polymerisation, Kunststoffe
Martin Glatz, 0712957
E: Etwas Hintergrundwissen zu den verwendeten Chemikalien: Polyvinylalkohol wird üblicherweise aus Polyvinylacetat hergestellt, indem die Veresterung durch Hydrolyse aufgebrochen wird und somit OH-Gruppen am Polymer entstehen. (Je höher der Hydrolysationsgrad, desto mehr Ester-Bindungen wurden aufgebrochen):
O
H3 C
O
O
Hydrolyse
+
H2 O −−−−−−→
+
HO
CH3 −C(−O)−OH
OH
OH C
3
Nun zu den Vorgängen beim eigentlichen Versuch: Beim Lösen von Borax in Wasser entsteht Borsäure und Natronlauge:
Na3 BO3 + 3 H2 O −−→ H3 BO3 + 3 NaOH
In der wässrigen Lösung liegt die Borsäure in der Form H4 BO–4 (Tetrahydroxy-Borat-Anion,
bzw. B(OH)–4 ) vor, da sie als Lewis-Säure als Elektronenpaar-Akzeptor fungiert:
H3 BO3 + 2 H2 O −−→ H4 BO–4 + H3 O+
Dieses Molekül verknüpft in einer Kondensationsreaktion Polyvinylalkoholpolymere, indem bei den vier zu verknüpfenden OH-Gruppen je eine Wassermolekül abgespalten wird,
wodurch je eine Sauerstoffbrücke entsteht:
OH
OH
OH
HO
HO
B
OH
OH
HO
OH
HO
OH
O
O
HO
B
O
HO
OH
HO
O
HO
Durch die fortschreitende Vernetzung der Polyvinylpolymerketten wird die Substanz immer fester. Die Vernetzung ist abgeschlossen, sobald alle Tetrahydroxyborat-Anionen eingebaut sind. Somit wird der SLIME umso fester, je mehr Borax verwendet wird bzw. je
konzentrierter die Borax-Lösung ist, da dadurch mehr Polyvinylpolymer-Verknüpfungen
zustande kommen.
Auch die Molekülgröße des Polyvinylalkohols spielt bei der Konsistenz des Gels eine Rolle:
Je höher die Molekülgröße (je länger die Polyvinyl-Ketten), umso fester wird der daraus
entstehende SLIME.
Wenn das übrig gebliebene Wasser verdunstet, wird der SLIME irreversibel hart und spröde. Das Wasser kann auch durch wasserbindende Stoffe (z. B. Papier) relativ leicht entzogen
werden, was den feuchten Fleck erklärt, dort wo der SLIME hingelegt wird.
S: Das Ergebnis ist durchaus schön und unterhaltsam, auch durch die Farben des SLIMEs.
Allerdings muss zum Lösen relativ Zeit eingerechnet werden. Evtl. kann dieser Arbeitsschritt im Vorfeld bei der Unterrichtsvorbereitung (wenn Freistunde) durchgeführt werden. Evtl. auch beim Tag der offenen Tür einsetzbar, damit die S&S ein Andenken zum
Mitnachhause-Nehmen haben.
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7 Polymerisation, Kunststoffe
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7.6 Kunststofferkennung mit einfachen Mitteln
Eine Verpackung eines Hüttenkäses ist auf die Art des Kunststoffes zu untersuchen. Der Kunststoff ist weiß und undurchsichtig. Nach Durcharbeiten des Kunststofferkennungsschemas stellt
es sich heraus, dass es sich bei der Verpackung um PS (Polystyrol) gehandelt hat.
(Vereinfachtes) Kunststofferkennungsschema:
PE
PP
PET(P)
PS
EPS
PVC
nein
ja
nein
schwimmt
ja
nein
löslich in CCl4
löslich in Essigester
–
–
–
–
klebrig
klebrig
–
–
Beilstein
–
–
–
grüne Flamme
Brandverhalten
brennt
brennt, rußt
brennt, rußt
brennt kurz (W),
erlischt (H)
Geruch nach Löschen
Glühröhrchen (pH-Wert)
neutral
fruchtartig/süßlich
neutral
stechend
stark sauer
Kratzspuren
ja
nein
7.6.1 Verhalten im Wasser
D: Ein kleines Stück der Verpackung wird unter Wasser getaucht (damit die Oberflächenspannung des Wassers das kleine Stückchen nicht schwimmen lässt).
