Filmexperimente im Chemieunterricht Schwerpunkt ... 4.2 Intramolekularer Ringschluss 33 4.2.1 Zucker...

Erste Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien

Wissenschaftliche Hausarbeit

im Fach Chemie

vorgelegt von

Andreas Gerner

Thema:

Filmexperimente im Chemieunterricht –

Schwerpunkt Kohlenhydrate

Gutachter: Dr. Philipp Reiß

Datum: 14.05.2010

I

1. Inhalt

I. Theorieteil 1: Medien und Film .................................................................. 1

1. Einleitung ................................................................................................. 1

2. Medien im Unterricht ................................................................................ 2

2.1 Der Medienbegriff ............................................................................. 2

2.2 Aufgaben von Unterrichtsmedien ...................................................... 3

2.3 Einteilung der Medien ....................................................................... 5

2.4 Anforderungen an die Medien ........................................................... 6

3. Filme im Unterricht ................................................................................... 7

3.1 Zur geschichtlichen Entwicklung des Unterrichtsfilms ....................... 7

3.2 Filmarten .......................................................................................... 8

3.3 Einsatzmöglichkeiten von Unterrichtsfilmen ...................................... 9

3.4 Funktionen von Unterrichtsfilmen .................................................... 10

3.5 Vor- und Nachteile des Einsatzes von Unterrichtsfilmen ................. 12

3.6 Ablauf des Filmeinsatzes im Unterricht ........................................... 13

4. Filme im Chemieunterricht ..................................................................... 15

4.1 Filmkategorien im Chemieunterricht ............................................... 15

4.2 Gründe für den Einsatz von Videoexperimenten im

Chemieunterricht ....................................................................................... 16

4.3 Gestaltung chemischer Demonstrationsexperimente im

Unterrichtsfilm ........................................................................................... 18

4.4 Regeln für die Videoaufnahme von Experimenten .......................... 20

II. Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate .............................................. 22

1. Einleitung ............................................................................................... 22

2. Klassifizierung der Kohlenhydrate .......................................................... 23

3. Photosynthese ....................................................................................... 26

4. Monosaccharide .................................................................................... 27

4.1 Nomenklatur ................................................................................... 27

II

4.2 Intramolekularer Ringschluss .......................................................... 33

4.2.1 Zucker bilden intramolekular Halbacetale aus.......................... 33

4.2.2 Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten der Ringform ........... 35

4.2.3 Mutarotation ............................................................................ 38

4.3 Reaktionen der Monosaccharide .................................................... 41

4.3.1 Reduktion von Monosacchariden ............................................. 41

4.3.2 Oxidation von Monosacchariden .............................................. 42

4.3.3 Glycosidbildung ....................................................................... 44

4.3.4 Reduzierende Zucker und nicht- reduzierende Zucker ............. 47

4.3.5 Der anomere Effekt.................................................................. 47

4.3.6 Hydrolytische Spaltung ............................................................ 48

4.4 Monosaccharide natürlich vorkommender Kohlenhydrate ............... 50

4.4.1 Pentosen (C5H10O5) ................................................................. 50

4.4.2 Hexosen (C6H12O6) .................................................................. 51

5. Disaccharide .......................................................................................... 52

5.1 Nomenklatur der Disaccharide ........................................................ 52

5.2 Reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide ....................... 53

5.3 Wichtige Disaccharide .................................................................... 56

5.3.1 Saccharose ............................................................................. 56

5.3.2 Lactose .................................................................................... 57

5.3.3 Maltose .................................................................................... 58

5.3.4 Trehalose ................................................................................ 58

5.4 Rohrzucker-Inversion ...................................................................... 60

6. Polysaccharide ...................................................................................... 62

6.1 Cellulose ......................................................................................... 63

6.2 Stärke ............................................................................................. 65

6.2.1 Amylose ................................................................................... 65

6.2.2 Amylopektin ............................................................................. 67

6.2.3 Iod-Stärke-Reaktion ................................................................. 68

6.3 Glycogen ........................................................................................ 69

III

6.4 Alginate .......................................................................................... 70

6.4.1 Alginsäuren und Struktur der Alginate ..................................... 70

6.4.2 Gelbildung von Natriumalginat ................................................. 72

III. Experimenteller Teil ............................................................................... 75

1. Einleitung ............................................................................................... 75

2. Nachweisreaktionen .............................................................................. 77

Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose ........................................................ 77

Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion ............................................................ 86

Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide ................................................. 93

Versuchsprotokoll: Tollens-Probe ............................................................ 105

Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis ................................................... 114

Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“ ........................................................ 125

3. Reaktionen der Kohlenhydrate ............................................................. 133

Versuchsprotokoll: Pharaoschlange ........................................................ 133

Versuchsprotokoll: Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure ................... 142

Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat ................................... 149

Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose ........................... 154

Versuchsprotokoll: Stärkespaltung .......................................................... 161

Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“ .............................................................. 169

Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“ ........................................................... 178

Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“ ............................................................... 183

Versuchsprotokoll: „Ampel-Bottle“- Experiment ....................................... 188

4. Optische Aktivität und Stereoisomerie ................................................. 195

Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose ........ 195

Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose .......................................... 208

5. Energiespeicher, Gerüstsubstanz, Energiestoffwechsel ....................... 217

Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker ........................................................ 217

6. Bedeutung und Verwendung................................................................ 228

Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme ................................................... 228

Versuchsprotokoll: Alginate - Restrukturierte Paprikastreifen .................. 237

IV

Versuchsprotokoll: Alginate-Zahnabdruck ............................................... 250

7. Nachwachsende Rohstoffe/ modifizierte Naturprodukte ....................... 258

Versuchsprotokoll: Stärkefolie ................................................................. 258

Versuchsprotokoll: Kupferseide ............................................................... 266

Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle ...................................................... 277

Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung .................................................... 288

Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke ......................................... 298

IV. Literatur- und Abbildungsverzeichnis .......................................... 309

Bücher, Zeitschriften und Dissertationen: ................................................ 309

Elektronische Quellen: ............................................................................ 311

Abbildungsverzeichnis: ............................................................................ 312

V. Anhang ............................................................................................... 313

1. Bedeutung der R- und S-Sätze ............................................................ 313

2. DVD ..................................................................................................... 319

3. Versicherung ....................................................................................... 320

1

I. Theorieteil 1: Medien und Film

1. Einleitung

Kinder und Jugendliche widmen einen Großteil ihrer Freizeit dem Umgang mit

Medien, weshalb diesen auch eine große Bedeutung zukommt. „Des Weiteren

haben Medien eine wichtige Funktion als Hilfsmittel des Lehrens und Ler-

nens“1.

Einer der vielen möglichen Medien für den Schulunterricht ist der Einsatz von

Lehrfilmen. Bereits seit den 1970er Jahren gibt es Tendenzen dazu, Lehrfilme

für den (Chemie-)Unterricht zu produzieren. Auch in anderen Fächern als der

Chemie (Biologie, Geografie, Sport...) werden diese genutzt. Dabei existieren

aber höchstens „schwache Konzepte zum Einsatz der Filme im Schulunter-

richt“2.

Aufgrund technischer Entwicklungen wird es jedoch immer interessanter,

Filmmaterial für den Chemieunterricht zu entwickeln, da die notwendigen

technischen Hilfsmittel nicht mehr ausschließlich in professionellen Filmstu-

dios vorhanden sind. Wie die Filme genutzt werden können, hängt ganz davon

ab, wie die Einbettung in den Unterricht möglich ist.3

In diesem Kapitel wird versucht eine theoretische Grundlage für den Einsatz

von Unterrichtsfilmen im Chemieunterricht zu schaffen. Dazu werden zunächst

Unterrichtsmedien allgemein und ihr mögliches Einsatzgebiet im Unterricht

vorgestellt. Daraufhin wird auf den Einsatz und die verschiedenen Facetten

des Films im Unterricht eingegangen.

Im letzten Teil dieses Kapitels wird dann konkret der Einsatz von Unterrichts-

filmen im Chemieunterricht behandelt.

1 Tulodziecki, G. (1997) S.5ff.

2 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.2



2

2. Medien im Unterricht

Der Lernprozess im Unterricht wird meist durch ein von der Lehrkraft gelenk-

tes Unterrichtsgespräch angestoßen. Die direkte Kommunikation von Lehrer

und Schüler, aber auch von Schülern untereinander, fördert deren Lernfort-

schritte.4 Dabei spielen Sprache, Gestik und Mimik eine zentrale Rolle. Die

Einbindung von Medien in den Unterricht kann die Interaktion einerseits durch

materielle Objekte verstärken. Auf der anderen Seite können mithilfe des Me-

dieneinsatzes im Unterricht personale Interaktionen phasenweise ersetzt wer-

den. Beispiele hierfür sind Schülerexperimente in Einzelarbeit, die Arbeit an

einem Quellentext oder auch das Anschauen von Lehrfilmen.5

2.1 Der Medienbegriff

Der Medienbegriff erscheint in der Umgangssprache und in der pädagogi-

schen Fachliteratur in verschiedenen Kontexten. Birkenhauer definiert Medien

als „Träger von subjektiv ausgewählten und gespeicherten Informationen“6.

Der Begriff „Medium“ stammt aus dem Lateinischen und kann als das Mittlere,

oder das Vermittelnde übersetzt werden. Übertragen auf die unterrichtlichen

Lernprozesse nimmt das Medium somit eine Mittlerfunktion zwischen zwei

Positionen ein, in dem Fall zwischen Lehrer und Schüler. Medien dienen

demnach der Vermittlung und der Überbringung von Mitteilungen, Botschaften

oder Informationen.7 McLuhan erweitert diese Definition. Er versteht unter

einem Medium, „alles, was dem Menschen als Mittel zur Erweiterung seiner

Erfahrungen dient“8. Vor diesem Hintergrund können Medien als Mittler ver-

standen werden, „durch die in kommunikativen Zusammenhängen bestimmte

Zeichen mit technischer Unterstützung übertragen, gespeichert, wiedergege-

ben oder verarbeitet werden.“9

In diesem Zusammenhang versteht man unter Unterrichtsmedien reale Ge-

genstände, die als Lernobjekte oder Hilfsmittel dienen. Betrachtet man ein

4 Zur Erleichterung der Lesbarkeit wird bei geschlechtsgebundenen Personalprono-men und Substantiven weitgehend die maskuline Form verwendet (der Schüler, der Lehrer usw.), ohne dass damit eine Wertung oder inhaltliche Aussage verbunden werden soll. 5 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.15

6 Birkenhauer, J. (1997) S.9

7 Hubalek, F. (1974) S.15

8 McLuhan, N. (1966), zit. n. Hubalek, F. (1974) S.17

9 Tulodziecki, G. (1997) S.37


3

Medium als Lernobjekt, sollen die Schüler mithilfe des Mediums Erfahrungen

sammeln, um die beabsichtigten Lernziele zu erreichen. Als Hilfsmittel werden

Medien genutzt, um den Schülern Lernobjekte zugänglich zu machen oder sie

zu erschaffen.10 Die einzelnen Aufgaben der Medien für die unterrichtlichen

Lehr- und Lernprozesse werden im Folgenden erläutert.

2.2 Aufgaben von Unterrichtsmedien

Der Einsatz von Medien im Unterricht ist heutzutage nicht mehr wegzudenken.

Fraglos erfolgt die Aktivität von Lehrern und Schülern im Unterricht vor dem

Hintergrund der gewünschten Lernfortschritte der Schüler. Genauso wie Un-

terrichtsmethoden können auch Unterrichtsmedien dazu dienen, die Ziele des

Unterrichts und der unterrichtenden Lehrkraft zu realisieren. Medien bieten die

Möglichkeit, „gleichzeitige parallele Lernvorgänge“11 bei den Schülern auszu-

lösen. Von Martial und Ladenthin sprechen in diesem Zusammenhang auch

von „Multiplikatoren“, da der Lernprozess bei allen Schüler gleichzeitig ab-

läuft.12 Maier spricht von einer „fünffachen Zielfunktion“ der Medien:13

1. Medien sind in erster Linie Träger von Informationen, die als Lernobjekte

häufig Informationen über den Lerngegenstand vermitteln.14. Dabei beruht

gerade der Chemieunterricht auf einer Auseinandersetzung mit der chemi-

schen Umwelt und demnach immer auf Erfahrungen. Diese Erfahrungen

werden im Schulalltag gezielt herbeigeführt, indem die chemische Umwelt

durch Medien repräsentiert wird. Medien sind in diesem Falle ein Ersatz

für eine reale Begegnung mit der chemischen Wirklichkeit. Zusätzlich kann

dabei durch den Einsatz von Medien auch eine Hervorhebung nicht direkt

wahrnehmbarer chemischer Prozesse und Informationen erreicht werden,

die ohne einen Einsatz geeigneter Medien nicht wahrgenommen werden

können.

2. Durch den Einsatz von Medien werden die methodischen Fähig- und

Fertigkeiten der Schüler gefördert, wodurch der Einsatz von Medien zu

einer Ausbildung von Medienkompetenz führt. Medienkompetenz meint in

10 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.19



13 Maier, F. (2007) S.29ff.



4

diesem Fall, dass die Schüler dazu befähigt sein sollen, Medien selbst-

ständig produzieren und interpretieren zu können. Ferner sollen die Schü-

ler dazu in der Lage sein, mithilfe von Medien, Informationen selbständig

zu erarbeiten.

3. Die Kommunikationsfähigkeit der Schüler wird durch den Einsatz von

Medien geschult, da allen Schülern die gleiche Information bereitgestellt

wird. Dabei sind vor allem Medien zu nennen, die zur Aufstellung von Hy-

pothesen oder kontroversen Stellungnahmen anregen. Des Weiteren wer-

den durch eine Mitbestimmung der Schüler an der Auswahl und dem Ein-

satz der Medien individuelle Lernprozesse gefördert, was einen Schritt zur

fachlichen und gesellschaftspolitischen Mündigkeit darstellt.

4. Mit Hilfe der Medien kann die Einstellung und Haltung der Schüler ge-

schult werden. So können durch den Einsatz von Medien Informationen

schülergerecht vermittelt werden, indem sich die Schüler durch die Medien

direkt angesprochen fühlen. Besonders geeignet sind hierzu Texte, Bilder

und Filme, die ansprechend auf Schüler wirken.

5. Medien haben die Funktion Handlungsmöglichkeiten freizusetzen. Dabei

sollen die Schüler dazu in der Lage sein, erlernte Handlungsmöglichkeiten

auch in außerschulischen Bereichen anwenden zu können. Zu solchen

Handlungsmöglichkeiten kann ein Projekt zählen, das in einer öffentlichen

Präsentation endet, die geplant und durchgeführt werden soll.

Wie gerade beschrieben erfüllen die vielfältigen Erscheinungsformen von Me-

dien unterschiedliche Funktionen. Medien werden im Unterricht häufig ver-

wendet, um die Aufmerksamkeit und das Interesse der Schüler zu wecken

oder zu lenken. Der Einsatz von Medien im Unterricht soll den Schülern den

Lerngegenstand näher bringen und den Lernprozess aktivieren und aufrech-

terhalten.15 Medien, wie Bücher oder Wandkarten, sind Träger von Informatio-

nen. Medien als Lernobjekte vermitteln häufig Informationen über den Unter-

richtsgegenstand. Andere Medien, wie Werkzeuge oder Experimentiergeräte,

unterstützen das Erlernen von Techniken und Handhabungen. Wiederum gibt

es Medien, wie Lupe oder Mikroskop, die dazu genutzt werden, um den Schü-

lern Gegenstände des Lernens zugänglich zu machen.16 Die Funktion des

Mediums Films wird im Kapitel 3.4 explizit erläutert.




5

2.3 Einteilung der Medien

Hubalek differenziert nach auditiven Medien, visuellen Medien und audio-

visuellen Medien.17 Mit dem Aufkommen des Computerzeitalters entwickelten

sich mehr und mehr die so genannten „Neuen Medien“, die den Nutzern neue

Möglichkeiten des Lehrens und Lernens bieten.

Unter rein auditiven Medien, wie Tonband, CD oder Radio, versteht man akus-

tische Mittler. Sie erfordern von ihren Adressaten ein konzentriertes Hören

und Aufnehmen, Mitdenken und Erfassen bzw. Behalten. Visuelle Eindrücke

sollten möglichst vermieden werden, da diese Ablenkungen herbeiführen und

somit das exakte Zuhören beeinträchtigen können. Des Weiteren sollte der

Lehrer die Nutzung rein auditiver Medien zeitlich limitieren, da die Konzentra-

tion und Aufmerksamkeit der Schüler stark beansprucht wird.18

Die visuellen Medien vermitteln ihre Botschaft rein optisch. Sie können in vi-

suell-statische und visuell-dynamische Medien unterteilt werden. Bilder oder

Dias beinhalten beispielsweise statische Elemente, ein Stummfilm ist ein Bei-

spiel für ein visuell-dynamisches Medium.19 Visuelle Medien verlangen ein

konzentriertes Sehen und Beobachten. Die Schüler nehmen die Bildsprache

auf und modifizieren sie gedanklich zur Wortsprache um.

Audio-visuelle Medien, wie Unterrichtsfilm oder Schulfernsehen, sind akus-

tisch-optische Mittler. Sie nehmen den Seh- und Hörsinn des Nutzers parallel

in Anspruch, jedoch nicht gleichzeitig in demselben Wirkungsgrad.20 Ergän-

zend ist zu erwähnen, dass bei computerbasierten Medien, z.B. bei Compu-

terspielen, neben dem Hör- und Sehsinn auch der Tastsinn angesprochen

werden kann.21

Bezogen auf den Unterricht ergibt sich eine Hierarchie der Effizienz der ver-

schiedenen Vermittlungsformen zum Betrieb eines Gerätes oder zur Durch-

führung eines Experiments: Akustische Vermittlung < Statisch optische Ver-

mittlung < Dynamisch optische Vermittlung < Akustisch-optische Vermittlung

<< Selbstständiges Experimentieren.22

Die sogenannten „Neuen Medien“ vereinen alle modernen Informations- und

Kommunikationstechniken. Das Besondere dieser Techniken liegt in der

„technischen Verknüpfung von Verbreitung und Verarbeitung der Informatio-

17 Hubalek, F. (1974) S.19ff.

18 Hubalek, F. (1974) S.19

19 Tulodziecki, G. (1997) S.38

20 Hubalek, F. (1974) S.19

21 Tulodziecki, G. (1997) S.38f.

22 Diemann, E. (1999) S.9


6

nen unter Etablierung von sog. Multimedia-Systemen und ihre internationale

Vernetzung, z.B. in Form des Internets“23. Der große Vorteil dieser multimedia-

len Mediensysteme sind die digital abgespeicherten Daten, die grundsätzlich

allen Nutzern nach einer individuell zu treffenden Auswahl zu Verfügung ste-

hen. Außerdem besteht die Möglichkeit der interaktiven Nutzung, sodass ein

„Dialog zwischen Medium und dem individuellen Rezipient“24 entsteht. So

können unterschiedliche Aspekte oder Schwierigkeitsgrade eines komplexen

Sachverhalts betrachtet werden.25

2.4 Anforderungen an die Medien

Wie bereits festgestellt, werden Medien im Unterricht eingesetzt, um „äußere

Wahrnehmungen über verschiedene Sinneskanäle und eine dem Lernen dien-

liche Verarbeitung von Informationen zu ermöglichen“26. Die Auswahl bzw.

Konstruktion der Medien muss sorgfältig auf die Schülerklientel abgestimmt

werden. Das Vorwissen und die Fähigkeiten der Schüler sollte daher stets

Berücksichtigung finden. Zudem ist darauf zu achten, dass „die mediale Dar-

stellung dem Lernstand der Adressaten entspricht, der Schwierigkeitsgrad

angemessen ist und die gewählten Darstellungsmittel verständlich sind“27. Der

Lehrer muss sich bei der Entscheidung für ein bestimmtes Medium den Aus-

wirkungen auf den Unterricht bewusst sein und sich im Vorfeld die Frage stel-

len, welche Lernziele mit dem Medium realisiert werden sollen. Auch hierbei

muss er die Lernvoraussetzungen und das Fassungsvermögen der Schüler

berücksichtigen. Außerdem muss das Medium in den vorgesehenen methodi-

schen Kontext passen und für die Realisierung der Ziele und die Vermittlung

der Inhalte geeignet sein.28

Außerdem kann „über die Verwendung eines Mediums im Unterricht […] nicht

vom Medium selbst her entschieden werden“29. Das heißt, der Lehrer sollte

ein bestimmtes Medium nicht einsetzen, weil es eine attraktive Information

bietet. Vielmehr muss die didaktische Eignung im Vordergrund stehen.

23 Demuth, R. & Nick, S. (1999) S.2

24 Demuth, R. & Nick, S. (1999) S.2

25 Riedel, S. (1997) S.34



28 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.60f.



7

3. Filme im Unterricht

Filme sind relativ neue Medien und bilden eine Erweiterung der audio-

visuellen Vermittlungsformen. Sie können jedoch nicht derzeit praktizierte

klassische Methoden wie Frontalunterricht, Projektarbeit, Freiarbeit etc. erset-

zen, sondern lediglich deren Wirkkraft unterstützen.30 Mithilfe des Unterrichts-

films können reale Anschauungen oder originale Begegnungen wiedergege-

ben werden, indem sinnhafte Eindrücke von Bewegungen mit Ton in Form von

Sprache, Musik und Geräusche kombiniert werden.31

3.1 Zur geschichtlichen Entwicklung des Unterrichtsfilms

Im Gegensatz zum Schulfernsehen, das erst Anfang der 1970er Jahre bun-

desweit eingeführt wurde, kann das Medium Unterrichtsfilm auf eine längere

Geschichte zurückblicken. Die Ursprünge des Unterrichtsfilms lassen sich auf

Ende des 19. Jahrhunderts datieren. Die Begeisterung dieses Mediums ist mit

der Möglichkeit begründet, bewegte Abbilder der Wirklichkeit herstellen zu

können. Die ersten, noch tonlosen Unterrichtsfilme beinhalteten astronomi-

sche Aufnahmen, Bewegungen von Tieren oder Entwicklungen aus der Biolo-

gie.

Die Kategorie der Spielfilme wurde in seinen Anfängen als anspruchslose

Schund- und Kitschdarstellungen kritisiert und als erzieherisch gefährlich be-

urteilt. Erzieherisch wertvolle Filme dagegen wurden für den Einsatz im Unter-

richt empfohlen. Im Jahr 1919 errichtete das Zentralinstitut für Erziehung und

Unterricht die erste Bildstelle, zu deren Aufgaben die Beurteilung von Filmen

im Hinblick auf die Eignung für den Unterricht, die Beratung der Filmhersteller

und der Lehrerschaft sowie die Erstellung von Begleitmaterial gehörte. In den

1920er Jahren fanden bereits die ersten internationalen Lehrfilmtagungen

statt, sodass sich relativ schnell genaue methodische Vorstellungen zur Nut-

zung von Unterrichtsfilmen ergaben. Im Juli 1934 wurde die „Reichsstelle für

den Unterrichtsfilm“ errichtet, aus der die heutige Bildstellenorganisation her-

vorging. Die Hauptaufgabe der Reichsstelle lag in der Produktion von Kurzfil-

men, die so genannten „Arbeitsstreifen“, die sich an den Rahmenlehrplänen


31 Toman, H. (2006) S.171


8

orientierten und wegen ihrer hohen technischen Qualität und didaktisch an-

gemessenen Darstellungen großen Anklang fanden. Gegenwärtig ist das „In-

stitut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht“ (kurz: FWU) mit Sitz in

Grünwald bei München Koordinator und Produzent für den Schulfilm und der

maßgebliche Zulieferer der bundesweiten Bildstellen.32

3.2 Filmarten

Man differenziert verschiedene Filmverfahren, -techniken und –typen.

- Der Normalfilm: Bei herkömmlichen Tonfilmen werden die Bilder in einer

Geschwindigkeit von 24 Belichtungen pro Sekunde sichtbar.33 Angesichts

der Trägheit des menschlichen Auges werden die Einzelbilder nicht wahr-

genommen. Es entsteht der Eindruck einer kontinuierlichen Wiedergabe

und eines gewöhnlichen zeitlichen Ablaufs.34

- Zeitlupe: Wird die Anzahl der Belichtungen pro Zeiteinheit bei der Filmauf-

nahme erhöht und wird diese im normalen Tempo wiedergegeben, er-

scheint die Aufnahme langsamer als in der Realität und einzelne Bewe-

gungen lassen sich genauer beobachten. Schnelllaufende Maschinen oder

Wurf- oder Sprungformen lassen sich beispielsweise mit dieser Technik

verdeutlichen.35

- Zeitraffer: Im umgekehrten Fall wird die Anzahl der aufgenommenen Bilder

pro Zeiteinheit stark verringert. Die einzelnen Bilder werden mit zeitlicher

Verzögerung aufgenommen, um so den Zeitablauf schneller als in Wirk-

lichkeit wiederzugeben. Mit dieser Methode kann beispielsweise das Öff-

nen einer Wasserrose oder die Entstehung eines Spinnennetzes zeitlich

gerafft dargestellt werden.36

- Trick- und Zeichenfilme: Diese Filmform wird häufig verwendet, um „in

vereinfachter Form komplizierte Prozesse erkennbar zu machen und Ge-

schehnisse zu illustrieren, die man normalerweise nicht sehen kann“37.

Beispielsweise können maschinelle Funktionen und Abläufe durch Trick-

und Zeichentechniken veranschaulicht werden.

32 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.247f.




36 Toman, H. (2006) S.170

37 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.79


9

- Röntgenfilme: Diese Technik wird genutzt, um Prozesse und Bewegungen

darzustellen, die unter normalen Umständen für das menschliche Auge

nicht sichtbar sind.38

- Mikrofotofilme: Bei dieser Filmkategorie werden Kamera und Mikroskop

verknüpft, um Aufnahmen wiederzugeben, „deren mikroskopische Größe

uns ohne die geschaffenen technischen Voraussetzungen verborgen blie-

be“39. Im Bereich der Biologie findet dieses Verfahren häufig Anwendung,

beispielsweise bei Filmen über die Blutkörperchen oder die Zellteilung.

3.3 Einsatzmöglichkeiten von Unterrichtsfilmen

Andersen und Sörensen nennen sechs mögliche Einsatzbereiche von Unter-

richtsfilmen:40

1. Der Film zur Veranschaulichung: Die meisten Unterrichtsfilme dienen dem

Zweck der Veranschaulichung. Prozesse und Darstellungen sollen dem-

nach deutlicher und übersichtlicher wiedergegeben werden, als es eine

reale Schau ermöglichen würde.

2. Der Film als Arbeitsgrundlage: Oft bietet es sich an, Filme als Einführung

zu Gruppenarbeiten, Exkursionen, als Arbeitsgrundlage für ein Projekt

oder eine Versuchsreihe zu zeigen.

3. Der Film zur Problemstellung: Manche Filme sind als so genannte „Open-

End“-Filme aufgebaut. Sie werfen zwar Probleme auf, beziehen jedoch

weder Stellung dazu, noch weisen sie Lösungsansätze auf. Diese Einsatz-

form bietet besonders in höheren Klassen eine anregende Diskussions-

grundlage.

4. Der Film zur Aufsatz- und Stilerziehung: Zu diesem Zweck kann der Film

beispielsweise bestimmte Emotionen auslösen und damit eine schriftliche

Aussage initiieren. Weiterhin bietet er sich als Vorlage für das Verfassen

von Filmkritiken oder für das Ausarbeiten einer Nacherzählung bzw. eines

Referats an.



40 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.84f.


10

5. Der Film zur Vervollständigung der Arbeit: Zum Ende einer umfangreichen

Unterrichtseinheit ist ein Abschlussfilm als vertiefende Zusammenfassung

denkbar.

6. Der Sprachlehrfilm: Diese Filme können im fremdsprachlichen Unterricht

eingesetzt werden, um in einer handlungsbezogenen Form den Schülern

die fremde Sprache in „heimatlicher Umgebung“ sowie in natürlicher

Sprechgeschwindigkeit und Mundart vorzustellen.

3.4 Funktionen von Unterrichtsfilmen

Aufgrund der nachfolgend beschriebenen Funktionen ist der Unterrichtsfilm

gegen andere pädagogisch relevante filmische Gestaltungsformen, wie der

Informationsfilm, der Erlebnisfilm oder der Erziehungsfilm, abzugrenzen.

Der Unterrichtsfilm vertritt die Wirklichkeit

„Die Schule hat eine Mittlerfunktion zwischen Mensch und Wirklichkeit. Sie

muss versuchen, den Heranwachsenden mit der ihn umgebenen Wirklichkeit

in Beziehung zu setzen, damit er befähigt wird, sein Dasein selbstständig zu

übernehmen“41. Die wachsenden Bereiche der Wirklichkeit führen dazu, dass

immer weniger Wissen in unmittelbarer Erfahrung gewonnen werden kann.

Aufgrund dessen wird dem Medium Film im Unterricht eine nicht zu unter-

schätzende Rolle zugeschrieben. Auch wenn er nur ein zweidimensionales

Abbild der Wirklichkeit wiedergibt, kann er doch die analoge Stellvertretung

eines Gegenstandes bzw. eines Vorgangs, der Wirklichkeit, sein.42

Der Unterrichtsfilm interpretiert die Wirklichkeit

Eine weitere Funktion des Unterrichtsfilms liegt in der didaktischen Reduktion

der Wirklichkeit. Der Lehrer hat die Möglichkeit ein Geschehen zu wiederholen

und es nach seinen Absichten einzuteilen, sodass durch den Film eine didak-

tisch manipulierte Wirklichkeit entsteht, die man nach ihren didaktischen Inten-

tionen verwenden kann.43 So können mithilfe des Unterrichtsfilms Sachverhal-

te und Vorgänge dargestellt werden, „die räumlich entfernt und dadurch nicht

unmittelbar zu erleben sind, die sich aufgrund der Größenverhältnisse einer

41 Krauss, H. (1972) S.24

42 Krauss, H. (1972) S.24f.

43 Krauss, H. (1972) S.27ff.


11

unmittelbaren Beobachtung entziehen, die eine lange Verlaufsdauer haben

und deshalb in allen Phasen nicht unmittelbar beobachtet werden können, die

so schnell ablaufen, dass sie nur durch filmische Mittel der Beobachtung zu-

gänglich gemacht werden können“44.

Der Unterrichtsfilm vermittelt Wissen

Eine weitere, sehr zentrale Funktion von Unterrichtsfilme liegt in der Wissens-

vermittlung. Dabei kann es sich um reines Faktenwissen handeln, aber auch

um Wissen, dass auf Verstehen angelegt ist. In diesem Zusammenhang för-

dert der Film das problemorientierende und denkende Erfassen von Bezie-

hungen und Verkettungen.45

Der Unterrichtsfilm erleichtert das Lehren und Lernen

Dieser Aspekt wird zum einen erreicht, indem der Film die Lernmotivation der

Schüler durch Interesseweckung, Veranschaulichung, Problematisierung, pro-

zesshafte Darstellung sowie geistige Aktivierung erhöht. Zudem können durch

Veranschaulichungen, didaktische Reduktionen, Interpretationen, optische

Akzentuierungen und Lenkung der Aufmerksamkeit die Sachauseinanderset-

zungen gesteuert und erleichtert werden. Außerdem unterstützt der Film die

Stoffsicherung und hilft, Eingesehenes auf neue Sachverhalte zu übertra-

gen.46

Der Unterrichtsfilm objektiviert Lehrfunktionen

Diese Funktion besagt, dass bestimmte Grundfunktionen des Lehrens an das

Medium Film übertragen werden. Diese Grundfunktionen liegen darin, dass

der Schüler zu selbstständiger Auseinandersetzung mit dem Lerngegenstand

angeregt wird, dass schwer zugängliche Inhalte didaktisch transformiert und

übermittelt werden müssen, und dass das neu Erlernte gespeichert wird und

auf neue Situationen übertragen werden kann.47

44 Krauss, H. (1972) S.31

45 Krauss, H. (1972) S.99f.

46 Krauss, H. (1972) S.100

47 Krauss, H. (1972) S.100


12

3.5 Vor- und Nachteile des Einsatzes von Unterrichtsfilmen

Mit dem Einsatz von Filmen werden einzelne Unterrichtssequenzen „anschau-

licher, lebendiger, abwechslungsreicher, konkreter und attraktiver“48 gestaltet.

Der technische Status des Mediums Film erleichtert die Lehre in vielerlei Hin-

sicht. Ein Vorteil ist die Erweiterung, Überwindung und Aufhebung von Zeit

und Raum. Es sind Ansichten aus verschiedenen Perspektiven, im Mikro- und

Makrobereich sowie modellhaft statische oder dynamische, wirklichkeitsge-

treue Darstellungen möglich. Des Weiteren kann der Film nach Belieben ge-

stoppt oder auch nur szenenweise gezeigt werden. Außerdem lassen sich

akustische Signale bei Bedarf ausblenden.49 Durch den Einsatz von Unter-

richtsfilmen, oder generell technische Medien, spart der Lehrer sehr viel Arbeit

und Zeit. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die Präsentation eines

Unterrichtsfilms „die Realität der Welt – wenn auch aus zweiter Hand – ins

Klassenzimmer“50 kommt. Zudem erhöhen Filme durch ihre attraktive Erschei-

nungsform und ihren Aufforderungscharakter die Aufmerksamkeit der Schüler.

Weiterhin wirken sich Filme positiv auf die langfristigen Lernerfolge der Schü-

ler aus, da sich visuell Gelerntes dauerhafter einprägt.51 Im Rahmen der Me-

dienerziehung unterstützt der Einsatz von Unterrichtsfilmen somit den Lern-

prozess der Schüler als auch den Aufbau einer mündigen Haltung gegenüber

Medien.52

Ein Nachteil des Unterrichtsfilmes kann der „Charakter als Fertigprodukt“53

sein. Dies bedeutet, dass die Lehrperson keine (oder kaum) Einflussnahme

auf den vorproduzierten Unterrichtsfilm nehmen kann. Die Videos sind fremd-

bestimmt, wodurch auch häufig Methoden, Ziele und Inhalte des Unterrichts

mitbestimmt werden.

Ein weiterer negativer Aspekt des Unterrichtsfilms kann in einer Fülle von De-

tails liegen, die durch den Film vermittelt werden. Dies kann zu einer Reiz-

überflutung seitens der Schüler führen. 54

48 Hubalek, F. (1974) S.12

49 Toman, H. (2006) S.171

50 Hubalek, F. (1974) S.12

51 Hubalek, F. (1974) S.12

52 Toman, H. (2006) S.171

53 Birkenhauer, J. (1997) S.197f.

54 Birkenhauer, J. (1997) S.197f.


13

3.6 Ablauf des Filmeinsatzes im Unterricht

Die Unterrichtsstunde ist in die Hinführungs-, Bearbeitungs- und Verarbei-

tungsphase gegliedert. Bei der Planung von Unterricht ist zu prüfen, in wel-

chen Phasen geeignete Unterrichtsfilme einen Beitrag zur Verwirklichung der

angestrebten Lernziele zu leisten versprechen. Je nach filmischen Darstellun-

gen und Informationen eignet sich der Unterrichtsfilm beispielsweise mehr für

den Themeneinstieg, für Zusammenfassungen oder Wiederholungen, oder für

die zentrale Bearbeitungsphase.55

Der häufigste didaktische Ort für den Einsatz von Unterrichtsfilmen ist die Be-

arbeitungsphase. In dieser Phase werden die Schüler aktiv und arbeiten

selbstständig an ihrem persönlichen Lernprozess. Nach dem Einstieg in die

Unterrichtseinheit in der Hinführungsphase erfolgt die Vorbereitung auf den

Filmeinsatz. Die eigentliche Filmvorführung gliedert sich in Informationsauf-

nahme durch Sehen des Films und Informationsverarbeitung durch die schrift-

liche Fixierung. Es können Beobachtungsaufgaben und Arbeitsaufträge vom

Lehrer gegeben werden, die selbstständig oder in Partner- bzw. Gruppenar-

beit bearbeitet werden können.56 Der Auswertungsphase sollte viel Zeit einge-

räumt werden, um „sinnvolle Verknüpfungen mit bereits Gelernten sowie die

Einspeicherung der neuen Inhalte und ihre Verarbeitung“57 zu gewährleisten.

Die Nachbereitung wird oft für den wichtigsten Teil bei der Arbeit mit einem

Unterrichtsfilm angesehen. Die gemeinsame Reflexion über das Gesehene

spielt eine tragende Rolle für die Verdeutlichung und Verfestigung der gewon-

nenen Erkenntnisse. Außerdem hat der Lehrer in dieser Phase die Möglich-

keit, aufgetretene Missverständnisse zu korrigieren und schwierige Filmse-

quenzen zu erläutern.58 Abschließend erfolgt die Ergebnissicherung durch den

Lehrer.

