-Kurzfassung-

Energie durch Coffein

Der Hauptbestandteil unserer Arbeit beschäftigt sich mit Cola und mit

Coffein. Wir haben den Coffein-Gehalt nachgewiesen indem wir eine

Eichkurve mittels eines Photometers aufgestellt haben. Weiterhin haben

wir uns gefragt, wie Coffein eigentlich genau wirkt.

Diese Fragen haben wir schon mal beantwortet.

Weiterhin haben wir uns gefragt, wieso die Cola beim „Cola-Mentos-

Versuch“ fontänenartig herausspritzt. Dafür gibt es viele Theorien, doch

die eindeutige Lösung des Versuches haben wir auch nicht gefunden.

Wie sind wir auf dieses Thema gekommen?

Ach, das wissen wir auch nicht so genau… Wir bekamen ziemlichen

Zuwachs in der Chemie-AG, sodass wir am Anfang des Schuljahres erstmal

damit beschäftigt waren, unserem Lehrer bei der Einweisung zu helfen, also

zu sagen, wie es alles so ist… Wir haben die Chemie-AG auch etwas

verändert, was auch wieder ein Zeitaufwand war...

Naja, dann kam die Romfahrt im Oktober und wir hatten immer noch kein

Thema. Nach der Romfahrt fingen wir dann mal an, uns Gedanken zu

machen. Zuvor haben wir noch einen Wein hergestellt und haben uns

überlegt, ob wir den vielleicht mit in die Arbeit nehmen wollen, aber darauf

hatten wir nicht allzu große Lust.

Naja, irgendwann fiel uns dann halt ein, dass wir uns den Cola-Mentos-

Versuch „erforschen“ könnten, da wir den zuvor einige Male durchgeführt

hatten. Also fingen wir Anfang November damit an, bis uns auffiel, dass wir

so keine Jugend-Forscht-Arbeit machen können, also musste noch etwas her,

was zum Thema passte: Coffein!

Dann war der 30. November und ich wurde daran erinnert, dass ich uns

unbedingt anmelden muss, jedoch hatte ich den ganzen Tag keine Zeit.

Abends um 2000

Uhr fiel mir es dann wieder ein und ich meldete uns schnell

noch unter irgendeinem Thema an, dass mir gerade so einfiel:

„Energie durch Coffein“

…

3. Einleitung

Chemie:

Energie durch Coffein

Wie sind wir auf dieses Thema gekommen?

Ach, das wissen wir auch nicht so genau… Wir bekamen ziemlichen Zuwachs in der

Chemie-AG, sodass wir am Anfang des Schuljahres erstmal damit beschäftigt waren,

unserem Lehrer bei der Einweisung zu helfen, also zu sagen, wie es alles so ist… Wir

haben die Chemie-AG auch etwas verändert, was auch wieder ein Zeitaufwand war...

Naja, dann kam die Romfahrt im Oktober und wir hatten immer noch kein Thema. Nach

der Romfahrt fingen wir dann mal an, uns Gedanken zu machen. Zuvor haben wir noch

einen Wein hergestellt und haben uns überlegt, ob wir den vielleicht mit in die Arbeit

nehmen wollen, aber darauf hatten wir nicht allzu große Lust.

Naja, irgendwann fiel uns dann halt ein, dass wir uns den Cola-Mentos-Versuch

„erforschen“ könnten, da wir den zuvor einige Male durchgeführt hatten. Also fingen wir

Anfang November damit an, bis uns auffiel, dass wir so keine Jugend-Forscht-Arbeit

machen können, also musste noch etwas her, was zum Thema passte: Coffein!

