Protokoll ()

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Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie (Fb. 15)
Experimentalvortrag OC
Sommersemester 2009
Leitung: Dr. Ph. Reiß, Dr. B. Neumüller
Ausarbeitung zum Thema:
„Supermarktchemie“
(Vortrag gehalten am 20.05.2009)
verfasst von:
Ágnes Zsilinszky
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ................................................................................................................ 3
2
Geschichte der (Super)märkte ............................................................................. 3
3
Was macht einen Markt „super“? ........................................................................ 4
4
Einkaufsliste ........................................................................................................... 5
5
Die Supermarktchemie .......................................................................................... 6
5.1
Versuch 1: Ein natürlicher Indikator ...................................................................... 6
5.2
Versuch 2: Der kleine Vulkan ................................................................................... 9
5.3
Versuch 3 und Demonstration 1: Seifen ............................................................... 11
5.3.1
5.3.2
Versuch 3: „Butterseife“........................................................................................................... 11
Demonstration 1: Kernseife .................................................................................................... 15
5.4
Versuch 4: Gummibärchenhölle ............................................................................ 17
5.5
Demonstration 2: Seifenblasen ............................................................................. 19
5.6
Versuch 5: Superabsorber ..................................................................................... 22
5.7
Demonstration 3: Fineliner-Chromatographie ..................................................... 24
6
Allgemeine Schulrelevanz .................................................................................. 26
7
“Take-Home-Massages“ ..................................................................................... 26
8
Literatur ................................................................................................................. 27
2
1 Einleitung
Bevor ich mit den fachlichen Abschnitten beginne, würde ich gerne einige Worte
dazu sagen, warum ich für meinen Experimentalvortrag im Stoffgebiet der
Organischen Chemie das Thema „Supermarktchemie“ gewählt habe.
Während meiner Praktika an verschiedenen Schulen, begegneten mir immer wieder
Lehrerinnen und Lehrer1 – besonders Lehrer der Chemie –, die darüber klagten,
dass es zunehmend schwieriger
sei die Schülerinnen und Schüler2 davon zu
überzeugen, dass das das Fach, mit dem sie sich gerade beschäftigen sollten, etwas
mit ihrem Leben und Alltag zu tun hat. Mir ist das Problem natürlich bekannt und es
war auch schon zu meiner Schulzeit ähnlich. Ich überlegte also, wie man mich und
meine damaligen Klassen- und Jahrgangstufenkameraden hätte davon überzeugen
können, dass Chemie unser Leben maßgeblich bestimmt. Am „einfachsten“ ist es
dabei Vorlieben, Einrichtungen, etc., die den Schülern außerhalb der Schule
begegnen und mit denen sie sich gerne befassen, in den Unterricht mit einzubinden.
Dieses Objekt muss aber die Interessen aller Schüler wecken, Spielraum für
spontane Einwürfe geben und trotzdem genug Potential aufweisen, um mehrere
Unterrichtsstunden füllen zu können. In meinen Augen erfüllt der Supermarkt all
diese Kriterien.
2 Geschichte der (Super)märkte
Aber woher kommen eigentlich diese riesigen Supermärkte? Bevor wir uns den
Versuchen zuwenden, sollten wir versuchen diese Fragen zu klären.
Der Supermarkt als Einrichtung, wie wir ihn heute kennen, ist ursprünglich eine USamerikanische Erfindung. Den ersten vergleichbaren Verkaufsraum gab es 1859 im
Staat New York. Hier herrschte aber noch keine Selbstbedienung – lediglich die
Vielfalt der Verkaufsgüter erhöhte sich im Vergleich zum vorher verbreiteten „TanteEmma-Laden“. Im Jahre 1930 eröffnete in Queens die erste Einkaufshalle, die mit
einem
Lebensmittelkomplettangebot
revolutionären
im
heutigen
Sinne
und
dem
damals
Prinzip der Selbstbedienung warb. Nach Europa gelangte dieses
Denken erst 18 Jahre später: 1948 eröffnete in Zürich der erste „Supermarkt“, der
nun tatsächlich auch so hieß. In Deutschland folgte man diesem Trend relativ
1
2
im Folgenden nur als Lehrer bezeichnet
im Folgenden nur als Schüler bezeichnet
3
schnell. Bereits ein Jahr später, 1949, wagte man den Versuch eines Supermarktes
in Osnabrück. Das Projekt scheiterte am Selbstbedienungsprinzip. Erst 1954 gab es
durch das Unternehmen „Edeka“ einen weiteren Versuch, die in Übersee so
erfolgreiche Idee auch in der alten Welt zu etablieren. Um das Risiko eines erneuten
Scheiterns möglichst gering zu halten, gab es im Sortiment nur Lebensmittel und
keine Güter aus Fachgeschäften, wie z. B. Fahrräder. Erst 1959 entschloss man sich
auch „non-food-Produkte“ zu verkaufen und hatte damit endlich die Angebotsvielfalt
der heutigen Supermärkte erreicht.