Im Laufe des Einsatzes von Unterrichtsfilmen üben die Schüler zahlreiche

Tätigkeiten aus. Sie umfassen das aufmerksame Zuschauen und Zuhören,

das Gegenüberstellen der neuen Informationen mit dem eigenen Vorwissen,

der Vergleich von Film und die Wirklichkeit, die mündliche und/ oder schriftli-

che Bearbeitung von Arbeitsaufträgen und Aufgabenstellungen sowie die kriti-

sche Reflexion der Filminhalte.59 Der Lehrer trägt, wie auch beim Einsatz an-


56 Maier, F. (2007) S.45

57 Toman, H. (2006) S.172


59 Toman, H. (2006) S.173


14

derer Medien, die Verantwortung. Er muss im Vorfeld des Einsatzes von Fil-

men im Unterricht zahlreiche Überlegungen tätigen. Bei der Abwägung des

Für und Wider von Unterrichtsfilmen müssen stets die pädagogischen und

altersmäßigen Erfordernisse, die Komplexität der Inhalte, die Art der Darstel-

lung, das Vorwissen der Schüler sowie das Anspruchsniveau der Sprache

Berücksichtigung finden. Zudem sollte der Film interessante und aktuelle

Problemstellungen sowie adressatengerechte, anregende und aussagekräfti-

ge Darstellungen beinhalten. Der Bezug zur Lebenswirklichkeit der Schüler

spielt somit eine zentrale Rolle.60 Weiterhin sollten die Aspekte „der Anregung,

der Fantasie, das Zulassen individueller Lösungen, die Möglichkeit von sinn-

vollen Anknüpfungspunkten für andere Fächer, der Einsatz von quantitativen

bzw. qualitativen Differenzierungen, die Vermittlung von sach- und fachspezi-

fischen Arbeitsweisen, die Anregung von sozialen Lernformen, die Möglichkei-

ten der Selbstkontrolle sowie die Realisierung von Angeboten für den Offenen

Unterricht“61 zumindest teilweise umgesetzt werden. Der Lehrer hat weiterhin

die Aufgabe, die Verarbeitungs- und Auswertungsphase zu organisieren und

zu leiten sowie die Aufgaben und Arbeitsmaterialien zu erstellen. Er wird pri-

mär als Helfer, Moderator und Berater tätig.62

60 Toman, H. (2006) S.171f.

61 Toman, H. (2006) S.172

62 Toman, H. (2006) S.173


15

4. Filme im Chemieunterricht

Filme stellen ein „Laufbild“ dar, weshalb sie sich besonders zur Darstellung

von prozesshaften Sachverhalten, zu denen auch die Experimente zählen,

eignen. Dabei kommen die Filme, neben konkreten, dreidimensionalen Dar-

stellungen, dem Realexperiment am nächsten. Die Phänomene werden in

ihren originalen Abläufen gezeigt, wodurch weitestgehend ein naturgetreues

Abbild der Wirklichkeit dargestellt wird.

4.1 Filmkategorien im Chemieunterricht

Wie bereits in Kapitel 2.2 erläutert, gibt es verschiedene Filmarten. Wensch-

kewitz und Menge nennen vier Filmkategorien speziell für den Chemieunter-

richt:63

1. Komplettfilme: Diese Filmkategorie befasst sich beispielsweise mit techni-

schen Prozessen der chemischen Industrie. Der Film beinhaltet ein abge-

schlossenes Thema und ist daher eine Art Fertigprodukt, weshalb die Ge-

fahr besteht, dass einzelne gesprochene Fachtermini von den Schülern

nicht verstanden werden. Lange Zeit war diese Filmart vorherrschend. Die

Produktion lag bei der FWU und der chemischen Industrie. Den Komplett-

filmen wird dann ein Recht auf den Einsatz im Unterricht eingeräumt, wenn

sie die Motivation der Schüler steigern, „den Alltagsbezug zum Thema

herstellen, Aktualität vermitteln oder einen Spannungsbogen erzeugen“64.

2. Trickfilme: Diese Gattung wurde bereits in Kapitel 2.2 dargestellt. Im Che-

mieunterricht eignen sich Trickfilme im Bereich der Materievorstellung,

beispielsweise zur Veranschaulichung kleinster Teilchen und ihres Verhal-

tens. Um Modellvorstellungen zu visualisieren, etablierte sich diese Kate-

gorie bereits sehr früh im Chemieunterricht. Möglich sind Tricktechniken,

die chemische Prozesse simulieren, wie Vorgänge an Elektroden bei der

Elektrolyse. Auch Animationsfilme, die einen molekularen Aufbau verdeut-

lichen oder das Darstellen von Orbitalen, fallen in diese Kategorie.

3. „Adventures“: Bei den sogenannten „Adventures“ werden die Trickfilme

beispielsweise durch „virtuelle Experimente“ aufgemischt. Chemische

63 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.2f.



16

Real-Experimente oder Modell-Experimente, die gegebenenfalls gefährlich

oder kostspielig sind, werden in einem „Adventure“ nachgestellt. Dabei

werden Geräte und der Verlauf des Experiments trickfilmartig in Abhängig-

keit der experimentellen Bedingungen gesteuert. Wie bei den alltäglichen

Videospielen wird beim Einsatz von „Adventures“ riskiert, dass die Schüler

aufgrund des spielerischen Charakters den inhaltlichen Kontext vernach-

lässigen. Weiterhin ist zu beachten, dass derzeit noch kein wissenschaftli-

cher Nachweis der Wirksamkeit dieser Methode vorliegt.

4. Videosequenzen: In dieser Filmkategorie werden einzelne Experimente

oder Experimentalsequenzen dargestellt. Durch den Videofilm soll keine

Komplettlösung für das Lernen geschaffen werden, vielmehr sollen „mög-

lichst universelle Informationsschnipsel“65 didaktisch eingebettet werden.

Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, gibt es einige Methoden, um die Filme inhalt-

lich zu bearbeiten. Die Techniken der Zeitlupe oder die des Zeitraffers eignen

sich besonders für Experimentalfilme im Chemieunterricht. So können bei-

spielsweise mithilfe der Methode der Zeitlupe schnell ablaufende Reaktionen

veranschaulicht werden. Beispiele für das Verfahren der Zeitraffung sind lang-

sam ablaufende Farbreaktionen (siehe auch DVD, Video: Fehling-Glucose)

In dem praktischen Teil meiner Arbeit habe ich zahlreiche Experimente zum

Thema Kohlenhydrate gefilmt. Diese fallen in die Filmkategorie der „Videose-

quenzen“ (s.o.). Im weiteren Verlauf des theoretischen Teils meiner Arbeit

werde ich daher speziell auf den Einsatz von Videoexperimenten im Chemie-

unterricht eingehen.

4.2 Gründe für den Einsatz von Videoexperimenten im Chemieunterricht

Die in Kapitel 2.5 genannten Vorteile gelten für den Einsatz von Unterrichtsfil-

men in jedem beliebigen Fach. Nachfolgend werden Gründe für den Einsatz

von Videoexperimenten vornehmlich im Chemieunterricht aufgeführt.

Zunächst muss betont werden, dass Videosequenzen traditionelle Demonstra-

tionsexperimente nicht komplett aus dem Unterricht verdrängen sollen und

werden. Dennoch gibt es zahlreiche Gründe, warum Experimente als Videos



17

aufgenommen und in den Unterricht integriert werden sollten. Die Arbeit mit

Filmen im Chemieunterricht erscheint in den Fällen begründet, wenn „konkrete

Begegnungen oder andere technische oder nichttechnische Mittler nicht oder

nur unzureichend als Informationsträger dienen oder zur Verfügung stehen“66.

Ein großer Vorteil in dem Einsatz von Videoexperiment gegenüber dem realen

Experiment ist die beliebig häufige Reproduzierbarkeit des Experiments ohne

die Entstehung von Kosten und Aufwand. Viele Experimente, wie die der flüs-

sigen Luft oder Silbersalze (siehe DVD, Video: Tollens-Probe), verlangen zu

teure Geräte oder Chemikalien, um sie mehrfach an einer Schule durchführen

zu können. Ebenso können zahlreiche Versuche, wie die mit giftigen Chemi-

kalien oder mit Explosionseffekten, im Unterricht oft nicht durchgeführt wer-

den, da sie zu gefährlich oder zu umweltbelastend sind. In diesen Fällen bie-

ten sich Videoexperimente an (siehe DVD, Video: Schießbaumwolle). Die Ef-

fekte im Video sind zudem wesentlich klarer für alle Schüler erkennbar, als es

bei einem Live-Experiment im weitläufigen Chemiesaal der Fall wäre.67 Videos

bieten zudem die Möglichkeit, wichtige Effekte mit speziellen Techniken zu

bearbeiten. Durch die Methode der Zeitraffung können sehr langsam ablau-

fende chemische Prozesse (siehe DVD, Video: Polarimetrische Untersuchung

von Saccharose) schneller als in Wirklichkeit und zeitlich gerafft wiedergege-

ben werden. Sehr schnell ablaufende Prozesse und Reaktionen lassen sich

mithilfe der Zeitlupen-Technik beobachterfreundlich darstellen. Anhand von

Makroaufnahmen können auch für das menschliche Auge schwer erkennbare

Szenen verdeutlicht werden (siehe DVD, Video: Cellulosedarstellung).

Bei den so genannten Doppelaufnahmen wird auf der einen Bildschirmhälfte

der eigentliche chemische Vorgang gezeigt und parallel dazu erfolgt auf der

anderen Bildschirmseite die quantitative Versuchsauswertung. Ein Beispiel

hierfür wäre die Titration von Salzsäure mit Natronlauge.68

Oft scheitert die Versuchsdurchführung im Unterricht, da der Aufwand für die

Vorbereitung und die Durchführung den zeitlichen Rahmen einer Unterrichts-

stunde sprengen würde. In solchen Fällen kann der Lehrer den Versuch in

Form eines Videos präsentieren oder den Versuch „live“ vorführen und, falls

die Zeit zur Besprechung des Experiments in der Stunde nicht ausreichend ist,

in der Folgestunde oder als Hausaufgabe das entsprechende Video als Wie-

derholung einsetzen (siehe DVD, Video: Mutarotation von Glucose). In der

Regel ist das einzelne wiedergegebene Videoexperiment von kurzer Dauer,

66 Toman, H. (2006) S.171


68 Maier, F. (2007) S.39f.


18

sodass im Unterricht viel Zeit für Interaktionen bleibt. Die Zeit für den Auf- und

Abbau des Experiments entfällt, womit mehr Zeit für die Reflexion etc. vor-

handen ist. Ferner können die Experimentalvideos zur Auffrischung vor einer

Klausur genutzt werden. Im heutigen Computerzeitalter ist es außerdem mög-

lich, dass sich die Schüler die Videos als Heimexperimente anschauen und

dazu passende Arbeitsblätter bearbeiten. Viele Versuche sind Teil einer expe-

rimentellen Reihe, „deren vollständige Bearbeitung aus ökonomischen Grün-

den nicht vertretbar ist“69. Auch in diesen Fällen bietet sich der Einsatz von

Experimentalvideos an. Die wirklichkeitsgetreue Wiedergabe der Experimente

ermöglicht eine dynamische Darstellung der Abläufe und Prozesse, sodass

die Anschaulichkeit und Motivation gesteigert wird. Zudem prägen sich die

Unterrichtsfilme besser in das Gedächtnis der Schüler ein, als reine Ver-

suchsskizzen mit Erklärungen, „da zusätzlich zu der bildlichen Wahrnehmung

auch noch die auditive Sinneswahrnehmung angesprochen wird“70.

4.3 Gestaltung chemischer Demonstrationsexperimente im Unterrichtsfilm

Schmidkunz71 hat neun Wahrnehmungsgesetze der Gestaltungspsychologie

formuliert, um die Darbietung chemischer Experimente zu optimieren. Diese

Grundsätze sollten auch bei der Aufnahme von Videoexperimenten weitest-

gehend umgesetzt werden.

1. Das Gesetz der Einfachheit

Das Gesetz der Einfachheit besagt, dass ein Versuchsaufbau von den Schü-

lern umso deutlicher wahrgenommen wird, je einfacher er im Aufbau ist. Dem-

nach sollte die Komplexität des Beobachtungsgegenstandes weitestgehend

reduziert werden. Diese Reduktion kann beispielsweise durch eine möglichst

geringe Anzahl von Geräteteilen erreicht werden.

2. Das Gesetz der glatt durchlaufenden Kurve

Dieses Gesetz gibt Auskunft über die Anordnung der Laborgeräte. Der Reak-

tionsweg in einer Apparatur sollte von dem Beobachter gut, schnell und ein-

deutig verfolgt werden können. Dementsprechend sollten Verbindungsschläu-


70 Maier, F. (2007) S.39

71 Schmidkunz, H. (1983) S.360 ff.


19

che und Einleitungsrohre möglichst in glatt, in waagerechter Position verlau-

fen.72

3. Das Gesetz der Gleichartigkeit

Das Gesetz der Gleichartigkeit besagt, dass gleiche Elemente einer Apparatur

zu einer Gruppenbildung führen. Diese Gleichheit kann die Form, die Größe

und die Farbe betreffen. Daher sollten die verschiedenen Funktionsteile einer

apparativen Anordnung durch unterschiedliche Geräteformen gekennzeichne-

te werden. Weiterhin besagt das Gesetz der Gleichartigkeit, dass auch die

Größenanordnungen der Apparateteile hinsichtlich ihrer Bedeutung stimmen

müssen.

4. Das Gesetz der Nähe

Dieses Gesetz wird oft mit dem Gesetz der Gleichartigkeit (s.o.) in Verbindung

gebracht. Dicht beieinander liegende Gegenstände werden vom Betrachter als

zusammengehörig empfunden. Um die Wahrnehmung der Schüler nicht zu

beeinträchtigen, sollten für die Reaktion funktionslose Geräte nicht in unmit-

telbarer Nähe zur Apparatur stehen. Befinden sich die einzelnen Teile zu nahe

aneinander, führt dies zu einer optischen Verschmelzung und eine einpräg-

same Wahrnehmung der einzelnen Funktionen wird schwer zu erreichen sein.

Verstärkt würde dieser Sachverhalt durch gleiche Formen der Gefäßteile.

5. Das Gesetz der Symmetrie

Symmetrisch angeordnete Versuchsapparaturen werden vom Beobachter

schneller und lang anhaltender eingeprägt. Besonders bei komplizierten und

umfangreichen Versuchsbauten sollte eine symmetrische Geräteanordnung

realisiert werden.

6. Das Gesetz der Dynamik von links nach rechts

In unserem Kulturkreis nimmt der Mensch Bewegungsrichtungen von links

nach rechts wahr. Wir schreiben, zeichnen und lesen von links nach rechts

und betrachten Bilder von links oben nach rechts unten. Daher sollte auch für

die Schüler der Reaktionsfluss stets von links nach rechts verlaufen.

7. Das Gesetz des Figur-Grund-Kontrastes

Dieses Gesetz besagt, dass die Gestaltung des Hintergrunds möglichst kont-

rastierend erfolgen sollte. Nur so heben sich beispielsweise Glasgeräte vom

Hintergrund ab und können von den Schülern gut wahrgenommen werden.

Des Weiteren führt die Verwendung von verschiedenfarbigen Schläuchen,

beispielsweise für Kühlwasser und Gase, zu erhöhter Übersichtlichkeit.

8. Das Gesetz der objektiven Einstellung

72 Maier, F. (2007) S.18


20

Wird eine Reihe von Elementen nach einem bestimmten Prinzip gestaltet,

entwickelt der Betrachter die Tendenz, den Elementen eine bestimmte Funkti-

on zuzuordnen. Auch neu hinzugefügte Elemente werden nach diesem Prinzip

kategorisiert. Wenn beispielsweise ein Schüler ein bestimmtes Gefäß mit ei-

ner bestimmten Funktion kennen lernt, wird er dieses Gefäß bei anschließen-

den Versuchen immer wieder mit dieser Funktion in Verbindung bringen. De-

mentsprechend sollten in allen Versuchen die gleichen Geräte stets dieselben

Zwecke erfüllen.

9. Das Gesetz des gemeinsamen Schicksals

Dieses Gesetz besagt, dass der Betrachter eine Zusammengehörigkeit von

Versuchsapparaturen empfindet, wenn diese gleichzeitig und zusammen be-

wegt werden. Folglich sollten niemals mehrere Versuchsapparaturen auf ei-

nem Wagen vor den Augen der Betrachter in dem Demonstrationsraum ge-

schoben werden. Der Betrachter könnte dies irrtümlicherweise als eine Ver-

bindung der beiden Apparaturen interpretieren. Dies würde die Wahrnehmung

und letztendlich den Lernerfolg beeinträchtigen. Bei Experimentalvideos

kommt dieses Gesetz selten zum Tragen, da die Versuchsapparatur meist vor

der Kamera fixiert ist.

4.4 Regeln für die Videoaufnahme von Experimenten

Der Einsatz von Videos, speziell Experimentalvideos, im Chemieunterricht

setzt eine gewissenhafte und gründliche Produktion und Aufnahmetechnik

voraus. Bis jetzt habe ich mich bei meinen Ausführungen größtenteils auf vor-

handene Fachliteratur bezogen. Anhand meiner Erfahrungen bei meiner prak-

tischen Arbeit sowie der Arbeiten von Wenschkewitz und Menge73 und Maier74

werde ich nun einige Hinweise für die Herstellung von Videoexperimenten

darlegen.

1. Zum Aufnehmen der Filme sollte die Kamera auf einem Stativ befestigt

sein, um verwackelte Aufnahmen zu vermeiden.

2. Vor dem Filmen der Videos sollte man sich über den Ablauf des Versu-

ches im Klaren sein. Dies schließt auch ein, dass man weiß, welcher Aus-

schnitt des Versuchs später im Video gezeigt werden soll. Dazu hat es

73 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.14f.

74 Maier, F. (2007) S.96ff.


21

sich als nützlich erwiesen, ein kleines „Drehbuch“ zu schreiben, indem die

einzelnen Sequenzen mit Kameraeinstellungen niedergeschrieben wer-

den. Hierbei kann es auch hilfreich sein, bereits den Text des späteren Vi-

deos niederzuschreiben um die Länge der Szene und auch die Geschwin-

digkeit des Experimentierens anpassen zu können.

3. Auf dauerhafte Toninformationen, wie das Rauschen eines Abzugs, sollte

verzichtet werden, da sie beim Ansehen des Filmes als störend empfun-

den werden.

4. Auf jegliche bildliche Nebeninformationen, die vom eigentlichen Film ab-

lenken, sollte verzichtet werden. Dazu gehören Geräte mit Gebrauchsspu-

ren, grelle Hintergründe, nicht verwendete Geräte und jegliche Art von

Bewegung im Hintergrund (beispielsweise flimmernde Schatten).

5. Die experimentierende Person sollte nur so viel wie gerade nötig sichtbar

sein. Des Weiteren sollte sie keine auffälligen Kleidungsstücke oder Kör-

perschmuck (Uhren, Tätowierungen etc.) tragen, die im Bild zu sehen sind.

6. An aufgenommenem Videomaterial sollte nicht gespart werden. So lohnt

sich in den meisten Fällen ein „Leerlauf“, indem die Kamera einige Sekun-

den vor und nach dem Versuch läuft. Diese Zeit kann dann später bei-

spielsweise zum Besprechen der Videos dienen.

Das Rausschneiden von Szenen ist immer einfacher als fehlende Zeit zu

ersetzen!

7. Beim Aufnehmen der Videos hat es sich als äußerst hilfreich erwiesen mit

zwei Kameras parallel zu arbeiten. Auf diese Weise kann mit einer Kamera

der gesamte Versuch gefilmt werden, während man mit der zweiten Kame-

ra einen wichtigen Aspekt in Nahaufnahme zeigt. Oftmals ist es hilfreich,

den Versuch aus zwei verschiedenen Blickwinkeln zu zeigen.

8. Die Vorbereitung, Durchführung und auch die Nachbereitung (Schnitt, Ver-

tonung usw.) der Videoexperimente nimmt lange Zeit in Anspruch, die

nicht mit der einfachen Durchführung von Experimenten im Labor ver-

gleichbar ist. Dies muss berücksichtigt werden, da beim Arbeiten unter

Zeitdruck oftmals nicht die gewünschten Ergebnisse zu erzielen sind.

9. Die für diese Arbeit gefilmten Versuche wurden größtenteils alleine gefilmt.

Generell ist es wohl besser, wenn man zumindest zu zweit ist, da dann ei-

ne Person experimentiert und die andere Person die Kamera bedienen

kann. Auf diese Weise können Fehler in der Kameraeinstellung besser er-

kannt werden.

22

II. Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate

1. Einleitung

Die Kohlenhydrate sind eine wichtige Gruppe von natürlich vorkommenden

organischen Verbindungen. Sie sind die mengenmäßig häufigste Verbin-

dungsklasse der bewegten Welt, die mehr als 50 Prozent des Trockenanteils

der auf der Welt existierenden Biomasse ausmacht.75 Dabei erfüllen die Koh-

lenhydrate in der Natur vielfältige Funktionen und auch industriell finden die

Kohlenhydrate in verschiedensten Bereichen ihre Anwendung.

Die Kohlenhydrate gehören zur Stoffklasse der nachwachsenden Rohstoffe,

die gemeinsam mit Fett und Eiweiß die Nahrungsgrundlage bilden.

So sind uns die Kohlenhydrate beispielsweise in Form von Stärke, welche den

Hauptanteil unserer Grundnahrungsmittel Brot, Reis und Kartoffeln ausmacht,

oder auch als der gewöhnliche Haushaltszucker geläufig. In diesem Fall die-

nen uns die Kohlenhydrate als Energiespeicher, der zu Wasser, Kohlendioxid

und Wärme (oder einer anderen Energieform) abgebaut wird.76

Andere Verbindungen dieser Stoffklasse verleihen Pflanzen, Blumen, Gemüse

und Bäumen ihre Struktur. In diesem Fall dienen die Kohlenhydrate als Ge-

rüststoffe.

Weitere Kohlenhydrate dienen der Erkennung an der Oberfläche von Zellen.

So war das erste Ereignis in unserem Leben die Erkennung bestimmter Koh-

lenhydrate auf der Eizelle von einer Spermienzelle.77

So vielfältig die Aufgaben der Kohlenhydrate sind, so vielfältig sind auch die

Strukturen und Verbindungen der Kohlenhydrate. In diesem Kapitel sollen

wichtige Grundlagen der Kohlenhydratchemie erläutert werden, um dadurch

ein Verständnis für die Vielfältigkeit dieser Verbindungsklasse zu erhalten.

75 Bruice, P. Y. (2007) S.1117

76 Vollhardt, K. P. C. & Schore N. E. (2005) S.1257

77 Bruice, P. Y. (2007) S.1117

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate

23

2. Klassifizierung der Kohlenhydrate

Ursprünglich verstand man unter dem Namen Kohlenhydrate Verbindungen,

die neben den Element Kohlenstoff die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff

im Verhältnis 1:2 enthalten, wodurch ihnen die Summenformel Cn(H2O)m zu-

geschrieben wurde (Karl Schmidt 1844).78 Aus diesem Grund dachte man

lange Zeit, dass die Kohlenhydrate die Hydrate des Kohlenstoffs seien. Später

wurde durch Strukturanalysen gezeigt, dass diese Annahme nicht richtig war,

da in den Kohlenhydraten keine unveränderten Wassermoleküle enthalten

sind.79 Des Weiteren gehört zu den Kohlenhydraten eine Vielzahl von Subs-

tanzen, die von der Elementzusammensetzung Cn(H2O)m abweichen. Zusätz-

lich können auch Elemente wie Stickstoff oder Schwefel als Molekülbaustein

in Kohlenhydraten enthalten sein.80 Andere Verbindungen, wie die Milch- und

die Acryl-Säure entsprechen der Summenformel Cn(H2O)m, gehören aber nicht

zu der Klasse der Kohlenhydrate.81 Trotz dieses Irrtums haben die Kohlenhyd-

rate ihren Namen bis heute behalten. Dabei werden die Begriffe „Kohlenhyd-

rat“, „Saccharid“ und „Zucker“ oftmals alternativ benutzt. Das Wort Saccharid

leitet sich von dem Wort für „Zucker“ in verschiedenen alten Sprachen ab (z.B.

sakcharon im Altgriechischen und saccharum im Lateinischen) und bedeutet

„süß“.

Heute werden Zucker als Polyhydroxy-Aldehyde oder Polyhydroxy-Ketone

oder Substanzen, die sich zu solchen Substanzen hydrolysieren lassen, defi-

niert.82 Ein Monosaccharid ist ein Aldehyd oder ein Keton mit mindestens zwei

Hydroxygruppen.83 Daher sind die beiden einfachsten Vertreter dieser Verbin-

dungsklasse Glycerinaldehyd (2,3-Dihydroxypropanal) und 1,3-Dihydroxy-

aceton (1,3-Dihydroxypropanon) (Abb.1).

78 Walter W. & Franck W. (1998) S.453

79 Bruice, P. Y. (2007) S.1117

80 Ehlers, E. & Hofheim T. (2009) S.559

81 Lehmann, J. (1996) S.1

82 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.578

83 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1258

Abb.1 Darstellung der einfachsten Vertreter der Monosaccharide

OH

O

H OH

OH

OH

O

Glycerinaldehyd 1,3-Dihydroxyaceton


24

Man unterscheidet zwischen zwei Klassen von Kohlenhydraten. Einfache Koh-

lenhydrate sind die Monosaccharide (auch Einfachzucker genannt), während

sich die komplexen (zusammengesetzten) Kohlenhydrate aus zwei oder mehr

Monosaccharideinheiten, die miteinander verknüpft sind, zusammensetzen.84

Bei der Klasse der komplexen Kohlenhydrate wird nochmals zwischen Oligo-

sacchariden und Polysacchariden unterschieden:85

- Monosaccharide

Bestehen aus einem Zuckermolekül, welches nicht weiter zu kleineren Einhei-

ten hydrolysiert werden kann.

- Oligosaccharide

Sind aus 2 bis 8 Monosacchariden aufgebaut, die über Acetal-Bindungen mi-

teinander verknüpft sind. Benannt werden die Oligosaccharide entsprechend

der Anzahl der monomeren Bausteine als Disaccharide, Trisaccharide usw.

- Polysaccharide

Setzen sich aus mehr als 8 Monosacchariden zusammen, die ebenfalls durch

Acetal-Bindungen miteinander verknüpft sind. Natürlich vorkommende Poly-

saccharide bestehen in der Regel aus 100-300 Monosacchariden.

Monosaccharide mit einer Aldehyd-Gruppe werden als Aldosen bezeichnet,

wobei das „Ald-“ für die Aldehyd-Gruppe steht und „-ose“ das allgemeine Suf-

fix für Kohlenhydrate ist. Dementsprechend heißen Zucker mit einer Keto-

Gruppe Ketosen.86

Des Weiteren werden Monosaccharide auch aufgrund ihrer Kettenlänge ein-

geteilt. So heißen Zucker mit drei Kohlenstoffatomen Triosen, mit vier Koh-

lenstoffatomen Tetrosen, mit fünf Kohlenstoffatomen Pentosen, mit sechs

Kohlenstoffatomen Hexosen und mit sieben Kohlenstoffatomen Heptosen.87

Dargestellt werden die Zucker häufig durch die Keil-Strich-Formel oder die

Fischer-Projektion (Abb.2).

84 Bruice, P. Y. (2007) S.1118

85 Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009) S.559

86 Bruice, P. Y. (2007) S.1118

87 Nuhn, P. (2006) S.95


25

Abb.2 Darstellung der Keil-/Strich-Formel und der Fischer-Projektion am Beispiel von

Glucose und Fructose

Die Fischer-Projektion ist die gängige Projektionsform für die Monosaccharide.

In dieser Projektionsform stellen die horizontalen Linien, die vom Schnittpunkt

aus nach rechts und links ausgehen, die Bindungen dar, die nach vorn aus

der Papierebene herausragen. Dagegen stellen die vertikalen, nach oben und

unten verlaufenden Linien, Bindungen dar, die von der Papierebene weg nach

hinten gerichtet sind.88 Um eine einheitliche Schreibweise der Fischer-

Projektion zu erhalten, wird bei den Monosacchariden das am höchsten subs-

tituierte Kohlenstoffatom (die Carbonyl-Gruppe) nach oben geschrieben.

88 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.202

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

Keil-/Strich-FormelFischer-Projektion Keil-/Strich-FormelFischer-Projektion

D-Glucose D-Fructose

ein Polyhydroxyaldehyd Ein Polyhydroxyketon


26

3. Photosynthese

Kohlenhydrate entstehen hauptsächlich durch eine als Photosynthese be-

zeichnete Reaktionsfolge. Bei dieser Reaktion absorbiert das in den grünen

Pflanzen enthaltene Chlorophyll Sonnenlicht. Die dadurch gewonnene Ener-

gie wird dazu genutzt, um Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und

polyfunktionelle Kohlenhydrate umzuwandeln.89 Die Photosynthese findet da-

bei sowohl bei einer Vielzahl von Bakterien und einzelligen Algen als auch bei

Gefäßpflanzen statt. Die Vorgänge der Photosynthese unterscheiden sich

zwar bei den verschiedenen Organismen, der zugrunde liegende Mechanis-

mus ist jedoch sehr ähnlich.

Die Photosynthese ist ein sehr komplexer Vorgang, der zwei Vorgänge um-

fasst. Der erste dieser beiden Vorgänge wird als lichtabhängige Reaktion oder

auch Lichtreaktion bezeichnet, da dieser Prozess nur stattfindet, wenn Licht

auf die Pflanze einstrahlt. Der zweite Vorgang wird auch Kohlenstoffassimila-

tion oder Kohlenstofffixierungsreaktion genannt. In der Lichtreaktion wird

durch das Chlorophyll und andere Pigmente photosynthetisierender Zellen

Lichtenergie absorbiert und in ATP und NADHP gespeichert. Bei dieser Reak-

tion entsteht auch Sauerstoff. In der Kohlenstofffixierungsreaktion dienen ATP

und NADHP dazu, Kohlenstoffdioxid zu reduzieren, wodurch Triosephosphate,

Stärke, Saccharose und davon abgeleitete Produkte entstehen.90


90 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.982

H2O O2

NADHP

ATP

NADP+

ADP+Pi

Licht

CO2 Kohlenhydrate

Lichtreaktion

Kohlenstoffassimilation

Abb.3 Schematische

Darstellung der Photo-

synthese


27

Abb.4 Enantiomerenpaare des Glycerinaldehyds in der Fischer–

Projektion und als perspektivische Strukturformel

4. Monosaccharide

4.1 Nomenklatur

Mit Ausnahme des 1,3-Dihydroxypropanon enthalten alle Zucker mindestens

ein Stereozentrum. Streng genommen zählt das 1,3-Dihydroxypropanon aus

diesem Grund auch nicht zu der Klasse der Kohlenhydrate.91 Glycerinaldehyd

besitzt genau ein Stereozentrum, wodurch er in Form eines Enantiomeren-

paares existiert (Abb.4).92

Die R,S-Nomenklatur würde zur Benennung der Zucker vollkommen ausrei-

chen, üblicherweise wird jedoch ein älteres Nomenklatursystem verwendet. In

diesem System wird die Konfiguration eines Zuckers mit der Konfiguration des

Glycerinaldehyds in Verbindung gesetzt.93 Anstelle der Buchstaben R und S

wird der Buchstabe D für das (+)-Enantiomer des Glycerinaldehyds und der

Buchstabe L für das (-)-Enantiomer verwendet.94 Monosaccharide, bei denen

91 Lehmann, J. (1996) S.2


93 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.454

94 Die D-/L- Schreibweise ist unabhängig von der optischen Drehung der Zucker!

OH

O

H OH

HOH

CH2OH

O

H OHHOH2C

O

(R)-(+)-Glycerinaldehyd (S)-(-)-Glycerinaldehyd

OH

O

OH H

(R)-(+)-Glycerinaldehyd (S)-(-)-Glycerinaldehyd

* *

* *

Perspektivische Strukturformel:

Fischer-Projektion:


28

Abb.5 D-und L-Nomenklatur in der Fischer-Projektion

das Chiralitätszentrum, welches am weitesten von der Carbonyl-Gruppe ent-

fernt ist, die gleiche absolute Konfiguration wie D-(+)-Glycerinaldehyd besitzt,

werden als D-Zucker bezeichnet, Monosaccharide mit der umgekehrten Kon-

figuration als L-Zucker.95 Die D- und L-Bezeichnungen stehen in keiner Bezie-

hung zur optischen Drehung eines Zuckers, weshalb D-Zucker durchaus (+)-

oder (-)-Enantiomere sein können.96

Da in der Fischer-Projektion die Carbonylgruppe immer nach oben geschrie-

ben wird, kann man in dieser Schreibweise leicht erkennen, ob es sich um

einen D- oder L-Zucker handelt. Steht in der Fischer-Projektion die Hydroxyl-

Gruppe des am weitesten unten stehenden chiral substituierten Kohlenstoff-

atoms auf der linken Seite, so handelt es sich um einen L-Zucker (lat. Laevus:

links). Steht die Hydroxyl-Gruppe auf der rechten Seite, so handelt es sich um

einen D-Zucker (lat. Dexter: rechts) (Abb.5).97

Mit der Zunahme der Anzahl an Chiralitätszentren steigt auch die Anzahl der

Stereoisomere an. So weisen Aldotetrosen zwei chiral substituierte Kohlens-

toffatome auf, weshalb sie vier Stereoisomere bilden. Zwei dieser Stereoiso-

mere sind Diastereomere, die jeweils ein Enantiomerenpaar bilden.98 Für

Diastereomere sind, wie bei vielen Naturstoffen üblich, Trivialnamen ge-

bräuchlich, da systematische Namen wegen der Komplexität der Moleküle

sehr lang und unhandlich wären. So besitzt das Isomer von 2,3,4-Trihydroxy-

95 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S. 918

96 Vollhardt, K. P. C. & Schore, N. E. (2005) S.1260

97 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.861

98 Walter, W. & Franck, W. (1998) S. 455

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

CH2OH

HOH

OHH

HOH

O

CH2OH

OH-Gruppe auf linker Seite

eine L-Ketose

OH-Gruppe auf rechter Seite

eine D-Aldose

*

*

*

*

*

*

*

Am weitesten von der Carbonyl-Gruppe entferntes Chiralitätszentrum


29

butanal, welches 2S,3S bzw. 2R,3R Konfiguration besitzt, den Trivialnamen

Erythrose, während ihr Diastereomer den Trivialnamen Threose hat (Abb.6).99

Im Allgemeinen kann ein Molekül in 2n Stereozentren auftreten, wobei n für die

Anzahl der chiral substituierten Kohlenstoffatome steht. Aldopentosen weisen

drei chiral substituierte Kohlenstoffatome auf und kommen daher in 23= 8 Ste-

reoisomeren vor. Bei den Aldohexosen sind aufgrund von 4 chiral substitiuier-

ten Kohlenstoffatomen bereits 24 = 16 solcher Isomere möglich.100

Ein Grund dafür, dass die D-/L- Nomenklatur noch heute seine Verwendung

findet ist, dass fast alle in der Natur vorkommenden natürlichen Zucker zur D-

Reihe gehören.101

Die in der Natur vorkommenden Ketosen haben ihre Keto-Gruppe immer in

der C2-Position. Aufgrund dieser Keto-Gruppe haben die Ketosen immer ein

chiral substituiertes Kohlenstoffatom weniger als die entsprechenden Aldosen

mit derselben Anzahl an Kohlenstoffatomen. Daher bilden die Ketosen nur

halb so viele Stereoisomere, wie Aldosen mit derselben Anzahl an Kohlens-

toffatomen.102

In der folgenden Abbildung (Abb.7) wird die Reihe der D-Aldosen bis zu den

Aldohexosen in der Fischer-Projektion gezeigt. Dabei wird ausgehend vom D-

Glycerinaldehyd Schritt für Schritt je eine CHOH-Gruppe eingefügt. Das neue

Stereozentrum kann dabei auf der rechten oder linken Seite stehen (R-oder S-

Konfiguration besitzen).103


100 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.315


102 Bruice, P.Y. (2007) S. 1123

103 Hart, H. & Craine ,L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S. 581

CHO

CH2OH

H OH

H OH

CHO

CH2OH

OH H

H OH

R

R

CHO

CH2OH

HOH

HOH

S

RS

CHO

CH2OH

OHH

HOH

S

S

R

D-(-)-Erythrose L-(+)-Erythrose D-(-)-Threose L-(+)-Threose

Abb.6 Stereoisomere von 2,3,4-Trihydroxybutanal

30

Abb.7 D-Aldosen mit Vorzeichen des optischen Drehwertes und Trivialnamen (bis zu den Aldohexosen)

O

H OH

OH

O

OH

H OH

H OH

OH

O

OH H

H OH

OH

O

H OH

H OH

H OH

OH

O

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

OH

O

H OH

H OH

H OH

H OH

OH

O

OH H

H OH

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

H OH

OH H

H OH

OH

O

OH H

H OH

OH H

H OH

OH

O

H OH

OH H

OH H

H OH

OH

O

OH H

OH H

OH H

H OH

D-(+)-Glycerinaldehyd

D-(-)-Erythrose

D-(-)-RiboseD-(-)-Arabinose D-(+)-Xylose D-(-)-Lyxose

D-(+)-Allose D-(+)-Altrose D-(+)-Glucose D-(+)-Mannose D-(-)Gulose D(-)-Idose D-(+)-GalactoseD-(+)-Talose

D-(-)-Threose


31

Vergleicht man nun beispielsweise die D-(-)-Erythrose mit der D-(-)-Trehalose,

so weisen beiden dieselbe Konfiguration an Kohlenstoffatom C3 auf, jedoch

verschiedene Konfigurationen an Kohlenstoffatom C2. Dies bedeutet, dass

diese Zucker zwar Stereoisomere sind, jedoch nicht spiegelbildlich zueinander

(keine Enantiomere). Es muss sich also um Diastereomere handeln. Analog

dazu gibt es vier diastereomere D-Pentosen und acht diastereomere D-

Hexosen. Diastereomere, die sich nur in der Konfiguration an einem Kohlens-

toffatom unterscheiden, werden auch Epimere genannt. So sind beispielswei-

se D(-)-Erythrose und D-(-)-Threose nicht nur Diastereomere, sondern auch

Epimere. Ebenso sind D-Mannose und D-Glucose Epimere, da sie sich nur an

der Konfiguration an Kohlenstoffatom C2 unterscheiden. Man spricht dann

auch von C2-Epimeren. D-Glucose und D-Galactose sind demnach also C4-

Epimere.104

Analog zu der Reihe der Aldosen kann auch die Reihe der Ketosen aufgestellt

werden. Alle natürlich vorkommenden Ketosen haben ihre Keto-Gruppe an

Kohlenstoffatom C2. Dabei hat eine Ketose ein chiral substituiertes Kohlens-

toffatom weniger als die entsprechende Aldose mit derselben Anzahl an Koh-

lenstoffatomen. Aus diesem Grund bilden die Ketosen nur halb so viele Ste-

reoisomere wie Aldosen mit derselben Anzahl an Kohlenstoffatomen.105 Die

Reihe bis zu den Ketohexosen ist in folgender Abbildung (Abb.8) dargestellt.