Dann war der 30. November und ich wurde daran erinnert, dass ich uns unbedingt

anmelden muss, jedoch hatte ich den ganzen Tag keine Zeit. Abends um 2000

Uhr fiel mir

es dann wieder ein und ich meldete uns schnell noch unter irgendeinem Thema an, dass

mir gerade so einfiel:

„Energie durch Coffein“

…

1. Deckblatt

2. Kurzfassung

3. Einleitung

4. Inhaltsverzeichnis

5. Coffein allgemein

6. Wirkung und Vorkommen

7. Nachweis- und Bestimmungsmethoden von Coffein

8. Photometrie

9. Erstellung der Eichkurve

10. Auswertung der Eichkurve

11. Titration eines Colagetränkes

12. Eichkurve von Cola

13. „Cola-Mentos-Versuch“

Quellen:

http://de.wikipedia.org/wiki/Photometrie

http://de.wikipedia.org/wiki/Coffein

Allgemeines: Name: Koffein

Andere Namen: 3,7-Dihydro-1,3,7-trimethylpurin-2,6-dion, 1,3,7-Trimethylxanthin,

Methyltheobromin, Coffein, Thein, Tein, Guaranin

Summenformel: C8H10N4O2

(„Sinnliche-“)Eigenschaften: farblos, geruchlos, bitter schmeckende Kristalle

Eigenschaften:

Molmasse: 194,19 g/mol

Aggregatzustand: fest

Dichte: 1,23 g/cm3

Schmelzpunkt: 238°C

Siedepunkt: sublimiert ab 178°C

Löslichkeit: gut in Wasser und Chloroform, in Alkohol mäßig

Sicherheitshinweise: Xn (Gesundheitsschädlich)

R- und S- Sätze: R:22 S: (2)

Wasser bei Normaltemperatur: 21,74 g/l

Wasser bei 80 °C: 181,82 g/l

Ethanol bei Normaltemperatur: 15,15 g/l

Ethanol bei 60 °C: 45,45 g/l

Aceton: 20,00 g/l

Chloroform: 181,82 g/l

Koffein (auch Coffein oder veraltet Thein und Tein, fälschlich Teein) ist ein Purin-

Alkaloid und ein anregend wirkender Bestandteil von Genussmitteln wie Kaffee, Tee,

Cola, Mate, Guarana, Energy Drinks und Kakao. Es ist eines der ältesten, wirksamsten

und am besten verträglichen Stimulanzien. Koffein ist ein weißes geruchloses Pulver

und bildet hexagonale Prismen aus.

Struktur von Coffein Modell eines Coffein-Moleküls

Legende: Blau = Nitrogenium

(Stickstoff)

Schwarz = Carbonium

(Kohlenstoff)

Rot = Oxygenium

(Sauerstoff)

Weiß = Hydrogenium

(Wasserstoff)

C8H10N4O2

C8H10N4O2

Wirkung des Coffeins:

Hauptwirkungen:

• Anregung des Zentralnervensystem

• Erhöhung der Herztätigkeit, Pulssteigerung

• Erhöhung des Blutdrucks

• Bronchialerweiterung

• Steigerung der Harnbildung

• Anregung der Peristaltik (Der Begriff Peristaltik (v. griech.: peri = herum + stellein = in Gang bringen

bezeichnet die Muskeltätigkeit der Hohlorgane Speiseröhre) des Darmes

In erster Linie ist Coffein somit ein Stimulans (Substanzen, die anregend auf den

Körper reagieren).

Eltern verbieten Kindern oft Cola zu trinken, dass hat auch einen guten Grund: z.B. 3

Dosen Cola und 3 Schokoriegel enthalten etwa soviel Coffein, wie in zwei Tassen Kaffee

enthalten sind (ca. 200mg). Diese Dosis kann vor allem bei kleineren Kindern zu

Nervosität und Schlafstörung führen!

1 Tasse Kaffee Ca. 50-100mg

1 kleine Tasse Espresso Ca. 40mg

1 Tasse Schwarztee Bis zu 50mg

Guarana Ca. 2300-4000mg / 100g

1 Tasse Kakao Ca. 6mg

Schokolade: Vollmilch

Schokolade: Halbbitter

Ca. 15mg/100g

Ca. 90mg/100g

Energy Drink: Red Bull Ca. 80mg / Dose

Club-Mate Ca.20mg / 100ml

Kaffee-Bonbons Ca. 80-500mg / 100g

Wick Energiebonbons Ca. 25mg pro Bonbon

Coca-Cola® Ca. 10mg / 100ml

Aspirin forte ® 50mg

Manche Leute trinken jeden Morgen ein Glas Cola oder eine Tasse Kaffee nicht nur

weil es schmeckt, sondern auch weil sie beispielsweise einen geringen Blutdruck haben.