B: Der Kunststoff steigt nicht auf, sondern sinkt zu Boden.
E: Die Dichte des Kunststoffes ist größer als die von Wasser. Kunststoffe, die leichter als
Wasser sind, schwimmen ebenso wie Kunststoffe, die durch Treibmittel eine porige Struktur
und somit geringere Dichte als der Reinkunststoff haben.
S: Schnell durchzuführen. Sicher sinnvoll im Vergleich mehrerer Kunststoffproben.
7.6.2 Verhalten gegenüber Lösungsmittel
B: Ein kleines Stück des Kunststoffs wird zuerst klebrig (sowohl in Tetracholrmethan, als
auch in Essigester). Nach längerem Liegenlassen im Lösungsmittel löst sich der Kunststoff
zusehends.
E: Die Löslichkeit eines Kunststoffes hängt von dessen Zusammensetzung/Struktur ab. Durch
die Beobachtung ist somit ein Rückschluss auf die Kunststoffart möglich.
Aufgrund der Löslichkeit muss es sich entweder um Polystyrol (PS) oder Styrol-ButadienCopolymerisat (Schlagfestes Polystryol bzw. SB) handeln, da die anderen üblicherweise
verwendeten Kunststoffe nicht durch diese Lösungsmittel angegriffen werden.
S: Die Lösungsmittel müssen auch fachmännisch entsorgt werden, was bei der Unterrichtsgestaltung zu bedenken ist. Ansonsten sehr anschaulich.
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7 Polymerisation, Kunststoffe
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7.6.3 Beilsteinprobe
B: Der Kunststoff schmilzt/verbrennt auf dem Kupferkabel, allerdings ohne grüne Flamme.
E: Bei grüner Flamme mit dem Kupferkabel ist Chlor enthalten (PCV oder PTFE), wobei
auch halogenhältige Flammschutzmittel ähnliche Flammenfärbungen bewirken können.
Der zu untersuchende Kunststoff enthält somit kein Chlor, da die Beilsteinprobe auch bei
geringeren Chlor-Konzentrationen deutliche Ergebnisse liefert.
S: Durchaus für S&S machbar, durchaus flott zu machen. Evtl. auch als schneller Demonstrationsversuch durchzuführen.
7.6.4 Erhitzen bzw. Brennprobe
B: Der Kunststoff brennt mit stark rußender Flamme. Der entzündende Kunststoff brennt
auch weiter, wenn man ihn aus der Flamme hält. Es riecht nach dem typischen Geruch
von verbranntem Plastik/Styropor. Die Dämpfe, die aus dem mit dem Kunststoff befüllten
Glühröhrchen kommen, reagieren am befeuchteten pH-Papier neutral.
E: Die rußende Flamme deutet auf aromatische Systeme hin. Eine nichtrußende Flamme
würde darauf hindeuten, dass es sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe handeln würde.
Das Weiterbrennen außerhalb der Flamme deutet darauf hin, dass kein Flammschutzmittel
enthalten ist. Nur kurzes Weiterbrennen unter Koksbildung würde auf einen großen ChlorGehalt hinweisen.
Der Geruch der Schwaden kann meiner Einschätzung nach nicht als »fruchtartig, süßlich«
bezeichnet werden, obwohl es sich beim Kunststoff um PS handelte.
Der pH-Wert häng von der Struktur der Stoffe ab: PVC, CAB, CA und PC reagieren
sauer, PA alkalisch, der Rest neutral.
S: Die Brennprobe und pH-Wert-Messung ist sinnvoll als das Dämpfe-Schnüffeln. Ein Abzug
in der Schule wäre vorteilhaft für diesen Versuch.