104 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S. 584

105 Bruice, P.Y. (2007) S.1123


32

OH

H OH

H OH

O

OH

D-(+)-Ribulose

OH

OH H

H OH

O

OH

D-(+)-Xylulose

OH

O

H OH

H OH

H OH

OH

D-(+)-Psicose

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

D-(-)-Fructose

OH

H OH

OH H

H OH

O

OH

D-(+)-Sorbose D-(-)-Tagatose

OH

OH H

OH H

H OH

O

OH

O

H OH

OH

OH

D-(-)-Erythrulose

O

OH

OH

1,3-Dihydroxypropanon

Abb.8 D-Ketosen mit Trivialnamen und Vorzeichen des optischen Drehwertes

(bis zu den Ketohexosen)


33

4.2 Intramolekularer Ringschluss

4.2.1 Zucker bilden intramolekular Halbacetale aus

Aldehyde und Ketone bilden reversibel Halbacetale aus, indem sie mit Alkoho-

le reagieren.106 Die durch diese Reaktion erhaltenen Produkte werden als

Halbacetale bezeichnet, da sie ein Zwischenprodukt zur Darstellung von Ace-

talen sind. Normalerweise liegt das Gleichgewicht dieser Reaktion auf der

Seite der Edukte. Werden jedoch Acetale intramolekular aus Hydroxy-

aldehyden oder Hydroxyketonen gebildet, die zu einer Bildung von relativ

spannungsfreien Fünf- oder Sechsringen führen, so liegt das Gleichgewicht

der Reaktion auf Seiten des Produkts (des Halbacetals).107

Aus diesem Grund sollten auch Zucker intramolekular Halbacetale ausbilden.

Tatsächlich bilden auch alle Pentosen und Hexosen intramolekular Halb-

acetale aus. Prinzipiell kann dabei jede Hydroxyl-Gruppe an die Carbonyl-

Gruppe binden, jedoch ist meist die Bildung eines Sechsringes bevorzugt

(Abb.9).108

Teilweise werden jedoch auch Fünfringe gebildet und bei einigen Zuckern ist

in Lösung die Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen Fünf- und Sechs-

ring zu beobachten.




Abb.9 Intramolekulare Halbacetalbildung am Beispiel Glucose

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH

H OH

OH H

H OH

H

O

H

OH

H

H OH

OH H

H OH

H

O

OH

Cyclisierung

-(D)-Glucopyranose -(D)-Glucopyranose

* *


34

Wird ein Sechsring gebildet, spricht man von der Pyranose-Form, wird hinge-

gen ein Fünfring gebildet, so spricht man von der Furanose-Form. Dem Zu-

cker wird dann zur Unterscheidung das Wort –pyran bzw. –furan vor die En-

dung –ose eingefügt. Diese Namensgebung leitet sich von den sechs- bzw.

fünfgliedrigen Ethern Pyran und Furan ab (Abb.10), die dem Sechs- bzw.

Fünfring der Zuckermoleküle ähneln.109

Wie sich an der Reaktionsgleichung der Bildung eines Halbacetals am Bei-

spiel der Glucose (Abb.9) erkennen lässt, entsteht bei dieser Reaktion aus

dem ursprünglichen Carbonyl-Kohlenstoff ein neues Chiralitätszentrum. In der

Ringform liegt die D-Glucose also in zwei Formen vor, die diastereomer zuei-

nander sind.110 Steht in der Fischer-Projektion die Hydroxyl-Gruppe auf der

rechten Seite (S-Konfiguration), so handelt es sich bei dem gebildeten Halb-

acetal um die α-Form. Steht die Hydroxyl-Gruppe hingegen auf der linken Sei-

te, so wird dieses Halbacetal als β-Form bezeichnet. Die α- und die β- Form

werden auch als anomer zueinander bezeichnet. Dieses Kohlenstoffatom wird

aus diesem Grund auch das anomere Kohlenstoffatom genannt. Ano- ist eine

griechische Vorsilbe und bedeutet „über“ bzw. zuoberst, was darauf hinweist,

dass es sich um das „oberste“ chiral substituierte Kohlenstoffatom handelt.111

Dieses anomere Kohlenstoffatom nimmt als Hemiacetalkohlenstoff im

Zuckermolekül eine besondere Stellung ein. Dies bedeutet, dass das anomere

Kohlenstoffatom sowohl durch eine Hydroxyl-Gruppe substituiert als auch

über eine Etherfunktion verknüpft ist. Alle anderen Kohlenstoffatome tragen

nur eine funktionelle Gruppe.112 Aus diesem Grund weisen das anomere Koh-

lenstoffatom und seine Substituenten eine besondere Reaktivität auf.

109 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.480

110 Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009) S. 563

111 Bruice, P.Y. (2007) S.1135


O

O

Furan Pyran

Abb.10 Furan und Pyran


35

4.2.2 Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten der Ringform

In den vorigen Kapiteln wurden die Zucker in der Fischer-Projektion darges-

tellt. Diese Darstellungsmöglichkeit lässt sich nun auch auf die Ringform

übertragen, indem man die durch den Ringschluss entstandenen Verbindun-

gen als verlängerte Linien zeichnet. Diese Art der Darstellung ist jedoch nicht

sehr anschaulich und gibt die tatsächliche Struktur der cyclischen Zucker nur

sehr schlecht wieder.

Da in dieser modifizierten Fischer-Projektion die Bindungen stark verzerrt er-

scheinen, wurden weitere Möglichkeiten zur Darstellung zyklischer Zucker

entwickelt.113

Der britische Kohlenhydratchemiker W.N. Haworth, der 1937 den Nobelpreis

in Chemie erhielt, entwickelte eine nützliche Darstellungsweise für ringförmige

Zucker. Diese Darstellungsweise wurde nach seinem Namen als Haworth-

Projektion benannt.114 Bei dieser Haworth-Projektion werden der Sechs- bzw.

der Fünfring des Zuckermoleküls planar als ebenes Fünf- bzw. Sechseck ge-

zeichnet. Das anomere Kohlenstoffatom steht in dieser Schreibweise rechts

und der Ether-Sauerstoff an der oberen Seite des Moleküls.115 Die dick mar-

kierten Ringbindungen liegen dabei vor und die dünn markierten hinter der

Papierebene.116

Es ist sehr einfach, Zucker von der Haworth-Projektion in die Fischer-

Projektion umzuwandeln und umgekehrt. Die Hydroxyl-Gruppe, die in der Fi-

scher-Projektion nach links weist, zeigt in der Haworth-Projektion nach oben

113 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.922


115 Bruice, P.Y. (2007) S.1134

116 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt, C.W. (2002) S.215

OH

OH

H OH

OH H

H OH

H

O

H

OH

H

H OH

OH H

H OH

H

O

OH

-(D)-Glucopyranose -(D)-Glucopyranose

* *

Abb.11 Glucopyranose in der Fischer-Projektion


36

Die Hydroxyl-Gruppen, die in der Fischer-Projektion nach rechts weisen, zei-

gen in der Haworth-Projektion nach unten. Dies bedeutet, dass es sich um

einen α-Zucker handelt, wenn am anomeren Kohlenstoffatom die Hydroxyl-

Gruppe nach unten weist. Wenn die Hydroxyl-Gruppe am anomeren Kohlens-

toffatom nach oben weist, liegt ein β-Zucker vor. Bei D-Zuckern weist die end-

ständige OH-Gruppe nach oben, während sie bei L-Zuckern nach unten

weist.117

In manchen Darstellungen in der Haworth-Projektion werden zur besseren

Übersicht die Wasserstoffatome weggelassen und die Hydroxyl-Gruppen wer-

den teilweise nur durch einfache Striche dargestellt.118

Die Haworth-Projektion gibt das Bild eines Zuckers in der Ringform realisti-

scher wieder als die Fischer-Projektion. Sie findet ihre Anwendung auch sehr

häufig bei der Darstellung von Kohlenhydraten, da diese Art der Darstellung

einprägsamer und auch leichter zu zeichnen ist.

Eine noch genauere Darstellung des cyclischen Zuckermoleküls ist die in der

Briefumschlag- oder Sessel-Konformation, wie sie auch für andere cycli-

sche Sechs-oder Fünfringe verwendet wird (z.B. Cyclohexan).

Um die Haworth-Projektion in die Sessel-Konformation umzuwandeln, zeich-

net man den Sessel in der Weise, dass die „Rückenlehne“ auf der linken und

die „Fußlehne“ auf der rechten Seite steht. Anschließend wird der Ringsauers-

toff in die hintere rechte Ecke und die Hydroxymethyl-Gruppe in die äquato-

riale Stellung eingezeichnet. Die relativ sperrige Hydroxymethyl-Gruppe am

Kohlenstoffatom C5 muss in der äquatorialen Position stehen, um somit diaxia-

le Wechselwirkungen zu vermeiden. Die Hydroxyl-Substituenten werden nun



O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

-D-Glucose

**

-D-Glucose

Abb.12 Glucopyranose in der Haworth-Projektion


37

so eingezeichnet, dass zueinander trans-ständige Hydroxygruppen in dieselbe

Ebene und zueinander cis-ständige Hydroxyl-Gruppen in die entgegengesetz-

te Ebene eingezeichnet werden.119

Dies bedeutet, dass im Falle der α-D-Glucose nur vier der fünf Substituenten

in äquatorialer Position stehen. Im Falle der β-D-Glucose bedeutet dies, dass

alle Hydroxyl-Substituenten in äquatorialer Position stehen (Abb.13). Die axia-

len Positionen werden im Falle der β-D-Glucose also von Wasserstoffatomen

besetzt, die weniger Raum beanspruchen, wodurch die sterischen Spannun-

gen gering gehalten werden. Aus diesem Grund ist die β-D-Glucose die sta-

bilste Aldohexose und wohl auch deshalb die am häufigsten vorkommende

Aldohexose in der Natur.120

Wie in der Haworth-Projektion, werden auch bei Zuckern in der Sessel-

schreibweise zur besseren Übersicht häufig die Wasserstoffatome nicht ein-

gezeichnet.

Insgesamt ist die Darstellung eines ringförmigen Zuckermoleküls durch die

Sessel-Konformation von den drei vorgestellten Möglichkeiten diejenige, wel-

che die räumliche Anordnung der Atome am besten wiedergibt.121

Als didaktische Reduktion kann jedoch auch die Haworth-Projektion zur Dar-

stellung von cyclischen Zuckern verwendet werden, da es sich bei dieser

Form der Darstellung um eine einprägsamere und die am leichtesten zu

zeichnende Variante handelt.

Die Fischerprojektion sollte hauptsächlich dazu dienen, Zucker in der offenket-

tigen Form darzustellen.

119 Bruice, P.Y. (2007) S.1137

120 Bruice, P.Y. (2007) S.137


-D-Glucose-D-Glucose

O

OHOH

HH

H

H

HOHOH

OH

O

HOH

HH

H

H

OHOH

OH

OH

* *

Abb.13 Glucose in der Sessel-Konformation


38

In dieser Arbeit sind offenkettige Zucker immer in der Fischer-Projektion dar-

gestellt. Cyclische Zucker sind im Theorieteil immer in der Sessel-

Schreibweise dargestellt. In den Protokollen, die für Lehrer in der Schule ge-

dacht sind, sind die cyclischen Zucker auch oftmals in der Haworth-Projektion

abgebildet, da diese Schreibweise in der Schule häufig seine Anwendung fin-

det.

4.2.3 Mutarotation

Durch Röntgenstrukturanalysen wurde bewiesen, dass Glucose aus wässri-

gen Lösungen ausschließlich als α-D-Glucose auskristallisiert.122 Dies bedeu-

tet, dass Glucose als Feststoff nicht in einer offenkettigen Form vorliegt, son-

dern ausschließlich in der Ringform und dies meist auch nur in der α-Form.

Um reine β-D-Glucose zu erhalten, lässt man Glucose aus Pyridin auskristalli-

sieren.

Im Jahr 1846 wurde erstmals das Phänomen beobachtet, dass bei der Lösung

von Glucose in Wasser der Drehwert der Lösung langsam abnimmt.123 So hat

die Lösung zu Beginn einen Drehwert von +113°. Dieser Drehwert nimmt je-

doch im Laufe der Zeit ab, bis ein konstanter Drehwert von +52,7° erreicht

ist.124

Dieser Effekt ist damit zu erklären, dass sich die Halbacetale unter Bildung

des offenkettigen Aldehyds öffnen. Bei der Rezyklisierung kann sowohl α-D-

Glucose als auch β-D-Glucose gebildet werden kann (Abb.). 125




125 Bruice, P. Y. (2007) S.1135


39

Die Reaktion des Ringschlusses der Glucose ist eine reversible Reaktion, die

dazu führt, dass sich in wässriger Lösung ein Gleichgewicht einstellt (Abb.15).

Die Geschwindigkeit der Einstellung dieses Gleichgewichtes ist abhängig von

der Temperatur und dem pH-Wert. Die Reaktion der Umwandlung ist sowohl

Abb.14 Reversibler Ringschluss der Glucose

Abb.15 Gleichgewicht der offenkettigen Form und den Pyranoseformen bei der

Glucose

-D-Glucose

D-Glucose

OH

OHOH

OH

OH

O

H+

OHOH

OHOH

OH

OH

O+

H C+

OH

OHOH

OH

OH

OH

(1)

(2)

(1)

(2)

O+

OHOH

OHOH

OH H

H+

- O

OHOH

OHOH

OH

O+

OH

OHOH

OH H

OH

H+

- O

OH

OHOH

OH

OH

-D-Glucose

*

*

*

*

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

-D-Glucose Aldehydform

0,003 % 63,6 %36,4 %

O

OHOH

OHOH

OH

*O

OH

OHOH

OH

OH*

-D-Glucose


40

säuren- als auch basenkatalysiert, sodass bereits geringe Mengen an Säuren

und Basen zu einer raschen Einstellung des Gleichgewichtes führen.126

α-D-Glucose hat einen spezifischen Drehwert von +112 °, während β-D-

Glucose einen spezifischen Drehwert von +18,7 ° zeigt.127 Die Drehwertände-

rung liegt in der oben beschriebenen Einstellung eines Gleichgewichtes be-

gründet. So addieren sich die Drehwerte der drei Formen in Lösung, wodurch

der neu entstandene Drehwert zu erklären ist:

0,36 x +12 ° = +40,32 °

0,64 x +18,7 ° = +11,968 °

Gesamt: +52,288°

Der geringe Unterschied zum Literaturwert kommt durch die offenkettige Al-

dehydform, die auch noch einen Anteil am Drehwert hat, der aber aufgrund

der geringen Konzentration im Gleichgewicht sehr gering ist. Somit beträgt der

spezifische Drehwinkel der Gleichgewichtsmischung +52,7 °.

Wird reine β-D-Glucose in Wasser gelöst, so steigt der Drehwert langsam von

+18,7 ° ebenfalls auf einen Drehwert von +52,7 ° an. Die beschriebenen mo-

lekularen Abläufe sind dafür verantwortlich, dass sich immer derselbe Dreh-

wert einstellt, egal ob Kristalle von α- oder β- Glucose gelöst werden.128 Die

langsame Änderung der optischen Drehung bis zu einem Erreichen eines

Gleichgewichtszustandes, wird auch Mutarotation bezeichnet (mutare, latein.:

verändern, verwandeln). Die Umwandlung von Zuckern in ihre α- bzw. β-

Anomere ist eine Eigenschaft, die alle Zucker aufweisen, die als cyclische

Halbacetale vorliegen.129


127 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). S.1268

128 Bruice, P.Y. (2007) S.1135



41

4.3 Reaktionen der Monosaccharide

Wie bereits beschrieben können einfache Zucker in verschiedenen isomeren

Formen auftreten: als offenkettige Carbonyl-Verbindungen und auch als α-

und β- Anomere in Ringverbindungen von verschiedener Größe. Da diese

Isomere bei einer Reaktion wieder schnell in ein Gleichgewicht gebracht wer-

den, wird die Produktverteilung durch die Geschwindigkeit der Reaktion der

einzelnen Isomere mit einem Reagenz bestimmt. So kann man die Reaktio-

nen der Zucker in zwei Gruppen unterteilen. Die erste Gruppe sind Reaktio-

nen, bei denen der Zucker aus der offenkettigen Form reagiert. Die zweite

Gruppe sind Reaktionen, die an einer der Ringformen ablaufen.130

Bemerkenswert bei den Reaktionen der Monosaccharide ist die leichte Oxi-

dierbarkeit der Hydroxyl-Gruppe, die in α-Position zur Oxo-Gruppe steht. Dies

ist auch der Grund dafür, dass Ketosen im Gegensatz zu den Ketonen redu-

zierend wirken. Dies bedeutet, dass der Unterschied im chemischen Verhalten

zwischen Ketosen und Aldosen nicht so ausgeprägt ist, wie der zwischen den

Aldehyden und Ketonen.131

4.3.1 Reduktion von Monosacchariden

Die Carbonyl-Gruppe von Aldosen und Ketosen kann durch die üblichen Re-

duktionsmittel für Carbonyl-Gruppen, wie beispielsweise Natriumborhydrid

oder katalytisch mit Wasserstoff, zu mehrwertigen Alkoholen reduziert werden.

Das Produkt einer solchen Reaktion ist ein Polyalkohol, der Alditiol (Zuckeral-

kohol) genannt wird (Abb.16).132



132 Bruice, P.Y. (2007) S.1124

Abb.16 Reduktion von Glucose

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

-D-Glucopyranose

O

OHOH

OHOH

OH

oder NaBH4

CH2OH

OH

H OH

OH H

H OH

H OH

D-Glucose D-Glucitol (Sorbitol)

H2;Katalysator


42

Diese Reaktion verläuft über die geringe Aldehyd-Menge, die im Gleichge-

wicht mit den cyclischen Zuckern steht. Dabei verschiebt sich in dem Maße,

wie Aldehyd reduziert wird, das Gleichgewicht nach rechts, bis am Ende der

gesamte Zucker umgesetzt ist.133

4.3.2 Oxidation von Monosacchariden

Aldosen und Ketosen zeigen gegenüber Oxidationsmitteln ein unterschiedli-

ches Verhalten. So werden Aldosen durch gelinde Oxidationsmittel, wie bei-

spielsweise Bromwasser, zu Carbonsäuren oxidiert (Abb.17).134

Ketone oder Alkohole werden nicht von Bromwasser oxidiert, womit man

durch die Zugabe von Bromwasser zu einer unbekannten Zuckerlösung zwi-

schen Aldosen und Ketosen unterscheiden kann.

Durch Fehling-Reagenz und auch durch Tollens-Reagenz werden sowohl Al-

dosen, als auch Ketosen oxidiert. Ketone werden jedoch nicht von diesen

Reagenzien oxidiert. Der Grund dafür ist, dass bei beiden Nachweismethoden

mit alkalischen Lösungen gearbeitet wird. In solchen basischen Lösungen

findet bei den Ketosen eine Keto-Enol-Tautomerie statt (Abb.18).135




Abb.17 Oxidation von D-Glucose mit Bromwasser

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

D-Glucose

+ Br2OH2

braun+ Br

-

D-Gluconsäure

farblos

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

+ OH-

1/2


43

Durch ein solches Keto-Enol-Gleichgewicht liegen auch die Ketosen im

Gleichgewicht mit der einer Endiol-Form, welche wieder im Gleichgewicht mit

einer Aldose liegt. Dieser Vorgang wird am Beispiel der Fructose in Abb.19

gezeigt.

OHCH3

CH3

CH3

+ B-

O-CH3

CH3

CH3

C-

CH3

CH3 CH3

O

BH+

CH3

CH3

H CH3

O

Enolform

Ketoform

+ B-

Abb.18 Mechanismus der Keto-Enol-Umwandlung

D-Glucose

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

OH-

OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

D-Mannose

EndiolD-Fructose

Abb.19 Keto-Enol-Gleichgewicht am Beispiel Fructose


44

Werden stärkere Oxidationsmittel, wie beispielsweise Salpetersäure, verwen-

det, so können neben den Aldehyd-Gruppen auch eine oder mehrere der Hyd-

roxyl-Gruppen oxidiert werden. Dabei werden primäre Alkohole am leichtesten

oxidiert.136 Die Produkte solcher Oxidationen sind Polyhydroxydicarbonsäuren,

die auch Aldarsäuren genannt werden. Demnach reagiert Glucose beispiels-

weise zur Glucarsäure und Mannose zur Mannarsäure (Abb.20).137

4.3.3 Glycosidbildung

Eine Reaktion, in der Monosaccharide in der Ringform reagieren, ist die Bil-

dung von Vollacetalen. Diese Reaktion verläuft analog zu der Reaktion von

Aldehyden, die erst mit einem Äquivalent Alkohol zu einem Halbacetal reagie-

ren (Abb.21). Dieses Halbacetal reagiert dann mit einem weiteren Äquivalent

Alkohol zu einem Acetal (Vollacetal). Das gebildete Acetal wird bei den Zu-

ckern als Glycosid bezeichnet. Die Bindung zwischen anomeren Kohlenstoff-

atom und der Alkoxygruppe wird glycosidische Bindung genannt.138

136 Bruice P.Y. (2007) S.1127


138 Bruice, P.Y. (2007) S.1139

Abb.20 Oxidationsprodukte der Oxidation mit Salpetersäure

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

OOH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

OH

O

D-Glucarsäure D-Mannarsäure

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

HNO3 HNO3

D-Glucose D-Mannose


45

Der saure Katalysator könnte jedes der sechs Sauerstoffatome angreifen. Je-

doch führt nur die Protonierung des Hydroxyl-Sauerstoffs am anomeren Zent-

rum zu einem mesomeriestabilisierten Carbokation.139

Wie man an der Reaktionsgleichung der Acetalbildung erkennen kann

(Abb.21), führt diese Reaktion sowohl zu einem α- als auch zu einem β-

139 Hart, H. & Craine L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.595

Abb.21 Mechanismus der Glycosidbildung am Beispiel β-D-Glucose

H+

OH2+

ein Oxcarbenium-Ion

R OH

R OH

Angriff "von unten"

Angriff "von oben"

-H+

-Glycosid-Glycosid

Hauptprodukt

O

OH

OHOHOH

OH

-D-Glucopyranose

O

OH

O+OH

OH

OH

H

H

O+

OH

OHOH

OH

O

OH

OHOH

OH

O+ R

H

O

OH

OHOH

OH

O+ R

H

O

OH

OHOH

OH

O R

O

OH

OHOH

OH

O R

-H+


46

Abb.22 Beispiele für Glycoside

Abb.23 Darstellung eines N-Glycosids

Glycosid. Im Experiment zeigt sich jedoch, dass mehr von dem α-Glycosid

gebildet wird.140 Dies ist durch den anomeren Effekt begründet (s. Kapitel).

Benannt werden die Glycoside nach dem zugrundeliegenden Monosaccharid,

indem das „-e“ am Ende des Namens gegen ein „-id“ ausgetauscht wird. So-

mit werden Glycoside der Glucose als Glucosid bezeichnet, während Glycosi-

de der Galactose Galactoside genannt werden. Bei Verwendung der Pyrano-

se-/Furanose-Nomenklatur wird das Acetal Pyranosid bzw. Furanosid genannt

(Abb.22).141

Analog zu dieser Reaktion eines Monosaccharids mit einem Alkohol verläuft

auch die Reaktion eines Monosaccharids mit einem Amin in Gegenwart von

katalytischen Mengen Säure. Das Produkt dieser Reaktion wird als N-

Glycosid bezeichnet, da es anstelle eines Sauerstoff-Atoms ein Stickstoff-

Atom in der glycosidischen Bindung enthält (Abb.23). Diese N-Glycoside sind

die Untereinheiten der für uns wichtigen Makromoleküle DNA und RNA, die

aus β-Glycosiden bestehen.142

140 Bruice, P.Y. (2007) S.1140


142 Bruice, P.Y. (2007) S.1140

O

OHOOH

OH

OH

CH3

Ethyl -D-Glucopyranosid

O

O

OHOH

OH

OH

CH3

Methyl -D-Glucopyranosid

O

OH

OHOH

OH

-D-Ribofuranose

+

NH2

H+

O

NH

OHOH

OH

O NH

OHOH

OH

+

N-Phenyl -D-Ribosylamin

N-Phenyl- -D-Ribosylamin


47

4.3.4 Reduzierende Zucker und nicht- reduzierende Zucker

Durch die Reaktion der Glycosidbindung ist das anomere Kohlenstoffatom in

den Glycosiden blockiert.143 Aus diesem Grund stehen die Glycoside auch

nicht im Gleichgewicht mit der offenkettigen Aldehyd- oder Ketonform. Da sie

dadurch auch nicht im Gleichgewicht mit Verbindungen stehen, die eine Car-

bonyl-Funktion aufweisen, können die glycosidischen Verbindungen auch

nicht mit Fehlingscher Lösung und Tollens-Reagenz oxidiert werden. Des

Weiteren weisen diese Zucke auch keine Mutarotation auf.144

Solange Zucker aufgrund des Vorliegens einer Keto- bzw. Aldehyd-Gruppe

ein Oxidationsmittel reduzieren können, werden sie als reduzierende Zucker

klassifiziert. Zucker, die aufgrund glycosidischer Bindungen nicht dazu in der

Lage sind, ein Oxidationsmittel zu reduzieren, werden als nicht-reduzierende

Zucker bezeichnet.145

4.3.5 Der anomere Effekt

Wie bereits in Kapitel 2.3.2 erwähnt, ist die β-D-Glucose das stabilste Mono-

saccharid, da sich keiner der Substituenten in axialer Position befindet. Trotz-

dem entsteht bei einer Reaktion von Glucose mit einem Alkohol als Hauptpro-

dukt ein α-Glycosid. Da es sich bei der Glycosid-Bildung um eine reversible

Reaktion handelt, muss das gebildete α-Glycosid stabiler sein, als das β-

Glycosid. Die bevorzugte, jedoch sterisch ungünstige axiale Position, insbe-

sondere von elektronegativen Substituenten am anomeren Kohlenstoffatom,

wurde erstmals von J.T. Edward und viele Jahre später durch R.U. Lemieux

als anomerer Effekt bezeichnet.146

Um diesen anomeren Effekt verstehen zu können, muss man das energetisch

tiefliegende antibindende σ*-Orbital der Glycosid-Bindung betrachten. Dieses

σ*-Orbital liegt im Falle eines axial angeordneten Substituenten so, dass es

parallel zu einem einsamen Elektronenpaar des Ringsauerstoffs liegt. Da-

durch kann Elektronendichte von dem freien Elektronenpaar des Ringsauers-

toffs in das σ*-Orbital übertreten, wodurch das Molekül stabilisiert wird. Ist der

Substituent hingegen äquatorial angeordnet, so ist keines der beiden freien

143 Vollhardt, K. P. C. & Schore, N. E. (2005) S.1276

144 Bruice, P. Y. (2007) S.142

145 Bruice, P. Y. (2007) S.1142

146 Lehmann, J.(1996) S.26


48

Elektronenpaare des Ringsauerstoffs in einer Weise zum σ*-Orbital der Glyco-

sidbindung angeordnet, so dass es zu einer Übertragung von Elektronendich-

te kommen kann (Abb.24).147

Als Ergebnis der Übertragung von Ladungsdichte eines einsamen Elektronen-

paars in das σ*-Orbital ist die glycosidische Bindung länger (schwächer) als

dies normal der Fall wäre. Dagegen ist die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung im

Ring des Moleküls stärker (kürzer) als normal.

4.3.6 Hydrolytische Spaltung

Die Bildung von Glycosiden ist eine thermodynamisch kontrollierte Reaktion,

die auch umkehrbar ist. Dies bedeutet, dass aus Aldosen oder Ketosen er-

zeugte Glycoside durch Erhitzen in wässriger Lösung auch wieder hydrolysiert

147 Bruice, P.Y. (2007) S.1141

O

R

O

R

Äquatoriales freies Elektronenpaar

und -Orbital überlappen

-Orbital

axiales einsames Elektronenpaar

äquatoriales einsames Elektronenpaar

äquatoriales einsames Elektronenpaar

-Orbital

keine Überlappung von freien

Elektronenpaaren und *-Orbital möglich

axiales einsames Elektronenpaar

-Glycosid:

-Glycosid:

Abb.24 Der anomere Effekt


49

werden können. Der Mechanismus dieser Reaktion ist die Umkehrung des

Bildungsmechanismus von Glycosiden (Abb.25).148

Ähnlich der Bildung von Glycosiden ist auch bei der Spaltung von Glycosiden

als Produkt sowohl die α- als auch β-Form des Zuckers möglich.


Abb.25 Hydroyse eines Glycosids

-Glucosid

O

OH

OHOH

OH

O R

H+

O

OH

OHOH

OH

O+ R

H

O

CH+

OH

OHOH

OH

+R OH

OH2 O

OH

OHOH

OH

O+

H

H

O

OH

OHOH

OH

OH

Alkohol

Glucose

O+

OH

OHOH

OH


50

4.4 Monosaccharide natürlich vorkommender Kohlenhydrate

Der Verlängerung des Kohlenstoffgerüstes bei Monosacchariden ist grund-

sätzlich keine Grenze gesetzt. Aus diesem Grund könnte die Anzahl der natür-

lich vorkommenden Monosaccharide unendlich groß sein. Tatsächlich geht die

Natur sehr maßvoll mit dieser Fülle an Möglichkeiten um. So konnten insge-

samt bisher 250 verschiedene Monosaccharide identifiziert werden. Dabei

haben fast alle Lebewesen gemeinsam, dass sie fast ausschließlich Hexosen

und Pentosen verwenden. Nur sehr selten finden Monosaccharide mit mehr

als neun Kohlenstoffatomen Verwendung. Des Weiteren fällt auf, dass von der

theoretisch möglichen Anzahl an Diastereomeren nur sehr wenige Verbindun-

gen eine biologische Verwendung finden. Dabei handelt es sich immer um die

thermodynamisch stabile Verbindung.149

4.4.1 Pentosen (C5H10O5)

Im Pflanzenreich sind die Pentosen hauptsächlich als Polysaccharide in den

Pentosanen, als Gerüstsubstanz im Holz, in einigen Gummi-Arten und in

Pflanzenschleimen zu finden. Im tierischen Organismus liegen die Pentosen

als glycosidische Bestandteile beispielsweise als Nucleoproteine des Pank-

reas und der Leber vor. Die natürlichen Pentosen sind alle Aldopentosen, die

nicht durch Hefe vergoren werden können.150 Zu den wichtigsten Pentosen

gehören:

- L(+)-Arabinose, wird durch Kochen von Araban (Kirschgummi) ge-

wonnen und kommt unter anderem auch in Hemicellulosen von Holz

vor.

- D(-)-Arabinose, liegt als Glycosid in der Alöe vor und ist in reiner Form

ein Bestandteil von Wein (600 mg/L).

- D(+)-Xylose ist Bestandteil von Holz und findet sich auch in Maiskol-

ben oder Stroh. Kommt dort jedoch nicht frei vor, sondern als Xylan

gebunden.

- D(-)-Ribose kommt als N-Glycosid von Purin- und Pyrimidin-Basen vor

und ist somit am Aufbau von Nucleinsäuren beteiligt.

149 Lehmann, J. (1996) S.155



51

4.4.2 Hexosen (C6H12O6)

Von den 16 möglichen Aldohexosen kommen nur 4 in der Natur vor. Die D-

(+)-Glucose, D-Mannose, D-(+)-Galactose und die L-Galactose.151 Die Haupt-

quelle für diese Hexosen sind die Polysaccharide, in denen die Hexosen über

glycosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Im Gegensatz zu den

Pentosen lassen sich einige Hexosen, wie D-Glucose, D-Mannose, D-

Galactose und D-Fructose durch Hefe vergären.152 Die wichtigsten Hexosen

sind:153

- D(+)-Glucose, auch Traubenzucker oder Dextrose genannt, findet sich

am meisten in süßen Früchten (dort vor allem als Saccharose gebun-

den), wie z.B. Trauben. Glucose ist außerdem neben Fructose der

Hauptbestandteil des Honigs. Im menschlichen Organismus tritt die D-

Glucose im Blut (der normale Blutzuckerspiegel liegt bei etwa 0,1%)

und anderen Körperflüssigkeiten auf.

- D(+)-Mannose kommt in Polysacchariden, der Schale von Nüssen und

im Johannisbrotbaumsamen (Guarmehl) vor. Gewonnen wird die Man-

nose durch saure Hydrolyse von Steinnußspähnen.

- D(+)-Galactose ist Bestandteil des Milchzuckers und wird auch aus

diesem durch saure Hydrolyse gewonnen. Des Weiteren findet man

die Galactose in einigen Gummiarten, den sogenannten Galactanen.

- D(-)-Fructose kommt ebenso wie die Glucose hauptsächlich in süßen

Früchten und Honig vor. Dabei ist die Süßkraft der Fructose struktur-

abhängig. So ist die β-D-Fructopyranose etwa doppelt so süß wie die

Saccharose, die aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Glu-

cose aufgebaut ist. Die β-D-Fructofuranose hingegen ist fast ge-

schmackslos.

- L(-)-Sorbse tritt als Zwischenprodukt bei der technischen Herstellung

von Vitamin C (Ascorbinsäure) auf.





52

5. Disaccharide

Disaccharide sind die einfachsten Polysaccharide, die aus zwei Mono-

sacchariden bestehen. Die beiden Monosaccharide sind dabei über eine gly-

kosidische Bindung von einer Hydroxyl-Gruppe des einen Monosaccharids mit

der Hydroxyl-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms eines anderen Mono-

saccharids kovalent verknüpft.154 Dabei ist eine Verknüpfung der Hydroxyl-

Gruppe am anomeren Kohlenstoffatom mit jeder der Hydroxyl-Gruppen des

zweiten Monosaccharids möglich. Die Reaktion der Bildung von Monosaccha-

riden entspricht der Reaktion der Bildung von Acetalen aus einem Alkohol und

einem Halbacetal. Es handelt sich also um glycosidische Bindungen (vgl. Ka-

pitel 3.3.3).155

5.1 Nomenklatur der Disaccharide

Die systematische Benennung der Disaccharide charakterisiert die beteiligten

Monosaccharide, deren Ringform (α oder β bzw. Fünf- oder Sechsring) sowie

die Art der Verknüpfung zwischen den beiden Monosacchariden.156

Konventionsgemäß wird der Name der Di- und auch Oligosaccharide ausge-

hend von dem linken, nicht reduzierenden Ende beschrieben und dann fol-

gendermaßen aufgebaut:157

1. Zuerst wird die Konfiguration (α oder β) des anomeren Kohlenstoff-

atoms angegeben, das die erste (linke) Monosaccharid-Einheit mit der

zweiten verbindet.

2. Nun wird der nicht-reduzierende (linke) Zucker benannt und dabei

auch zwischen Sechs- und Fünfring durch die Endung „-pyranosyl“

bzw. „-furanosyl“ unterschieden.

3. Danach werden in Klammern die beiden durch die glycosidische Bin-

dung miteinander verbundenen Kohlenstoffatome angegeben. (1,4)

bedeutet also, dass das Kohlenstoffatom C1 des zuerst genannten Zu-


155 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.320

156 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C. W. (2002) S.218

157 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.322


53

ckerrestes mit dem Kohlenstoffatom C4 des zweiten Zuckerrestes ver-

bunden ist.