Das Coffein erhöht (wie oben geschrieben) den Blutdruck und kann somit gut für den

Kreislauf sein.

Aktuell: Caffeinol: Alkohol mit Coffein gegen Schlaganfälle in den USA getestet!!

Natürlich vorkommendes Coffein

Bezeichnung Coffein-Gehalt

Zugabe von synthetisch erzeugtem Coffein

Unterschied zwischen Qualitativ und Quantitativ Der Unterschied zwischen qualitativ und quantitativ ist, das qualitativ einfach ein

Nachweis dafür ist, um zu sehen, ob in diesem Fall Coffein überhaupt vorhanden ist.

Durch eine solche Methode hat man somit nur den Nachweis und nicht die Bestimmung

des Coffein-Anteils bestimmen.

Die Bestimmung des Coffein-Anteils ist dann mit einem quantitativen Nachweis zu

bestimmen, in unserem Fall beispielsweise mit einer Photometrie. Mit einem

quantitativen Nachweis kann man den tatsächlich vorliegenden Gehalt an Coffein

bestimmen.

Methoden Zum qualitativen Nachweis, also einfach um zu gucken, ob überhaupt Coffein

vorhanden ist, eignen sich chromatographische Methoden, beispielsweise die

Dünnschichtchromatographie. Anschließend sollte man einen Nachweis mittels UV-

Licht machen.

Zum quantitativen Nachweis, also um genau zu gucken, wie viel Coffein in einer

Flüssigkeit ist, muss man schon kompliziertere Methoden anwenden, in unserem Fall

eine Photometrie.

Durch die Photometrie wird die Konzentration des (in diesem Falle) Coffeins über eine

Eichkurve festgestellt. Lichtstrahlen haben verschiedene Wellenlängen, manche werden,

wenn sie auf die Lösung treffen, einfach abgefangen, manche werden durchgelassen. Das

geschieht von einem Photometer durch die Lösung in einen Detektor. Die „Anzahl“ der

Lichtstrahlen die durchgelassen werden hängt von der Konzentration ab.

Kurz: Die Photometrie setzt die von einem Photometer gemessene elektromagnetische

Strahlungsleistung in Beziehung zum Sinneseindruck durch das menschliche Auge.

So, zur Verdeutlichung haben wir hier eine kleine Zeichnung erstellt:

I0 = ursprüngliche Lichtintensität

I = „übrige Lichtstrahlen“

D = ( D = Lichtdurchlässigkeit )

Angenommen, D = 1 => E = 0

E = lg 1

D = ½ E = lg 1/ ½ = lg 2 ~ 0,3

Hierbei gilt immer:

E ~ c Konzentration der Lösung

E ~ d (Kommt darauf an, wie breit die Küvette ist, durch die das Licht durch muss)

Daraus folgt das Lambert-Beersche Gesetz:

E = e . c

. d (e ist eine Konstante)

Hierbei bedeuten:

In den heutigen Photometern ist der Weg, den das Licht durchdringen muss meistens

1cm, somit ist die Extinktion allein abhängig von der Konzentration der Lösung.