7.6.5 Oberflächenhärte – Bruchprobe
B: Der Kunststoff ist so dünn, dass man die Kratzspuren eines Fingernagels als Einkerbungen
sieht. Um den Kunststoff zu brechen, ist häufiges Knicken notwendig.
E: Die Fingernagel-Kratzprobe dient zur Unterscheidung von PE bzw. CA mit PP: Bei PE
und CA sind Kratzspuren sichtbar, während bei PP keine Kratzer bzw. Eindruckstellen
sichtbar sein sollen.
Weißbruch: Der Kunststoff bricht nach wenigem Knicken. Die Bruchkanten sind weiß.
Sprödbruch: Der Kunststoff bricht erst nach oftmaligem Knicken.
Die Bruchprobe dient zur Unterscheidung von PS mit SB bzw. SAN und ABS. Erstere
weißen jeweils Sprödbruch auf, während Zweitere jeweils Weißbruch zeigen.
S: Die Begriffe »Weißbruch« und »Sprödbruch« müssen erklärt werden, da sie meiner Meinung nach nicht wirklich auf der Hand liegen. Insbesondere ist dieser Versuch sinnvoll im
direkten Vergleich der Kunststoffe.
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Polyvinylchlorid
(Polychlorethen)
PS
PVC
PA
−CH2 −CH−(Cl)−
Polystyrol (Styropor)
PET
Polysebacinsäurehexamethylendiamid
(Nylon-6,10)
−CH2 −CH(−Ph)−
Polyethylenglykolterephthalat
O
Polypropen
PP
O
O
O
−HN−(CH2 )6 −NH−C(−O)−(CH2 )8 −C(−O)−
O
−CH2 −CH(−CH3 )−
Polyethylen
−CH2 −CH2 −
Formel
PE
Name
Formteile, Folien,
Rohre, Schläuche
Synthesefasern, Folien,
Flaschen
leichte Formteile und
Verpackungen,
Wärmedämmplatten
CH2 −CH−CH3
Propen (Propylen)
HO−CH2 −CH2 −OH
Ethylenglykol (1,2-Ethandiol);
H3 CO2 C−Ph−CO2 CH3
Dimethylterephthalat
Ph−CH−CH2 Styren
H2 N−(CH2 )6 −NH2
Hexamethylendiamin;
HO2 C−(CH2 )8 −CO2 H
Sebacinsäure
Synthesefasern,
Schläuche, Formteile
Behälter, Folien, Rohre,
Beschichtungen,
Schläuche, Bodenbeläge
Formteile, Folien,
Rohre, Schläuche
H2 C−CH2 Ethen (Ethylen)
CH2 −CH−Cl
Vinylchlorid (Chlorethen)
Einsatzgebiete
Monomere
7 Polymerisation, Kunststoffe
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7.7 Liste der gebräuchlichsten Kunststoffe
8 Farbstoffe, Chromatographie
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8 Farbstoffe, Chromatographie
8.1 Synthese von Farbstoffen
8.1.1 Herstellung von Phenolphthalein
B: Das Gemenge schmilzt sehr schnell zu einer zuerst hellroten, dann dunkelroten Flüssigkeit. Mit Methanol wird der RG-Inhalt orange/braun, nach Zugabe von H2 O milchig. Bei
Zugabe von NaOH ensteht eine pinke Farbe, die mit Schwefelsäure wieder verschwindet.
E: Ein Äquivalent Phthalsäureanhydrid reagiert mit zwei Äquivalenten Phenol zur farblosen
Lactonform des Phenolphthaleins:
OH
OH
O
O
+
+
2
O
H2 O
OH
O
O
Bei Zusatz von Basen (z. B. NaOH) werden die Lactonringe gesprengt und es bildet sich
ein Natriumsalz, nämlich die rote chinoide Form des Phenolphthaleins (links). Erst bei
noch stärkerer Baseneinwirkung geht diese rote Farbe verloren, weil eine farblose Carbinolverbindung entsteht (rechts):
2-
OH
O
3-
-
HO
2 Na+
O
O
-
3 Na+
O
O
O
-
O
rot
farblos
S: Durchaus angenehm durchzuführen, auch wenn die Chemie (Formeln!) relativ abschreckend auf die S&S wirken könnten. Eher nichts für den Regelunterricht, sondern nur für
vertiefende Einheiten.