3 Was macht einen Markt „super“?
Schlägt man in Meyers Taschenlexikon3 unter den Wörtern „super“ und „Markt“ nach,
so erfährt man, dass beide Begriffe lateinischen Ursprungs sind und folgende
Bedeutungen haben:
super (lat.: super):
über, -hinaus
Markt (lat.: mercatus):
Handel
Man könnte den modernen Begriff „Supermarkt“ also mit einer Art „übergreifendem
Handel“ – was zum Beispiel die Art der zu verkaufenden Produkte betrifft –
übersetzen. Was bedeutet Supermarkt also genau in der heutigen Zeit? Im
Volksmund bezeichnet ein Supermarkt ein Einzelhandelsgeschäft, das die meisten
Artikel des alltäglichen Lebens verkauft.
Es gibt aber auch andere, „offizielle“
Beschreibungen eines solchen Marktes. Ausschlaggebend für die Charakterisierung
der verschiedenen Formen von Verkaufseinrichtungen, sind die Verkaufsfläche und
ihre Aufteilung. Besitzt ein Markt eine Verkaufsfläche von 400 – 799 m², so darf er
sich aus juristischer Sicht als „Supermarkt“ bezeichnen, falls nicht mehr als 25 %
dieser Fläche den non-food-Waren vorbehalten ist. Verkaufseinrichtungen mit einer
kleineren Verkaufsfläche werden unter „sonstige Geschäfte“ geführt. Ist die
Verkaufsfläche größer, so heißen die Geschäfte „Verbrauchermarkt“, SB-Warenhaus
oder Hypermarkt.
3
Meyers Lexikonredaktion: Meyers Taschenlexikon; 3., neu bearbeitete Auflage, B. I. Taschenbuch Verlag;
Mannheim 1997
4
4 Einkaufsliste
Um Supermarktchemie betreiben zu können, benötigen wir natürlich Produkte, die
ein Supermarkt verkauft. Auf der Such nach Versuchsbeschreibungen, die
überwiegend Edukte aus dem Supermarkt fordern wird aber jedem schnell bewusst,
dass es nicht besonders viele davon gibt. Oder vielleicht doch? Um dies
herauszufinden, werden wir versuchen die folgenden Posten in den Regalen eines
herkömmlichen Supermarktes zu finden:
•
Polypeptide
•
zwei verschiedene feste und eine flüssige „Fettmischung“
•
Salze
•
fettlöslicher und wasserlöslicher Farbstoff
•
Tapetenkleister
•
Seife mit pH 7
•
Hydroxide
•
Natriumhydrogencarbonat
•
Säure
•
Universalindikator
•
Zucker
•
Filterpapier
•
Babywindel
Nach einigem Suchen und Recherchieren – unter anderem in der Bibliothek – wird
klar, dass die gesuchten Substanzen in den folgenden Supermarktprodukten zu
finden sind:
•
Polypeptide
→ Gummibärchen
•
feste „Fettmischungen“
→ Kokosfett und Butter
•
flüssige „Fettmischung“
→ Sonnenblumenöl
•
Salze
→ jodiertes Speisesalz
•
fettlöslicher Farbstoff
→ Paprikapulver
5
•
wasserlöslicher Farbstoff
→ Lebensmittelfarbe (rot)
•
Tapetenkleister
→ Tapetenkleister
•
Seife mit pH 7
→ Neutralseife4
•
Hydroxide
→ Rohrreiniger
•
Natriumhydrogencarbonat
→ Backpulver
•
Säure
→ Essigessenz
•
Universalindikator
→ Rotkohlsaft
•
Zucker
→ Kristallzucker
•
Filterpapier
→ weiße Kaffefilter
•
Babywindel
→ Babywindel
Alle durch fettgeschriebene Buchstaben markierten „Dinge“ findet man leicht in
einem gut sortierten Supermarkt. Beispiele von Versuchen, die man mit diesen
Edukten durchführen kann, sind im nächsten Kapitel dargestellt.
5 Die Supermarktchemie
5.1 Versuch 1: Ein natürlicher Indikator
Von unserer Einkaufsliste benötigen wir die Posten Essigessenz, Hydroxide in
Wasser gelöst (Rohrreiniger) und natürlich den Rotkohlsaft.
zusätzliche Chemikalien:
keine
4
Eigenname
6
Materialien:
Reagenzglasständer
für
Demonstrationsreagenzgläser,
3mal
Demonstrations-
reagenzgläser, 3mal Pipette, 3mal 50 mL Becherglas, Handschuhe
Durchführung:
Die drei Demonstrationsreagenzgläser werden in ihren Ständer gestellt. Alle werden
bis zu ca. einem Viertel mit ention. Wasser gefüllt. In eines der äußeren Gläser eine
Pipette Essigsäureessenz geben, in das andere äußere Glas eine Pipette
Rohrreiniger.
Beide
Substanzen
zunächst
in
Bechergläser
umfüllen,
um
Verunreinigungen zu vermeiden. Anschließend wird jedes Reagenzglas mit drei
Pipetten Rotkohlsaft versetzt. Um die Reaktion zu beschleunigen, können die
Reagenzgläser vorsichtig mit der Hand geschüttelt werden.