4. Zuletzt wird der zweite Rest genannt. Handelt es sich dabei um ein re-

duzierendes Disaccharid, so wird der Zucker mit der Endung „-ose“

ausgeschrieben und es muss keine Konfiguration (α- oder β-) voran-

gestellt werden. Im Falle eines nicht-reduzierenden Disaccharids muss

die Konfiguration angegeben werden und der Zucker erhält anstatt der

Endung „-ose“ die Endung „-id“.

5.2 Reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide

Wie bereits in Kapitel 4.3.4 beschrieben, weisen Glycoside aufgrund ihrer Bin-

dung am anomeren Kohlenstoff-Atom eine negative Fehling- und Tollens-

Probe auf, da sie nicht mehr im Gleichgewicht mit ihrer offenkettigen Form

stehen. Gleichzeitig weisen diese Glycoside keine Mutarotation auf. Im Falle

der Di- und Oligosaccharide, die auch über glycosidische Bindungen mitei-

nander verknüpft sind, trifft dies nicht automatisch zu. Da bei Disacchariden

zwei Monosaccharid-Einheiten miteinander verknüpft sind, müssen auch bei-

de anomeren Kohlenstoffatome betrachtet werden, um erkennen zu können,

ob es sich um reduzierende oder nicht-reduzierende Disaccharide handelt.

Sind die beiden Monosaccharide über ihre jeweiligen anomeren Kohlenstoff-

atome verknüpft, so ist die Fehling-Probe negativ und im Versuch fällt kein

O

1

OOH

OHOH

OH

4 O

OHOH

OH

OH

1.

2. D-Glucopyranosyl 3. (1,4) 4. D-Glucopyranose

-D-Glucopyranosy-(1,4)-D-Glycopyranose

Abb.26 Beispiel zur Benennung von Disacchariden


54

rotes Kupferoxid aus. Des Weiteren ist bei diesen nicht reduzierenden Zu-

ckern keine Mutarotation festzustellen. Wie in Kapitel 4.3.4 erwähnt, gehören

diese Disaccharide zu den nicht-reduzierenden Zuckern.

Ist bei einem der beiden Monosaccharid-Einheiten eines Disaccharids das

anomere Kohlenstoffatom nicht an der glycosidischen Bindung beteiligt, so hat

dieser Zucker reduzierende Eigenschaften und wird als reduzierender Zucker

bezeichnet (im Versuch reduziert er die Kupferionen). Des Weiteren ist bei

diesen reduzierenden Zuckern eine Mutarotation zu beobachten. Das Ketten-

ende mit einem freien anomeren Kohlenstoffatom (das nicht an der glycosidi-

schen Bindung beteiligt ist) wird auch reduzierendes Ende genannt.158

Die reduzierenden Eigenschaften dieser Diasaccharide liegen darin begrün-

det, dass die Monosaccharid-Einheit, deren anomeres Kohlenstoffatom nicht

an der glycosidischen Bindung beteiligt ist, eine Ringöffnung vollziehen kann.

Im Falle der nicht reduzierenden Zucker schützen sich die beiden cyclischen

Acetalgruppen gegenseitig.159

Ein Beispiel für ein reduzierendes Disaccharid ist die Maltose. Die Maltose

setzt sich aus zwei Glucose-Einheiten zusammen, die über die Kohlenstoff-

atome C1 und C4 miteinander verknüpft sind.160 Aufgrund dieser Verknüpfung

ist der zweite Glucose-Rest dazu in der Lage, eine Ringöffnung durchzufüh-

ren, wodurch dieses Disaccharid reduzierende Eigenschaften hat. Zudem

weist die Maltose Mutarotation auf, weshalb auch bei der Benennung des Di-

saccharids die Konformation am zweiten anomeren Kohlenstoffatom nicht

spezifiziert werden muss (Maltose steht in Lösung im Gleichgewicht zwischen

α- und β-Form). Somit hat die Maltose den systematischen Namen α-D-

Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose. Aufgrund der Möglichkeit der Ringöff-

nung weist eine Lösung von Maltose eine positive Fehling-Probe auf (Abb.

26).

158 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.320




55

Ein Beispiel für einen nicht-reduzierenden Zucker ist die Trehalose. Ebenso

wie die Maltose ist die Trehalose ein Dimer der Glucose. Im Falle der Lactose

sind die Glucose-Einheiten jedoch über die beiden anomeren Kohlenstoffato-

me an den jeweiligen Positionen C1 verknüpft.161 Aufgrund dieser Verknüpfung

über die beiden anomeren Kohlenstoffatome kann keines der beiden Glucose-

Monomere eine Ringöffnung vollziehen, wodurch dieses Disaccharid nicht im

Gleichgewicht mit einer Aldehydform liegt. Aus diesem Grund zählt die Treha-

lose zu den nicht-reduzierenden Zuckern. Des Weiteren weist die Trehalose

keine Mutarotation auf, weshalb auch die Konformation am zweiten anomeren

Kohlenstoff-Atom klassifiziert werden muss. Die Trehalose trägt somit den

systematischen Namen α-D-Glucopyranosyl-(1,1)-α-Glucopyranose.


O

1

OOH

OHOH

OH

4 O

OH OHOH

OH*

*

O

1

OOH

OHOH

OH

4

OHOOH

OH

OH

*

O

1

OOH

OHOH

OH

4

OHOOHOH

OH

OH

*

+ Fehling-Lösung bzw. Tollens-Lösung

-D-Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose

Maltose

Konfiguration an diesem C-Atom ist nicht spezifiziert

Ringöffnung

Abb.26 Reaktion eines reduzierenden Disaccharid mit Fehling-Lösung am Beispiel

Maltose


56

5.3 Wichtige Disaccharide

Im Folgenden sollen nun kurz einige wichtige, in der Natur vorkommende Di-

saccharide vorgestellt werden.

5.3.1 Saccharose

Die Saccharose (auch Rohrzucker oder Rübenzucker genannt) ist das am

häufigsten vorkommende Disaccharid, die Haupttransportform von Kohlenhyd-

raten in Pflanzen162. Uns Menschen ist die Saccharose als der gewöhnliche

Haushaltszucker bekannt. Kommerziell wird die Saccharose aus Zuckerrohr

oder Zuckerrüben gewonnen. Dabei betrug die Weltproduktion im Jahre

2006/2007 160,6 Mio. t, wovon 124,4 Mio. t aus Zuckerrohr und 36,32 Mio. t

aus Zuckerrüben gewonnen wurden.163 In ihrer Verwendung als Nahrungsmit-

tel ist die Saccharose mengenmäßig eine der bedeutendsten Lebensmittelzu-

taten. Dabei wird die Saccharose hauptsächlich aufgrund des süßen Ge-

schmacks zugegeben, aber auch andere Eigenschaften, wie Körper, Struktur,

Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, Geschmacksverstärkung, Konservierung

und antioxidative Wirkung (als Invertzucker) sind wichtige Verwendungszwe-

cke.164

Saccharose ist ein Disaccharid, das sich aus einem Molekül α-D-Glucose und

einem Molekül β-D-Fructose zusammensetzt. Dabei sind diese beiden Mole-

162

Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt, C.W. (2002) S.219 163

RÖMPP Online, Stichwort “Saccharose“ (letzter Zugriff 26.04.10) 164

RÖMPP Online, Stichwort “Saccharose“ (letzter Zugriff 26.04.10)

Abb.27 Ein nicht-reduzierender Zucker am Beispiel Trehalose

O

1

OOH

OHOH

OH

1

O

OH

OH

OH

OH

*

*

Verknüpft über beide anomeren Kohlenstoffatome

-D-Glucopyranosyl-(1,1)--Glucopyranose

Trehalose


57

küle über ihre jeweiligen anomeren Zentren miteinander verknüpft, wodurch

die Saccharose zu den nicht-reduzierenden Zuckern gehört (Abb.28).

5.3.2 Lactose

Das in der Natur am zweithäufigsten vorkommende Disaccharid ist die Lacto-

se. In der Natur kommt die Lactose nur in Milch vor, weshalb Lactose auch

Milchzucker genannt wird. Dabei beträgt der Anteil der Lactose an der Mut-

termilch der meisten Säugetiere etwa 5 Gewichtsprozente der flüssigen Milch.

Bei den Trockensubstanzen der Milch beträgt der Lactose-Anteil etwa ein Drit-

tel.165 Kommerziell wird die Lactose aus Molke, einem Nebenprodukt der Kä-

seherstellung, gewonnen. Dabei fällt beim Evaporieren der Molke bei Tempe-

raturen unter 95 °C das weniger lösliche α-Anomer aus.166 Verwendet wird

Lactose bei der Herstellung von Kindernährmitteln und diätetischen Lebens-

mitteln, sowie gelegentlich als mildes Abführmittel. Weitere Anwendung findet

die Lactose als Füll- und Bindemittel in Tabletten und Dragées.167

Die Lactose setzt sich aus einem Molekül Galactose und einem Molekül Glu-

cose zusammen, wobei die Galactose mit dem Kohlenstoffatom C1 und die

Glucose mit dem Kohlenstoffatom C4 an der glycosidischen Bindung beteiligt

ist. Da die Glucose ihr anomeres Zentrum an Kohlenstoffatom C1 hat, ist eine

Ringöffnung des Glucosebausteins möglich. Aus diesem Grund zählt die Lac-

tose zu den reduzierenden Zuckern. In wässriger Lösung liegt die Lactose

über Mutarotation im Gleichgewicht zwischen α- und β- Form.



167 RÖMPP Online, Stichwort “Lactose“ (letzter Zugriff 26.04.10)

O

1

OOH

OHOH

OH

O2 OH

OH

OH

OH

*

*

-D-Glucopyranosyl-(1,2)--D-Fructofuranosid

Saccharose

Abb.28 Strukturformel von Saccharose


58

O

OH

OH

OOH

OH

O

OHOHOH

OHO

OH

OH

OOH

OH

O

OH

OH

OH

OH

-D-Galactopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose

-Lactose

-D-Galactopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose

-Lactose

Abb.30 Strukturformeln von Maltose

5.3.3 Maltose

Die Maltose (auch Malzzucker genannt) ist nach der Saccharose und der Lac-

tose das am häufigsten vorkommende natürliche Disaccharid. Die Maltose

entsteht aus Stärke und Glykogen, die unter der Einwirkung des Enzyms Amy-

lase mit einer Ausbeute von etwa 80% in das Disaccharid Maltose gespalten

werden. So kommt die Maltose in Pflanzenwurzeln und Pflanzenknollen, Blät-

tern, in keimenden Getreidesamen und Keimanlagen der Kartoffel vor. Einge-

setzt wird die Maltose als Süßmittel, als Bestandteil von Nährböden und Bie-

nenfutter. Maltose wird beim Bierbrauen vergoren und bildet einen der we-

sentlichen Geschmacksstoffe im Brot.168

Bei der Maltose handelt es sich um ein Dimer der Glucose. Die Struktur der

Maltose wurde bereits in Kapitel 4.2 beschrieben.

5.3.4 Trehalose

168 RÖMPP Online, Stichwort “Maltose“ (letzter Zugriff 27.04.10)

O

OOH

OHOH

OH

O

OHOH

OH

OHO

OOH

OHOH

OH

O

OHOHOH

OH

-D-Glucopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose

-Maltose

-D-Glucopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose

-Maltose

Abb.29 Strukturformeln von Lactose


59

Abb.31 Strukturformel von Trehalose

Trehalose kommt mit einem Massenanteil von 7% an der Trockensubstanz

einiger Pilze und mit einem Anteil von 11% an der Oligosaccharidfraktion in

Honig vor. Im Stoffwechsel von Insekten und anderen wirbellosen Tieren spielt

die Trehalose eine ähnliche Rolle wie die D-Glucose im Organismus der Säu-

getiere. Des Weiteren ist die Trehalose bei Insektenlarven und Hefen ein Re-

servekohlenhydrat.

Gewonnen wird die Trehalose durch die Isolierung aus Hefe sowie durch en-

zymatische Synthese von Maltose. Verwendet wird Trehalose als bakterieller

Nährboden und Trehalosediester als immunstimmulierendes Medikament.169

Trehalose ist wie Maltose ein Dimer der Glucose, deren Struktur bereits in

Kapitel 4.2 beschrieben wurde.

169 RÖMPP Online, Stichwort “Trehalose“ (letzter Zugriff 27.04.10)

O

1

OOH

OHOH

OH

1

O

OH

OH

OH

OH

*

*

-D-Glucopyranosyl-(1,1)--D-Glucopyranosid


60

5.4 Rohrzucker-Inversion

Wie bereits in Kapitel 3.3.6 beschrieben, können glycosidische Bindungen

durch die Zugabe von Säuren hydrolytisch gespalten werden. In Kapitel 5.3.1

wurde bereits die Saccharose, eine Verbindung aus β-D-Fructofuranose und

α-D-Glucopyranose, vorgestellt.

Eine Saccharose-Lösung weist einen spezifischen Drehwert von +66° auf.

Wird die Saccharose jedoch durch Zugabe von Säure hydrolysiert, so ändert

die spezifische Drehung Wert und Vorzeichen auf einen spezifischen Dreh-

wert von -20°.170 Dieser Effekt liegt darin begründet, dass durch die Hydrolyse

der Saccharose ein äquimolares Gemisch von Glucose und Fructose entsteht

(Abb.32).

Der spezifische Drehwert von -20° kommt dadurch zustande, dass die Gluco-

se einen spezifischen Drehwert von +52° aufweist und die Fructose dagegen

eine stark negative Drehung von -92° hat. Dabei ist zu beachten, dass diese


Abb.32 Hydrolytische Spaltung von Saccharose

O

OOH

OHOH

OH

OOH

OH

OH

OHH+

O

O+OH

OHOH

OH

OOH

OH

OH

OH

H

O

OHOH

OHOH

OH

+O

C+

OH

OHOH

OH

OH2

OOH

OH

OH

OHO+

H

H

O

OHOH

OHOH

OH

OOH

OH

OH

OHOHO

OHOH

OHOH

OH

+

Saccharose

FructoseGlucose

- H+

+


61

spezifischen Drehwerte von Glucose und Fructose Drehwerte einer Lösung im

Gleichgewicht darstellen. So steht die Glucose im Gleichgewicht zwischen α-

und β-Form (s. Kapitel 4.3.2/ Mutarotation). Die Fructose kommt in Lösung

sowohl als Sechsring, als auch als Fünfring vor. Da diese beiden Ringformen

jeweils noch über die offenkettige Form in einem Gleichgewicht zwischen α-

und β-Form vorliegen, liegt die Fructose in Lösung in 4 verschiedenen Formen

vor, die gemeinsam den spezifischen Drehwert der Fructose bilden (Abb.33).

Aufgrund des äquimolaren Verhältnisses und des höheren Betrages der Dre-

hung bei der Fructose ist die Gesamtdrehung der Invertzuckerlösung negativ.

Da durch die Hydrolyse der Saccharose das Vorzeichen der spezifischen

Drehung von + nach - umgekehrt wurde, wird das Produkt dieser Reaktion

Invertzucker genannt. In der Natur vorkommende Enzyme, die diese Reakti-

on katalysieren, werden als Invertasen bezeichnet. Diese Invertasen werden

von vielen Insekten synthetisiert, darunter auch Bienen, die mittels dieses En-

zyms den Honig, der im Wesentlichen ein Gemisch aus D-Glucose und D-

Fructose darstellt, produzieren.171

Zu Beginn der Kohlenhydrat-Chemie (und manchmal auch noch heute), wurde

die Glucose auch als Dextrose bezeichnet (dexter lat. rechts), da sie ein

rechtsdrehender Zucker ist. Die Fructose hingegen wurde als Lävulose (lae-

vus lat. links) bezeichnet, da sie linksdrehend ist.

171 Bruice, P.Y. (2007) S.1146

O

OH

OH

OH

OH OH

-D-Fructofuranose

O OH

OH

OH

OH

OH

-D-Fructofuranose

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

OOH

OH

OH

OH

OH

-D-Fructopyranose

O

OH

OH

OH

OH

OH

-D-Fructopyranose

Abb.33 Strukturen der Fructose in Lösung


62

6. Polysaccharide

Polysaccharide, die auch Glycane genannt werden, bestehen aus Monosac-

charid-Einheiten, die über glycosidische Bindungen miteinander verknüpft

sind. Dabei kann man die Polysaccharide in die Gruppen Homopolysaccha-

ride und Heteropolysaccharide einteilen. Bei Homopolysacchariden handelt

es sich um Polysaccharide, die ausschließlich aus einer Sorte Mono-

sacchariden bestehen. Heteropolysaccharide hingegen bestehen aus mehre-

ren verschiedenartigen Monosacchariden.172

Im Gegensatz zu Proteinen und Nucleinsäuren können die Polysaccharide

sowohl verzweigte als auch lineare Polymere bilden. Dies liegt darin begrün-

det, dass die glycosidischen Bindungen mit jeder Hydroxyl-Gruppe eines Mo-

nosaccharids verknüpft werden können.173 Somit ist die strukturelle Vielfalt der

Polysaccharide vergleichbar mit der der Polymere von Alkanen, insbesondere

im Bezug auf Kettenlänge und Verzweigungsgrad. Trotz dieser vielfältigen

Möglichkeiten ist die Natur beim Aufbau der Polysaccharide relativ konserva-

tiv. So werden die drei am häufigsten vorkommenden Polysaccharide Cellulo-

se, Stärke und Glycogen alle aus dem Monomer Glucose aufgebaut.174

Diese hochpolymeren Zucker, die oftmals aus hunderten oder tausenden von

Monosaccharid-Einheiten zusammengesetzt sind, zeigen andere physikali-

sche und chemische Eigenschaften als die Mono- und Oligosaccharide. Dabei

kann die Verknüpfung der einzelnen Zuckermoleküle sowohl in geraden Ket-

ten als auch verzweigt erfolgen. Dass die meisten Polysaccharide entweder

gar nicht oder nur kolloidal in Wasser löslich sind, lässt auf hohe relative Mo-

lekülmassen schließen, deren Größe zwischen 17.000 und mehreren Millio-

nen liegen kann.175

Polysaccharide erfüllen in der Natur hauptsächlich zwei Aufgaben. Zum einen

dienen sie als Energiespeicher von Pflanzen und Tieren. Eine weitere Auf-

gabe der Polysaccharide ist die als Gerüstsubstanz.

In den folgenden Kapiteln werden zwei Vertreter der Gerüstpolysaccharide,

Cellulose und Alginate, sowie zwei Vertreter der Polysaccharide, die der

Energiespeicherung dienen, Stärke und Glycogen, vorgestellt.

172 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.324

173 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt, C.W. (2002) S.219


175 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.488f.


63

6.1 Cellulose

Cellulose ist das wichtigste Gerüstpolysaccharid der höheren Pflanzen und die

am weitesten verbreitete organische Substanz der Erde. So werden jährlich

schätzungsweise 1015 kg Cellulose auf- und abgebaut und mit 10 Billionen

Tonnen liegt mehr als die Hälfte des gesamten Kohlenstoffs der Biosphäre in

Cellulose gebunden vor.176 So macht die Cellulose z.B. 10-20 % der Tro-

ckenmasse von Blättern aus und 90 % der Masse von Baumwollfaser, aus der

leicht reine Baumwolle gewonnen werden kann.177 Die bedeutendste Cellulo-

sequelle ist Holz, das zu 40-50 % aus Cellulose besteht. Der Rest des Holzes

besteht zu 1/3 aus Hemicellulose und 2/3 aus Lignin.

Die Cellulose ist ein Polysaccharid, das ausschließlich aus unverzweigten

Ketten von D- Glucosemolekühlen besteht, die β- (1,4)- glykosidisch verknüpft

sind (Abb.34). Dabei besteht ein Molekül Glucose im Durchschnitt aus 3000

Glucose-Einheiten und besitzt eine molare Masse von etwa 5000 g/mol.178

Durch die β-glykosidische Anordnung und der damit linearen Struktur der Cel-

lulose-Ketten bilden sich sowohl intramolekular als auch zwischen benachbar-

ten Ketten intermolekular Wasserstoffbrückenbindungen aus (Abb.35).

176 Nuhn, P. (2006) S.157



Abb.34 Cellulose

O

OH

OOHO

OH

O

OH

H

OOH

OH

O

OH

OOH

OH

O

OH

OOH

OH

n


64

Aufgrund der Ausbildung von sowohl inter- als auch intramolekularer Was-

serstoffbrückenbindungen und die damit verbundene Zusammenlagerung der

Celluloseketten, ist die Cellulose unlöslich in Wasser. Des Weiteren verleiht

die Bündelung aus Polymerketten der Cellulose strukturelle Stärke. Sowohl

die Unlöslichkeit in Wasser als auch die Zugfestigkeit macht die Cellulose zu

einem idealen Gerüststoff der Pflanzen.179

Der Mensch ist, wie auch viele Tiere, dazu in der Lage, sowohl Stärke als

auch Glycogen zu verdauen. Cellulose hingegen kann von Menschen wie

auch von vielen Tieren nicht verdaut werden. Der einzige Unterschied zwi-

schen Stärke und Cellulose ist die Stereochemie der glycosidischen Bindung.

Durch den anomeren Effekt (Kapitel 3.3.5) sind die β-glycosidischen Bindun-

gen der Cellulose stabiler als die α-glycosidischen Bindungen der Stärke und

des Glycogens. So enthält das menschliche Verdauungssystem Enzyme, wel-

che die Hydrolyse von α-Glucosidbindungen katalysieren können. Die Enzyme

zur Hydrolyse von β-D-Glucosidbindungen fehlen jedoch. Einige Bakterien

hingegen besitzen solche β-Glucosidasen und können somit Cellulose hydro-

lysieren. Solche Bakterien finden sich beispielsweise in den Verdauungssys-

temen der Termiten, die sich hauptsächlich von Cellulose (Holz) ernähren.

Wiederkäuer, wie z.B. Kühe, sind ebenfalls dazu in der Lage Gräser und an-

dere Celluloseformen zu hydrolysieren, da sie über die entsprechende Darm-

Flora verfügen.180

179 Bruice, P.Y. (2007) S.1148

180 Hart, H. & Craine L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.604,606

Intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: blau

Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: rot

n

O

O

OOHO

O

O

OOO

O

OOO

O

OO

OH

O

O

OOH

O

OH

O

O

OOO

OH

OOO

O

OO

H OH

H

H OH

H

H

OH

H

HOH

HH

OHH

H

HOH

H

Abb.35 Darstellung der Inter-und Intramolekularen Wechselwirkungen der Cellulose


65

Abb.36 Amylose

6.2 Stärke

Stärke ist ein Polysaccharid, das in der Natur durch Pflanzen als ihre wich-

tigste Nährstoffreserve produziert wird. Die Stärke liegt in Form wasserunlös-

licher Stärkekörner, den sogenannten Stärkegranula vor, deren Form charak-

teristisch für verschiedene Pflanzenarten sein kann.181 Pflanzen verknüpfen

Monosaccharide zum Polymer Stärke, da dadurch der intrazelluläre osmoti-

sche Druck gegenüber der monomeren Form stark verringert werden kann.

Dies liegt darin begründet, dass der osmotische Druck proportional zur An-

zahl der gelösten Moleküle ist.182

Chemisch gesehen gehört die Stärke zu der Gruppe der Glycane (Polysac-

charide), was bedeutet, dass die Zuckerbausteine, aus denen sie besteht,

über glycosidische Bindungen verknüpft sind. Aufgebaut ist die Stärke dabei

ausschließlich aus α-D-Glucoseeinheiten.

In den Pflanzen liegt die Stärke im Cytosol als ein wasserunlösliches Gemisch

aus Amylose und Amylopektin vor. Das Verhältnis von Amylose zu Amylo-

pektin beträgt in etwa 20:80, wobei unterschiedliche Pflanzen auch verschie-

dene Stärken synthetisieren, so dass es auch Stärken gibt, die fast aus-

schließlich aus Amylose oder Amylopektin bestehen.183

6.2.1 Amylose

Die Amylose ist ein lineares Polymer, in dem die α-D-Glucose-Einheiten

α(1,4)-glycosidisch verknüpft sind (Abb.36).

181 Nuhn, P. (2006) S.160



O

1O

OH

OH

OH

4 O

OOH

OH

OH

n

-(1,4)-Verknüpfung


66

Abb.37 Grafische Darstellung einer Windung der Amylose-Helix

Ein Amylose-Molekül besteht aus 50.000 – 150.000 Glucose-Einheiten.184

Modellbetrachtungen zeigen, dass die α-glycosidischen Bindungen der Gluco-

semoleküle in der Amylose eine schraubenförmige Anordnung der Glucose

zur Folge hat. So war die Amylose das erste Biopolymer, für welches Bear im

Jahre 1942 eine Helixkonformation postulierte. 185 Eine Windung einer solchen

Amylos-Helix besteht meistens aus sechs oder weniger häufig aus sieben

Glucosemolekülen, die an einer solchen Windung beteiligt sind (s. Abb.37).186

Die spiralförmige Struktur der Amylose ist durch die axial-äquatorial gerichte-

ten α-(1,4)-Bindungen zu erklären, die sowohl zu einer links- als auch rechts-

gängigen stark gestreckten Helix führen können. In das Innere dieser Helix

ragen die Wasserstoffatome, wodurch das Innere einen hydrophoben Charak-

ter erhält. Die Hydroxyl-Gruppen sind hingegen auf der Außenseite der Win-

dungen angeordnet und stabilisieren die Helix durch die Ausbildung intramo-

lekularer Wasserstoffbrückenbindungen.187 Der durch die Helix umschlossene

Hohlraum hat eine Größe von ca. 0,5 nm, in den Verbindungen eingelagert

werden können. Amylose ist in kaltem Wasser nicht löslich, da die Wassers-

184 RÖMPP Online, Stichwort “Amylose“ (letzter Zugriff 29.04.10)

185 Nuhn, P. (2006) S. 160


187 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S. 541

O

O

OHOHO

HOH2C

O

O

OH

OH

CH2OH

OO

OH

OH

CH2OH

O

OOH OH

CH2OH

OOH

OH

O

HOH2C

O

OH

OHHOH2C

0,5 nm


67

Abb. 38 Amylopektin

toffbrückenbindungen die kristallinen Strukturen der helikalen Moleküle stabili-

sieren.188

In warmem Wasser löst sich Amylose kolloidal, fällt jedoch ab einer Konzent-

ration von 2 mg/L allmählich unter Bildung von irreversiblen Doppelhelices

aus. Dieser Vorgang wird als Retrogradation bezeichnet.189

6.2.2 Amylopektin

Amylopektin besteht zwar hauptsächlich, wie die Amylose, aus α(1,4)-glycosi-

disch verknüpften α-D-Glucoseeinheiten, zusätzlich weist das Amylopektion

jedoch im Durchschnitt alle 24 bis 30 Glucoseeinheiten eine α(1,6)- Querver-

netzung auf (Abb.38).190

Durch die 4-6% α-(1,6)-Bindungen in dem Amylopektin-Molekül ist eine baum-

artige Verzweigung am wahrscheinlichsten.191 Das Amylopektin-Molekül weist

dabei viele relativ kurze, lineare α-(1,4)-glykosidische verknüpfte Glucose-

ketten (ca. 15-25 Glucoseeinheiten) auf, die durch α-(1,6)-glykosidische Bin-

dungen miteinander verknüpft und in Clustern angeordnet sind. Die Cluster

sind wiederum durch etwas längere Ketten verknüpft. Liegt eine ausreichende

188 RÖMPP Online, Stichwort “Amylose“ (letzter Zugriff 29.04.10)

189 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.541

190 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C. W. (2002) S. 222


O

1O

OH

OHOH

OH

4 O

1O

OH

OH

OH

O

1O

OH

OHOH

OH

4 O

OOH

OH

6

H

n

-(1,6)-Verknüpfung

-(1,4)-Verknüpfung


68

Länge dieser Ketten vor, so kann das Amylopektin eine Doppelhelix ausbil-

den, die durch inter- und intramolekulare Wechselwirkungen kristalline Struk-

turen ausbilden können.192

Die Amylopektionmoleküle gehören mit bis zu einer Million (106) Glucose-

Einheiten zu den größten in der Natur vorkommenden Makromolekülen.193 In

kaltem Wasser ist Amylopektin kaum löslich und bildet beim Kontakt mit hei-

ßem Wasser eine kolloidale, viskose Lösung, den sogenannten Stärkekleister.

6.2.3 Iod-Stärke-Reaktion

Wie bereits in Kapitel 6.2.1 erwähnt, hat die Amylose die Tertiärstruktur einer

Helix, deren Inneres hydrophob ist. In diese röhrenartige Struktur können sich

Moleküle passender Größe einlagern. Solche Einschlussverbindungen kann

beispielsweise Iod bilden.194 Wird also eine Mischung aus Iod-/Kaliumiodid-

Lösung zu einer Stärkelösung gegeben, so färbt sich diese blau. Die blaue

Farbe dieser Iodeinschlussverbindung entsteht durch die starre Einlagerung

der linearen Polyiodid-Anionen in die Amylosehelix, die zu Charge-Transfer-

Komplexen zwischen der Elektronenhülle des Iods mit den Hydroxid-Gruppen

der Amylose führen (Abb.39).

Abb.39195

Darstellung einer Iod-Stärke Einschlussverbindung

192 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S. 542

193 Bruice, P.Y. (2007) S.1146

194 Nuhn, P. (2006) S.160,170

195 http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG

(Letzter Zugriff: 11.04.2010

http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG


69

6.3 Glycogen

Während Stärke ausschließlich durch Pflanzen synthetisiert wird, ist das Gly-

cogen das „Reservekohlenhydrat“ der tierischen Organismen.196

Glycogen besteht wie das Amylopektin aus α(1,4)- verknüpften Glucose-

Einheiten mit α(1,6)-Verzweigungen (Abb.38). Im Gegensatz zum Amylopektin

ist das Glycogen jedoch stärker verzweigt. So weist Glycogen alle 8-12 Glu-

cose-Einheiten eine Quervernetzung auf.197

Glycogen dient im menschlichen Organismus als Glucosedepot zwischen den

Mahlzeiten und bei körperlicher Tätigkeit. Dabei ist das Glycogen besonders

in der Leber und im ruhenden Skelettmuskel angereichert.198

Diese starke Verzweigung der Glycogen-Moleküle ist wichtig für den schnellen

Abbau der Glucose-Moleküle aus dem Glycogen. Da jede Seitenkette des

Glycogens mit einem nicht reduzierenden Zucker endet, besitzt ein Glycogen-

Molekül mit n Verzweigungen n+1 nichtreduzierende Enden, jedoch nur ein

reduzierendes Ende. Die glycogenabbauenden Enzyme, die nur auf nichtre-

duzierende Enden einwirken können, haben durch die starke Verzweigung

des Moleküls viele Enden, an denen sie gleichzeitig angreifen können.199 Nur

durch diesen Aufbau des Glycogens kann somit gewährleistet werden, dass

bei hohem Energieverbrauch ausreichende Mengen an Glucose zur Verfü-

gung stehen.


197 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.326


199 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.326


70

6.4 Alginate

6.4.1 Alginsäuren und Struktur der Alginate200

Alginsäure ist ein Gemisch von linearen Polyuronsäuren, das aus wechseln-

den Anteilen von β-D Mannuronsäure und (1,4)-α-L-Guluronsäure besteht

(Abb.40), wobei der Polimerisationsgrad zwischen 1000 und 3000 liegt.

Diese beiden Bausteine liegen in der Alginsäure teilweise als Blockpolymere

mit nur einem Uronsäuretyp vor. In diesem Falle spricht man bei der Mannu-

ronsäure von MM-Blöcken, die aus β-D-(1,4)-verknüpften Mannuronsäure-

Monomeren bestehen (Abb.41). Bei der Guluronsäure spricht man von GG-

Blöcken, in denen die α-L-Guluronsäuremonomere (1,4)-verknüpft sind

(Abb.42). Teilweise liegen die Uronsäuretypen auch in einem alternierenden

Sequenzpolymer (MG-Block) vor, wobei beide Uronsäuretypen zu etwa glei-

chen Anteilen statistisch verteilt sind (Abb.43).

200 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.632ff. und Marburger A. (2003) S.7ff.

Abb.40 Polyuronsäuren

OOH

OHOH

OHHOOC

OOH

OHOHOH

HOOC

-L-Guluronsäure -D-Mannuronsäure


71

Abb.41 MM-Block

n

1,4-verknüpfte -Mannuronsäure

M M M

O

1

OH

OOHO

HOOC

4

OH

OOH

HOOC

HO

1

OH

OOH

HOOC

O

O

1OH

O4

OHO

HOOC

OH

O

HOOC OH

O

1OH

O4

OH

HOOC

OH

O

HOOC OH

O O

n

1,4-verknüpfte -L-Guluronsäure

G G G G

O

1

OH

OOHO

HOOC

4HOOC

OH

O

OH

O

1

OH

OOH

HOOC

4HOOC

OH

O

OH

O

O

M G

alernierende Sequenz

n

GM

Abb.42 GG-Block

Abb.43 MG-Block


72

Die Primärstruktur der der Alginsäuren besteht somit aus periodischen Se-

quenzen (MM-und GG-Blöcke), die von aperiodischen Sequenzen (MG-

Blöcke) unterbrochen werden. Das Verhältnis von Polymannuronsäure, Poly-

guluronsäure und dem alternierenden Segment kann dabei je nach Algenart

variieren.

Guluronsäure hat einen pKa-Wert von 3,65, die etwas stärkere Säure als

Mannuronsäure einen pKa-Wert von 3,38. Aufgrund ihrer pKa-Werte liegen in

Lösung die Carboxyl-Gruppen der Alginsäure größtenteils als Carboxylat-

Anion vor.

In den Zellwänden kommen die Uronsäuren in dicht gepackten Strängen vor,

wobei die Carboxylat-Gruppen der Säuren über zweiwertige Kationen (Mg2+,

Ca2+) miteinander verknüpft sind. In dieser Verknüpfung der verschiedenen

Polyuronsäuren in den Zellwänden der Algen liegt unter anderem die Festig-

keit und Flexibilität der Algen begründet, die den extremen mechanischen Be-

lastungen durch Meeresströmungen und Wellenbewegungen standhalten.

6.4.2 Gelbildung von Natriumalginat201

Alginsäure ist in Laugen löslich. In siedendem Wasser hingegen ist Alginsäure

kaum, in organischen Lösungsmitteln und kaltem Wasser praktisch unlöslich.

Alginsäure kann jedoch unter Quellung das 200- bis 300-fache an Masse auf-

nehmen. Im Gegensatz zur Alginsäure löst sich Natriumalginat langsam in

Wasser und es kommt zur Ausbildung eines Sols.

Wie man an den Konformationsformeln erkennen kann, unterscheiden sich die

verschiedenen Sequenzvarianten in ihrer räumlichen Struktur, was entschei-

dend für die Fähigkeit zur Bildung von Gelen ist. Durch die Anwesenheit von

mehrwertigen Kationen können sich die GG-Ketten parallel anlagern und so-

mit geordnete Tertiärstrukturen ausbilden. Durch die biaxiale Verknüpfung der

Guluronateinheiten kommt es zur starken Faltung der GG-Blöcke, die dazu

führt, dass „Höhlen“ entstehen, die in etwa dem Durchmesser eines Ca2+- Ka-

tions entsprechen (Abb.44). Man spricht von der sogenannten „egg box type“-

Struktur, da sich ähnlich einem Eierkarton durch die Faltung Hohlräume erge-

ben, in die sich Kationen einlagern und die elektrostatische Abstoßung der

anionischen Ketten kompensieren (Abb.45,46,47). Es kommt zu einer Chelat-

201 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.635ff und Marburger, A. (2003) S.19ff


73

bildung zwischen den anionischen Ketten und dem zweiwertigen Kation. Es

wird davon ausgegangen, dass innerhalb eines solchen Hohlraumes ein Ca2+-

Kation von insgesamt 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden wird

(Abb.44).

O

1O

O4

OOO

OH

O

OH

O-

O

H

H

O O-

Ca2+

n

Die fünf Sauerstoffatome

innerhalb eines Gulurunat-

Dimers, die an der koordi-

nativen Bindung beteiligt

sind rot hervorgehoben

Abb.44 Einlagerung eines Calcium-Ions

Abb.45, 46+47 „Egg box“-Modell


74

Die Konformation der MM- und GG-Blöcke erlaubt eine solche parallele

Anordnung der anionischen Ketten nicht, sondern sie führen zu einer ge-

streckten Anordnung, weshalb man auch von einer „ribbon type“(eng. bandar-

tigen)-Konformation spricht. Die aggregierten Zonen durch die „egg Box junc-

tions“ werden von den ungeordneten MM-Blöcken und MG-Blöcken unterbro-

chen, wodurch große Hohlräume entstehen, in die große Mengen Wasser

eingelagert werden kann (Abb.48).

Abb.48202

Entstehung von Hohlräumen durch die „Egg box“- und „ribbon“-type

Konformation

202 Aus: Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S. 635

75

III. Experimenteller Teil

1. Einleitung

In diesem Kapitel der Arbeit befinden sich die Ausarbeitungen der gefilmten

Experimente. Zu dieser Ausarbeitung gehören sowohl die Durchführung als

auch die theoretischen Hintergründe der Experimente. Des Weiteren wurden

auch teilweise Arbeitsblätter zu den Experimenten angefertigt, die am Ende

der Ausarbeitungen zu finden sind.