8.1.2 Herstellung von Fluoreszein
B: Die Schmelze ist dunkelrot. Danach wird NaOH zugegeben. Wird der RG-Inhalt in den
großen Wasserbecher (mit NH3 ) gegossen, so entsteht ein gelb-grünes Leuchten.
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8 Farbstoffe, Chromatographie
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E: Phthalsäureanhydrid und zwei Resorzin reagieren zu Fluoreszein:
O
O
O
O
O
HO
OH
HO
HO
OH
O
+
2 H2 O
OH
Wird dieses Fluoreszein in einer NaOH-Lösung gelöst, so entsteht ein Natrium-Salz mit
einer kräftigen, gelbgrünen Fluoreszenz:
O
O
O
HO
+
O
- Na+
O
+
2 NaOH
OH
O
O
O
-
2 H2 O
+
Na
Das Fluoreszein absorbiert blaues und violettes Licht, weswegen es gegen das Licht betrachtet gelb (also die Komplementärfarbe) aussieht. Es strahlt etwas langwelligeres grünes
Licht aus.
S: Ein eindrucksvoller Versuch, der insbesondere für Weihnachtsexperimente oder andere besondere Shows geeignet ist.
8.1.3 Indigosynthese nach Baeyer
B: Die Lösung ist zuerst gelblich, mit H2 O milchig trüb. Nach Zugabe von NaOH wird der
RG-Inhalt grünlich – es enstand ein blauer Niederschlag. Beim Abfiltrieren des Feststoffs
(häufiges Nachwaschen mit EtOH nötig) wird das Filterpapier gelb, der Feststoff im Filter
(Indigoblau) ist nach dem Trocknen ein blaues Pulver.
E: Hier der Ablauf der durchgeführten Indigosynthese: 2-Nitro-Benzaldehyd und Aceton sind
die Ausgangsstoffe, aus denen in mehreren Schritten Indigoblau entsteht:
O
O
H
O
O
O
- H2O
+
NO2
O
NO2
N
O
O
O
N
O
O
O
- H2O
N
O
H
Indolon
2
3
O
+OH
1
4
OH
H
N
N
H
- H2O
O
Indigoblau
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O
N
H
O
+ H2O
+ Indolon
O
8 Farbstoffe, Chromatographie
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S: Das Filtrieren ist recht zeitaufwendig, was ein wenig lästig ist. Will man insbesondere den
nächsten Versuch auch noch durchführen, so ist eine Doppelstunde nötig. Meiner Meinung
nach vor allem für das Wahlpflichtfach geeignet.
8.1.4 Herstellung der Indigoküpe
B: Trotz Befolgung der Arbeitsvorschrift und mehrfachen Durchführens bleibt die Suspension
nach Zugabe von (reichlich!) Natriumdithionit auch nach längerer Zeit noch blau. Der
Farbumschlag nach Gelb erfolgte nicht!
E: Offensichtlich war das Natriumdithionit H2 S2 O4 nicht mehr funktionsfähig, da zu alt,
wodurch die Reaktion nicht wie geplant ablief.
Normalerweise hätte sich der Farbstoff unter Gelbfärbung/Farbloswerdung lösen müssen
(→ Indigoküpe bzw. Bildung von Indigoweiß-Natrium). Durch diese Wasserlöslichkeit hätte
man ein Baumwollstück färben können, das dann an der Luft durch den Sauerstoff wieder
zum blauen Farbstoff oxidiert werden würde:
O
H
OH
N
N
Reduktion
N
H
(Verküpung)
O
N
H
- 2 H2O
N
H
Na+O -
H
N
O
HO
Indigoweiß
Indigoblau
O
H
+ 2 NaOH
H
N
+ O2
(Luftsauerstoff)
N
H
O Na+
Indigoweiß-Natrium (wasserlöslich)
Indigoblau
S: Falls der Versuch funktionieren würde, wäre er durchaus herzeigenswert, da die S&S so
sehen würden, wie Textilien gefärbt werden können und welche Überlegungen dafür notwendig sein können.