Beobachtung:
Die Flüssigkeit im mittleren Reagenzglas nimmt bei der Zugabe des Rotkohlsaftes
die für sie typische blau-violette Farbe des Rotkohlsaftes an. Beim Vermischen von
Rotkohlsaft und Essigsäureessenz-Lösung färbt sich die gesamte Lösung rot. Der
Inhalt des dritten Reagenzglases wird dunkelblau.
Quelle: selbst
Auswertung:
Der zugefügte Rotkohlsaft enthält ein Anthocyan, nämlich Rubrobrassin (Cyanidin-3triglucosid).
R
A
R
7
1
OH
R
-
O
R
R
R
Cl
+
R
6
2
4
5
Grundstruktur der Anthocyane
3
1
2
3
R = -OH, R = -OH, R = -H
HO
OH
-
O
+
H
R4 = -OH, R5 = -OH, R6 = -H, R7 = -OH
OH
OH
Rubrobrassin (Cyanidin)
7
Der Begriff Anthocyan hat seinen Ursprung im Griechischen und bedeutet „blaue
Blume“. Wie man aus dieser Namensgebung bereits erahnen kann, kommen
Anthocyane auch in verschiedenen Beeren und vielen Blumen vor, denen sie erst die
charakteristischen Farben verleihen. Anthocyane sind also natürlich vorkommende
Farbstoffe.
Die unterschiedlichen Färbungen entstehen durch die Modifikation des π-Systems im
Rubrobrassin aufgrund der unterschiedlichen Milieus.
OH
OH
H
O
O
HO
O
+
H
+ OH-/- H2O
O
O
+ H+
OH
OH
OH
OH
Chinoide Anhydrobase, pH 6-7 ---> violett
Flavyliumkation, pH < 3 ---> rot
OH
OH
O
O
-
+ OH /- H2O
O
-
O
+ OH
-
O
OH
-
+ H+
Ionische Anhydrobase, pH 7-8 ---> tiefblau
-
OH
OH
OH
O
-
OH
Chalkon, pH ~ 10 ---> gelb
Die unterschiedlichen π-Systeme der Moleküle sind alle konjugiert. Dies macht sie
zur „Quelle“ der Farben, in dem sie Lichtwellen (Energien) in unterschiedlichen
Bereichen absorbieren. Die Derivate des Rubrobrassins lassen sich bis auf eine
Ausnahme alle durch Ausgleichen des pH-Wertes ineinander überführen. Lediglich
die Öffnung des Ringes zum Chalkon ist nicht reversibel, da hierfür eine Umlagerung
nötig ist.
Schulrelevanz:
Der Versuch funktioniert sehr zuverlässig und lässt sich durch weitere Lösungen,
deren pH-Wert bestimmt werden soll, und/oder die eigene Herstellung des
Rotkohlsaftes erweitern.
8
Durch den geringen Auf-, Abbau und die leichte Herstellung der Lösungen ist der
zeitliche Aufwand bei dieser Versuchsdurchführung sehr gering, sodass sie sich auch
für Einzelstunden eignet.
Die verwendeten Edukte stammen alle aus den Supermarkt und sind daher
zumindest rechtlich für Schülerversuche geeignet. Allerdings ist das unkontrollierte
Hantieren mit Rohreinigern aufgrund des hohen pH-Werts nicht zu empfehlen. Wird
dieser Stoff benötigt, so sollte sich der Lehrende über die Eignung der Lerngruppe
sicher sein.
Die Anwendbarkeit dieses Versuches verteilt sich auf verschiedene Themenbereiche
des Chemieunterrichts. Diese sind Redox-Reaktionen, Säure-Base-Chemie und
Farbstoffe/Farbigkeit in der Natur und der Industrie.
5.2 Versuch 2: Der kleine Vulkan
Für diesen Versuch benötigen wir zum Teil andere Substanzen aus unserem
Einkaufkorb, nämlich Essigessenz, Backpulver und Lebensmittelfarbe. Außerdem
kann dieser Versuch wesentlich schöner gestaltet werden, wenn ein wenig Erde aus
dem Garten zur Verfügung steht.
zusätzliche Chemikalien:
keine
Materialien:
Petrischale mit großem Durchmesser, 2mal Becherglas 50 mL, Pipette, Handschuhe
Durchführung:

Bau des Vulkans
Um eine möglichst gleichmäßige Form mit passendem „Krater“ in der Mitte zu
erhalten, bietet es sich an, zum Bau des Vulkans das 50 mL Becherglas in die
Mitte der großen Petrischale zu stellen und die Erde zunächst darüber zu kippen.
Zum Formen der Vulkanoberfläche ist es ratsam Handschuhe zu tragen. Man
drückt die Erde in einer Kegelform fest zusammen. Zur Vereinfachung kann man
die Erde ein wenig anfeuchten, damit sie besser „klebt“. Ist die vulkanische Form
9
erreicht, so nimmt man das nun verschüttete Becherglas vorsichtig aus der Mitte
heraus.

Der Ausbruch
Um einen Ausbruch zu erzeugen, füllt man das Becherglas, das die Funktion der
Magmakammer übernehmen wird, mit Backpulver. Vorsicht: nicht festdrücken!
Anschließend setzt man das Becherglas wieder in die Mitte des Vulkans ein.