Die Ausarbeitungen und auch die Arbeitsblätter weichen vom bisherigen For-

mat der Arbeit ab, da sie hauptsächlich als Begleitmaterial zur DVD gedacht

sind. Sie sollen von den Lehrern direkt in einem praktischen Format verwen-

det werden können. Aus diesem Grund sind sowohl die Nummerierungen der

Bilder als auch die Literatur- und Bildquellenangaben in jeder Ausarbeitung

eines Versuchs eigenständig.

Die Versuche sind nach verschiedenen Themen geordnet. Die Themen

(Überschriften) der Gliederung sind dem hessischen Lehrplan entnommen.

Die Zuordnung der Versuche zu den jeweiligen Themengebieten ist nicht im-

mer eindeutig zu treffen. So kann man die meisten Versuche zu mehreren

Themen zuordnen. Trotzdem soll die Einordnung der Versuche zur besseren

Strukturierung beitragen:

Nachweisreaktionen:

Fehling - Glucose (Seite 77)

Fehling - Fructose, Saccharose und Glucose (Seite 86)

Fehling - reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide (Seite 93)

Tollens-Probe (Seite 105)

Iod-Stärkenachweis (Seite 114)

„Kartoffelpapier“ (Seite 125)

76

Reaktionen:

Pharaoschlange (Seite 133)

Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure (Seite 142)

Zuckerwürfel in Kaliumchlorat (Seite 149)

Fehling - Spaltung von Saccharose (Seite 154)

Stärkespaltung (Seite 161)

„Blue Bottle“ (Seite 169)

„Violett Bottle“ (Seite 178)

„Red Bottle“ (Seite183)

„Ampel Bottle“ (Seite 188)

Optische Aktivität und Stereoisomerie

Polarimetrische Untersuchung von Saccharose (Seite 195)

Mutarotation von Glucose (Seite208)

Energiespeicher, Gerüstsubstanz, Energiestoffwechsel

Hefe und Zucker (Seite 217)

Bedeutung und Verwendung

Invertzucker-Creme (Seite 228)

Alginate - Restrukturierte Paprikastreifen (Seite 237)

Alginate – Zahnabdruck (Seite 250)

Nachwachsende Rohstoffe/ modifizierte Naturprodukte

Stärkefolie (Seite 258)

Kupferseide (Seite 266)

Schießbaumwolle (Seite 277)

Zellstoffgewinnung (Seite 288)

Superabsorber aus Stärke (Seite 298)

77

2. Nachweisreaktionen

Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose

Zeitaufwand:

Vorbereitung: 5 Minuten

Durchführung: 10 Minuten

Abbau/Entsorgung: 5 Minuten (bei angesetzten Lösungen)

Chemikalien:

Herstellen der Fehling-Lösungen:

Fehling-1-Lösung: 3,5 g CuSO4*5 H2O in 50 mL Wasser lösen

Fehling-2-Lösung: 17,5 g K+- Na+- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen

Unmittelbar vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling-1-Lösung und Fehling-2-

Lösung im Verhältnis 1:1 gemischt werden.

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schul-

einsatz

Kupfersulfat-

Pentahydrat

CuSO4*5H2O

22-36/38-50/53 22-60-61

SI + SII

Kalium-Natrium-

Tartrat

K+/Na+ [C4H4O6]2-

- 22-24/25 - SI + SII

Natriumhydroxid

NaOH 35 26-37/39-45

SI + SII

Glucose

C6H12O6

- - SI + SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose

78

Materialien:

- Heizplatte

- Becherglas (2x)

- Reagenzgläser (2x)

- Schliffflaschen (2x) (für die Fehling-Lösungen)

- Reagenzglasgestell

Versuchsaufbau:

Glucose Blindprobe

heißes Wasser

1. Lösen in heißem Wasser 2. Zugabe von Fehling-Lösung

Fehling-Lösung

(1+2 gemischt)

Abb.1 Aufbau des Versuchs


79

Durchführung:

In eines der beiden Reagenzgläser wird etwas Glucose gegeben. Das zweite Reagenzglas

bleibt leer und dient im diesem Versuch als Blindprobe. In beide Reagenzgläser wird nun

heißes Wasser gefüllt und die Probe anschließend geschüttelt. Nun können die beiden Flüs-

sigkeiten in den Reagenzgläsern mit Fehling-Lösung untersucht werden. Dazu werden zu

den zu untersuchenden Lösungen 5-10 mL der zuvor gemischten Fehling-Lösung gegeben.

Sicherer ist es mit kalten Lösungen zu arbeiten und diese dann in ein warmes Wasserbad zu

stellen. Die oben genannte Variante eignete sich jedoch besser zum Filmen.

Entsorgung:

Die mit Fehling-Lösung untersuchten Zuckerlösungen werden neutral in den Schwermetall-

abfall entsorgt.

Beobachtung:

Die Lösung von Glucose färbt sich nach der Zugabe von Fehling-Lösung von blau über gelb-

lich-braun nach orange-rot, während bei der Blindprobe keine Farbveränderung zu erkennen

ist.

Abb.2 Beobachtung des Versuchs


80

Auswertung:

1. Fehling-Probe

Der Nachweis der Fehling-Probe beruht auf der leichten Oxidierbarkeit von Aldehyden, die

durch Fehling-Reagenz zu Carbonsäuren oxidiert werden. Um die Aldehyd-Gruppe zu oxi-

dieren, sind sowohl Kupfer(II)-Ionen wie auch Hydroxid-Ionen nötig. Es kann aber nicht mit

alkalischen Kupfersalzlösungen gearbeitet werden, da in solchen Lösungen Kupferhydroxid

ausfallen würde. Aus diesem Grund werden den Kupfer-Ionen der Fehling-2-Lösung Tartrat-

Ionen zugegeben. Tartrat ist das Salz der Weinsäure. Zwei Tartrat-Ionen sind dazu in der

Lage, zwei Kupfer(II)-Ionen zu komplexieren (s. Abb.3).203

Dieser Komplex ist auch für die blaue Farbe des Gemisches der beiden Fehling-Lösungen

verantwortlich. Es handelt sich dabei um Charge-Transfer-Komplexe zwischen den Kupfer-

Ionen und den Tartrat-Ionen in dem entstandenen Komplex.204

Werden die Kupfer(II)-Ionen im Laufe der Reaktion jedoch zu Kupfer(I) reduziert, so können

die Kupfer(I)-Ionen nicht mehr durch die Tartrat-Ionen komplexiert werden und es entsteht

ein roter CuO2-Niederschlag.

203 RÖMPP Online, Stichwort “Fehlingsche Lösung” (letzter Zugriff 12.02.10)

204 Holleman A. F. & Wiberg, E. (1995) S.1335

Cu2+

O-

O-

OH

OHOH2

OH2

Cu2+

OH

OH

O-

O-

OH2

OH2

OO

O

O

Abb.3 Kupfer2+

-Tartrat-Komplex


81

+I

Oxidation:

Reduktion: Cu2+ + H2O +2e- Cu2O + 2 H+

Gesamt: (aq) + 2 Cu2+ (aq) + 4 OH-

(aq) +Cu2O + 2H2O(l)

2. Warum ist der Nachweis mit Glucose positiv?

Wie bereits beschrieben und an den Reaktionsgleichungen erkennbar, ist für den positiven

Nachweis der Zucker das Vorliegen einer Aldehydfunktion entscheidend. Wie durch Rönt-

genstrukturanalysen bewiesen wurde, kristallisiert Glucose ausschließlich als α-D-Glucose

aus.205 In dieser ringförmigen Glucose existiert keine Aldehydgruppe und der Nachweis wür-

de negativ ausfallen. Wird die Glucose jedoch in Lösung gegeben, so stellt sich ein Gleich-

gewicht zwischen α- und β-Form der ringförmigen Glucose, sowie einer kleinen Menge des

offenkettigen Aldehyds ein.206



Abb.5 Die drei in Lösung vorkommenden Konformationen der Glucose

H

O

R

+ H2O

OH

O

R

+ H+

2 + 2 e-+I +III

H

O

R

+I

OH

O

R

+III

+I+II

+II

O

HOH

HH

H

H

OHOH

OH

OH

O

OHOH

HH

H

H

HOH

OH

OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

**

-D-Glucose

36,4

Aldehydform

0,003 %

-D-Glucose

63,6 %

Abb.4 Ablaufende Redoxreaktion der Fehling-Probe

rot


82

Wie in Abb. 5 zu erkennen ist, kommt in Lösung auch das offenkettige Aldehyd zu einem

geringen Anteil von 0,003 % vor. Dieser geringe Anteil an offenkettiger Glucose reicht für

den positiven Fehling-Nachweis von Glucose aus, da nach der Oxidation dieses Aldehyds

zur Carbonsäure nach dem Prinzip von Le Chatelier weitere ringförmige Glucose in die of-

fenkettige Aldehydform übergeht.

Der Mechanismus, nach der die ringförmige Glucose gebildet wird, ist der einer reversiblen

cyclischen Halbacetalbildung.207

207 Bruice, P.Y. (2007) S. 935

Abb.6 Cyclische Halbacetalbildung am Beispiel Glucose

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

O

H+

+

O+

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OHH

H+

-

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

(1)

(2)

(1)

O+

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OHH

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

H+

(2)

-D-Glucose

-D-Glucose

-

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

O+

H

C+

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

OH

D-Glucose

* *

* *


83

Abb.6 zeigt, dass der nucleophile Angriff des Sauerstoffatoms von zwei Seiten erfolgen

kann, wodurch sowohl α- als auch β-D-Glucose entstehen kann.

Diese zyklischen Halbacetale sind stabiler als die Hydroxycarbonylverbindungen, aus denen

sie gebildet wurden. Trotzdem handelt es sich bei der Bildung von intramolekularen Halb-

acetalen, wie oben beschrieben, um eine Gleichgewichtsreaktion, weshalb der Zucker zu

einem kleinen Anteil auch in der offenkettigen Form vorliegt.

In der Reaktion mit dem Fehling-Reagenz wird nun diese offenkettige Form der Glucose zur

Gluconsäure oxidiert (Abb.7).

Didaktische Auswertung:

Einordnung in den Lehrplan:

Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich „Kohlenstoffchemie II:

Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ einzuordnen. In diesem Bereich

ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf

Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate eingegangen werden.

Die Fehling-Probe könnte schon im Bereich „Kohlenstoffchemie I: Kohlenstoffverbindungen

und funktionelle Gruppen“ beim Thema Carbonylverbindungen/Alkanale behandelt werden.

Zum Verständnis dieser Nachweisreaktion ist das Verstehen von Redoxreaktionen, die in der

Einführungsphase E1 als fakultativer Unterrichtsinhalt behandelt werden, Voraussetzung.

Einordnung des Versuchs:

Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, die Durchführung ist einfach und

auch die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Laut „Hess-

Giss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schülern

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

+ 2 e-

+I +III

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

Abb. 7 Oxidation der Glucose zur Gluconsäure


84

verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden

kann.

Mit diesem Versuch der Fehling-Probe an dem Monosaccharid Glucose kann für die Schüler

eine Brücke zwischen einem Nachweis einer bekannten funktionellen Gruppe, den Aldehy-

den und dem „neuen“ Stoff Glucose geschlagen werden. So kann anhand dieses Versuchs

die Struktur von Zuckermolekülen erarbeitet werden. Des Weiteren kann anhand dieses Ver-

suchs das Thema Redoxchemie wiederholt und gefestigt werden.

Literaturangaben:

Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education Deutschland GmbH.

Mortimer C.E. & Müller U. (2003). Das Basiswissen der Chemie (8. Auflage). Stuttgart: Georg Thieme Verlag.

Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.

Elektronische Quellen:

Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0

Abbildungsverzeichnis:

Alle Abbildungen dieses Protokolls wurden selbst angefertigt.

85

Arbeitsblatt: Fehling - Glucose Datum:

I. Sieh dir das Video aufmerksam an und notiere stichwortartig deine Beobachtungen

des Versuchs!

II. Was wird mit der Fehling-Probe nachgewiesen?

(Tipp: Es ist eine dir bekannte funktionelle Gruppe!)

III. Zeichne die Kettenform und die Ringform des Glucose-Moleküls in dein Heft!

a) Markiere alle Hydroxyl-Gruppen in einer und alle Aldehyd-Gruppen in einer andern

Farbe

b) Welcher Teil des Kettenmoleküls hat sich bei der Bildung des Ringmoleküls

verändert?

IV. Vervollständige folgenden Satz:

Damit der Fehling-Nachweis der Glucose positiv ist, ist das Vorliegen der Glucose in der

______________________________________ notwendig, da sonst keine

_____________________-Gruppe im Molekül vorhanden ist.

86

Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten


Entsorgung/Abbau: 5 Minuten

Chemikalien:


Fehling-1-Lösung:

3,5 g CuSO4*5 H2O in 50 mL Wasser lösen

Fehling-2-Lösung:

17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen

Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schul-

einsatz

Kupfersulfat-

Pentahydrat

CuSO4*5H2O

3,5 g 22-36/38-

50/53 22-60-61

SI + SII

Kalium-Natrium-

Tartrat

K+/Na+ [C4H4O6]2-

17,5 g - 22-24/25 - SI + SII

Natriumhydroxid

NaOH 6 g 35 26-37/39-45

SI + SII

Saccharose

C12H22O11

Spatel-

spitze - - - SI + SII

Fructose

C6H12O6

Spatel-


Glucose

C6H12O6

Spatel-


III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion

87


Lösung 2 im Verhältnis 1:1 gemischt werden.

Materialien:

- Heizplatte

- Bechergläser (2x)




Versuchsaufbau:

Verschiedene Zucker heißes Wasser

Fehling-Lösung (1+2 gemischt)


Blindprobe

Abb.1 Versuchsaufbau


88

Durchführung:

1. In die Reagenzgläser wird je eine Spatelspitze eines Zuckers gegeben. Ein Reagenzglas

bleibt leer und dient im Versuch als Blindprobe.

2. Die verschiedenen Zucker werden nun in heißem, nicht kochendem Wasser gelöst.

3. In die heißen Zuckerlösungen werden etwa 5-10 mL der Fehling-Lösung gegeben.

Sicherer ist das Arbeiten mit kalten Zuckerlösungen, die anschließend in ein warmes Was-

serbad gestellt werden! (Die angewandte Variante eignete sich besser zum Filmen von Vi-

deos.)

Beobachtung:

Beim Mischen der beiden Fehling-Lösungen färbt sich die Lösung dunkelblau.

Nach der Zugabe der Fehling-Lösungen zu den Zuckerlösungen färbt sich die Lösung von

Fructose und Glucose von blau über gelblich-braun nach orange-rot, während bei der Sac-

charose-Lösung, wie auch bei der Blindprobe, keine Farbveränderung zu erkennen ist.

Entsorgung:

Die mit Fehling-Lösung versetzten Zuckerlösungen werden neutral in den Schwermetallabfall

entsorgt.

Abb.2 Versuchsbeobachtung


89

Auswertung:

3. Fehling-Nachweis allgemein und Fehling-Nachweis von Glucose

s. Versuchsprotokoll: Fehling-Glucose

4. Warum ist der Nachweis mit Fructose positiv? 208

In dem Versuch ist auch der Nachweis der Fructose positiv, obwohl es sich bei der Fructose

nicht um eine Aldohexose, sondern um eine Ketohexose handelt. Das heißt, dass die Fruc-

tose keine zum positiven Nachweis durch die Fehling-Probe notwendige Aldehyd-Gruppe

besitzt, sondern eine Keto-Gruppe.

Die positive Fehling-Probe der Fructose kann durch eine Keto-Enol-Tautomerisierung erklärt

werden. Unter der Keto-Enol-Tautomerisierung versteht man eine unter Säuren-(Abb.4) bzw.

–Basenkatalyse (Abb.3) stattfindende Umprotonierung.

208 Bruice, P.Y. (2007) S.178f. und Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E,. (2005) S.918

Abb.3 Keto-Enol-Tautomerie unter Basenkatalyse

BHCH3

CH3

H CH3

O

Enolform

Ketoform

+ B-

O-

CH3

CH3

CH3

C-

CH3

CH3 CH3

O

OH

CH3

CH3

CH3


90

CH3

CH3

OH

CH3

H++

C+

CH3

CH3

H

CH3

O H

CH3

CH3

H O+

CH3

H

CH3

CH3CH3

OH

+ H+

Enolform

Ketoform

In Lösungen laufen sowohl die säuren- als auch die basenkatalysierte Tautomerisierung

relativ schnell ab, wenn Spuren des Katalysators vorhanden sind.

Über dieses Keto-Enol-Gleichgewicht steht nun auch die Fructose in wässriger Lösung mit

der Form eines ungesättigten Alkohols (=Enol), dem Endiol. Dieses Endiol tautomerisiert

wiederrum zur D-Glucose bzw. der D-Mannose, welche als Verbindungen mit einer Aldehyd-

funktion für die positive Fehling-Probe im Falle der Fructose verantwortlich sind.

Abb.4 Keto-Enol-Tautomerie unter Säurenkatalyse


91

5. Warum ist der Nachweis der Saccharose negativ?

s. Versuchsprotokoll : Fehling-Disaccharide



s. Protokoll: Fehling: Glucose


Durch diesen Versuch kann den Schülern der Unterschied zwischen reduzierenden und nicht

reduzierenden Zuckern erläutert werden. Durch Betrachten der Struktur und das Wissen,

dass die Fehling-Probe eine Nachweisreaktion für Aldehyde ist, können bei den Schülern

Fragen bezüglich des positiven Nachweises im Falle der Fructose auftauchen. Dies könnte

als Anlass genommen werden, um die Keto-Enol-Tautomerie zu besprechen. Unter Umstän-

den wurde diese auch schon im Bereich „Kohlenstoffchemie I:Kohlenstoffchemie und funk-

tionelle Gruppen“ beim Thema „Alkanale und Alkanole“ behandelt, was dann am Beispiel

Abb.5 Keto-Enol-Tautomerie am Beispiel Fructose

D-Glucose

OH

OH H

H OH

H OH

O

OH

OH-/H

+

OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

D-Mannose

EndiolD-Fructose


92

Fructose nochmals wiederholt werden kann. Des Weiteren kann anhand dieses Versuchs

auf das Thema reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide eingegangen werden.

Literaturangaben:

Bruice P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education Deutsch-land GmbH.

Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.





93

Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide

Zeitaufwand:



Abbau/Entsorgung: 5 Minuten

Chemikalien:


einsatz

Kupfersulfat-

Pentahydrat

CuSO4*5H2O

3,5 g 22-36/38-

50/53 22-60-61

SI + SII

Kalium-Natrium-

Tartrat

K+/Na+ [C4H4O6]2-

17,5 g - 22-24/25 - SI + SII

Natriumhydroxid

NaOH 6 g 35 26-37/39-45

SI + SII

Saccharose

C12H22O11

Spatel-


Lactose

C12H22O11

Spatel-


Maltose

C12H22O11

Spatel-


Trehalose

C12H22O11

Spatel-


III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide

94


Fehling-1-Lösung :

3,5 g CuSO4*5 H2O in 50 mL Wasser lösen

Fehling-2-Lösung:

17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen



Materialien:

- Heizplatte

- Becherglas (2x)




Versuchsaufbau:

Verschiedene Zucker heißes Wasser

Fehling-Lösung (1+2 gemischt)


Blindprobe



95

Durchführung:

1. In die Reagenzgläser wird je eine Spatelspitze eines Disaccharids gegeben.

2. Die verschiedenen Zucker werden nun in heißem, nicht kochendem Wasser gelöst.

3. In die heißen Zuckerlösungen werden etwa 5-10 mL der zuvor gemischten Fehling-

Lösung gegeben.

Sicherer ist das Arbeiten mit kalten Zuckerlösungen, die dann in ein warmes Wasserbad ge-

stellt werden! (Die angewandte Variante eignete sich besser zum Filmen von Videos.)

Beobachtung:

Die Lösungen von Maltose und Lactose verfärben sich nach der Zugabe von Fehling-Lösung

von blau über gelblich-braun nach orange-rot, während bei der Saccharose-Lösung, wie

auch bei der Trehalose-Lösung, keine Farbveränderung zu erkennen ist und die Lösung blau

bleibt.

Entsorgung:

Die mit Fehling-Lösung untersuchten Zucker-Lösungen werden neutral in den anorganischen

Abfall entsorgt.



96

Auswertung:

Disaccharide sind die einfachsten Polysaccharide, die aus zwei Monosacchariden bestehen.

Die beiden Monosaccharide sind dabei über eine glykosidische Bindung von einer Hydroxy-

Gruppe des einen Monosaccharids mit der Hydroxy-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms

eines anderen Monosaccharids verknüpft.209 Diese Verknüpfung findet über den Mechanis-

mus einer Acetalbildung statt, welcher in Abb.3 beispielhaft an der Bildung von Fructose aus

den beiden Monosacchariden α-D-Glucose und β-D-Fructose gezeigt wird.210


210 Mechanismus: Vgl. Vollhardt, K.P.C. & Schore N. E. (2005) S.875

Abb.3 Acetalbildung am Beispiel der Bildung von Saccharose

O

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

H

H+

O

O+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

H

H

- H2O O

C+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

+

H+

-

-D-Glucose

-D-Fructose

Saccharose

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

O H

H

OH

OH

H

OH

OHH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

O H

H

OH

OH

H

OH

OH

H

O

O

OH

H

H

OH

H

OH

OH


97

Die systematische Benennung der Disaccharide ist durch die beteiligten Monosaccharide,

deren Ringform (α oder β bzw. Fünf- oder Sechsring) sowie die Art der Verknüpfung zwi-

schen den beiden Monosacchariden charakterisiert.211

Konventionsgemäß wird der Name der Di- und auch Oligosaccharide ausgehend von dem

linken, nicht reduzierenden Ende beschrieben und dann folgendermaßen aufgebaut:212

5. Zuerst wird die Konfiguration (α oder β) des anomeren Kohlenstoffatoms angegeben,

das die erste (linke) Monosaccharid-Einheit mit der zweiten verbindet.

6. Nun wird der nicht-reduzierende (linke) Zucker benannt und dabei auch zwischen

Sechs- und Fünfring durch die Endung „-pyranosyl“ bzw. „-furanosyl“ unterschieden.

7. Danach werden in Klammern die beiden durch die glycosidische Bindung miteinander

verbundenen Kohlenstoffatome angegeben. (1,4) bedeutet also, dass das Kohlens-

toffatom C1 des zuerst genannten Zuckerrestes mit dem Kohlenstoffatom C4 des

zweiten Zuckerrestes verbunden ist.

8. Zuletzt wird der zweite Rest genannt. Handelt es sich dabei um ein reduzierendes Di-

saccharid, so wird der Zucker mit der Endung „-ose“ ausgeschrieben und es muss

keine Konfiguration (α- oder β-) vorangestellt werden. Im Falle eines nicht-

reduzierenden Disaccharids muss die Konfiguration angegeben werden und der Zu-

cker erhält anstatt der Endung „-ose“ die Endung „-id“.

Um erklären zu können, warum manche Disaccharide eine positive Fehling-Probe aufweisen

und andere nicht, muss die Art der Verknüpfung zwischen den beiden Monosacchariden

betrachtet werden. Sind die beiden Monosaccharide über ihre jeweiligen anomeren Kohlens-

toffatome verknüpft, so ist die Fehling-Probe negativ und im Versuch fällt kein rotes Kupfer-

oxid aus. Diese Zucker werden auch nicht reduzierende Zucker genannt, da sie keine re-

duzierenden Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren ist bei diesen nicht reduzierenden Zu-

ckern keine Mutarotation festzustellen. Ist bei einem der beiden Monosaccharid-Einheiten

eines Disaccharids das anomere Kohlenstoffatom nicht an der glykosidischen Bindung betei-

ligt, so hat dieser Zucker reduzierende Eigenschaften und wird als reduzierender Zucker

bezeichnet (im Versuch reduziert er die Kupferionen). Zusätzlich ist bei diesen reduzieren-

den Zuckern eine Mutarotation zu beobachten.

Zum besseren Verständnis werden im Folgenden die im Versuch verwendeten Disaccharide

vorgestellt und die reduzierenden- bzw. nicht reduzierenden Eigenschaften erläutert:

211 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C. W. (2002) S. 218

212 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.322


98

Abb.5 Saccharose: -D-Glucopyranosyl-(1,2)--DFructofuranosid

1

2

3

4

5

6

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

-D-GlucopyranoseD-Glucose

5 O

1

23

4

OH

H

HH

OH

OH

H OH

H

6OH

* 3

4

5

6

OH

OH H

H OH

H OH

2

1OH

O

4 3

2O

5

OH

1

H

OH

OH

H

6

H

OH

OH

*

D-FructofuranoseD-Fructose

* = anomeres Zentrum

1. Saccharose:

Die Saccharose ist das am häufigsten vorkommende Disaccharid und ist die Haupttransport-

form von Kohlenhydraten in Pflanzen.213 Für uns Menschen ist die Saccharose als der ge-

wöhnliche Haushaltszucker bekannt. Kommerziell wird die Saccharose aus Rohrzucker oder

Zuckerrüben gewonnen.

Die systematische Bezeichnung der Saccharose lautet α-D-Glucopyranosyl-(1,2)-β-D-

Fructofuranosid. Dies bedeutet, dass sich die Saccharose aus einem Molekül α-D-Gluco-

pyranose und einem Molekül β-D-Fructofuranose zusammensetzt (Abb.4).

Wie man in Abb.4 erkennen kann, befindet sich das anomere Kohlenstoffatom der Glucopy-

ranose an Kohlenstoffatom C1, während sich im Falle der Fructose das anomere Kohlens-

toffatom an Position C2 befindet. Anhand der systematischen Bezeichnung kann man erken-

nen, dass die Saccharose gerade über diese beiden anomeren Kohlenstoffatome verknüpft

ist (Abb.5).

213 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C.W. (2002) S.219

5 O

1

23

4 HH

H

OH

OH

H OH

H

6OH

O 3 4

5

O

2

H

6

H

OH

OH

H

1

OH

OH

Abb.4 Ringschluss von Glucose und Fructose


99

Aufgrund der Beteiligung der beiden anomeren Kohlenstoffatome an der glykosidischen Bin-

dung schützen die beiden cyclischen Acetalgruppen sich gegenseitig und eine Ringöffnung

wird verhindert.214 Da jedoch die offenkettige Form die Voraussetzung für reduzierende Ei-

genschaften der Zucker ist und auch die Mutarotation über die offenkettige Form stattfindet,

gehört die Saccharose zu den nicht reduzierenden Zuckern.

2. Lactose:

Das in der Natur am zweithäufigsten vorkommende Disaccharid ist die Lactose. In der Natur

kommt die Lactose nur in Milch vor, weshalb Lactose auch „Milchzucker“ genannt wird. Da-

bei beträgt der Anteil der Lactose in der Muttermilch der meisten Säugetiere etwa fünf Ge-

wichtsprozente der flüssigen Milch. Bei den Trockensubstanzen der Milch beträgt der Lacto-

se-Anteil etwa ein Drittel.215 Kommerziell wird die Lactose aus Molke, einem Nebenprodukt

der Käseherstellung, gewonnen. Dabei fällt beim Evaporieren der Molke bei Temperaturen

unter 95 °C das weniger lösliche α-Anomer aus.216

Die systematische Benennung der Lactose lautet β-D-Galactopyranosyl-(1,4)-D-Gluco-

pyranose. Dies bedeutet, dass die Lactose aus einer β-D-Galactopyranose- und einer D-

Glucopyranose-Einheit besteht (Abb.6).

Glucose: s. oben




1

2

3

4

5

6

OH

O

H OH

OH H

OH H

H OH

5 O

1

23

4

H

HH

OH

H

OH

H OH

OH

6

OH

*

Galactose -D-Galactopyranose

Abb.6 Ringschluss Galactose


100

Man kann erkennen, dass sich das anomere Kohlenstoffatom der Galaktose an Kohlenstoff-

atom C1 befindet. Wie bereits bei der Saccharose beschrieben, ist das anomere Kohlens-

toffatom der Glucose ebenfalls am Kohlenstoffatom C1. Am systematischen Namen ist zu

erkennen, dass die Lactose über das Kohlenstoffatom C1 der Galactopyranose mit dem Koh-

lenstoffatom C4 der Glucopyranose verknüpft ist (Abb.7).

Abb.7 zeigt, dass das anomere Kohlenstoffatom der Glucopyranose nicht an der glykosi-

dischen Bindung beteiligt ist. Aus diesem Grund kann sich der Ring an dieser Stelle wieder

öffnen. Das bedeutet zum einen, dass dieser Zucker in Lösung auch in der offenkettigen

Form vorliegt. In dieser Form besitzt dieser Zucker eine Aldehydfunktion, die zur Carbonsäu-

re oxidiert werden kann. Aus diesem Grund weist die Lactose eine positive Fehling-Probe

auf, sie ist ein reduzierender Zucker. Des Weiteren steht die Glucopyranose der Lactose in

Lösung in einem Gleichgewicht zwischen offenkettiger-, α- und β- Form. Die Lactose weist

also Mutarotation auf. Es existiert sowohl eine α- als auch eine β- Form der Lactose (s.

oben).

Abb.7 Lactose: -D-Galactopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose

O

14

OH

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

1

H

HH

OH

H

OH

H OH

OH

*

*

O

14

H

HH

H

O

OH

H OH

OH

OH

O

1

H

HH

OH

H

OH

H OH

OH

*

*

-Lactose -Lactose

14

OH

HH

O

OH

H OH

H

OH

O

1

H

HH

OH

H

OH

H OH

OHOH


101

3. Maltose217

Nach der Saccharose und der Lactose ist die Maltose (oder auch Malzzucker) das am häu-

figsten vorkommende natürliche Disaccharid. Die Maltose entsteht aus Stärke und Glykogen,

die unter der Einwirkung des Enzyms Amylase mit einer Ausbeute von etwa 80% in das Di-

saccharid Maltose gespalten werden. So kommt die Maltose in Pflanzenwurzeln und Pflan-

zenknollen, Blättern, in keimenden Getreidesamen und Keimanlagen der Kartoffel vor.

Maltose ist ein Dimer der Glucose und trägt den systematischen Namen α-D-Gluco-

pyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose. Die Maltose besteht also aus zwei Glucose-Einheiten (s.

oben), die über die Kohlenstoffatome C1 und C2 verknüpft sind (Abb.8).

Ähnlich der Lactose ist auch bei der Maltose nur einer der beiden anomeren Kohlenstoffato-

me an der glycosidischen Bindung beteiligt. Das andere anomere Kohlenstoffatom ist nicht

an dieser Bindung beteiligt und kann, ebenso wie die Lactose, eine Ringöffnung vollziehen.

217 Nach: RÖMPP Online, Stichwort “Maltose“ (letzter Zugriff 14.03.10)

Abb.8 Maltose: -D-Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose

* *

O

1H

HH

OH

OH

H OH

H

OH

O

O

14

H

H

HH

OH

H OH

OH

OH

Maltose

* *

Maltose

O

1HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

O

14

OH

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O O

HH

H

OH

H OH

H

OH

OH


102

4. Trehalose

Trehalose kommt mit einem Massenanteil von 7% an der Trockensubstanz einiger Pilze und

mit einem Anteil von 11% an der Oligosaccharidfraktion in Honig vor. Im Stoffwechsel von

Insekten und anderen wirbellosen Tieren spielt die Trehalose eine ähnliche Rolle wie die D-

Glucose im Organismus der Säugetiere. Des Weiteren ist die Trehalose bei Insektenlarven

und Hefen ein Reservekohlenhydrat.

Gewonnen wird die Trehalose durch die Isolierung aus Hefe, sowie durch enzymatische

Spaltung von Maltose.

Die Trehalose trägt den systematischen Namen α-D-Glucopyranosyl-(1,1)-α-D-Gluco-

pyranosid und ist somit ebenso ein Dimer der Glucose, wie auch die Lactose. Anders als die

Lactose sind die beiden Glucoseeinheiten jedoch über die jeweiligen Kohlenstoffatome C1

verknüpft (Abb.9)

Wie man an der Struktur der Trehalose erkennen kann, sind die beiden anomeren Kohlens-

toffatome an der glykosidischen Bindung beteiligt. Aus diesem Grund sind, wie bei der Sac-

charose, keine Ringöffnungen bei diesem Disaccharid möglich. Dadurch fällt auch die Feh-

ling-Probe negativ aus. Die Trehalose hat keine reduzierenden Eigenschaften und beim Lö-

sen in Wasser findet keine Mutarotation statt. Die Trehalose ist ein nicht reduzierender Zu-

cker und besitzt somit auch keine α- bzw. β-Form.

*O

1H

HH

OH

OH

H OH

H

OH

O

O

1

OH

OH

H

H

OH H

H

OH

*

Abb.9 Trehalose: -D-Glucopyranosyl-(1,1)--D-Glycopyranosid


103

Didaktische Analyse:



Einordnung dieses Versuchs:

Durch diesen Versuch können die Schüler anhand der verschiedenen chemischen Eigen-

schaften Rückschlüsse auf die Struktur bzw. die Verknüpfungsarten der verschiedenen Zu-

cker. Dabei kann auf das Vorwissen aus der Carbonyl- und Redoxchemie zurückgegriffen

werden. Der apparative wie auch der zeitliche Aufwand dieses Versuchs sind relativ gering

und die verwendeten Chemikalien dürfen laut „HessGiss“-Datenbank von Schülern der Se-

kundarstufe SI und SII uneingeschränkt verwendet werden. Somit eignet sich dieser Versuch

sowohl als Lehrer-Demonstrationsversuch als auch als Schülerversuch. Im Anschluss an

diesen Versuch könnte die Spaltung eines Disaccharids besprochen werden, was zu einem

besseren Verständnis zu Acetalbindungen führen kann.218

Literaturangaben:

Nelson D. & Cox M. (2009). Lehninger Biochemie (4. Auflage). Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.

Streitweiser; A. & Heathcock C.H. & Kosower E.M. (1994). Organische Chemie (2. Auflage). Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH.

Voet, D. & Voet J.G. & Pratt C.W. (2002). Lehrbuch der Biochemie (X. Auflage). Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.




„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (li-zenzpflichtig, zuletzt abgerufen am 14.03.2010)



218 Vgl. hierzu: Versuchsprotokoll Spaltung von Saccharose und Polarimeter: Spaltung von Saccharo-se

http://www.roempp.com/prod/index1.html

104

I. Schau dir das Video aufmerksam an und fülle danach folgende Tabelle aus:

II. Im Folgenden sind die Monosaccharide dargestellt, aus denen sich die im Versuch

gezeigten Disaccharide zusammensetzen. Markiere bei diesen Monosacchariden das

anomere Kohlenstoffatom mit einem Stern (*) und nummeriere die Kohlenstoffatome.

III. Die systematischen Namen für die Disaccharide sind:

Maltose: -D-Glucopyranosyl-(1 4)-D-Glucopyranose

Trehalose: -D-Glucopyranosyl-(1 1)--D-Glycopyranosid

Lactose: -D-Galactopyranosyl-(1 4)-D-Glucopyranose

Saccharose: -D-Glucopyranosyl-(1 2)--DFructofuranosid

a) Zeichne die Strukturformeln der Disaccharide in dein Heft!

b) Markiere erneut das anomere Kohlenstoffatom!

c) Formuliere einen Merksatz, wann der Fehling-Nachweis bei Disacchariden positiv

und wann er negativ ist!

Zucker Maltose Trehalose Lactose Saccharose

Fehling-Probe + (positiv) - (negativ)

O

OHOH

OH

OH

OH

-D-Glucose

O OH

OH

OH

OH

OH

-D-Fructose

O

OH

OH

OH

OH

OH

-D-Galactopyranose

Arbeitsblatt: Fehling - Disaccharide Datum:

105

Versuchsprotokoll: Tollens-Probe

Zeitaufwand:




Chemikalien:

219 Schwangere und stillende Personen dürfen nicht mit Ammoniak arbeiten.


einsatz

Kaliumhydroxid

KOH 1,8 g 2-35

26-36/37/39-

45

SI +SII

Silbernitrat

AgNO3

3,4 g 34-50/53 26-45-60-61

SI + SII

Ammoniak

NH3 (w=0,25) ca. 8 mL 10-23-34-50

9-16-26-36-

36/37/36-45-

61

SI+SII

219

Ammoniumsulfat

(NH4)2SO4

Spatel-

spitze 36/37/38 26-36

SI+ SII

Glucose

C6H12O6

Spatel-


III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Tollens-Probe

106

Herstellung der Lösungen:

Silbernitrat-Lösung (w = 0,1):

6,8 g Silbernitrat auf 40 mL auffüllen

Kaliumhydroxid-Lösung (c = 0,3 mol/L)

1,8 g Kaliumhydroxid auf 100 mL auffüllen

Materialien:

- Becherglas

- Messpipette

- Magnetrührer mit Rührfisch

- Spatel

- sauberes(!) Glasgefäß mit Stopfen

Versuchsaufbau:

Substanz

NH3

1. Zugabe Ammoniak

Silbernitratlösung Glucose-Lösung

3. Schütteln


KOH

2. Die drei Lösungen in

ein sauberes Glasgefäß


107

Durchführung:

I. Herstellung der Silbernitrat-Lösung

1. Benötigt werden 20 mL einer 0,1 molaren Silbernitrat-Lösung.

2. Zu dieser Lösung tropft man so lange Ammoniak-Lösung (w = 0,25), bis sich der sich

bildende Niederschlag gerade wieder löst.