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8 Farbstoffe, Chromatographie
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8.2 Tomatensaftregenbogen
D: Filtrieren des Tomatensaftes ist nicht notwendig.
B: Bei Zugabe einer beträchtlichen Menge gesättigten Bromwassers (entlang eines Glasstabs
in den Messzylinder, damit der Tomatensaft überschichtet wird) und nach vorsichtigem
Umrühren verfärbt sich der Tomatensaft im Messzylinder:
Ganz oben: kräftig gelb; dann grünlich mit leichtem Blaustich. Unten dagegen bleibt die
rot/orange Farbe des Tomatensaftes erhalten.
E: Die rote Farbe im Tomatensaft ist auf das Carotinoid Lycopin zurückzuführen:
Brom wird an die Doppelbindungen des Caratinoids addiert, wodurch es zu einem blau
gefärbten Charge-Transfer-Komplex an der Grenze zwischen Bromwasser und Tomatensaft
kommt.
Für die gelbe Farbe oben ist das (überschüssige) Bromwasser verantwortlich. Die grüne Farbe in der Mitte entsteht durch Mischung der blauen Farbe des Chrarge-Transfer-Komplexes
mit dem gelben, überschüssigen Brom.
S: Versuche mit Brom sind meiner Meinung nach weitgehend aus der Schule wegzulassen.
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8 Farbstoffe, Chromatographie
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8.3 Chromatographie
8.3.1 Untersuchung von Filzstiftfarben
M: DC-Alufolie, wasserunlösliche Stifte (»Permanentmarker«)
B: Wasserlösliche Filzstifte werden nicht aufgetrennt sondern verbleiben als Punkt. (Wasserunlösliche) Permanentmarker dagegen wandern, wobei sich die einzelnen Farbkomponenten auftrennen.
E: Bei der Dünnschicht-Chromatographie mit Alufolien (Aluminiumoxid, polar) handelt es
sich um eine sogenannte Adsorptionschromatographie, die insbesondere auch zur Trennung
lipohphiler/hydrophober Substanzen geeignet ist: Stationäre Phase ist die Alufolie, mobile
Phase das (unpolare) Lösungsmittel (hier: Toluol : Aceton = 3 : 1). Die Trennung erfolgt auf
Grund der Polarität der Stoffe: Je polarer ein Stoff ist, desto besser wechselwirkt er mit der
Phase bzw. desto besser adsorbiert er und wird demnach zurückgehalten. Unpolare Stoffe
dagegen wandern mit dem Laufmittel nach oben und werden entsprechend ihrer Polarität
aufgetrennt.
Bei unserem Versuch wandern die unpolaren Stoffe in den Permantenmarkerfarben mit
dem Laufmittel nach oben, werden aufgetrennt, während wasserlösliche Stoffe (normale
Filzstifte) zurückgehalten werden und nicht wandern.
S: Auch für die Unterstufe gut geeignet. Sollten alle S&S zumindest einmal in ihrer Schullaufbahn gesehen und gemacht haben.
8.3.2 Untersuchung von Kugelschreiberfarbstoff
X Nicht durchgeführt!
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8 Farbstoffe, Chromatographie
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8.3.3 Radialchromatographie
M: normale (wasserlösliche) Filzstifte/Tuschestifte, Filterpapier
B: Die Farbtupfen am Filterpapier werden in ihre »Einzelfarben« zerlegt. Der Permanentmarker-Fleck verändert sich nicht (linkes Bild, 12 Uhr).
E: Grundsätzliches zur Papierchromatographie:
Im Gegensatz zur Chromatographie mit Alufolien oder Kieselgel handelt es sich bei der Papierchromatographie nicht um eine (reine) Adsorptionschromatographie, sondern in erster
Linie um eine Verteilungschromatographie (wie bei Cellulose als Träger üblich).