Die im zweiten Becherglas befindliche Essigsäureessenz färbt man mit einigen
Tropfen der roten Lebensmittelfarbe ein. Der Ausbruch beginnt, wenn man den
Inhalt dieses Becherglases auf das Backpulver gießt.
Beobachtung:
Je nach Menge der Essigsäureessenz, sprudelt ein rötliches Gemisch aus dem
Krater und läuft die Seiten des Vulkans herunter.
Auswertung:
Wie wir bei unseren Einkäufen schon festgestellt haben, besteht Backpulver zum
größten Teil aus Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3(s)). Carbonate haben die
Eigenschaft mit den Protonen von Säuren das Gas Kohlenstoffdioxid (CO2(g)) zu
bilden.
O
+
O
OH
Na
-
O
+
(s)
O
CH3
HO
Na
(l)
+
(aq)
+
CH3
-
O
+
H2O(l)
+
CO2(g)
(aq)
Dieses Gas entweicht mit hoher Geschwindigkeit aus dem Krater und verdrängt
dabei die Flüssigkeit.
Schulrelevanz:
Auch hier funktioniert der Versuch zuverlässig, allerdings ist der Bau des Vulkans
nicht sehr einfach und erfordert ein wenig Geschick. Außerdem gibt es hier keine
sinnvollen Erweiterungen, die man ohne großen zeitlichen und organisatorischen
Aufwand an den Versuch anknüpfen könnte.
Will man den Vulkan – oder die Vulkane – von den Schülern selber bauen lassen, so
muss man hier mit einem unverhältnismäßigen Zeitaufwand rechnen, denn der
10
Lerneffekt steht – zumindest was die chemische Bildung angeht – zu der Zeit, die die
Schüler benötigen werden, um einen Vulkan nach ihrem Geschmack zu bauen, in
keinem Verhältnis. Auf der anderen Seite kann das eine willkommene Abwechslung
im Alltag des Chemieunterrichts bieten und die Schüler können ganz ohne Gefahr
selber Hand anlegen. Insgesamt sollte man mit einem Zeitaufwand von 15 Minuten
rechnen, wenn der Versuch vom Lehrer durchgeführt wird und ca. eine Einzelstunde,
wenn er als Schülerversuch eingesetzt werden soll.
Wie oben schon erwähnt, ist das Arbeiten mit der Erde natürlich ungefährlich. Auch
das Backpulver kann man Schülern bereits ab der Unterstufe ruhig in die Hand
geben.
Lediglich mit der Essigsäureessenz sollte man vorsichtig sein, denn sie
besteht zu ca. 10 – 15 % aus reiner Essigsäure, für die folgendes gilt:
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze
Gefahrensymbole
Schule
C2H4O2(l)
10-35
23-26-45
C: ätzend
Sek I
Der Versuch kann für verschiedene Themengebiete verwendet werden: Säure-BaseChemie, bei der Untersuchung von organischen Säuren und in physikalischen
Teilgebieten.
5.3 Versuch 3 und Demonstration 1: Seifen
5.3.1
Versuch 3: „Butterseife“
Nun wollen wir schauen, wie man aus einfacher Butter eine Seife herstellen kann.
Dazu benötigen wir aus unserem Einkaufkorb natürlich die Butter und zusätzlich ein
wenig Rohreiniger.
zusätzliche Chemikalien:
keine
Materialien:
Reagenzglasständer,
2mal
Reagenzglas,
Reagenzglasklammer,
Stopfen
für
Reagenzglas, Bunsenbrenner,
11
Durchführung:
Man gibt 5 g Butter und 2-3 Tropfen Rohrreiniger in ein Reagenzglas. Dann wird das
Gemisch über dem Bunsenbrenner einige Minuten erhitzt.
Quelle: selbst
Nach dem Abkühlen gibt man in ein anderes Reagenzglas etwas Wasser und kippt
einen Teil des Reaktionsgemisches dazu. Dann schüttelt man leicht.
Beobachtung:
Die Butter wird über der Flamme schnell zu einer hellgelben Flüssigkeit. Erhitzt man
weiter, färbt sich das Gemisch bräunlich.
Quelle: selbst
Nach dem Schütteln entsteht eine Schaumhaube, die als Hinweis auf die
Entstehung einer Seife gewertet werden kann.
Quelle: selbst
12
Auswertung:
Butter setzt sich folgendermaßen zusammen:

83 % Milchfett

16 % Wasser

1 % fettfreie Trockenmasse
Milchfett ist eine Mischung aus verschiedenen Triglyceriden (Triester von Glycerin).
O
O
O
OH
O
+
C
R
R
O
OH
O
O
O
OH
Glycerin
-
O
R
O
R
R
R
O
Triglycerid
O
Die Reaktion läuft folgendermaßen ab:
Zunächst wird das Kohlenstoffatom in einer der Esterbindungen vom Hydroxidion
nucleophil angegriffen.
O
O
O
O
+
R
O
R
+
O
O
R
-
OH
K+OH-
O
O
O
O
R
O
R
O
C
R
O
-
K
O
R
O
R
R
O
O
Im nächsten Schritt trennen sich ein Alkoholation und eine Carbonsäure von
einander.