3. Dieser ammoniakalischen Silbernitrat-Lösung wird eine Spatelspitze Ammoniumsulfat

zugegeben und anschließend mit entionisiertem Wasser auf 100 mL aufgefüllt.

II. Durchführung der Tollens-Probe

1. In ein sauberes(!) Glasgefäß werden zu gleichen Anteilen Kaliumhydroxid-Lösung, Glu-

cose-Lösung und von der hergestellten ammoniakalischen Silbernitrat-Lösung gegeben.

2. Das Glasgefäß wird verschlossen und kräftig geschüttelt. (Das Schütteln dient nur der

kompletten Verspiegelung des Glasgefäßes.)

Beobachtung:

Nach der Zugabe von Ammoniak zur Silbernitrat-Lösung bildet sich ein brauner Nieder-

schlag, der sich nach weiterer Zugabe von Ammoniak wieder auflöst. Durch das Schütteln

des Glasgefäßes scheidet sich an der Reagenzglaswand ein silbrig glänzender, spiegelähn-

licher Niederschlag ab.

Abb.2+3 Versuchsbeobachtung


108

Entsorgung:

Die Lösung aus dem Glasgefäß wird neutral in den anorganischen Abfall entsorgt. Das ver-

spiegelte Glas kann nach dem Trocknen von den Schülern mit nach Hause genommen wer-

den oder es wird in die Feststofftonne entsorgt.

Auswertung:

1. Herstellen der Silbernitratlösung:

Durch die Zugabe von Ammoniak wird die Lösung basisch. Beim Versetzen einer Silbersalz-

lösung mit Laugen fällt zunächst ein dunkelbrauner Niederschlag von Silber(I)-oxid über die

Zwischenstufe Silberhydroxid aus:220

2 Ag+(aq)

+ 2 OH-(aq) 2 AgOH(s) Ag2O(s)↓ + H2O

braun

Das entstandene Silberoxid löst sich nur wenig in Wasser und ist für die braune Farbe der

Lösung verantwortlich.

Wird zu dieser Lösung weiter Ammoniak zugegeben, so löst sich das Silber(I)-oxid unter Bil-

dung eines Diammin-Silber(I)-Komplex auf:

Ag2O (s) + 4 NH3 (aq) + H2O 2 [Ag(NH3)2]+

(aq) +2 OH- (aq)

Dieser Komplex ist wasserlöslich, wodurch der braune Niederschlag verschwindet.

Der Lösung wurde also Ammoniak als Komplexbildner zugesetzt, damit eine Bildung stören-

der Niederschläge (beispielsweise Ag2O) verhindert wird, welche die zu erwartende Reakti-

on verhindern würde.221

220 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995) S.1345

221 Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.197


109

2. Tollens-Probe

„Die leichte Oxidierbarkeit von Aldosen wird für analytische Methoden genutzt, die in der Zu-

cker-Chemie weit verbreitet sind“222. Ein Beispiel für eine solche analytische Methode zum

Nachweis einer Aldehyd-Gruppe ist die Tollens-Reaktion, bei der Silber-Ionen zu metalli-

schem Silber reduziert werden, das sich auf der Innenwand des Reaktionsgefäßes abschei-

det.

Primär ist die Tollens-Probe ein Nachweis für Aldehyde. Bei diesem Nachweis werden Sil-

ber-Ionen zu elementarem Silber reduziert, währen das Aldehyd zur Säure oxidiert wird. Das

eigentlich reagierende Agens ist dabei der in Punkt 1. beschrieben Diamminosilber(I)-

Komplex:

Oxidation:

Reduktion:

Gesamt:

Das bei der Reaktion entstandene elementare Silber scheidet sich an der Wand des Reakti-

onsgefäßes ab und sorgt dort für den „Spiegeleffekt“ an der Glaswand.

Bei großtechnischen Synthesen findet der Tollens-Nachweis normalerweise keine Anwen-

dung. In der Industrie wird die Tollens-Reaktion verwendet, um glänzende Spiegel auf Glas-

oberflächen zu erzeugen. Ein Beispiel für eine Verspiegelung einer Glasoberfläche ist die

Innenseite einer Thermosflasche.223



Ag+

+ e-

Ag

+I 0

Abb.4 Ablaufende Redoxreaktionen der Tollens-Probe

O

R H

O

R OH

+ 2 e-

+I +III

R H

O

+ 2 [Ag(NH3)2]+

+

O

R H

+ 2 Ag + 4 NH3H2O+

(aq)(aq)

2 OH-

(aq) (aq)+I

+I

(s)

0+III


110

3. Warum funktioniert der Nachweis auch mit Glucose?


4. Hintergrundinformation: Geschichte der Spiegelherstellung224 225:

Die ersten, den Menschen bekannte, Spiegel sind wohl glatte Wasseroberflächen. Ein weite-

rer Fortschritt war das Verwenden von spiegelnden Steinen. Im Jahre 3000 vor Christus

stellten die Ägypter Handspiegel aus polierter Bronze her. Die Griechen stellten um 400 vor

Christus Spiegel aus poliertem Metall her.

Ab dem Jahre 300 nach Christus wurden von den Römern Spiegel aus Glas angefertigt, die

mit Metall hinterlegt wurden. Dieses Wissen der Römer ging jedoch verloren und das Ver-

wenden von Glas etablierte sich erst wieder im 14. Jahrhundert in Europa. Dabei wurde rund

geblasenes Glas mit einer Metallfolie hinterlegt oder auf der Rückseite mit Metall beschich-

tet. Besonders beliebt waren zu dieser Zeit kleine Tisch-, Taschen- und Gürtelspiegel mit

Elfenbeingriffen.

Zu Zeiten der Renaissance gab es dann revolutionäre Neuigkeiten. So wurde zu dieser Zeit

bereits Kristallglas verwendet, welches zu Zylindern ausgeblasen wurde, die dann der Länge

aufgeschnitten und flach ausgebreitet wurden. Die ausgebreitete Scheibe wurde poliert und

verzinnt. Spiegel waren zu diesem Zeitpunkt nicht mehr ausschließlich gewölbt und auch

nicht zwangsläufig rund.

Im Jahre 1688 wurde von den Franzosen Abraham Tewart und Lucas de Nehou das

Schmelzgussverfahren entwickelt. In diesem Verfahren wird die geschmolzene Glasmasse

auf einem metallenen Gusstisch verteilt und anschließend mit einer Zinnfolie samt Quecksil-

berschicht belegt. Zinn und Quecksilber reagieren bei dieser Art der Spiegelherstellung zu

Zinnamalgam, was für den Spiegeleffekt verantwortlich ist. Im Barock erlebten diese Spiegel

ihre Blütezeit und wurden zur Verschönerung von Schlössern verwendet. So entstand auch

durch König Ludwig XIV. der berühmte Spiegelsaal in Versailles, der mit 300 Spiegeln aus-

gekleidet wurde (Abb.5).

224 http://www.baufachinformation.de/denkmalpflege.jsp?md=2000127125248

225 http://www.monumente-online.de/09/02/sonderthema/spiegel_barock_schloss.php?seite=2


111

Im Jahre 1855 wurde dann durch Justus von Liebig die Technik der Herstellung von Silber-

nitrat-Spiegeln entdeckt, welche wie in diesem Versuch angewendet funktioniert. Dieses Ver-

fahren konnte sich jedoch erst nach dem Verbot des Quecksilber-Amalgam-Spiegels im Jah-

re 1886 durchsetzen. Das Arbeiten mit Quecksilber wurde verboten, da das Quecksilber bei

Temperaturen von ca. 60° C sublimiert und beim Einatmen zu Vergiftungen führt.

Heute werden Spiegel durch Pressen von Aluminiumfolie auf Glasplatten unter Vakuum her-

gestellt.







Die Tollens-Probe könnte schon im Bereich „Kohlenstoffchemie I: Kohlenstoffverbindungen

und funktionelle Gruppen“ beim Thema Carbonylverbindungen/Alkanale behandelt werden.

Zum Verständnis dieser Nachweisreaktion ist das Verstehen von Redoxreaktionen, die in der

Einführungsphase E1 als fakultativer Unterrichtsinhalt behandelt werden, Voraussetzung.


Der Effekt der Verspiegelung von Glasgeräten ist interessant und weckt die Aufmerksamkeit

der Schüler. Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, die Durchführung ist

einfach und auch die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Laut

„HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schü-

Abb.5 Der Spiegelsaal von Versailles


112

lern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt wer-

den kann. Die Lösungen sollten jedoch vom Lehrer angesetzt werden, damit der Umgang mit

konzentriertem Ammoniak vermieden wird.

Mit diesem Versuch der Fehling-Probe an dem Monosaccharid Glucose kann für die Schüler

eine Brücke mit einem Nachweis einer bekannten funktionellen Gruppe, den Aldehyden und

dem „neuen“ Stoff Glucose geschlagen werden. So kann anhand dieses Versuchs die Struk-

tur von Zuckermolekülen erarbeitet werden.

Literaturangaben:

Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K.T. (1998). Chemie Heute: Sekundarbereich II (1. Auflage). Hannover: Schroedel Verlag GmbH.

Holleman A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter & Co.




http://www.baufachinformation.de/denkmalpflege.jsp?md=2000127125248

(letzter Zugriff 02.04.2010)

http://www.monumente-online.de/09/02/sonderthema/spiegel_barock_schloss.php?seite=2



Abb.5: http://www.willylogan.com/Photos/summer-2006/roll-09/7365-spiegelsaal.jpg


Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt



http://www.willylogan.com/Photos/summer-2006/roll-09/7365-spiegelsaal.jpg

113

I. Zu Beginn des Versuchs wird der Silbernitratlösung Ammoniaklösung zugegeben.

a) Was ist zu beobachten?

Formuliere eine Reaktionsgleichung!

b) Warum ist die Lösung nach der Zugabe von Ammoniak farblos?


c) Warum wird der Silbernitratlösung Ammoniak zugegeben?


II. In diesem Versuch reagiert Glucose im Basischen mit Silberionen zu elementarem

Silber.

Stelle die Reaktionsgleichung von Oxidation, Reduktion sowie der Gesamtreaktion

auf!

III. Im Folgenden sind einige Stoffe genannt. Zeichne sie in dein Heft und überlege, ob

sie zu einer positiven oder negativen Tollens-Probe führen.

Schreibe auch die Oxidationsprodukte auf, wenn der Nachweis positiv sein sollte

1. Propanal

2. Propanon

3. Mannose

4. Saccharose

5. Fructose

Arbeitsblatt: Tollens-Probe

Datum:

114

Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis

Zeitaufwand:


Durchführung 10 Minuten

Abbau/Entsorgung: 5 Minuten (Bei angesetzten Lösungen)

Chemikalien:

Herstellung der I/KI-Lösung:

Zur Herstellung von Lugolscher Lösung gibt es verschiedene Angaben in der Literatur. Allen

Anleitungen ist jedoch gemein, dass Kaliumiodid und Iod stets im Verhältnis 2:1 gemischt

werden. Iod löst sich wesentlich besser in Kaliumiodidlösungen, weshalb immer erst das Ka-

liumiodid gelöst werden sollte. Dabei geht man so vor, dass man zunächst das Kaliumiodid

in wenig Wasser auflöst und anschließend das Iod hinzugibt und dieses Gemisch so lange

rührt, bis sich das gesamte Iod aufgelöst hat. Die bessere Lösung des Iods in Kaliumiodid-

Lösungen ist auf die Reaktion des Iods mit Iodid-Ionen zu Polyiodid-Ionen zurückzuführen.226

In diesem Versuch wurde eine 2%ige Iod/Kaliumiodid-Lösung verwendet. Zur Herstellung

dieser Lösung werden ein Massenprozent Kaliumiodid und zwei Massenprozent Iod in 94

Massenprozent Wasser gelöst.

226 Siehe Punkt 2 der Auswertung


einsatz

Iod

I2

2 g 20/21-50 23.2-25-61

SI + SII

Kaliumiodid

KI 4 g - - - SI + SII

Stärke Spatel-


Eis

H2O - - - SI + SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis

115

I. II.

Materialien:

- Stativmaterial

- (Demo-) Reagenzglas

- Bunsenbrenner

- Pasteurpipette mit „Hut“

Versuchsaufbau:

Durchführung:

1. Zu einer 0,5 prozentiger Stärkelösung werden einige Tropfen der hergestellten Iod-

/Kaliumiodid-Lösung gegeben.

2. Nach dem Eintreten einer Farbreaktion wird die Lösung im Reagenzglas mit dem Bun-

senbrenner erhitzt.

3. Nach dem Verschwinden der Farbe wird das Reagenzglas mit einem kalten Wasserbad

gekühlt.

I/KI

1. Zugabe

I/KI-Lösung 3. Kühlen mit

Eisbad

Stärke-

Lösung

Abb. 1 Versuchsaufbau

2. Erwärmen mit

Bunsenbrenner


116

Beobachtung:

Nach der Zugabe der Iod-/Kaliumiodid-Lösung zur Stärkelösung färbt sich diese tiefblau.

Durch das Erhitzen mit dem Bunsenbrenner verschwindet die tiefblaue Farbe vollständig.

Wird das Reagenzglas nun in einem Eisbad gekühlt, so bildet sich die tiefblaue Farbe wieder

zurück.

Entsorgung:

Die mit Iod/Kaliumiodid versetzten Stärkelösungen werden in den anorganischen Abfall ent-

sorgt.



117

Auswertung:

1. Stärke:

Stärke ist ein Polysaccharid, das in der Natur durch Pflanzen als ihre wichtigste Nährstoffre-

serve produziert wird. Die Stärke liegt in Form wasserunlöslicher Stärkekörner, den soge-

nannten Stärkegranula, vor, deren Form charakteristisch für verschiedene Pflanzenarten

sein kann.227 Pflanzen verknüpfen Monosaccharide zum Polymer Stärke, da dadurch der

intrazelluläre osmotische Druck gegenüber der monomeren Form stark verringert werden

kann. Dies liegt darin begründet, dass der osmotische Druck proportional zur Anzahl der g

lösten Moleküle ist.228

Chemisch gesehen gehört die Stärke zu der Gruppe der Glycane (Polysaccharide), was be-

deutet, dass die Zuckerbausteine, aus denen sie besteht, über glycosidische Bindungen ver-

knüpft sind. Aufgebaut ist die Stärke dabei ausschließlich aus α-D-Glucoseeinheiten.

In den Pflanzen liegt die Stärke im Cytosol als ein wasserunlösliches Gemisch aus Amylose

und Amylopektin vor. Das Verhältnis von Amylose zu Amylopektin beträgt in etwa 20:80,

wobei unterschiedliche Pflanzen auch verschiedene Stärken synthetisieren, so dass es auch

Stärken gibt, die fast ausschließlich aus Amylose oder Amylopektin bestehen.229

Die Amylose ist ein lineares Polymer, in dem die α-D-Glucoseeinheiten α(1,4)-glykosidisch

verknüpft sind (Abb. 3+4).

227 Nuhn P. (2006) S.160



Abb.3 Amylose in Haworth-Projektion

5 O

1

23

C4

HH

H

OH

H OH

H

6OH

O

5 O

1

23

4 HH

H

OH

H OH

H

6OH

O

n

-(1,4)-Verknüpfung


118

Ein Amylose-Molekül besteht aus 50.000 – 500.000 Glucosemolekülen. Modellbetrachtun-

gen zeigen, dass die α-glykosidischen Bindungen der Glucosemoleküle in der Amylose eine

schraubenförmige Anordnung der Glucose zur Folge hat. So war die Amylose das erste Bio-

polymer, für das durch Bear im Jahre 1942 eine Helixkonformation postuliert wurde. Eine

Windung einer solchen Amylos-Helix besteht meistens aus sechs oder weniger häufig aus

sieben Glucosemolekülen, die an einer solchen Windung beteiligt sind.230

230 Nuhn P. (2006) S. 160

O

1O

OH

OH

OH

4 O

OOH

OH

OH

n

-(1,4)-Verknüpfung

Abb.4 Amylose in der Sessel-Schreibweise

O

O

OHOHO

HOH2C

O

O

OH

OH

CH2OH

OO

OH

OH

CH2OH

O

OOH OH

CH2OH

OOH

OH

O

HOH2C

O

OH

OHHOH2C

0,5 nm

Abb.5 Grafische Darstellung einer Windung der Amylose-Helix


119

Abb.6 Amylopektin in der Haworth-Schreibweise

Die spiralförmige Struktur der Amylose ist durch die axial-äquatorial gerichteten α-(1,4)-

Bindungen zu erklären, die sowohl zu einer links- als auch zu rechtsgängigen Helix führen

können, die stark gestreckt ist. In das Innere dieser Helix ragen die Wasserstoffatome, wo-

durch das Innere dieser Helix einen hydrophoben Charakter erhält. Die Hydroxyl-Molekülen

sind hingegen auf der Außenseite der Windungen angeordnet und stabilisieren die Helix

durch die Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen.231 Der durch die Helix

umschlossene Hohlraum hat eine Größe von ca. 0,5 nm, in dem Verbindungen eingelagert

werden können. Amylose ist in kaltem Wasser kaum löslich, da die Wasserstoffbrückenbin-

dungen die kristallinen Strukturen der helikalen Moleküle stabilisieren.232

In warmem Wasser löst sich Amylose kolloidal, fällt jedoch ab einer Konzentration von 2

mg/L allmählich unter Bildung von irreversiblen Doppelhelices aus. Dieser Vorgang wird als

Retrogradation bezeichnet.233

Amylopektin besteht zwar hauptsächlich, wie die Amylose, aus α(1,4)-glykosidisch verknüpf-

ten α-D-Glucoseeinheiten, zusätzlich weist das Amylopektion jedoch im Durchschnitt alle 24

bis 30 Glucoseeinheiten eine α(1,6) Quervernetzung auf.234

231 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S. 541

232 RÖMPP Online, Stichwort “ Amylose” (letzter Zugriff 25.04.2010)


234 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt C.W. (2002) S.222

O

1HH

H

OH

H OH

H

OH

O

5 O

1

23

4 HH

H

OH

H OH

H

6

O

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

5 O

1

23

4

O

HH

H

OH

H OH

H

6OH

OH

O H

-(1,4)-Verknüpfung

-(1,6)-Verknüpfung

n


120

Durch diese 4-6% α-(1,6)-Bindungen in dem Amylopektin-Molekül ist eine baumartige Ver-

zweigung am wahrscheinlichsten.2 Das Amylopektin-Molekül weist dabei viele relativ kurze,

lineare α-(1,4)-glykosidische verknüpfte Glucoseketten (ca. 15-25 Glucoseeinheiten) auf, die

durch α-(1,6)-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft und in Clustern angeordnet

sind. Die Cluster sind wiederum durch etwas längere Ketten verknüpft. Liegt eine ausrei-

chende Länge dieser Ketten vor, so kann das Amylopektin eine Doppelhelix ausbilden, die

durch inter-und intramolekulare Wechselwirkungen kristalline Strukturen ausbilden kön-

nen.235

Die Amylopektionmoleküle gehören mit bis zu 106 Glucoseeinheiten zu den größten in der

Natur vorkommenden Makromolekülen. In kaltem Wasser ist Amylopektin nicht löslich und

bildet beim Kontakt mit heißem Wasser eine kolloidale, viskose Lösung, den sogenannten

Stärkekleister.236

235 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S. 542

236 Vgl. Versuchsprotokoll: Stärkefolie

O

1O

OH

OHOH

OH

4 O

1O

OH

OH

OH

O

1O

OH

OHOH

OH

4 O

OOH

OH

6

H

n

-(1,4)-Verknüpfung

-(1,6)-Verknüpfung

Abb. 6 Amylopektin in der Sessel-Schreibweise


121

2. Iod-Stärkenachweis

In wässrigen Lösungen von Kaliumiodid wird elementares Iod zu Kaliumtriiodid, bei höheren

Konzentrationen auch unter Bildung von Polyiodiodionen gelöst:237

n I2 (s/aq)+ n I-(aq) I-3(aq), I5

-(aq), I

-7(aq)…

Die durch die helikale Anordnung entstandene röhrenartige Struktur der Amylose führt dazu,

dass sich Moleküle passender Größe in der hydrophoben Amylosehelix (Durchmesser 0,5

nm) einlagern können. Zu solchen Molekülen gehören z.B. Iod/Iodid, Butanol, oder Fettsäu-

ren (Abb.7).

Die Farbe dieser Iodeinschlussverbindung entsteht durch die starre Einlagerung der linearen

Polyiodid-Anionen, die zu Charge-Transfer-Komplexen zwischen der Elektronenhülle des

Iods mit den Hydroxyl-Gruppen der Amylose führen. Das Absorptionsmaximum und somit

die Farbe dieser Komplexe hängt nun von der Kettenlänge und somit der Anzahl der an der

Reaktion teilnehmenden Glucosemoleküle ab (vgl. Tab1).

237 RÖMPP Online, Stichwort “ Iod-Kaliumiodidionen” (letzter Zugriff 25.04.2010)

Abb.7 Darstellung einer Iod-Stärke Einschlussverbindung


122

Tab. 1 Verhältnis von Kettenlänge zu Absorptionsmaximum und Farbeindruck

Anzahl der Glucosereste λmax (nm) Farbeindruck

12 490 gelb-orange

30 537 rot

>80 610 blau

Der Amylose-Iodid-Komplex enthält etwa 19,5 % Iodidanionen und ist mit einem Absorpti-

onsmaximum von λmax= 660 nm tiefblau gefärbt.

Auch das Amylopektin bildet mit Iodidanionen Charge-Transfer-Komplexe. Da jedoch nur

kurze lineare Abschnitte vorhanden sind, die Helices ausbilden können, ist die Neigung zu

solchen Komplexen sehr viel geringer, als die der Amylose.238 Der Amylopektin-Polyiodid-

Komplex hat ein Absorptionsmaximum von λmax= 549 nm, was zu einer Rotfärbung führt,

wobei dieser Komplex etwa 0,5-0,8 & Iodidanionen enthält.239

3. Erläuterung des Versuchs:

Wie beschrieben, ist für die Einlagerung von Polyiodid-Anionen das Vorhandensein einer

Stärkehelix die Voraussetzung. Diese Abhängigkeit von helikalen Strukturen zeigt sich darin,

dass die Blaufärbung durch das Erhitzen der Stärkelösung verschwindet.240 Durch das Erhit-

zen werden zwar keine Bindungen der Amylose gebrochen, jedoch geht die geordnete Terti-

ärstruktur (die Helix) verloren. Beim Abkühlen der Lösung hingegen wird die Helix zurückge-

bildet und die Polyiodid-Anionen können sich wieder in dieser Helix einlagern, weshalb die

Lösung wieder eine blaue Farbe annimmt.

Didaktische Betrachtung:




ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem sollen auch die

Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden.


239 Nuhn P. (2006) S.161



123


Die für den Versuch verwendeten Chemikalien sollten an der Schule vorhanden sein. Der

apparative Aufwand ist gering. Der Nachweis mittels Iod ist der typische Nachweis für Stär-

ke. Durch diesen Versuch können die Schüler etwas über die Struktur der Stärke (Helix) er-

fahren und welche Eigenschaften diese Struktur auf das chemische Verhalten hat. Durch das

Erwärmen und Kühlen der Lösung wird gezeigt, dass keine Bindungen gespalten werden,

jedoch die räumliche Struktur verändert wird, was zu den Farbeindrücken führt. Dies kann,

auch in Verbindung mit dem Versuch „Stärkespaltung“241, zur Aufklärung der Stärkestruktur

führen.

Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien von Schülern der Sekun-

darstufe I+II uneingeschränkt verwendet werden, weshalb dieser Versuch auch als Schüler-

versuch geeignet ist.

Literaturangabe:

Nuhn P. (2006). Naturstoffchemie: Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Aufla-ge). Stuttgart: S. Hirzel Verlag.

Sticher, O. & Hänsel, R. (2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Hei-delberg: Springerverlag

Voet, D. & Voet J.G. & Pratt C.W. (2002). Lehrbuch der Biochemie (1. Auflage). Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.






Abb.7: http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG

(letzter Zugriff: 25.04.2010)

Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.

241 S. Protokoll : Stärkespaltung



124

I. Sieh dir das Video aufmerksam an und schreibe kurz auf, was du gesehen hast.

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

II. Vervollständige folgenden Text:

(Benutze auch dein Chemiebuch, um die Lücken zu füllen)

Mit Iod-Kaliumiodid-Lösung wird _________________________ nachgewiesen. Ein anderer

Name für die verwendete Nachweislösung ist auch_________________________________.

Stärke ist keine einheitliche Substanz, sondern setzt sich aus zwei Komponenten zusam-

men, der__________________________ und dem ___________________________.

Die Blaufärbung mit Iod-/Kaliumiodid-Lösung kommt durch eine sogenannte Einschlussver-

bindung zustande. Dabei werden ___________________-Moleküle in die

_________________________ der ___________________________ eingelagert.

III. Informiere dich nochmals darüber, wie der Nachweis mit Iod-/Kaliumiodid-Lösung

funktioniert (Buch oder andere Medien). Versuche eine Erklärung dafür zu finden,

warum sich die Lösung beim Erhitzen entfärbt und beim Abkühlen wieder blau färbt.

Arbeitsblatt: Iod-Stärkenachweis

Datum:

125

Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“

Zeitaufwand:




Chemikalien:


einsatz

Kaliumiodid

KI 1-2 g - - - SI +SII

Materialien:

- Gleichspannungstransformator (Trafo)

- Strippen mit Messspitzen

- Petrischale

- Stativmaterial

- Kartoffel

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“

126

I. II.

Versuchsaufbau:

Durchführung:

1. In eine Petrischale wird etwas Kaliumiodid gegeben, sodass die Kaliumiodid-Kristalle

gleichmäßig am Boden der Schale verteilt sind.

2. Jetzt wird eine Kartoffel durchgeschnitten und mit der feuchten Schnittseite in die Petri-

schale auf die Kaliumiodid-Kristalle gedrückt und etwas verrieben.

3. Die Kartoffelhälfte wird nun so in eine Stativklemme eingespannt, dass die feuchte Seite

nach außen zeigt.

4. An dem Gleichspannungstransformator wird eine Spannung von 10 V eingestellt.

5. Nun wird die Messspitze mit dem negativen Pol an die feuchte Seite der Kartoffel gehal-

ten, während man mit der Messspitze des positiven Pols auf die mit Kaliumiodid ver-

mischte, feuchte Kartoffelseite schreibt.

_+

on

V

12.34Spannungsquelle

KMnO4 KI

1. KI in Petri-schale geben

2. Kartoffel schneiden und

feuchte Seite auf KI drücken

3. Kartoffel festspannen

Abb. 1 Versuchsaufbau

4. Spannung

anlegen


127

Beobachtung:

An der Messspitze, die am Pluspol des Gleichspannungstransformators angeschlossen ist,

entsteht beim Kontakt mit der in Kaliumiodid getauchten feuchten Kartoffelseite eine tiefb-

laue, fast schwarze Farbe.

Entsorgung:

Die Kartoffel und übrig gebliebenes Kaliumiodid können in den Hausmüll entsorgt werden.



128

Auswertung:

1. Stärke und Stärkenachweis

s. Versuchsprotokoll: Stärkenachweis


In dem Versuch wurde die frisch aufgeschnittene Kartoffelseite auf Kaliumiodid-Kristalle ge-

drückt. Da die Kartoffel zum größten Teil aus Wasser besteht (s. Punkt 3: Hintergrundwissen

Kartoffel) ist auch die frisch geschnittene Oberfläche der Kartoffel sehr feucht. In diesem

Wasser löst sich das Salz Kaliumiodid in seine Ionen auf:

KI(s) K+

(aq) + I-(aq)

Durch das Anlegen einer Gleichspannung werden die gelösten Iodid-Ionen durch anodische

Oxidation zu elementarem Iod oxidiert. Im Gegenzug dazu wird an der Kathode der Was-

serstoff aus dem Wasser zu elementarem Diwasserstoff oxidiert:

Oxidation: 2I-(s/aq) I2 (s/aq) + 2 e-

Reduktion: 2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2OH-

(aq)

Gesamt: 2I- + 2 H2O I2 + 2H2 + 2 OH-

Das bei der Oxidation entstandene elementare Iod reagiert mit den noch in der Lösung vor-

handenen Iodid-Ionen zu Polyiodid-Ionen:

n I2 (s/aq)+ n I-(aq) I-3(aq), I5

-(aq), I

-7(aq)…

Eine solche Mischung aus Iod und Iodidionen, die zu Polyiodidanionen reagieren, wird auch

als Lugolsche Lösung bezeichnet. Diese Lösung dient in der Chemie dem Nachweis von

Stärke.242

242 Zur weiterer Erklärung s. Versuchsprotokoll: Stärkenachweis


129

3. Hintergrundwissen: Kartoffel:

Die Kartoffel ist eine sehr ertragreiche und vielseitig verwendbare landwirtschaftliche Kultur,

die über wertvolle Inhaltsstoffe verfügt. Weltweit werden jährlich 300 Mio. t Kartoffeln auf

einer Gesamtanbaufläche von 19 Mio. ha angebaut. Der Schwerpunkt der Kartoffelerzeu-

gung liegt dabei in China, Russland und Europa.243

Geschichte der Kartoffel 244

Ursprünglich stammt die Kartoffel aus einem Gebiet in den südamerikanischen Anden, wo

sie bereits 8000 v. Chr. genutzt wurden. Bereits 1100 v.Chr. kultivierten die Inkas die Kartof-

feln in künstlichen Bewässerungssystemen. Nach der Eroberung des Inkareiches durch die

Spanier im 16. Jahrhundert wurde die Kartoffel in Europa als Zierpflanze verwendet. Erst

einige Zeit später fand sie auch ihre Verwendung als Delikatesse. Im 18. Jahrhundert wurde

die Kartoffel zunehmend als Nahrungsmittel genutzt, so dass sie sich schnell zum wichtigs-

ten Volksnahrungsmittel entwickelte. Die Verbreitung wurde jedoch durch schwere Rück-

schläge erschwert. Durch Kraut- und Knollfäule wurden im 19. Jahrhundert ganze Ernten

und Lagerbestände vernichtet, was zu schweren Hungersnöten führte. Trotz dieser Ereignis-

se hat sich die Kartoffel bis heute als wichtiges Grundnahrungsmittel etabliert.

Zusammensetzung der Kartoffel 245

Grob gesagt besteht die Kartoffel neben 18-20% Stärke zu ca. 75 % aus Wasser. Die Zu-

sammensetzung der Kartoffel ist genetisch bedingt, wird aber auch durch andere Faktoren,

wie Klima, Witterung, Erde und Krankheiten beeinflusst. Des Weiteren kann sich die Zu-

sammensetzung der Kartoffel bei der Lagerung durch Reifungsprozesse verändern.

Der Hauptbestandteil der Trockensubstanz ist mit über 75 % die Stärke, die während der

Ausbildung der Knolle als Stärkekörner in den Zellen eingelagert wird. Diese Stärkekörner

dienen der Kartoffel als Energiespeicher, um neue Pflanzen ausbilden zu können. Es gibt

jedoch auch weitere Bestandteile in der Kartoffel, die sie neben der industriellen Stärkege-

winnung zu einem schmack- und nahrhaften Lebensmittel macht (s. Abb.3).

Die weiteren Bestandteile sind Polysaccharide wie Cellulose, Hemicellulosen, Pentanosen

und Pectine. Ebenso sind Zucker wie Glucose, Fructose und Saccharose in der Kartoffel

enthalten. Die Kartoffel enthält die Vitamine C, B1, B2, B6, Niacin und Biotin sowie weitere

mineralische Substanzen, wie Kalium und Phosphor.

243 Alsing, I. & Friesecke, H. & Guthy, K. (1992) S.287

244http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=STÄRKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel

245http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel_zus


130






Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden. Das Verständnis von Redoxreak-

tionen, die in Sekundarstufe II in der Einführungsphase E1 behandelt werden, sollte zum

Verständnis dieses Versuchs vorausgesetzt werden.


Kaliumiodid und auch ein Gleichspannungstransformator sollten an der Schule vorhanden

sein und mit einer Kartoffel hat man schon alle Materialien zusammen. Dieser Versuch ist

also einfach im Aufbau, macht aber einen starken Eindruck auf die Schüler. Das Verwenden

einer Kartoffel interessiert die Schüler, da sie ein allen bekanntes Grundnahrungsmittel ist.

Auch das Schreiben bzw. Malen auf der Kartoffel dürfte den Schülern Spaß machen, wes-

halb dieser Versuch sich sehr gut als Schülerversuch eignet. An dieser Stelle ist wohl auch

ein fächerübergreifender Unterricht möglich, da die Kartoffel auch in anderen Fächern zur

Sprache kommt (Geschichte, Biologie, Geografie).

Mit diesem Versuch kann die Iod-Stärkereaktion eingeführt werden, es ist jedoch auch mög-

lich, diese als bekannt vorauszusetzen. In diesem Fall können die Schüler dann ihr erlerntes

Wissen aus der Redoxchemie dazu nutzen können, den Effekt des Versuchs zu erklären.

Wasser 76%

Stärke 18%

Gesamtzucker 0,5%

Fasern 0,7% Protein 2%

Rest 2,8%

Zusammensetzung der Kartoffel

Abb.3 Zusammensetzung der Kartoffel


131

Literaturangaben:

Alsing, I. & Friesecke, H. & Guthy, K. (1992). Lexikon Landwirtschaft: pflanzliche Erzeugung, tierische Erzeugung , Landtechnik,Betriebslehre, landwirtschaftliches Recht (2. Aufla-ge). München: BLV Verlagsgesellschaft.

Buckel W. & Dehnen S. et al. (2009). Chemikum Marburg – Kurze Broschüre mit Erläuterun-gen zu den Experimenten. Skript, Philipps Universität Marburg-Fachbereich Chemie



http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=STÄRKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel (letzter Zugriff: 12.04.2010)

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinst&con=cirskartoffel_zus (letzter Zugriff: 12.04.2010)


Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST�RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel


http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinst&con=cirskartoffel_zus

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinst&con=cirskartoffel_zus

132

I. Welche zwei Stoffe sind für die Blaufärbung der Kartoffel verantwortlich?

(Tipp: Einer der beiden ist neben Wasser der Hauptbestandteil der Kartoffel)

1.Bestandteil:

2. Bestandteil:

II. Was passiert mit dem Kaliumiodid, wenn die feuchte Kartoffelhälfte darauf gedrückt

wird?

KI (s)

III. Durch Anlegen einer Spannung findet eine Oxidation statt, die zu einem der in Auf-

gabe I gefragten Produkte führt.

a) Formuliere eine Gleichung für die Oxidationsreaktion!

b) Welcher Stoff wird reduziert? Formuliere die Gleichung für die Reduktion!

c) Stelle die Gesamtgleichung für die Redoxreaktion auf!

Arbeitsblatt: „Kartoffelpapier“

Datum:

133

3. Reaktionen der Kohlenhydrate

Versuchsprotokoll: Pharaoschlange

Zeitaufwand:




Chemikalien:

Zur Herstellung des Sand-Zigarettenasche-Gemisches wird der Sand mit der Asche im Ver-

hältnis 1:1 gemischt.

1 Tablette Emser Pastillen mit Zucker enthält:

126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile: Natrium- Chlorid- und Hydrogencarbo-

nat-Ionen), Saccharose, sprühgetrocknetes arabisches Gummi, Stearinsäure, Traganat,

Calciumstearat, Vanillearoma.


einsatz

Ethanol

C2H5OH 10 mL 11 7-16

SI + SII

Emser Pastillen

(mit und ohne

Zucker)

Je 2-4 - - - SI + SII

Zigarettenasche - - - SI + SII

Sand - - - SI + SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Pharaoschlange

134

1 Tablette Emser Pastillen ohne Zucker enthält:

126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile Natrium- Chlorid- und Hydrogencarbo-

nat-Ionen), Isomalt, Aspartam, Calciumstearat, Pfefferminzaroma.

Materialien:

- Porzellanschalen (2x)

- Feuerzeug

- Messpipette

Versuchsaufbau:

S

E

A

EtOH

Sand-Zigarettenasche-

Gemisch Emser-Pastillen

mit Zucker Emser-Pastillen

ohne Zucker

1. Pastillen mit Ethanol übergießen

2. Ethanol entzünden



135

Durchführung:

1. Das Sand-Zigarettenasche-Gemisch wird in zwei Porzellanschalen gefüllt.

2. In eine der beiden Porzellanschalen werden Pastillen mit, in die andere Schale Pastillen

ohne Zucker gesteckt.