Das Laufmittel besteht dabei grundsätzlich aus einer polaren (meist H2 O) und unpolaren
(organischen) Flüssigkeit, die sich nicht mischen. Die polare Phase wird am Träger angereichert (→ Flüssigkeit in den Papier-Kapillaren bzw. grob gesagt »Hydrathülle« um die
Cellulose und ihren Zwischenräumen) und bildet dadurch die stationäre Phase, während
die mobile Phase, die darauf wandert, lipophiler wird. Dadurch ist eine Auftrennung stark
polarer Verbindungen möglich.
Die zu trennenden Substanzen lösen sich nun unterschiedlich gut in den beiden Phasen,
wodurch sie entweder statistisch öfter in der stationären oder der mobilen Phase verbleiben.
Das Resultat ist, dass der Stoff dann langsamer wandert oder schneller mitgerissen wird.
Falls das Lösungsmittel nur Wasser ist, wirken (auch) Adsorptionskräfte zwischen Probe
und den Phasen (vgl. 8.3.1 Untersuchung von Filzstiftfarben, S. 82), wodurch sich die
hydrophilen Filzstift-Farben gut auftrennen lassen, was beim Versuch zu sehen war.
S: Siehe 8.3.1 Untersuchung von Filzstiftfarben, S. 82 oben.
8.3.4 Dünnschichtchromatographie von Blütenfarbstoffen
X Nicht durchgeführt!
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8 Farbstoffe, Chromatographie
Martin Glatz, 0712957
8.3.5 Trennung verschiedener Carotinoidkomponenten aus rotem Paprikapulver
B: Im großen Chromatographiegefäß mit der großen Kieselgelfolie sieht man die Auftrennung
des Prapikapulvers in die einzelnen Farbstoffbestandteile deutlich besser als bei den kleinen
Folien. Auffällig ist, dass die Banden der Farbstoffe großteils in der Mitte »durchhängen«.
E: Die verschiedenen, etwas unterschiedlich gefärbten Carotinoide werden in einzelne Bahnen
aufgetrennt. Die oberste Front (goldgelbe Zone) entspricht dem β-Carotin:
S: Ganz interessant, vor allem im großen Maßstab, wobei ausreichend Laufmittel und passend
Kammern verfügbar sein müssen.
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9 Naturstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe, Chemilumineszenz
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9 Naturstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe,
Chemilumineszenz
9.1 Isolierung von Coffein aus Tee
X Nicht durchgeführt!
9.2 Aspirin
9.2.1 Isolierung der Reinsubstanz aus Tabletten
X Nicht durchgeführt!
9.2.2 Synthese von Aspirin
X Nicht durchgeführt!
9.2.3 Quantitative Analyse einer Tablette Aspirin
X Nicht durchgeführt!
9.3 Chemilumineszenz
9.3.1 Chemilumineszenz von Luminol
B: Die Lösung II ist gelb gefärbt (das Salz K3 [Fe(CN)6 ] war dagegen ein rotes Pulver, rotes
Blutlaugensalz). Sobald die beiden Lösungen I und II + III in den Trichter gegossen werden,
beginnt die Flüssigkeit (kräftig) hellblau zu leuchten.
E: Luminol (3-Aminophthalsäurehydrazin) wird durch eine chemische Reaktion (genauer:
durch einen Oxidationsprozess) in eine Substanz mit angeregtem Zustand überführt, nämlich 3-Aminophthalat-Dianion. Dieses geht dann unter Lichtemission (→ Lumineszenz)
wieder in den Grundzustand zurück.
N
N
NH2
O
O Na+
O Na+
O
H
H
H2 O2
O
NaOH
NH2
N
ON
O Na+
- N2
O
O
NH2
+ Licht
O Na+
S: Das Zusammenmischen ist schnell geschehen, die Leuchtwirkung im abgedunkelten Raum
sehr spektakulär. Dieser Versuch lieferte meiner Meinung nach die schönsten Ergebnisse
der Chemilumineszenz-Versuche.