13
O
-
O
O
K
O
O
+
+
R
OH
R
R
O
Alkoholation
Anschließend kommt das typische Merkmal einer alkalischen (oder basischen)
Esterhydrolyse: Protonenübergang vom Carbonsäuremolekül auf das Alkoholation.
Dieser Schritt ist als einziger nicht reversibel.
OH
O
O
O
-
O
K
R
R
+
+
O
O
O
R
R
O
Der ganze Mechanismus wiederholt sich noch zweimal an den anderen
Esterbindungen des Glycerids, sodass am Ende Glycerin entsteht.
Die Schaumbildung kommt daher, dass sich Mizellen bilden, die die hydrophoben
(wassermeidenden), nicht umgesetzten Reste des Fettes der Butter einschließen.
Die hydrophilen (wasserliebenden) Enden der Seife bzw. Tenside verbinden sich mit
den Wassermolekülen, wodurch hauchdünne Wasserfilme entstehen. Das erkennen
wir als Schaum.
Diese Reaktion findet offensichtlich im basischen Milieu statt. Man nennt sie daher
auch basische Esterhydrolyse (Esterbindungen werden aufgelöst) oder auch
„Verseifung“. Die saure Esterhydrolyse verläuft im sauren Milieu und dient ebenfalls
zur Spaltung von Esterbindungen. Allerdings sind alle Reaktionsschritte der sauren
Esterhydrolyse reversibel, weswegen die Verseifung oft bevorzugt wird. Beide
Mechanismen sind „Umkehrungen“ der Veresterung.
14
5.3.2
Demonstration 1: Kernseife
Einen ähnlichen Ablauf hat die Herstellung von Kernseife. Man muss lediglich darauf
achten, dass die Gegenionen der Hydroxidionen Natriumkationen sind. Weil
Kokosfett ein wenig fester ist als Butter, bietet es sich an auch diesen Stoff zu
ersetzen. Außerdem benötigen wir noch Speisesalz.
zusätzliche Chemikalien:
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze
Gefahrensymbole
Schule
NaOH(s)
35
23-37/39-45
C: ätzend
Sek I
Materialien:
Becherglas 500 mL, Spatel, Heizplatte, Rührfisch
Durchführung:
Das Palmin (Kokosfett) wird abgewogen und mit 50 mL 10 %-iger Natronlauge
übergossen. Das Gemisch wird dann auf der Heizplatte unter leichtem Rühren 10 bis
15 Minuten gekocht.
Quelle: selbst
Es sollte kein Fett mehr auf der wässrigen Phase schwimmen. Der heiße
„Seifenschleim“ wird mit 50 mL gesättigter Speisesalz-Lösung versetzt. Man lässt die
Lösung abkühlen.
Beobachtung:
Zunächst bilden sich zwei Phasen, die im Laufe des Rührens zu einer Phase werden.
Quelle: selbst
15
Nach dem Abkühlen (allerdings erst über Nacht und im Kühlschrank) hat sich an der
Oberfläche eine feste, ca. 0,5 cm dicke Schicht gebildet.
Quelle: selbst
Auswertung:
Der Mechanismus ist bis auf die Gegenionen derselbe wie in Versuch 3:
O
O
O
O
-
O
+
C
R
O
R
O
+
Na OH
O
R
-
O
R
O
R
+
Na
O
R
O
R
R
R
O
O
O
OH
O
O
O
-
O
-
O
O
O
O
+
Na
+
R
OH
R
R
O
Alkoholation
OH
O
O
O
-
O
+
Na
R
R
-
+
O
O
O
R
R
O
Die hinzugefügte Speisesalz-Lösung sorgt durch eine höhere Löslichkeit des
Speisesalzes für das Aussalzen der Natrium-Carboxylate.
16
Schulrelevanz:
Beide Versuchsvorschriften funktionieren zuverlässig, wobei die Verseifung der
Butter mehr Geschick erfordert. Erweitern könnte man den Versuch, in dem man zum
Beispiel eine
Verseifung mit Hydroxiden
anderer Alkalimetalle
oder auch
Erdalkalimetalle versucht und die Ergebnisse dann hinter vergleicht. Außerdem
können natürlich andere „Fettsorten“ verglichen werden.
Zeitlich betrachtet gibt es enorme Unterschiede. Während die Verseifung der Butter
inklusive Auf- und Abbau relativ schnell, also in ca. 10 Minuten, gemacht werden
kann, benötigt man für die Herstellung der Kernseife nach der obigen Anleitung
mehrere Stunden, bevor man das fertige Produkt begutachten kann.
Wie schon unter Versuch 1 erwähnt, ist der Umgang mit Rohrreinigern nicht ganz
ungefährlich und daher nur für geeignete Schüler in der Sekundarstufe II zu
empfehlen. Ähnliches gilt für festes Natriumhydroxid. Fettmischungen wie Butter und
Palmin sind ungefährlich und können überall eingesetzt werden.
Die Versuche sind sehr vielseitig, was ihre Eingliederung in den Unterricht betrifft.