Lichtquelle

I0

Küvette

I Photozelle

(Detektor)

I

I0

D Lichtdurchlässigkeit ist hier 50%

Extinktion = Menge des durchgelassenen Lichtes einer bestimmen Wellenlänge

konstante Größe, der so genannte „Extinktionskoeffizient“

(wellenlängenabhängig und abhängig vom jeweiligen Stoff)

Konzentration

Schichtdicke, durch die das Licht durchdringen muss

E =

e =

c =

d =

Geräte: 100ml Maßkolben, 50ml Vollpipette, 50ml Becherglas, 100ml Becherglas, Küvette,

Messpipette, G4 Fritte mit Absaugvorrichtung, Filtertrichter, Reagenzgläser, 250ml

Becherglas, Wasserbad, Photometer (Wellenlänge 480nm)

Chemikalien: Kupfersulfatlösung 6,9%, Kaliumhexacyanoferrat (II) 8,4%, Iodlösung 0,05 m,

Schwefelsäure 20%, Ethanol, Coffein 500mg/l

Versuchsdurchführung: Wir haben 50ml von der Cola (auch noch anderen Lösungen, aber wir nehmen die Cola

als Beispiel) in ein Becherglas getan. Dazu haben wir 30ml dest. Wasser und 6ml

Kupfersulfatlösung gegeben. Danach haben wir sie 5 Minuten im Wasserbad erwärmt.

Nachdem sich die Lösung wieder abgekühlt hat, werden 3ml Kaliumhexacyanoferrat

zugegeben. Dann haben wir bis zur nächsten Marke aufgefüllt, umgeschüttelt und das

ganze filtriert. Von dem Filtrat haben wir 5ml ins Reagenzglas getan, dann 2ml

Schwefelsäure getan und dann haben wir das Reagenzglas 10 Minuten ins heiße

Wasserbad gestellt. Danach haben wir es kurz unter Wasser gekühlt. Diese Lösung

haben wir dann mit 2ml Iodlösung versetzt und haben sie dann in Eiswasser gestellt.

Nach 5 Minuten haben wir die Lösung durch einen G4 Filtertiegel abgesaugt. Den Rest

des entstandenen Niederschlags haben wir mit 2ml Eiswasser in die Fritte gebracht.

Dann haben wir sie mit 25ml Ethanol bei geringem Druck gespült und sie dann mit 25ml

dest. Wasser nachgespült. Diese Lösung haben wir dann photometrisch untersucht.

Eichkurve Coffein

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6

Extinktion

Co

ffein

geh

alt

in

mg

pro

l

Die Eichkurve ist nur eine grobe Zeichnung!!

Wir haben zwei Extinktionen gemessen, einmal eine mit Energy Drink: Red Bull und

einmal eine mit Coca Cola.

(Die Messungen erfolgten bei einer Wellenlänge von 480nm.)

Nach den Versuchen haben wir folgende Extinktionen gemessen:

Energy Drink: Red Bull

Coca Cola

Durch unsere erstellte Eichkurve lässt sich nun der Coffein-Gehalt in mg/l bestimmen.

Für Energy Drink: Red Bull:

294mg/l

Für Coca Cola:

125mg/l

Unsere Ergebnisse Getränk Coffein aus Literatur Coffein gemessen

Red Bull 320mg/l 294mg/l

Coca Cola 100mg/l 125mg/l

Daraus lässt sich schließen, dass wir den Coffein-Gehalt nur ca. bestimmen konnten,

jedoch relativ genaue Angaben bekamen.

0,281 Extinktion

0,117 Extinktion

Geräte: 50ml Bürette, 2x 10ml Pipette, 250ml Becherglas, pH-Meter mit Elektrode,

Magnetrührer mit Rührfisch, Stativmaterial, Rundkolben, Liebigkühler, Heizpilz,

Waage (0,1g – Genauigkeit)

Chemikalien: Cola, Natronlauge (c = 0,05mol/l) Aktivkohle

Versuchsdurchführung: Wir haben 300ml Cola mit 6g pulverisierter Aktivkohle in einem Rundkolben

vermischt. Das Gemisch haben wir ca. 15 Minuten unter Rückfluss mit einem Heizpilz

gekocht. Nachdem die Lösung vollständig abgekühlt ist, haben wir sie filtriert.

Dann haben wir genau 150ml der Lösung in das Becherglas gefüllt und haben diesen mit

einem Rührfisch auf den Magnetrührer gestellt. Dann haben wir die Einstabkette des

pH-Meters so befestigt, dass sie gut in die Lösung eintaucht, den Rührfisch jedoch nicht

berührt. Die Bürette haben wir ebenfalls an dem Stativ befestigt und sie mit 50ml

Natronlauge gefüllt.