3. Die Pastillen werden nun mit Ethanol übergossen (pro Pastille etwa 1 mL), und angezün-

det.246

Beobachtung:

Nach der Entzündung brennt der Ethanol auf und neben den Pastillen. Nach kurzer Zeit ver-

färben sich die Pastillen mit Zucker schwarz und wachsen schlangenartig über den Rand der

Porzellanschale hinaus.

Die Pastillen ohne Zucker färben sich zwar auch schwarz, jedoch bleibt ein Wachstum der

Pastillen aus.

Entsorgung:

Die Kohlenstoffschlangen können nach dem Abkühlen in den Hausmüll entsorgt werden.

246 Werden die Pastillen einen Tag vorher in Ethanol eingelegt, so ist ein besserer Effekt zu beobach-ten.



136

Auswertung:


Wie an der Zusammensetzung (s. oben) zu erkennen, bestehen die Emser Pastillen mit Zu-

cker eben auch zu einem großen Teil aus Zucker und des Weiteren aus Hydrogencarbonat

(wahrscheinlich Natriumhydrogencarbonat).

Natriumhydrogencarbonat ist ein Salz, das auch in Backpulver enthalten ist und dafür sorgt,

dass die Gebäcke aufgehen und locker werden. Diese Eigenschaft liegt darin begründet,

dass dieses Salz bei Temperaturen über 65 °C zerfällt, wobei unter anderem das Gas Koh-

lenstoffdioxid freigesetzt wird:247

(1) 2 NaHCO3 (s) Na2CO3 (s) + CO2 (g) + H2O

Diese Reaktion läuft auch beim Entzünden des Ethanols auf und neben den Emser Pastillen

ab. Des Weiteren wird auch der in der Pastille enthaltene Zucker erhitzt. Dieser Zucker kann

aber aufgrund des in Reaktion (1) entstandenen Kohlenstoffdioxids nur zu geringen Teilen

verbrennen (2), so dass ein Großteil des Zuckers aufgrund des Sauerstoffmangels

verkohlt (3):

(2) C12H22O11 (s) + 9½ O2 (g) 12 CO2 (g) + 6H2O (g)

(3) C12H22O11 (g) 12 C (s) + 11 H2O (g)

Der bei der Verkohlung entstandene Kohlenstoff wurde durch das entstandene Kohlenstoff-

dioxid (1) aufgebläht, wodurch die sogenannten Pharaoschlangen entstehen.

Ähnlich wie beim Backen hat das Natriumcarbonat bei seiner Zersetzung dafür gesorgt, dass

die Schlangen aufgehen und luftig und locker werden. Die schwarzen Pharaoschlangen sind

nach dem Auskühlen leicht und in ihrer Form trotzdem stabil. In den Tabletten ohne Zucker

kann kein Zucker verkohlen, weshalb auch keine „Schlangen“ aus Kohlenstoff entstehen.

247 Riedel, E. (2007), S. 624


137

2. Hintergrundwissen Süßstoffe und Zuckeraustauschstoffe

In den Emser Pastillen ohne Zucker ist zwar auch Natriumhydrogencarbonat enthalten, je-

doch sind anstatt Zucker in diesen Pastillen der Zuckeraustauschstoff Isomalt und der Süßs-

toff Aspartam enthalten.

Die Hauptsüße in diesen Pastillen kommt durch das Aspartam. Dieser Süßstoff ist ein Dipep-

tid mit dem chemischen Namen L-Asparagy-L-Phenylalaninmethylester (Abb.3).

Aspartam hat einen Energiegehalt von 17 kJ/mol, aber gegenüber der Saccharose eine 150-

bis 220-fache Süßkraft, weshalb Aspartam als Energieträger kaum eine Rolle spielt.248 Ein-

gesetzt wird Aspartam vor allem in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung von sogenann-

ten „Light-Produkten“, oder zur Herstellung von Diabetiker-Erzeugnissen.

Das Problem beim Süßen mit synthetischen Süßstoffen wie Aspartam ist, dass sie ganz an-

dere physikalischen Eigenschaften haben als Zucker (z.B. Saccharose). Aus diesem Grund

werden weitere Stoffe zugesetzt, um charakteristische Zuckereigenschaften zu erhalten, die

sogenannten Zuckeraustauschstoffe.249 „Bei Zuckeraustauschstoffen handelt es sich um

Kohlenhydrate und deren Derivate, die süß schmecken, Körper geben, für Diabetiker geeig-

net sind und häufig einen geringeren Brennwert besitzen“250. So liegt der Brennwert der Zu-

ckeraustauschstoffe bei ca. 8-12 kJ/mol, während Saccharose einen Brennwert von ~

17kJ/mol hat. Die Süßkraft solcher Zuckeraustauschstoffe ist jedoch geringer als die der Zu-

cker und liegt bei etwa 35-60 % der Saccharose.

Beim Zuckeraustauschstoff Isomalt handelt es sich um ein äquimolares Gemisch aus den

beiden stereoisomeren Polyolen α-D-Glucopyranosido-1,1-mannit und β-D-Glucopyranosido-

1,6-sorbit (Abb.4). Überraschenderweise wird dieser Zuckeraustauschstoff aus Zucker (Sac-

charose) gewonnen. Dabei wird in einem zweistufigen Prozess zunächst mit Hilfe von Enzy-

248 RÖMPP online, Stichwort „Aspartam“ (letzter Zugriff: 03.04.2010)

249 Vollhardt, K.P.C.& Schore, N.E. (2005), S.1291

250 Pfeifer, P. & Sommer, K. (2001), S.13

NH COOMe

O

NH2

HOOC

Abb.3 Aspartam


138

men die Saccharose in Isomaltulose umgewandelt. In dieser Reaktion entsteht aus der (1,2)-

Bindung des nicht-reduzierenden Disaccharids Saccharose durch eine Umlagerung das re-

duzierende Disaccharid Isomaltulose mit einer (1,6)-Disaccharid-Bindung. Im zweiten Schritt

wird diese Isomaltulose in wässriger, neutraler Lösung an einem Raney-Nickel-Katalysator

hydriert, wobei Isomalt entsteht (Abb.4).

Isomalt kann anstelle von Saccharose oder anderen Zuckeraustauschstoffen in nahezu allen

Lebensmitteln mit süßem Geschmack verwendet werden. Dabei kann Isomalt weitgehend

Insulin-unabhängig metabolisiert werden, weshalb dieser Zuckeraustauschstoff auch für Dia-

betiker geeignet ist.

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

CH2OH

OH H

OH H

H OH

H OH O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

CH2COH

H OH

OH H

H OH

H OH

O

1HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

O

2

OH

H

OH

OH

H

OH

OH

Enzym O

1HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

CH2OH

6

O

OH H

H OH

H OH

Isomaltulose

-D-Glucopyranosyl-(1,1)-Mannit -D-Glucopyranosy-(1,6)-Sorbit

äquimolares Gemisch

=Isomalt

Oxidation

Saccharose

Abb.4 Herstellung von Isomalt


139

Die Frage ist nun, warum dieser Zuckeraustauschstoff in diesem Versuch nicht ebenso ver-

kohlt wie die Saccharose. Am wahrscheinlichsten ist, dass in den verwendeten Tabletten

ohne Zucker nicht ausreichend Isomalt zur Ausbildung der „Schlangen“ vorhanden ist. Die

Süße der Tabletten kommt vom Süßstoff Aspartam und Isomalt wird nur so viel hinzugege-

ben, bis die Tablette die gewünschte Struktur hat.






Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate eingegangen werden. Weitere Unterrichtsinhalte

zum Thema Kohlenhydrate sind Zucker als Energiespeicher und Gerüstsubstanz, was auch

durch diesen Versuch angeschnitten wird.

Einordnen des Versuchs:

Dieser Versuch hat einen geringen apparativen Aufwand, die eingesetzten Chemikalien dür-

fen laut „HessGiss“-Datenbank uneingeschränkt von Schülern der Sekundarstufe SI und SII

verwendet werden. Aus diesem Grund eignet sich dieser Versuch sowohl als Schülerversuch

als auch als Lehrerdemonstration. Bis auf die Emser Pastillen und die Zigarettenasche soll-

ten alle Chemikalien an der Schule vorhanden sein. Die Pastillen müssten durch die Lehr-

kraft in der Drogerie besorgt und auch die Zigarettenasche muss vor dem Versuch gesam-

melt werden.

Dieser Versuch wird mit einem „Lebens-/Arzneimittel“ durchgeführt, das bestimmt einigen

Schülern bekannt ist und der Effekt dieses Versuchs ist schön anzusehen, weshalb die

Schüler wohl gut für den Versuch zu begeistern sind. Durch diesen Versuch könnte in das

Thema Kohlenhydrate eingeführt werden, in dem man auf den enthaltenen Kohlenstoff in der

„Pharaoschlange“ eingeht und nun mit weiteren Versuchen die Zusammensetzung und

Struktur der Kohlenhydrate erschließt.251 Des Weiteren könnte man mit diesem Versuch das

Thema Zuckeraustauschstoffe und Süßstoffe behandeln, da bei den Schülern auch die Fra-

ge auftauchen könnte, welcher Stoff in den Pastillen ohne Zucker für die Süße verantwortlich

ist.

251 Siehe weitere Versuchsprotokolle


140

Literaturangaben:

Riedel E. & Janiak C. (2007). Anorganische Chemie (7. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co. KG.


Pfeifer, P. & Sommer K. (Hrsg.). (2001). Kohlenhydrate [Themenheft]. Naturwissenschaften im Unterricht, 12 (2)


„HessGISS“-Gefahrstoff-Informationssystem 2008/2009, Version 13.0





141

1 Tablette Emser Pastillen mit Zucker enthält:

126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile: Natrium-, Chlorid- und Hydrogencarbo-

nat-Ionen), Saccharose, sprühgetrocknetes arabisches Gummi, Stearinsäure, Traganat,

Calciumstearat, Vanillearoma.

1 Tablette Emser Pastillen ohne Zucker enthält:

126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile Natrium-, Chlorid- und Hydrogencarbo-

nat-Ionen), Isomalt, Aspartam, Calciumstearat, Pfefferminzaroma.

I. Natriumhydrogencarbonat zerfällt beim Erhitzen.

a) Stelle eine Reaktionsgleichung auf!

b) Warum ist Natriumhydrogencarbonat der Hauptbestandteil von Backpulver?

II. Zucker verbrennt beim Erhitzen.

a) Stelle eine Reaktionsgleichung auf!

b) Warum findet diese Reaktion in diesem Versuch nicht statt?

(Tipp: Sieh dir nochmals die Reaktionsgleichung aus Aufgabe I an!)

c) Stelle eine Reaktionsgleichung für die im Versuch ablaufende Reaktion auf!

d) Warum „wachsen“ die Schlangen zu einer solchen Größe an?

(Tipp: Was passiert in einem Kuchen durch die Zugabe von Backpulver?)

III. Aus Tabletten ohne Zucker „wachsen“ keine Schlangen.

Informiere dich über die Stoffe Isomalt und Aspartam und begründe diese Beobach-

tung!

Arbeitsblatt: Pharaoschlange

Datum:

142

Versuchsprotokoll:

Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten



Chemikalien:

Materialien:

- Becherglas

- Glasstab

- Spritzflasche


einsatz

Schwefelsäure

H2SO4 (konz) 10 mL 35 26-30-45

SI+SII

„Haushalts-

zucker“

(Saccharose)

C6H12O6

35 g - - - SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure

143

Versuchsaufbau:

Durchführung:

1. In ein Glas werden 35 g Haushaltszucker eingewogen.

2. Dieser Zucker wird mit etwas Wasser angefeuchtet.

3. Dem angefeuchteten Zucker werden 10 mL konzentrierte Schwefelsäure zugegeben und

das Gemisch wird mit einem Glasstab umgerührt.

H2SO4

(konz)

Zucker

Zugabe von

H2SO4



144

Beobachtung:

Nach der Zugabe von Schwefelsäure verfärbt sich der Zucker von weiß über gelb nach

braun, bis er schließlich schwarz ist.

Nach wenigen Sekunden ist eine Gasentwicklung festzustellen und die schwarze Masse

bläht sich auf und steigt im Glas nach oben. An der Gefäßwand ist die Kondensation einer

farblosen Flüssigkeit zu erkennen.

Nach dem Abkühlen des Reaktionsgemisches hat sich die schwarze Masse verfestigt und

man kann sie aus dem Becherglas herausnehmen. Das Gewicht der Masse ist gemessen an

seiner Größe relativ gering.

Entsorgung:

Die entstandenen Kohlenstoffgerüste können nach dem Trocknen und gründlichem(!) Wa-

schen als Aktivkohle weiter verwendet werden oder es wird neutral in die Feststofftonne ent-

sorgt. Übrig gebliebene Säure wird neutral in den anorganischen Abfall entsorgt.



145

Auswertung:

Die Schwefelsäure ist eine starke, zweiprotonige Säure, deren elektrolytische Dissoziation in

zwei Stufen erfolgt:

H2SO4 H+ + HSO4

- 2 H+ + SO42-

pKs= -3 pKs= +1,96 252

Die hohe Wasseraffinität der Schwefelsäure ist auf die Bildung eines stabilen Salzes (HSO4-

H3O+) zurückzuführen. Die Vermischung mit Wasser und die damit verbundene Entstehung

des stabilen Salzes sind dabei mit einer hohen Wärmeentwicklung verbunden, weshalb eine

solche Vermischung immer in einer vorsichtigen Weise geschehen muss. So muss zum Ver-

dünnen von Schwefelsäure die konzentrierte Säure in einem dünnen Strahl unter ständigem

Rühren in das Wasser eingebracht werden. Gibt man hingegen Wasser in konzentrierte

Schwefelsäure, so kann es durch die intensive Wärmeentwicklung zum Herausspritzen der

aggressiven Flüssigkeit und zum Springen des Glasgefäßes kommen.

Aufgrund seiner stark wasserentziehenden Wirkung findet konzentrierte Schwefelsäure seine

Anwendung im Trocknen von chemischen Substanzen in Waschflaschen und Exikatoren.

Des Weiteren wird konzentrierte Schwefelsäure auch zur Entfernung von Wasser aus che-

mischen Gleichgewichten verwendet.253

Das Bestreben reiner Schwefelsäure zum Wasserentzug ist sogar so groß, dass sie sich in

einem geringen Ausmaß selbst entwässert:

2 H2SO4 (l) H3O+

(aq) + HS2O7

- (aq) K= 5,1 x 10-5 254

Kommen organische Stoffe, wie in diesem Versuch der Zucker, mit der Schwefelsäure in

Kontakt, so spaltet die Säure auch in diesem Fall die Elemente des Wassers ab:

C6H12O6 (s) + H2SO4 (l) 6 C (s) + 6 H3O

+(aq)

+ HSO4-(aq)

schwarz Der in dieser Reaktion entstehende elementare Kohlenstoff ist für die schwarze Farbe ver-

antwortlich.

Des Weiteren wirkt die konzentrierte Schwefelsäure oxidativ zerstörend, was zu einer Gas-

entwicklung führt:

252 Riedel, E. & Janiak, C. (2007) S.450

253 Riedel, E. & Janiak, C. (2007) S.586



146

C (s) + 2 H2SO4 (l) CO2 (g) + 2 SO2 (g) + 2 H2O (g)

Die entstandenen Gase blähen das Reaktionsgemisch auf und sorgen somit dafür, dass das

Kohlenstoffgerüst nach oben steigt.

Die Zugabe von Wasser zu Beginn des Versuchs hat einen katalytischen Effekt. Durch die

Zugabe der Schwefelsäure zum Wasser entsteht Wärme, die nach dem Prinzip von Le Cha-

telier bei einer exothermen Reaktion die Bildung der Produkte begünstigt und somit für eine

schnellere (bessere) Reaktion sorgt. Des Weiteren entsteht während der Reaktion Wasser,

was zu einem autokatalytischen Effekt führt. Diesen autokatalytischen Effekt kann man am

Reaktionsverlauf erkennen, da die Reaktion zunächst langsam beginnt und dann nahezu

schlagartig verläuft.

Nachdem dem Zucker das Wasser entzogen wird, ist der Mechanismus der einer Eleminie-

rung von Wasser aus Alkoholen. Bei dieser Reaktion entstehen Alkene.

Die erkaltete Kohlenstoffmasse kann als Aktivkohlenstoff verwendet werden. Bei Aktivkoh-

lenstoffen handelt es sich um mikrokristalline, porenreiche Kohlenstoffsorten mit einer sehr

großen inneren Oberfläche.255 Verwendet werden diese Aktivkohlenstoffe als „Adsorptions-

mittel“, beispielsweise zur Entfernung von Farbstoffen aus verunreinigten Lösungen.

Wie in diesem Versuch an Zucker demonstriert, wirkt die Schwefelsäure auf viele organische

Stoffe (Zucker, Papier, Leinwand, Kleiderstoffe) verkohlend und zerfressend ein. Deshalb

sieht rohe konzentrierte Schwefelsäure, aufgrund hineingeratener Teilchen des Verpa-

ckungsmaterials, leicht bräunlich aus.



Dieser Versuch kann bei mehreren Themengebieten des Lehrplans seine Anwendung fin-

den. In der Jahrgangsstufe 9.2 wird das Thema „Säuren und Laugen“ behandelt, wo dieser

Versuch als ein möglicher Demonstrationsversuch durchgeführt werden kann, da innerhalb

dieses Themas auch die Eigenschaften der verschiedenen Säuren besprochen werden sol-

len. Des Weiteren kann dieser Versuch in der Sekundarstufe II beim Thema „Redoxreaktio-

nen“ in der Einführungsphase E1 durchgeführt werden. Die dritte Möglichkeit zur Einordnung

in den Lehrplan ist in der Qualifikationsphase im Bereich „Kohlenstoffchemie II: Technisch

255 Holleman, A. F. & Wiberg, E. (1995) S.836


147

und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“. In diesem Bereich ist das Thema Kohlen-

hydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf Nachweisreaktionen der

Kohlenhydrate eingegangen werden.


Dieser Versuch hat einen geringen apparativen Aufwand. Die eingesetzte Chemikalie

Schwefelsäure sollte an der Schule vorhanden sein und darf laut „HessGiss“-Datenbank un-

eingeschränkt von Schülern der Sekundarstufe SI und SII verwendet werden. Trotzdem eig-

net sich dieser Versuch nur bedingt als Schülerversuch, da die Verwendung der konzentrier-

ten Schwefelsäure nur unter Aufsicht sinnvoll ist. Der Effekt des Versuchs ist erstaunlich und

schön anzusehen und kann dadurch das Interesse der Schüler wecken. Eine Möglichkeit zur

Besprechung des Versuchsergebnisses ist die hygroskopische Wirkung der Schwefelsäure.

Eine weitere Möglichkeit ist das Besprechen der ablaufenden Redoxreaktionen, wodurch der

Versuch durchaus zum Thema Redoxreaktionen gezeigt werden kann. Eine dritte Möglich-

keit besteht darin, den Versuch zum Nachweis von Kohlenstoff in Zucker einzusetzen und

dabei die in der Einführungsphase erlernten Redoxreaktionen anhand dieser Reaktion zu

wiederholen. Der entstandene Aktivkohlenstoff kann für weitere Versuche verwendet wer-

den.

Literaturangaben:


Riedel E. & Janiak C. (2007). Anorganische Chemie (7. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co. KG.





148

I. Sieh dir das Video aufmerksam an und schreibe kurz auf, was du beobachtet hast!

II. Schwefelsäure ist eine hygroskopische Säure.

a) Erläutere diesen Sachverhalt!

b) Vervollständige aufgrund dieses Wissens folgende Reaktionsgleichung:

C6H12O6 (s) + H2SO4 (l)

III. Des Weiteren wirkt Schwefelsäure oxidativ zerstörend.

a) Vervollständige folgende Reaktionsgleichung:

C (s) + 2 H2SO4 (l) (g) + (g) + 2 H2O (g)

b) Erläutere, warum sich der „schwarze Berg“ aufbläht!

Arbeitsblatt: Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure

Datum:

149

Versuchsprotokoll:

Zuckerwürfel in Kaliumchlorat

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten


Entsorgung: 5 Minuten

Chemikalien:


einsatz

Kaliumchlorat

KClO3

20 g 9-20/22-

51/53

13-16-27-

61

SI +SII

Würfelzucker

(Saccharose)

C12H22O11

1 - - - SI +SII

Materialien:

- Stativmaterial

- Demoreagenzglas

- Bunsenbrenner

- Spatel

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat

150

Versuchsaufbau:

Durchführung:256

!! Arbeiten im Abzug !!

1. In ein Demoreagenzglas werden 20 g Kaliumchlorat eingewogen.

2. Dieses Reagenzglas wird fest in eine Reagenzglasklammer eingespannt (Vorsicht, starke

Hitzeentwicklung! Stoffmaterial an den Klemmen kann schmelzen und somit das Rea-

genzglas abrutschen!!!).

3. Das Kaliumchlorat wird nun mit dem Bunsenbrenner geschmolzen.

4. Wenn sich das komplette Salz verflüssigt hat, kann man ein Stück Würfelzucker257 hin-

zugeben und den Abzug schließen.

Unter das Reagenzglas sollte eine Schale mit Sand gestellt werden, um beim eventuellen

Platzen des Reagenzglases auslaufendes, flüssiges Kaliumchlorat aufzufangen.

Je nach Untergrund lohnt es sich diesen mit Alufolie auszukleiden, da eventuell heiße Flüs-

sigkeit aus dem Reagenzglas spritzt.

256 Nach: Brandl, H. (2006) S.25f.

257 Anstatt Würfelzucker kann auch ein Gummibärchen oder anderes organisches Material zugegeben werden.

1. Schmelzen des

Kaliumchlorats

Würfelzucker

2. Zugabe Würfelzucker

Kaliumchlorat



151

Beobachtung:

Durch das Erwärmen mit dem Bunsenbrenner schmilzt das Kaliumchlorat. Nach der Zugabe

des Würfelzuckers zur Kaliumchlorat-Schmelze verbrennt der Zuckerwürfel in einer sehr hef-

tigen Reaktion mit einer intensiv rötlichen Flamme.

Entsorgung:

Das restliche Kaliumchlorat wird in Wasser gelöst, mit Salzsäure angesäuert und mit Eisen-

oder Zinkpulver zu Kaliumchlorid reduziert. Nach Neutralisation der Lösung wird diese in

dem anorganischen Abfall entsorgt.


152

Auswertung:

Kaliumchlorat, ein Salz der Chlorsäure (HClO3), ist ein weißes Pulver mit einem Schmelz-

punkt von 370 °C.258 Bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes verliert das Kalium-

chlorat zunächst ein Drittel seines Sauerstoffs unter Bildung von Kaliumperchlorat, das im

weiteren Reaktionsverlauf bei Temperaturen über 550 °C zu Kaliumchlorid und Sauerstoff

zerfällt:259

2 KClO3 (s) KClO4 (l) + KCl (l) + O2 (g)

KClO4 (l) 2 O2 (g) + KCl (l)

Wie an den Reaktionsgleichungen zu erkennen ist, entsteht bei der Zersetzung von Kalium-

chlorat eine große Menge an Sauerstoff. In der sich im Reagenzglas gebildeten heißen

Sauerstoffatmosphäre entzündet sich der Würfelzucker und wird in einer heftigen Reaktion

verbrannt:

C12H22O11 (s) + 12 O2 (g) 12 CO2 (g) + 11 H2O (g)

Wie in dieser Reaktion am Beispiel Zucker gezeigt, reagieren Chlorate mit allen organischen

Verbindungen. So wurden 1788 von Claude-Louis Graf von Berthollet erstmals Chlorate als

Schießpulver, seit 1865 dann auch als sogenannte Chlorat-Sprengstoffe (Chloratite, Cheddi-

te) verwendet. Diese Sprengstoffe fanden früher viel Verwendung, wobei sich die explosiven

Gemische aus Chloraten der Erdalkalimetalle mit kohlenstoffreichen Verbindungen, wie

Holzmehl, Fette oder Öle verbanden. Diese Gemische setzten sich dann in etwa aus 80-90

% Kalium- bzw. Natriumchlorat und 5-12 % Kohlenwasserstoff zusammen, wobei dem Ge-

misch noch Holzmehl zugesetzt wurde. In Deutschland wurden die Chloratsprengstoffe vor-

wiegend im Kali- und Salzbergbau eingesetzt, wobei sie ab 1962 nach und nach durch ANC-

Sprengstoffe ersetzt wurden.

Die Fähigkeit der Chlorate Sauerstoff abzugeben findet auch heute noch Verwendung. So

dient festes Chlorat (meistens Natriumchlorat) in sogenannten Chlorat-Kerzen zur Sauers-

toffversorgung in U-Booten, Flugzeugen, der Raumfahrt und Atemmasken. Kaliumchlorat

findet seine Verwendung zur Herstellung von Zündhölzern, der Feuerwerkerei und der

Sprengstoffindustrie. In der Medizin wird es als Antiseptikum in Gurgel- und Mundwassern

verwendet, wobei die Aufnahme von größeren Mengen (>1 g) Kaliumchlorat giftig ist.260

258 RÖMPP Online, Stichwort „Kaliumchlorat” (letzter Zugriff: 06.04.2010)


260 RÖMPP Online, Stichwort „Kaliumchlorat“ (letzter Zugriff: 06.04.2010)


153



Im Lehrplan kann dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich „Kohlenstoffchemie

II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ eingeordnet werden. In die-

sem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Eine weitere An-

wendung kann dieser Versuch in der Einführungsphase im Bereich Redoxreaktionen finden.


Dieser Versuch hat einen geringen apparativen Aufwand und die eingesetzte Chemikalie

Kaliumchlorat sollte an der Schule vorhanden sein. Alle eingesetzten Chemikalien dürfen laut

„HessGiss“-Datenbank uneingeschränkt von Schülern der Sekundarstufe SI und SII verwen-

det werden. Trotzdem sollte dieser Versuch nur als Demonstrationsversuch durch den Leh-

rer durchgeführt werden, da die Reaktion sehr heftig ist.

Dieser Versuch ist spektakulär und sollte dadurch das Interesse der Schüler wecken. An-

hand dieses Versuchs kann die stark oxidative Wirkung des Kaliumchlorats besprochen wer-

den, wodurch dieser Versuch zum Thema Redoxchemie gezeigt wird. Eine weitere Möglich-

keit wäre das Besprechen von Oxidation des Zuckermoleküls, wodurch man diesen Versuch

der Kohlenhydratchemie zuordnen würde.

Literaturverzeichnis:


Brandl, H. (2006). Trickkiste Chemie (2. Auflage). Köln: Aulis-Verlag Deubner







154

Versuchsprotokoll:

Fehling - Spaltung von Saccharose

Zeitaufwand:




Chemikalien:


Fehling-1-Lösung: 3,5 g CuSO4*5 H2O in 50 mL Wasser lösen

Fehling-2-Lösung: 17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen


einsatz

Salzsäure

HCl

(konzentriert)

Einige

Tropfen 34-37 26-45

SI + SII

Kupfersulfat-

Pentahydrat

CuSO4*5H2O

3,5 g 22-36/38-

50/53 22-60-61

SI + SII

Kalium-Natrium-

Tartrat

K+/Na+ [C4H4O6]2-

17,5 g - 22-24/25 - SI + SII

Natriumhydroxid

NaOH 6 g 35 26-37/39-45

SI + SII

Glucose

C6H12O6

Spatel-


III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose

155



Materialien:

- Heizplatte

- Bechergläser (2x)




Versuchsaufbau:

Saccharose

3. Zugabe von Fehling-Lösung

heißes Wasser

1. Lösen in heißem Wasser

2. Zugabe Salzsäure

Fehling-Lösung

(1+2 gemischt)

HCl Substanz



156

Durchführung:

1. In beide Reagenzgläser wird jeweils eine Spatelspitze Saccharose gegeben.

2. Nun werden beide Zucker in heißem Wasser gelöst.

3. Zu einem der beiden Reagenzgläser werden zusätzlich einige Tropfen konzentrierte

Salzsäure zugegeben.

4. Die Reagenzgläser werden nun etwa 5 Minuten stehen gelassen und dann mit Fehling-

Lösung untersucht, indem in beide Reagenzgläser 5-10 mL der zuvor gemischten Feh-

ling-Lösung gegeben werden.

Anstatt die Zucker in heißem Wasser zu lösen kann auch mit kalten Lösungen gearbeitet

werden, diese müssen dann in ein warmes Wasserbad gestellt werden.

Entsorgung:

Die mit Fehling-Lösung untersuchten Zucker-Lösungen werden neutral in den anorganischen

Abfall entsorgt.

Beobachtung:

Die Saccharose-Lösung, zu der zusätzlich einige Tropfen konzentrierte Salzsäure zugege-

ben wurde, verfärbt sich nach der Zugabe von Fehling-Lösung von blau über gelblich-braun

nach orange-rot, während die reine Saccharose-Lösung keine Farbveränderung aufweist.

Ohne HCl Mit HCl



157

Auswertung:

6. Fehling-Probe:

s. Protokoll : Fehling – Glucose

7. Warum ist der Nachweis mit Saccharose negativ?

s. Protokoll: Fehling – Reduzierende und nicht reduzierende Zucker

8. Warum ist der Nachweis nach Zugabe von Säure positiv?

Saccharose ist ein Disaccharid, das sich aus zwei Monosaccharid-Einheiten zusammensetzt,

α-D-Glucose und β-D-Fructose (Abb.3).

Wird eine Saccharose-Lösung mit konzentrierter Säure behandelt, so kommt es zur Hydro-

lyse des Disaccharids. Die Saccharose wird in die in ihr enthaltenen Monosaccharid-

Einheiten α-D-Glucose und β-D-Fructose gespalten (Abb.4).

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

O OH

H

OH

OH

H

OH

OH

Abb.3 Saccharose


158

H+

O CH3

H

H

OH

OH

H

OH

OH

O

C+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

+H2O

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

H

H

+O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

OH

+

Saccharose

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OOH

H

OH

OH

H

OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

O OH

H

OH

OH

H

OH

OHH

-D-Glucose -D-Fructose

H+

-

+

Durch diese Spaltung und die dadurch entstandenen Monosacharide ist der positive Nach-

weis reduzierender Zucker mittels Fehling-Probe zu erklären. 261





ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf die

Reaktionen der Kohlenhydrate eingegangen werden. Zu diesen Reaktionen gehören auch

die Hydrolyse-Reaktionen der Kohlenhydrate.

261 Siehe hierzu: Versuchsprotokoll: Fehlingprobe

Abb.4 Protonenkatalysierte Spaltung von Saccharose


159


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist gering, die Durchführung ist einfach und auch

die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Laut „HessGiss“-

Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schülern ver-

wendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann.

Mit diesem Versuch kann den Schülern gezeigt werden, wie ein Disaccharid in seine Mono-

saccharide gespalten wird. Dieser Versuch kann damit in Verbindung mit anderen Versuchen

zur Aufklärung der Struktur und der Reaktivität der Kohlenhydrate beitragen. Hydrolyse-

Reaktionen sind nicht nur bei den Kohlenhydraten wichtige Reaktionen, weshalb diese Form

der Spaltung von Molekülen in der Schule besprochen werden sollten.

Literaturangaben:

Vollhardt, K. P. C. & Schore N. E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.





160

I. Vervollständige folgenden Satz:

Die Fehling-Probe mit Saccharose ist negativ, da

II. a) Zeichne und benenne die Reaktionsprodukte der Reaktion von Saccharose mit

Salzsäure!

+

b) Formuliere den Reaktionsmechanismus der Bildung der Produkte!

III. a) Erkläre, warum die Fehling-Probe nach der Reaktion positiv ist!

b) Zeichne dazu auch die für die Fehling-Probe notwendigen Formen der

Reaktionsprodukte.

Produkt 1

Name:

Produkt 2

Name:

Arbeitsblatt: Fehling-Spaltung von Saccharose

Datum:

161

Versuchsprotokoll: Stärkespaltung

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten


Abbau/Entsorgung:: 5 Minuten

Chemikalien:


einsatz

Kupfersulfat-

Pentahydrat

CuSO4*5H2O

3,5 g 22-36/38-

50/53 22-60-61

SI + SII

Kalium-Natrium-

Tartrat

K+/Na+ [C4H4O6]2-

17,5 g - 22-24/25 - SI + SII

Natriumhydroxid

NaOH 6 g 35 26-37/39-45

SI + SII

Salzsäure

HCl 41,2 mL 34-37 26-45

SI + SII

Iod

I 2 g 20/21-50

SI + SII

Kaliumiodid

KI 4 g - - - SI + SII

Stärke

(löslich) 1 g - - - -

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Stärkespaltung

162

Herstellung der Lösungen:

Fehling-Lösung 1:

3,5 g CuSO4*5 H2O werden in 50 mL Wasser gelöst

Fehling-Lösung 2:

17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH werden in 50 mL Wasser gelöst

Vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling-1-Lösung und Fehling-2-Lösung im

Verhältnis 1:1 gemischt werden.

Herstellung der I/KI-Lösung:

Zur Herstellung von Lugolscher Lösung gibt es verschiedene Angaben in der Literatur. Allen

Anleitungen ist jedoch gemein, dass Kaliumiodid und Iod stets im Verhältnis 2:1 gemischt

werden. Iod löst sich wesentlich besser in Kaliumiodidlösungen, weshalb immer erst das Ka-

liumiodid gelöst werden sollte. Dabei geht man so vor, dass man zunächst das Kaliumiodid

in wenig Wasser auflöst und anschließend das Iod hinzugibt und dieses Gemisch so lange

rührt, bis sich das gesamte Iod aufgelöst hat. Die bessere Lösung des Iods in Kaliumiodid-

Lösungen ist auf die Reaktion des Iods mit Iodid-Ionen zu Polyiodid-Ionen zurückzuführen.262

In diesem Versuch wird eine 2%ige Iod/Kaliumiodid-Lösung verwendet. Zur Herstellung die-

ser Lösung werden ein Massenprozent Kaliumiodid und zwei Massenprozent Iod in 94 Mas-

senprozent Wasser gelöst.

HCl (5 mol/L):

41,2 mL konzentrierte Salzsäure mit entionisiertem Wasser auf 100 mL auffüllen.

NaOH (5 mol/L):

20 g Natriumhydroxid einwiegen und dann mit entionisiertem Wasser auf 100 mL auffüllen.

262 Siehe Versuchsprotokoll: Stärkenachweis


163

Materialien:


- Reagenzglasständer

- Messpipette

- Pasteurpipette mit Pipettenhütchen

- Becherglas

- Magnetrührer mit Heizplatte

- Heißes Wasserbad

Versuchsaufbau:

2.+5. Proben mit I/KI-Lösung und

Fehling-Lösung untersuchen


SubstanzHCl

I/K

II

Fehling

Stärkelösung

1. Proben Einfüllen

3. Zugabe Salzsäure

4. Proben Einfüllen


164

Durchführung:

1. 250 mL einer Stärkelösung (w= 0,01) werden auf dem Magnetrührer gerührt.

2. Von dieser Stärkelösung werden zwei Proben entnommen, wobei eine der beiden Pro-

ben mit Fehling-Lösung und die andere Probe mit einer Iod-/Kaliumiodid-Lösung unter-

sucht werden.

3. Jetzt wird zur Stärkelösung 3 mL einer 5 molaren Salzsäure gegeben und die Lösung

unter weiterem Rühren etwa 15 Minuten stehen gelassen.

4. Nach diesen 15 Minuten werden der Lösung 3 mL einer 5 molaren Natronlauge zugege-

ben.

5. Nun kann die Lösung in zwei weitere Reagenzgläser gegeben werden und erneut mit der

Fehling- bzw. der Iod-/Kaliumiodid-Lösung untersucht werden.

Entsorgung:

Die Lösungen der Fehling-Probe sowie die mit Iod-/Kaliumiodid-Lösung untersuchten Lösun-

gen werden neutral in den anorganischen Abfall entsorgt.

Beobachtung:



165

Bei der ersten Untersuchung der Stärkelösung blieb die Farbe der Fehling-Lösung in der

ersten Probe unverändert blau. In der zweiten Probe, die mit einer Iod-/Kaliumiodid-Lösung

untersucht wurde, entstand eine tiefblaue Färbung der Lösung.

Bei der zweiten Untersuchung, nach dem Hinzufügen der Salzsäure und Natronlauge, ent-

stand bei der Zugabe von Fehling-Lösung nach einigen Minuten ein dunkelroter Nieder-

schlag. Bei der Zugabe der Iod-/Kaliumiodid-Lösung änderte sich die Farbe der Lösung

nicht.

Auswertung:

4. Stärke und Stärkenachweis

s. Versuchsprotokoll: Stärkenachweis

5. Auswertung des Versuchs

Im Versuch wurde lösliche Stärke verwendet.

Diese Stärke zeigt, wie oben beschrieben, eine tiefblaue Färbung nach der Zugabe einer

Iod-/Kaliumiodid-Lösung. Der Nachweis auf reduzierende Zucker mit Fehling-Lösung fällt

dagegen negativ aus, da die Glucosemoleküle in der Stärke über ihre anomeren Kohlens-

toffatome verknüpft sind.