Die Themengebiete Ester, Veresterung, Esterhydrolysen, Verseifung, Tenside und
Seifen, Reaktionsgleichgewichte, etc. können alle von dem Versuch bereichert
werden.
5.4 Versuch 4: Gummibärchenhölle
Für
diesen
Versuch
benötigen
wir
aus
unserem
Einkaufskorb
nur
die
Gummibärchen.
zusätzliche Chemikalien:
Summenf.
KClO3(s)
R-Sätze
9-20/2251/53
S-Sätze
Gefahrensymbole
Schule
O: brandfördernd
13-16-27-61
Xn: gesundheitsschädlich
Lehrer
N: umweltgefährlich
17
Materialien:
Abzug!, Handschuhe, Reagenzglas, Stativmaterial, Bunsenbrenner, Spatel, Messer
Durchführung:
5 g Kaliumchlorat werden mit einem Bunsenbrenner in einem Reagenzglas vorsichtig
(!) geschmolzen. Anschließend lässt man ein Gummibärchen in die KaliumchloratSchmelze fallen.
Beobachtung:
Die Reaktion beginnt sofort. Das Gummibärchen verbrennt unter intensivem
Aufglühen, tanzt auf der Salzschmelze und erzeugt ein deutliches Brummen.
Quelle: selbst
Auswertung:
Beim Erhitzen disproportioniert das Kaliumchlorat zu Kaliumperchlorat und
Kaliumchlorid.
Danach zerfällt das Perchlorat in Kaliumchlorid und Sauerstoff.
Das Kaliumchlorid reagiert nun mit der Gelatine und der Kohlenhydrate des
Gummibärchens. Die Gelatine ist ein Polypeptid. Bei der Reaktion mit Sauerstoff
zerfällt sie in Kohlenstoffdioxid, verschiedene Stickstoffoxide und Wasser.
18
O
H2N
R
2
O
NH
R
1
+
x O 2(g)
x' CO2(g) + x'' NOx (g) + x''' H2O(g)
...
Das Brummen entsteht, wenn die Gase aus der Schmelze entweichen. Das Leuchten
kommt durch die frei werdende Energie dieser stark exothermen Reaktion zustande
(→ HP - HE = ∆ H < 0).
Schulrelevanz:
Der Versuch funktioniert zuverlässig. Man sollt aber darauf achten, dass die Menge
des eingesetzten Kaliumchlorats die 5 - 7 g nicht überschreitet, denn je höher die
Menge an Edukt, desto heftiger wird die Reaktion. Benutzt man ein nicht
schwerschmelzbares Reagenzglas, so kann es passieren, dass dieses während der
Reaktion kaputt geht. Bleibt man unter dieser Menge, reicht aber so ein „normales“
Reagenzglas in der Regel aus. Als Variationen des Versuchs ist es möglich statt den
üblichen Gummibärchen zum Beispiel Lakritzschnecken oder Ähnliches zu
verwenden.
Der Versuchsauf- und -abbau erfordert nicht viel Zeit und auch die Durchführung und
Reaktionsdauer sind eher kurz, sodass der gesamte Versuch in höchstens 20
Minuten zu machen ist.
Wie aus der obigen Tabelle bereits ersichtlich, ist dieser Versuch nicht von Schülern
durchzuführen. Kaliumchlorat darf nur von Lehrern verwendet werden.
Der Versuch kann in folgenden Themengebieten zum Einsatz kommen: RedoxReaktionen, Aminosäuren, Peptidchemie, Dis- und Kon(Syn-)proportionierungsreaktionen
5.5 Demonstration 2: Seifenblasen
Um eine geeignete Lösung für die Erzeugung von Seifenblasen herstellen zu
können, benötigen wir aus unserem Einkaufkorb Zucker, Neutalseife und
Tapetenkleister. Außerdem natürlich noch Wasser.
19
zusätzliche Chemikalien:
keine
Materialien:
flache Schüssel, Stativring, Wolle
Durchführung:
Rezept:
•
75 g
Zucker
•
0,5 L
Wasser
•
375 mL
Neutralseife
•
13 g
Tapetenkleister
•
4,5 L
warmes Wasser
Den Zucker in 0,5 Liter Wasser auflösen. Die Neutralseife und den Tapetenkleister
daruntermischen und dann das Ganze in 4,5 Liter warmes Wasser einrühren und
über Nacht stehen lassen.
Den Stativring mit Wolle umwickeln, sodass eine geschlossene Wollschicht entsteht.
Dann in die Seifenlösung tauchen und vorsichtig durch die Luft schwenken.
Beobachtung:
Es entstehen Seifenblasen und –schläuche, die aber leider schon bei sehr geringen
Irritationen zerplatzen.
Auswertung:
Die Seifenlauge bildet als dünne Schicht gezogen zwei Oberflächen. Um verstehen
zu können, woran das liegt, muss man sich zunächst den Aufbau von
Tensidmolekülen anschauen, denn sie sind die Hauptbestandteile so einer
Seifenlösung. Ein Tensidmolekül hat schematisch diesen Aufbau:
20
Quelle: http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de
Man kann gut erkennen, dass der blau gefärbte Bereich ein Carboxylrest ist. Diese
sind polar und dadurch hydrophil, das heißt „wasserliebend“. Der lange
Kohlenwasserstoffrest ist durch eine „Wasserstoffhülle“ abgeschirmt und damit
unpolar. Aus diesem Grund heißt dieser Teil eines Tensids auch hydrophob, das
heißt „wassermeidend“. Gibt man Tensidmoleküle in Wasser, so ordnen sich diese
so an, dass die wassermeidenden Reste möglichst nicht mit Wasser in Berührung
kommen:
So ergibt sich eine hauchdünne Schicht.