Dann haben wir den pH-Wert der Lösung gemessen und unter Rühren des

Magnetrührers Portionsweise (immer 0,5ml) Natronlauge zugegeben. Dann wieder den

pH-Wert gemessen und immer so weiter, bis wir irgendwann 40ml Natronlauge

zugegeben haben und sich der pH-Wert nicht mehr großartig veränderte…

Die Titration mit Natronlauge Das Erhitzen unter Rückfluss

.

Wir haben den Versuch selbst ausprobiert und uns gefragt, woran es liegen könnte, dass

die Cola fontänenartig herausspritzt, wenn man Mentos dazugibt.

Wir haben einige Ideen, woran es liegen könnte, aber wir sind uns sicher, dass es an

mehreren Faktoren liegt.

Wir haben erstmal ausprobiert ein Mentos mit Phosphorsäure zu lösen, da

Phosphorsäure auch in Cola enthalten ist. Dies klappte jedoch weder mit verdünnter

noch mit konzentrierter Säure.

Wir probierten es noch mit Citronensäure und danach in einer Citronensäure-Lösung.

Bei der Citronensäure-Lösung geschah endlich was: Die Oberfläche des Mentos wurde

ganz glatt, der obere Farbstoff wurde komplett gelöst.

Könnte es daran liegen? Löst die Citronensäure in der Cola den Farbstoff, glättet somit

die Oberfläche und die Cola spritzt raus?

Wir machten weitere Versuche….

Wir wollten wissen, wie wichtig die Kohlensäure dabei ist. Also taten wir ein Mentos in

Wasser mit CO2, Mineralwasser. Nichts geschah. Wir gaben ein Mentos in Cola ohne

Kohlensäure. Nichts geschah. Dann wollten wir wissen, wie wichtig die Kohlensäure ist,

also haben wir eine Cola mit nur noch wenig Kohlensäure genommen. Sie sprudelte ein

ganz bisschen, aber nicht wirklich spritzend. Also war klar, dass es schon mal am besten

funktioniert, wenn möglichst viel Kohlensäure in der Cola vorhanden ist.

Liegt es daran? Ist allein die Kohlensäure schuld daran, dass die Cola rausspritzt? Nein,

sonst müsste es in Wasser auch funktionieren.

Also machten wir weitere Versuche…

Wir probierten den Versuch mit gekühlter, mit normaler und mit warmer Cola aus. Mit

der warmen Cola funktioniert es am besten. Wenn die Cola wärmer wird, dehnt sich der

Zwischenraum zwischen den Molekülen aus, das ist klar.

Liegt es endlich daran? Lässt die Oberfläche des Mentos nachdem sie den Farbstoff

verloren hat die Kohlensäure fontänenartig herausspritzen? Wir glauben, nein. Nein,

weil die Citronensäure viel länger als ein paar Sekunden brauch, um die Oberfläche so

zu glätten.

Woran liegt es jetzt wirklich? Wir wissen es leider nicht, jedoch haben wir eine Theorie:

Wenn das Mentos der Cola zugegeben wird, zerstört es den Stoff oder was auch immer

dafür zuständig ist, dass die Kohlensäure in der Cola gehalten wird durch irgendeine

Eigenschaft (wie beispielsweise der Oberfläche). Somit kann die Kohlensäure als Gas

nicht mehr in der (am besten warmen) Cola gehalten werden und sie „will“ raus. Jedoch

bliebe dann die Frage, wieso sie so schnell rausgeht und nicht wie sonst auch wenn man

ein Glas Cola irgendwo stehen lässt, nach einigen Stunden???

Vielleicht werden wir der Sache irgendwann auf den Grund gehen, aber leider haben

wir keine Zeit mehr, um noch mehr Theorien aufzustellen und noch mehr Versuche

dafür durchzuführen…