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9 Naturstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe, Chemilumineszenz
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9.3.2 Chemilumineszenz von Lucigenin
B: Sobald Lösung I zu Lösung II zugegeben wird, beginnt die Flüssigkeit gelbgrün zu leuchten,
wobei die Intensität deutlich schwächer ist als beim Luminol-Versuch.
E: Lucigenin (N,N’-Dimethyl-9,9’-biacridiniumdinitrat) wird durch eine chemische Reaktion
(genauer: durch einen Oxidationsprozess) in einen Substanz mit angeregtem Zustand (nämlich N-Methylacridon) überführt. Dieses N-Methylacridon geht dann unter Lichtemission
(→ Lumineszenz) wieder in den Grundzustand zurück:
+
N
N
N
+ 2 OH
+ H2 O2
HO
O
O
OH
- H2 O
N+
N
N
Lucigenin
*
N
O
- Licht
O
2
O
N
N-Methylacridon
*
N
S: Wieder ein schnell durchführbarer Versuch, wobei das Ergebnis nicht so beeindruckend ist
wie beim vorigen Versuch.
9.3.3 Chemilumineszenz von Tetrakis(dimethylamino)ethen
D: Auf die vorbereitenden Schritte wurde verzichtet. Nach kurzem Schütteln wird die Vorratsflasche geöffnet.
B: Wenn man in die Flasche blickt, sieht man ein schwaches, gelblich-grünlich Licht.
E: TKDE (Tretrakisdimethylaminoethen, oder auch TDAE) reagiert mit O2 , dabei entsteht
ein Zwischenprodukt, welches in zwei Tetramethylharnstoff disproportioniert, wobei sich
eines der beiden Moleküle im angeregten Zustand befindet. Dieser angeregte Zustand wird
nun auf ein TKDE übertragen. Durch Lichtemission (grünliches Licht) kehrt dieses TKDE*
wieder in den Grundzustand zurück:
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9 Naturstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe, Chemilumineszenz
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*
N
N
N
NOON
O2
N
N
O
N
N
N
O
N
TKDE
N
Tetramethylharnstoff
TKDE
TKDE
N
- Licht
TKDE*
+
O
N
S: Da man nur Schütteln und in die Vorratsflasche sehen muss, schnell durchzuführen. Verglichen mit den vorigen Versuchen war das Ergebnis am wenigsten spektakulär.
9.3.4 Oxalesterchemilumineszenz
M: Leuchtstab vom Einkaufszentrum HOFER.
B: Sobald der Stab geknickt wird (und damit die darin enthaltene Ampulle aufgebrochen
wird), beginnt der Stab kräftig rosa zu leuchten. Nach Einkühlen im Gefrierschrank verschwindet die Leuchtwirkung, beim Erwärmen beginnt sie wieder. Die Leuchtwirkung hielt
ca. 9 Stunden an.
E: Ein Äquivalent Oxalester (R−O−C(−O)−C(−O)−O−R) reagiert mit Wasserstoffperoxid
zu zwei Alkoholen (R−OH) und zwei Äquivalenten Kohlendioxid. Ein Stoff, der zur Fluoreszenz fähig ist (→ »Fluorophor«), wird durch die Reaktion in einen angeregten Zustand
überführt. Beim Zurückspringen in den Grundzustand wird pinkes Licht abgegeben:
RO2 C−CO2 R + H2 O2 + Fluorophor −−→ 2 R−OH + 2 CO2 + Fluorophor + Licht
Der Mechanismus dieser Reaktion sieht folgendermaßen aus:
O
O
O
+
R O
O R
H
O
O
O
O
O
H
H
- R-OH
R O
O O
O O
- R-OH
+ Fluorophor
O
- Licht
Fluorophor*
Fluorophor
+
C
O
O
+
C
O
S: Alltagsbezug, da viele S&S diese Stäbe von Konzerten/Diskotheken kennen, ohne wohl
ihre Funktionsweise zu verstehen.
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