Schulrelevanz:
Dieser Versuch ist nicht besonders zuverlässig. Es ist schwierig die Mischung der
einzelnen Bestandteile so zu treffen, dass es hinterher stabile Seifenblasen und –
schläuche gibt. Aber man hat viel Spaß dabei und kann sich in der Feinmotorik und
dem Experimentiergeschick üben.
21
Leider benötigt man viel Zeit, um die Lösung herzustellen, aber es gibt keinen
komplizierten Versuchsaufbau, sodass bei gründlicher Vorbereitung durch die
Lehrperson eine Schulstunde (höchstens) ausreicht, um die Funktionalität des
obigen Rezeptes zu testen.
Das Experiment ist für die Klassenstufen ab der Sek I als Schülerversuch geeignet,
da keine reinen Laborchemikalien verwendet werden.
Sinnvolle Unterstützung kann dieser Versuch bei den Themengebieten Ester,
Veresterung, Esterhydrolysen, Verseifung, Tenside und Seifen, Waschmittel, etc.
leisten.
5.6 Versuch 5: Superabsorber
Für diesen Versuch benötigen wir nur die Windel aus dem Einkaufskorb. Außerdem
noch ein wenig Wasser
zusätzliche Chemikalien:
keine
Materialien:
2mal Becherglas 250 mL, Petrischale, Handschuhe
Durchführung:
Aus der Babywindel wird ein ca. 4 cm2 großes Quadrat ausgeschnitten. Zum
Vergleich kann auch ein zweites gleichgroßes Quadrat daneben gelegt werden
(Blindprobe). Das Windelstück wird auf eine Petrischale gelegt und solange mit
Wasser begossen, bis es kein Wasser mehr aufnehmen kann. Dann ist der
Quellvorgang beendet. Die Wassermenge wird mit Hilfe des Messzylinders bestimmt.
Beobachtung:
Mit zunehmender Wasseraufnahme wird der Superabsorber gelähnlicher. Das
Quellmaximum ist nach 240 mL Wasser erreicht.
22
Auswertung:
Methacrylsäure polymerisiert unter bestimmten Bedingungen sehr leicht und bildet
mit N,N-Methylen-bis-(Acrylsäureamid) dann unter Zugabe von Kaliumperoxodisulfat
und Natronlauge das saugfähige Natrium-Polyacrylat
H
H
+
NH
NH
OH
H2C
O
O
O
H3C
CH2
CH2
N,N-Methylen-bis-(Acrylsäureamid)
Methacrylsäure
...
...
O COO - COOH COO - COOH
COOH
K2S2O8
NaOH
+
+
HN
Na
HN
Na
Na
+
+
Na
O COO
COOH
-
COOH COO
-
COOH
...
...
Natrium-Polyacrylat
Das
Kaliumperoxodisulfat
Polymerisation,
während
dient
das
dabei
als
Initiator
Acrylsäureamid
für
für
die
eine
radikalische
Vernetzung
der
Polymermoleküle zuständig ist. Es vernetzt diese stellenweise durch sogenannte
„Crosslinks“ untereinander. Die chemischen Bindungen führen dazu, dass das
Polymer nicht mehr in Wasser löslich ist. Tritt Wasser ein, wird dieses über
Wasserstoffbrückenbindungen gebunden und kann nicht mehr austreten. Der
Superabsorber quillt auf.
Schulrelevanz:
Wie man es alltäglichen Situationen gewohnt ist, quillt jede Windel bei Kontakt mir
Flüssigkeit auf, sodass man davon ausgehen kann, dass der Erfolg dieses
Versuches immer eintritt. Möchte man den Versuch noch spannender gestallten, so
kann man die Windeln saure und basische Flüssigkeiten aufsaugen lassen und
überprüfen, ob die Saugfähigkeit vom pH-Wert der Flüssigkeit beeinflusst wird.
23
Der zeitliche Aufwand ist sehr gering, denn es müssen keine Apparaturen auf- und
abgebaut und keine Chemikalien entsorgt werden. Verwendet man Säuren und
Basen, so muss hinter aber natürlich neutralisiert werden.
In Abhängigkeit vom Maße, in dem man die Flüssigkeit ansäuert bzw. basisch macht
ist zu überprüfen, in welchen Jahrgangstufen der Versuch als Schülerversuch
durchgeführt werden darf. In der Form, wie er hier beschrieben ist, kann er in allen
Jahrgangstufen zum Einsatz kommen.
Geeignete Themengebiete sind: Polymere (Kunststoffe, etc.), etc.
5.7 Demonstration 3: Fineliner-Chromatographie
Für diesen Versuch ist lediglich ein Kaffefilter (weiß) nötig.
zusätzliche Chemikalien:
keine
Materialien:
Fineliner, Weck-Glas mit Deckel
Durchführung:
Die Durchführung ist in diesem Fall sehr simpel. Aus dem Kaffefilter
wird ein
rechteckiges Stück ausgeschnitten, gerade so groß, dass es aufrecht in das WeckGlas passt. Dann werden am unteren Rand, ca. 1 cm weit im Innern, farbige Punkte
aufgemalt. Sie sollten mindestens einen Abstand von 1 cm von einander haben, da
sonst die Gefahr besteht, dass die Farben in einander verlaufen.
Dann wird in das Weck-Glas ention. Wasser gegossen und zwar so viel, dass es ca.
einen halben Zentimeter hoch steht. Anschließend wird der Kaffefilter in das Glas
gestellt und dieses verschlossen.
Hat die Lauffront das obere Ende des Filters fast erreicht, so wird der Versuch
beendet.
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Beobachtung:
Die Fließgeschwindigkeit ist zu Beginn des Experiments sehr hoch, verlangsamt sich
jedoch, je höher die Lauffront vorgedrungen ist. Nicht alle Farben der Fineliner lassen
sich durch diese Methode in ihre Komponenten zerlegen.
Quelle: selbst
Auswertung:
Wie in der Beobachtung erwähnt bestehen die Farben der Fineliner aus mehreren
Farbkomponenten, die natürlich alle unterschiedliche Strukturen haben. Dadurch
sind ihr Affinitäten zu der stationären und mobilen Phase jeweils unterschiedlich. Bei
den
Eingesetzten
Substanzen
ist
es
so,
dass
sich
die
Affinitäten
der
Farbkomponenten zu der mobilen Phase nur in einem sehr geringen Maße
unterscheiden, weshalb die Affinitäten zur stationären Phase bestimmen, welche
Komponente wie schnell laufen kann.
Schulrelevanz:
Dieser Versuch eignet sich natürlich sehr gut gerade für die unteren Klassen. Man
kann ihn in den höheren Klassen ein wenig beschleunigen, indem man ein wenig
Ethanol zu dem Wasser hinzugibt.
Der zeitliche Aufwand ist kaum nennenswert und der Versuch kann zu jeder Zeit
unterbrochen werden bzw. die Dauer verkürzt werden, indem kleine Weck-Gläser
und wenige Farben zur Auswahl gestellt werden.
Fineliner und Wasser dürfen in jeder Jahrgangstufe verwendet werden.
Der Versuch kann ein unterstützendes Element in den Themen Farbstoffe oder
Chromatographie sein.
25
6 Allgemeine Schulrelevanz
Allgemein kann man zu den in diesem Schriftstück behandelten Inhalten sagen, dass
sie über den Lehrplan verteilt sind und so keine Konkrete Aussage über
Klassenstufen etc. möglich ist. Die Organische Chemie als großer Themenkomplex
beginnt in der Sekundarstufe II (Klasse 11 nach G9, Klasse 10 nach G8). Diese
Klassenstufen bilden natürlich das hauptsächlich angesprochene Publikum. Aber
einige der Versuche sind auch zu früheren Themen einsetzbar (z. B. RedoxReaktionen).
Außerdem ist zu beachten, dass der Stoffinhalt, der zu behandeln ist, von G9 auf G8
nicht verändert, sondern lediglich der Zeitraum, in dem das Pensum bewältigt werden
soll, verkürzt wurde.
Ein weiterer schöner Punkt an den oben angeführten Versuchen ist, dass sie zum
Teil gut als „Chemische Hausaufgaben“ verwendet werden können.
7 “Take-Home-Messages“
Für Schüler ist es wichtig, am Ende einer Lerneinheit besondere Punkte noch einmal
vor Augen geführt zu bekommen. Daher hier die Quintessenz dieser Arbeit:

Supermärkte in heutiger Form seit 1959 in Deutschland

Rotkohlsaft ist natürlicher Universalindikator

Backpulver treibt Teig mit Hilfe von CO2(g)

alkalische Verseifung irreversibel, saure Verseifung reversibel

KOH(aq) → Schmierseife; NaOH(aq) → Kernseife

hydrophob ~ wassermeidend und hydrophil ~ wasserliebend

Zusammenhang Frequenz und Farbigkeit

Farbstoffmischungen ergeben neue Farben
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8 Literatur
[1] Georg Schwedt; Experimente mit Supermarktprodukten; 3. erweiterte und
aktualisierte Auflage; 2009; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
[2] K. Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore; Organische Chemie; vierte Auflage; 2005;
WIHLEY-VCH GmbH & Co. KGaA; Weinheim
[3] Charles E. Mortimer, Ulrich Müller; Chemie – Das Basiswissen der Chemie; 8.,
komplett überarbeitete und erweiterte Auflage; 1973, 2003; George Thieme
Verlag; Stuttgart
[4] Riedel; Anorganische Chemie; 6. Auflage; 2004; Walter de Gruyter GmbH & Co.
KG; Berlin
[5] http://www.chemienet.info/8ten-1.jpg (am 19.05.2009)
27
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