Dadurch können bei den Glucosemolekülen keine Ringöffnungen stattfinden, wodurch sie

keine Aldehydfunktion mehr besitzen. Da die Ringöffnung und die damit verbundene offen-

kettige Aldehydfunktion jedoch Voraussetzung für die Oxidation der Kupfer-Ionen in der Feh-

ling-Lösung sind, fällt die Fehling-Probe negativ aus. Mit Iod-/Kaliumiodid.Lösung hingegen

zeigt die Stärkelösung die typische blaue Farbreaktion.263

Durch die Zugabe von Säure zur Stärkelösung werden die glykosidischen Bindungen der

Stärke hydrolysiert (Abb.3).264

263 Vgl. hierzu Versuchsprotokoll: Stärkenachweis



166

Abb. 3 Mechanismus der Stärkehydrolyse

O

O

OH

OHO

OH

O

OOH

OH

OH

H+

O

O+OH

OHO

OH

O

OOH

OH

OH

H

O+

OH

OHO

OH

+O

OOH

OH

OH

OH

+

OH2+ O

O+

OH

OHO

OH

H

H

+O

OOH

OHOH

OH

-H+ O

OHOH

OHO

OH

O

OOH

OHOH

OH

+

Wie an der Reaktionsgleichung zu sehen ist (Abb.3), werden die Amylosemoleküle durch die

Protonen der Säure hydrolysiert. Das Produkt dieser Hydrolyse sind Glucose-Moleküle, die

für einen positiven Fehling-Nachweis sorgen.265

Da durch die Hydrolyse die Glucoseketten der Amylose getrennt wurden, kann sich keine

Helix mehr ausbilden. Aus diesem Grund können auch kein Iod/Iodid- Moleküle eingelagert

werden, wodurch eine Blaufärbung der Lösung ausbleibt.






Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden.


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering und auch alle verwendeten Che-

mikalien sollten an der Schule vorhanden sein. Die verwendeten Chemikalien dürfen laut

265 Vgl. hierzu: Protokoll: Fehling-Glucose


167

„HessGiss“-Datenbank von Schülern der Sekundarstufe I und II uneingeschränkt verwendet

werden, weshalb sich dieser Versuch sowohl als Lehrerdemonstration als auch als Schüler-

versuch eignet. Voraussetzung zum Verständnis dieses Versuchs ist die Kenntnis sowohl

der Fehling-Probe, als auch der Stärkenachweis mit Lugolscher Lösung.266 Sind diese bei-

den Nachweisreaktionen bekannt, so kann es den Schülern gelingen, die Versuchsereignis-

se richtig zu interpretieren. Das Spalten von glykosidischen Bindungen ist ein wichtiger Be-

standteil zum Verständnis der Chemie der Kohlenhydrate. In Verbindung mit andern Versu-

chen kann dieser Versuch zum besseren strukturellen Verständnis der Stärke und von Koh-

lenhydraten führen.

Literaturangaben:


Breitmaier E. & Jung G. (2009). Organische Chemie – Grundlagen, Verbindungsklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur, Naturstoffe (6. Auflage). Stuttgart: Georg Thieme Verlag.





266 Vgl hierzu Protokoll: Versuchsprotokoll: Stärkenachweis

168

O

H

H

H

OH

H OH

H

OH

O

O

H

H

H

OH

H OH

H

OH

+ H+

I. Trage die Versuchsbeobachtung in folgende Tabelle ein:

II. a) Welcher Stoff wird mit Iod-/Kaliumiodid-Lösung nachgewiesen?

b) Welche Stoffe werden mit Fehling-Reagenz nachgewiesen?

III. Sieh dir nochmals die Versuchsbeobachtung an (Aufgabe I)!

a) Formuliere eine Reaktionsgleichung!

b) Formuliere den Reaktionsmechanismus!

(Tipp: Es handelt sich um eine saure Hydrolyse)

c) Erläutere, warum die jeweiligen Nachweisreaktionen positiv bzw. negativ sind!

+ (positiv) Nachweisreaktion - (negativ)

Fehling

Iod-/Kaliumiodid

Vor der Zugabe von Säure

Nach der Zugabe von Säure

Arbeitsblatt: Stärkespaltung

Datum:

169

Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten



Chemikalien:

Chemikalien Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schul-

einsatz

Natriumhydroxid

NaOH 10 g 35 26-37/39-45

SI+SII

Ethanol

C2H5OH 99 g 11 7-16

SI+SII

Methylenblau

C16H18N3SCl 1 g 22 22-24/25

SI+SII

Glucose

C6H12O6

10 g - - - SI+SII

Herzustellende Lösungen:

- Ethanolische Methylenblau-Lösung (w = 1 %)

- Alkalische Zuckerlösung: 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL Wasser lö-

sen

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“

170

Materialien:

- Messpipette mit Peleusball

- Schraubdeckelglas

- Becherglas

Versuchsaufbau:

Durchführung:267

1. In einem Schraubdeckelglas werden 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL

Wasser gelöst.

2. Zu dieser Lösung wird 1 mL einer einprozentigen Methylenblaulösung gegeben.

3. Nach der Entfärbung der Lösung wird das Schraubdeckelglas geschüttelt.

267 Holfeld, M. (2000) S.39f.

Ethanolische Methylenblau-Lösung

Glucose-/NaOH-Lösung

1. Zugabe von Methylenblau


2. Schütteln


171

Beobachtung:

Nach der Zugabe der ethanolischen Methylenblaulösung färbt sich die Flüssigkeit in dem

Schraubdeckelglas blau. Nach etwa einer Minute entfärbt sich die Lösung wieder. Durch

Schütteln des Schraubdeckelglases färbt sich die Lösung erneut blau, bis sie sich nach kur-

zer Zeit wieder entfärbt. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden.

Entsorgung:

Die Lösungen werden neutral in den organischen Lösungsmittelbehälter entsorgt.

Auswertung:

1. Erläuterung des Versuchs: 268

Ausschlaggebend für die blaue Farbe der Lösung ist das Methylenblau (Abb.4)

268 Holfeld, M. (2000) S.40


Abb.4 Methylenblau

N

S+

(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

Cl-

N

S(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

Cl-

+


172

Die intensive blaue Farbe des Methylenblaus liegt in dem ausgedehnten π-Elektronensystem

begründet.

Methylenblau wurde erstmals von Caro im Jahre 1876 hergestellt und stellt den wichtigsten

Vertreter der Phenothiazin-Farbstoffe (auch Thiazin-Farbstoffe genannt) dar. Methylenblau

ist ein Redoxindikator, der in einer Redoxreaktion als Wasserstoff-Akzeptor fungiert.269

Auch in diesem Versuch ist Methylenblau das Oxidationsmittel, das zunächst durch Glucose

zu Leukomethylenblau reduziert wird. Die Glucose wird dabei zur Gluconsäure oxidiert

(Abb.5).

Wie man an der Struktur des Leukomethylenblaus erkennen kann, ist durch Reduktion des

Methylenblaus das konjugierte π-Elektronensystem zerstört worden, wodurch der intensive

blaue Farbeindruck verschwindet.

269 RÖMPP Online, Stichwort “Methylenblau” (letzter Zugriff 10.04.2010)

Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Methylenblaus)

N

S+

(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

+ Cl-

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

+

NH

S(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

+

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

ClH

Glucose

Methylenblau

Gluconsäure

Leukomethylenblau

+

+1

+3

Blau

Farblos

+4

+2


173

Durch das anschließende Schütteln der Lösung diffundiert Luftsauerstoff in die Lösung und

oxidiert das Leukomethylenblau wieder zu Methylenblau (Abb.6).

Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Me-

thylenblaus mehr vorhanden ist.

2. Hintergrundinformationen Methylenblau:270

Methylenblau findet in der Industrie vielfältige Verwendungsmöglichkeiten. So wird Methy-

lenblau als Färbemittel für mit Tannin gebeizte Baumwolle genützt. Mit Methylenblau gefärb-

te Polyacrylnitrilfasern zeigen eine hohe Lichtechtheit, weshalb dieser Stoff zum Färben und

Drucken von Papieren und kosmetischen Artikeln, als Lackfarbstoff sowie in der Medizin und

Mikroskopie verwendet wird. Durch P. Ehrlich wurde Methylenblau erstmals als ein soge-

nannter Vitalfarbstoff eingesetzt. Dieser Vitalfarbstoff färbt bestimmte Teile des lebenden

Organismus sehr stark ein, während andere ungefärbt bleiben. So kann diese Lösung bei-

spielsweise zum Anfärben von Blutparasiten dienen. Aus diesem Grund wird Methylenblau in

270 RÖMPP Online, Stichwort “Methylenblau” (letzter Zugriff 10.04.2010)

NH

S(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

Leukomethylenblau

O2 + 2 H+

+ 2

2

N

S+

(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

Methylenblau

+ 2 H2O

Farblos

Blau

+2

-2

0

+4

Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leukomethylenblaus)


174

der Mikroskopie eingesetzt und in Form von speziell angefertigten Pillen dient dieser Farb-

stoff einer Funktionsprobe des Magens. Bei Vergiftungen mit Kohlenstoffmonoxid, Cyanver-

bindungen, Nitrit und anderen Methämoglobin-Bildnern werden 1%ige Methylenblaulösungen

intravenös verabreicht. Des Weiteren wird das Methylenblau in der Tiermedizin bei äußerli-

chen und innerlichen Wunden, Furunkeln, Magen- und Darmkatarrh und ähnlichen Krankhei-

ten eingesetzt. In der Teichwirtschaft wird Methylenblau zur Abtötung von Pilzen und Parasi-

ten eingesetzt.

3. Hintergrundinformationen: „Die blauen Leute von Troublesome Creek271

Seit etwa 160 Jahren ist bei vielen Einwohnern des kleinen Ortes Troublesome Creek im US-

Bundesstaat Kentucky eine in unterschiedlichen Nuancen vorkommende Blaufärbung der

Haut aufgetreten. Der Grund für diese Blaufärbung der Haut ist ein Gendeffekt, der seit meh-

reren Generationen in dieser Ortschaft vererbt wird.

Im Hämoglobin-Molekül liegt das Eisen-Ion im zweiwertigen Zustand vor, da nur dieses

zweiwertige Eisen dazu in der Lage ist, Sauerstoff reversibel zu binden. Dies ist wichtig für

den menschlichen Organismus, da die roten Blutkörperchen nur so ihre wichtigste Funktion,

den Sauerstofftransport, erfüllen können. Bei allen Menschen erfolgt jedoch in den Erythro-

zyten eine spontane Oxidation des Hämoglobins zu Methämoglobin, weshalb etwa 0,5-2%

des Gesamthämoglobins als Methämoglobin vorliegt. Im Methämoglobin liegt das Eisen-Ion

in dreiwertiger Form vor, weshalb Methämoglobin nicht dazu in der Lage ist, Sauerstoff re-

versibel zu binden. Dieser Vorgang ist im menschlichen Organismus jedoch nicht gefährlich,

da dieses Methämoglobin wieder durch ein Enzym, die Methämoglobin-Reduktase (Diapho-

rase), zu Hämoglobin reduziert wird (Abb.7).

Durch den Gendefekt der „blauen Leute“ produzieren diese Menschen jedoch relativ wenig

des Methämoglobin abbauenden Enzyms Diaphorese. Dies führt zu einer Erhöhung der

Methämoglobin-Konzentration im Blut, was letztlich für die Blaufärbung der Haut verantwort-

lich ist.

271 Brandl, H. (2006) S.106ff.


175

Kurioserweise verordnete der Arzt Madiseon Cawein den blauhäutigen Patienten Methylen-

blau-Pillen zur Heilung der Krankheit. Diese Maßnahme half den Menschen mit dieser

Krankheit, so dass die Haut der Betroffenen bald wieder eine rosa Farbe annahm. Dabei

konnten die Patienten beobachten, wie das „blaue Blut“ mit dem Urin aus ihren Körpern aus-

geschieden wurde.

Die scheinbar paradoxe Verwendung eines blauen Farbstoffes zur Heilung dieser Krankheit

ist durch die Elektronen-Transfer-Eigenschaften des Methylenblaus zu erklären. So wird der

Farbstoff zunächst durch ein enzymatisches Reduktionssystem in den Erythrozyten in Leu-

ko-Methylenblau reduziert. Dieses Leuko-Methylenblau reduziert nun seinerseits spontan

Methämoglobin zu Hämoglobin, wobei das Leuko-Methylenblau wieder zu Methylenblau oxi-

diert wird. Somit übernimmt das Methylenblau die Aufgabe des Enzyms Diaphorase. Das

entstandene Methylenblau wird über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Durch das Me-

thylenblau hat der Urin dann eine blaue Farbe, wodurch das Ausscheiden von „blauem Blut“

der „blauen Leute von Troublesome Creek“ nach Einnahme der Methylenblaupillen zu erklä-

ren ist.



Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase Q2 im Bereich „Kohlenstoffchemie

II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ einzuordnen. In diesem Be-

reich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Als Unterrichtsinhalte gelten

unter anderem die Reaktionen der Kohlenhydrate.

Eine weitere Möglichkeit zur Einordnung dieses Versuchs in den Lehrplan ist der im Leis-

tungskurs ebenfalls in der Qualifikationsphase Q2 zu verordnende fakultative Unterrichtsin-

halt Farbstoffe.

Hämoglobin Hb(Fe2+)

(dunkelrot)

Oxyhämoglobin Hb(Fe2+)O2

(hellrot)

O2

Enzym Diaphorase

Methämoglobin Hb(Fe3+)

(braun)

Abb.7 Verschiedene Farben des Hämoglobins


176


Der „Blue-Bottle“-Versuch ist ein optisch sehr schöner und für Schüler sicher beeindrucken-

der Versuch. Der apparative Aufwand ist sehr gering und auch die Chemikalien sollten an

der Schule vorhanden sein. Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemika-

lien von Schülern der Sekundarstufe I+II uneingeschränkt verwendet werden, weshalb sich

dieser Versuch sowohl als Lehrerdemonstrationsversuch als auch als Schülerversuch eignet.

Dieser Versuch ist ein bekannter Showversuch. So kann durch diesen Versuch das Interesse

am Unterrichtsfach Chemie bei einigen Schülern geweckt werden. Vielleicht kann man dabei

auch kurz auf die Geschichte der „blauen Leute“ eingehen, um einen Alltagsbezug herzustel-

len.

Dieser Versuch darf jedoch nicht nur alleine als Showversuch gesehen werden. So können

anhand dieses Versuchs beispielsweise die Oxidation von Glucose, wie auch konjugierte π-

Elektronensysteme und deren Eigenschaften (Farbstoffe), besprochen werden. Zum besse-

ren Verständnis kann neben dem „Blue-Bottle“-Experiment auch auf das „Violett-Bottle“-

„Red-Bottle“- und „Ampel-Bottle“- Experiment eingegangen werden. Anhand dieser vier Bei-

spiele können die Schüler dann auch das Prinzip der konjugierten π-Elektronensysteme er-

kennen.

Literaturangabe:

Brandl, H. (2006). Trickkiste Chemie (2. Auflage). Köln: Aulis-Verlag Deubner

Holfeld M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaf-ten-Chemie, 47/3, S.39-40.







177

I. a) Fülle die freien Felder der Reaktionsgleichung aus!

b) Bestimme die Oxidationszahl von allen an der Redoxreaktion beteiligten Atomen!

c) Erkläre, warum Leukomethylenblau im Gegensatz zu Methylenblau farblos ist!

II. Durch das Schütteln der Lösung diffundiert Luftsauerstoff in die Lösung, wodurch

sich die Lösung wieder blau färbt. Formuliere eine Reaktionsgleichung!

III. Die Färbung und Entfärbung der Lösung lässt sich nicht beliebig oft wiederholen.

Erläutere die begrenzenden Faktoren der Reaktion!

N

S+

(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

+ Cl-+

NH

S(H3C)2N

(H3C)2N

N(CH3)2

N(CH3)2

+

Glucose

Methylenblau

Gluconsäure

Leukomethylenblau

+

Blau

Farblos

Arbeitsblatt: „Blue Bottle“ Datum:

178

Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten



Chemikalien:


einsatz

Natriumhydroxid

NaOH 10 g 35 26-37/39-45

SI+SII

Thioninacetat 0,25 g

Glucose

C6H12O6

10 g - - - SI+SII


Thioninacetat-Lösung (w = 0,25)

Alkalische Zuckerlösung: 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL Wasser lösen

Materialien:


- Schraubdeckelglas

- Becherglas

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“

179

Versuchsaufbau:

Durchführung: 272

1. In einem Schraubdeckelglas werden 5 g Natriumhydroxid in 375 mL Wasser gelöst.

2. Zu dieser Lösung werden 30 g Glucose und 5 mL Thioninacetat-Lösung (w=0,25) hinzu-

gefügt.

3. Das Schraubdeckelglas wird nun verschlossen und bis zur Entfärbung stehen gelassen.

4. Hat sich die Lösung entfärbt, so wird das Schraubdeckelglas kräftig geschüttelt.

.

272 Holfeld, M. (2000) S.39f.

Thioninacetat-Lösung


Zugabe von Thioninacetat



180

Beobachtung:

Nach der Zugabe der Thioninacetat-Lösung färbt sich die Flüssigkeit in dem Schraubdeckel-

glas violett. Nach etwa zwei Minuten entfärbt sich die Lösung wieder. Durch Schütteln des

Schraubdeckelglases färbt sich die Lösung erneut violett, bis sie sich nach kurzer Zeit wieder

entfärbt. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden.

Entsorgung:

Die Lösungen werden neutral in den organischen Lösungsmittelbehälter entsorgt

Auswertung:273

Ausschlaggebend für dies intensive violette Farbe in diesem Versuch ist das Thioninacetat

(Abb.4).

273 Holfeld, M. (2000) S.40

N

S+

NH2 NH2

CH3COO-

N

S

NH2

+NH2

CH3COO-


Abb.4 Thioninacetat


181

Wie man an der Struktur des Thininacetats erkennen kann (Abb.3), hat dieser Stoff ein kon-

jugiertes π-Elektronensytem, das für die intensive violette Farbe verantwortlich ist.

Das Thioninacetat ist ein Oxidationsmittel, das dazu in der Lage ist, die in der Lösung vor-

handene Glucose zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Thioninacetat zu Leukothio-

nin reduziert (Abb.5).

Wie man an der Strukturformel erkennen kann, ist durch die Oxidation des Thioninacetats zu

Leukothionin das π-Elektronensystem zerstört worden (Abb.5). Aus diesem Grund ver-

schwindet auch die violette Färbung.

Wird die farblose Lösung im Schraubdeckelglas geschüttelt, so diffundiert Luftsauerstoff in

die Lösung. Dieser Sauerstoff reagiert mit dem in der Lösung enthaltenen farblosen Leuko-

thionin und oxidiert dieses wieder zum violetten Thioninacetat (Abb.6.).

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

+

+

N

S+

NH2 NH2

+ CH3COO-

+ OH2

NH

S

NH2 NH2

CH3COOH+

+4

+2

+1

+3

Glucose

Gluconsäure

Leukothionin

Farblos

Thioninacetat

Violett

Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Thioninacetats)


182

Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis die gesamte Glucose zu Gluconsäure

oxidiert ist.


s. Versuchsprotokoll „Blue Bottle“

Literaturangaben:

Holfeld M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaf-ten-Chemie, 47/3, S.39-40.





N

S+

NH2 NH2

NH

S

NH2 NH2

+4

+2

Leukothionin

Farblos

Thioninacetat

Violett

O2 + 2 H+

+ 2

2+OH2

+2

0

Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leukothionins)

183

Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten



Chemikalien:


einsatz

Natriumhydroxid

NaOH 5 g 35 26-37/39-45

SI+SII

Safranin-T

C20H19ClN4

0,25 g 41 26-39

SI+SII

Glucose

C6H12O6

30 g - - - SI+SII


Safranin-T-Lösung (w = 0,25)


Materialien:


- Schraubdeckelglas

- Becherglas

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“

184

Versuchsaufbau:

Durchführung: 274


2. Zu dieser Lösung werden 30 g Glucose und 5 mL Safranin-T-Lösung (w=0,25) hinzuge-

fügt.

3. Das Schraubdeckelglas wird verschlossen und bis zur Entfärbung stehen gelassen.

4. Hat sich die Lösung entfärbt, so wird das Schraubdeckelglas kräftig durchgeschüttelt.

274 Holfeld, M. (2000) S.39f.

Safranin-T-Lösung


Zugabe von Safranin-T



185

Abb.4 Safranin-T

Beobachtung:

Nach der Zugabe der Safranin-T-Lösung färbt sich die Flüssigkeit in dem Schraubdeckelglas

rot. Nach etwa 20 Minuten entfärbt sich die Lösung wieder. Durch Schütteln des Schraubde-

ckelglases färbt sich die Lösung erneut rot, bis sie sich nach ca. 20 Minuten wieder entfärbt

hat.

Entsorgung:


Auswertung:

Der für die intensiv rötliche Färbung verantwortliche Stoff ist das Safranin-T (Abb.4).

Die Struktur des Safranin-T zeigt, dass dieser Stoff ein konjugiertes π-Elektronensytem be-

sitzt, das für die intensive rote Farbe verantwortlich ist (Abb.4).

N+

N

NH2

CH3 CH3

NH2 N

N

NH2

CH3 CH3

NH2

+

Cl-

Cl-



186

Safranin-T ist ein Oxidationsmittel, das in der Lage ist, die in der Lösung vorhandene Gluco-

se zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Safranin-T zu Leuko-Safranin-T reduziert.

Wie man an der Strukturformel erkennen kann, ist durch die Oxidation des Safranin-T zu

Leuko-Safranin-T das π-Elektronensystem zerstört worden. Aus diesem Grund verschwindet

auch die rote Färbung.

Wird die farblose Lösung im Schraubdeckelglas geschüttelt, so diffundiert Luftsauerstoff in

die Lösung. Dieser Sauerstoff reagiert mit dem in der Lösung enthaltenen farblosen Leuko-

Safranin-T und oxidiert dieses wieder zum roten Safranin-T (Abb.6).

Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Safranin-T)

N+

N

NH2

CH3 CH3

NH2

N

NH

NH2

CH3 CH3

NH2

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

+ + Cl- + OH2

++ ClH

Farblos

Glucose

Gluconsäure

Safranin-T

Leuko-Safranin-T

Rot

+1

+3

+1

+1

+2

+2


187

Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leuko-Safranin-T)

Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Saf-

ranin-T mehr vorhanden ist.



Literaturangaben:

Holfeld, M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaf-ten-Chemie, 47/3, S.39-40.





O2 + 2 H+

+ 2

22 H2O

0

N+

N

NH2

CH3 CH3

NH2

N

NH

NH2

CH3 CH3

NH2

+

Safranin-T

Leuko-Safranin-T

Rot

+1

+1

+2

+2

Farblos

-2

188

Versuchsprotokoll:

„Ampel-Bottle“- Experiment

Zeitaufwand:

Aufbau: 5 Minuten



Chemikalien:


einsatz

Natriumhydroxid

NaOH 10 g 35

26-37/39-

45

SI+SII

Indigocarmin Spatel-

spitze - 22-24/25 - SI+SII

Glucose

C6H12O6

10 g - - - SI+SII



Materialien:


- Becherglas (800mL oder 1L)

- Spatel

- Thermometer

- Schraubdeckelglas


189

Versuchsaufbau:

Durchführung:


2. In einem Becherglas löst man 14 g Glucose in 350 mL Wasser und erwärmt diese

Lösung auf 35°C.

3. Wenn die Lösung die Temperatur erreicht hat, gibt man 0,04 g (eine Spatelspitze)

Indigocarmin hinzu.

4. Nun vereinigt man die beiden Lösungen in dem Schraubedeckelglas und wartet, bis sich

die Lösung entfärbt hat.

5. Anschließend wird das Schraubdeckelglas kräftig geschüttelt.

Entsorgung:


Indigocarmin

Glucose-Lösung

2. Zugabe Spatelspitze

Indigocarmin

NS24

Substanz

1.Erwärmen

der Lösung

NaOH-Lösung

3. Lösung in Schraubdeckelglas füllen



190

Beobachtung:

.

Nach der Zugabe von Indigocarmin zur Glucose-Lösung färbt sich diese tiefblau. Wenn die

beiden Lösungen vereinigt werden, bleibt die Lösung zunächst blau, ändert dann jedoch die

Farbe von grün und rot nach gelb. Wenn nun die gelbe Lösung geschüttelt wird, so wird die

Lösung grün, bis sie sich über die Zwischenstufe Rot wieder gelb färbt. Dieser Vorgang kann

mehrmals wiederholt werden.

Abb.2,3,4 Versuchsbeobachtung


191

Auswertung:

Ausschlaggebend für die intensive blaue Farbe in diesem Versuch ist das Indigocarmin

(Abb.5).

Wie man an der Struktur des Indigocarmins erkennen kann, hat dieser Stoff ein konjugiertes

π-Elektronensytem, das für die intensive blaue Farbe verantwortlich ist.

Indigocarmin wird schon seit der Antike zur Lebensmittelfärbung eingesetzt und kommt in

der Natur als Indican (Abb.6) (ein Glucopyranosid), in verschiedenen Indigofera-Arten (auch

Indigo-Pflanze genannt) und im Färberwaid vor.275

275 RÖMPP Online, Stichwort “Indigocarmin+Indican“ (letzter Zugriff 14.03.10)

O

OH

OOH

OH

OH

NH

NH

NH

SO3Na

O

NaO3S

O

Abb.5 Indigocarmin

Abb.6 Indican


192

Das Indigocarmin ist ein Oxidationsmittel, das dazu in der Lage ist, die in der Lösung vor-

handene Glucose zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Indigocarmin zu Leuco-

Indigocarmin reduziert (Abb.7).

Abb.7 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Indigocarmins)

NH

NH

SO3Na

O

NaO3S

O

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

+

+1

+3

Glucose

Gluconsäure

+1

+1

+ 2 NaOH

NH

NH

SO3Na

NaO

NaO3S

ONa

0

0

+ + OH2

Indigocarmin

blau

Leuko-Indigocarmin

Gelb


193

Abb.9 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leuko-Indigocarmin)

Die grüne Farbe der Lösung resultiert nun aus einer Mischung der oxidierten und der redu-

zierten Form (gelb und blau). Woher die rote Farbe der Lösung stammt, ist noch nicht voll-

ständig geklärt. Am wahrscheinlichsten ist jedoch eine radikalische Zwischenstufe, die für

den roten Farbeindruck verantwortlich ist (Abb.8.).276

Durch das anschließende Schütteln der Lösung diffundiert Luftsauerstoff in die Lösung und

oxidiert das Leuko-Indigocarmin wieder zu Indigocarmin (Abb.9).

276 http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/video_herbstblatth.htm (Letzter

Zugriff: 03.04.2010)

NH

C

NH

SO3Na

O-

NaO3S

O-

Abb.8 Struktur des Radikalanions

NH

NH

SO3Na

NaO

NaO3S

ONa

0

0+O2

Leuko-Indigocarmin

Gelb

NH

NH

SO3Na

O

NaO3S

O

+ OH2

0

Indigocarmin

blau

+1

+1

2 NaOH + H2O2 +-1

http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/video_herbstblatth.htm


194

Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Indi-

gocarmins mehr vorhanden ist.



Literaturangaben:


(Letzter Zugriff: 03.04.2010)

http://www.seilnacht.com/Lexikon/Indigo.htm (Letzter Zugriff: 03.04.2010)




http://www.seilnacht.com/Lexikon/Indigo.htm

195

4. Optische Aktivität und Stereoisomerie

Versuchsprotokoll:

Polarimetrische Untersuchung von Saccharose

Zeitaufwand:

Aufbau: 5-10 Minuten



Chemikalien:

Materialien:

- Längliches Glasrohr (oder auch längliches 600 mL Becherglas)

- Glasstab

- Overheadprojektor

- Polarimeter

- evtl. Stoppuhr


einsatz

Salzsäure

HCl (konz.) 100 mL 34-37 26-45

SI+SII

Saccharose

C12H22O11

120 g - - - -

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose

196

Versuchsaufbau:

Abb.1+2 Versuchsaufbau

Lichtquelle:

Overhead-Projektor

Polarimeter

Küvette

Polarisator

& Analysator

Wand

= Weg des Lichts

Wand:

Gradzahl


197

Durchführung:

I. Kalibrierung des Polarimeters:

1. Zur Kalibrierung des Polarimeters wird die Küvette (das Glasrohr/Becherglas) mit 400 mL

Wasser aufgefüllt.

2. Die Küvette wird dann auf das Polarimeter gestellt und der Projektor angeschaltet. Nun

wird der Analysator auf null gestellt.

3. Anschließend dreht man den Polarisator so lange, bis kein Licht mehr durch den Analy-

sator hinaustritt und somit auch der Lichtfleck an der Wand verschwindet.

II. Bestimmung des Drehwertes von Saccharose

1. Um den Drehwert von Saccharose zu bestimmen, werden in der Küvette 120 g Saccha-

rose in 350 mL Wasser gelöst.

2. Diese Lösung stellt man in das Polarimeter und dreht so lange am Polarisator, bis kein

Lichtpunkt mehr an der Wand zu erkennen ist.

Anmerkung: Das komplette Verschwinden des Lichtpunktes ist nicht zu erreichen. Viel eher

kommt es zu dem Phänomen, dass nur noch blaues Licht durchgelassen wird (s. Auswer-

tung).

III. Ermittlung des Drehwertes von Saccharose mit Salzsäure

1. In der Küvette werden 120 g Saccharose in 300 mL Wasser gelöst.

2. Zu dieser Lösung werden 100 mL konzentrierte Salzsäure gegeben und mit dem Glass-

tab umgerührt. Will man die Zeit ermitteln, so wird nach der Zugabe der Säure die Stopp-

uhr angeschaltet.

3. Der Drehwert dieser Lösung wird mittels Polarimeter in regelmäßigen Zeitabständen er-

mittelt, bis sich ein konstanter Drehwert eingestellt hat.


198

Beobachtung:

Nach der Zugabe der Salzsäure verändert sich der Drehwert der Lösung von +37° auf

-12°.277

Entsorgung:

Die Saccharose-Lösung aus Versuchsteil 2 kann in den Ausguss entsorgt werden.

Die salzsaure Saccharose-Lösung wird mit Natronlauge neutralisiert und in den Ausguss

gegeben.

277 Dies sind keine errechneten spezifischen Drehwerte, sondern nur die abgelesenen Werte!

Abb. 3+4 Versuchsbeobachtung


199

Auswertung:

1. Stereoisomerie und optische Aktivität

Stereoisomerie278

In der Chemie unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten von Isomerie. Die

Konstitutionsisomerie (oder auch Strukturisomerie) und die Stereoisomerie. Konstitutions-

isomere sind Verbindungen mit derselben Summenformel, die jedoch eine verschiedene

Atomverkettung (Atomfolge) haben. Um ein Konstitutionsisomer in ein anderes überführen

zu können, müssen Bindungen gebrochen und die Atome in einer anderen Reihenfolge an-

geordnet werden. Ein solches Beispiel einer Konstitutionsisomerie wäre das Butan und das

2-Methylpropan (Abb.5).

Summenformel: C6H12O6:

Bei der Stereoisomerie (auch Raumisomerie) haben die Atome der Isomeren zwar immer

die gleiche Konstitution, sie sind aber räumlich verschieden angeordnet. Stereoisomere wei-

sen also bei gleicher Atomfolge verschiedene räumliche Anordnung der Atome und Bindun-

gen auf.279

Bei den Stereoisomeren wird nochmals zwischen den Diastereomeren und den Enantio-

meren unterschieden.

Bei den Enantiomeren handelt es sich um Isomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhal-

ten. Das heißt, sie lassen sich nicht mit „ihrem Spiegelbild“ zur Deckung bringen, ohne dass

dafür Atombindungen gebrochen werden müssten. Diese Isomere verhalten sich ähnlich wie

unsere rechte und linke Hand, die sich auch nicht durch drehen mit der jeweils anderen

Hand in Deckung bringen lassen. Aus diesem Grund spricht man auch von „Händigkeit“.

Diese allgemeine Eigenschaft der „Händigkeit wird auch als Chiralität (gr. cheir = Hand oder

„Händigkeit“) bezeichnet und kann auf verschiedenste Objekte zutreffen (Abb. 6+7).

278 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.187ff. und Bruice, P.Y. (2007), S.238ff.

279 Hollemann, A.F. & Wiberg, A. (1995), S.323

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

2-MethylpropanButan

Abb.5 Konstitutionsisomerie am Beispiel Butan


200

Chirale Objekte (Abb.6) besitzen kein Symmetriezentrum und auch keine Symmetrieebenen.

Auch bei chemischen Verbindungen gilt dieses Kriterium, um zwischen enantiomeren und

nichtenantiomeren Verbindungen zu unterscheiden. In Abb.8 sind einige Verbindungen dar-

gestellt und es wird gezeigt, ob sie chiral, oder achiral sind.

Wie man an den Beispielen erkennen kann, besitzen alle chiralen Moleküle ein Atom, die an

vier verschiedene (!) Substituenten gebunden sind. Dieses Atom wird auch als Chiralitäts-

zentrum, Stereozentrum oder asymmetrisches Atom bezeichnet und mit „*“ markiert (Abb.9).

Abb.8 Beispiele für chirale und achirale Moleküle

BrCl

F

H

FCl

Br

H

Spiegelebene

chiral

ClH

H

CH3

Enantiomerenpaar

achiral

HH

H

H

achiral

CH3CH2 OCH3

H

CH3

H.

CH3CH2

CH3

Spiegelebene

chiral

Enantiomerenpaar

OCH3

Abb.6 nicht chirale Objekte

Abb.7 chirale Objekte


201

Moleküle, die eine solche „Händigkeit“ zeigen, können unterschiedliche Eigenschaften besit-

zen, sie können beispielsweise verschieden riechen. Ein solches Beispiel ist das Monoterpen

Carvon (Abb.10). So riecht das S-Enantiomer des Carvons nach Kümmel, während das R-

Enatiomer nach Minze riecht.

Diastereomere kommen nur in Molekülen mit mehreren Stereozentren (zu denen auch die

meisten Zucker zählen) vor. Auf diese Diastereomere möchte ich nun nicht weiter eingehen,

da zum Erläutern der optischen Aktivität das Wissen über Enantiomere ausreicht.

* = Chiralitätszentrum

asymmetrisches KohlenstoffatomBC

D

A

DC

B

A

Spiegelebene

chiral

Enantiomerenpaar

* *

Abb.9 Darstellung eines chiralen Moleküls

CH3

O

CH2 CH3

CH3

CH2

CH3 CH3

(S)-(+)-Carvon

Kümmelgeruch

(R)-(-)-Carvon

Minzgeruch

* *

Abb.10 Enantiomerenpaar des Carvons


202

Optische Aktivität280

Enantiomere sind sich sehr ähnlich. So haben sie identische Bindungen und auch einen

identischen Energiegehalt. Des Weiteren sind auch die meisten physikalischen Eigenschaf-

ten von Enantiomeren identisch. Eine Ausnahme bildet dabei die Drehung von linear polari-

siertem Licht. Wird linear polarisiertes Licht durch eine Probe eines der beiden Enantiomere

geleitet, so wird das Licht um einen bestimmten Betrag gedreht. Wiederholt man diesen Ver-

such mit dem andern Enantiomer, so wird das Licht um denselben Betrag gedreht, jedoch in

die entgegengesetzte Richtung. Das Enantiomer, dass die Ebene des polarisierten Lichts im

Uhrzeigersinn dreht, wird als rechtsdrehendes Enantiomer bezeichnet und per Definition als

(+) - Enantiomer benannt. Das Enamntiomer, dass die Ebene des polarisierten Lichts gegen

den Uhrzeigersinn dreht, bezeichnet man als linksdrehendes bzw. als (-) - Enantiomer.

2. Funktionsweise eines Polarimeters281:

Das Gerät, mit dem man die optische Aktivität von Substanzen misst, ist ein Polarimeter. In

diesem Polarimeter wird mittels einer Natriumdampflampe monochromatisches Licht (das

Licht einer bestimmten Wellenlänge; im Falle der Natriumdampflampe beträgt die Wellenlän-

ge der D-Linie genau 589 nm) durch einen Polarisationsfilter, den sogenannten Polarisator,

geleitet. Als Polarisationsfilter wirkt ein Nicolsches Prisma, welches das monochromatische

Licht der Natriumdampflampe linear polarisiert. Durch diese lineare Polarisation liegen alle

Feldvektoren des Lichtes in einer Ebene (s. Abb.11+12). Nun durchquert der Lichtstrahl die

Meßzelle mit der Probe (die Küvette). Befindet sich eine achirale Substanz in der Meßzelle,

so tritt das Licht mit unveränderter Polarisationsrichtung wieder aus der Lösung aus

(Abb.11). Ist die Substanz in der Meßzelle jedoch optisch aktiv, so tritt das Licht mit einer

veränderten Polarisationsrichtung wieder aus der Lösung aus (Abb.12). Die Drehung der

Schwingungsebene wird mit Hilfe eines zweiten Nicolschen Prismas, dem Analysator, ermit-

telt. An diesem Analysator befindet sich ein Okular, an das eine Stellschraube mit Gradein-

teilung angeschlossen ist, um den Drehwinkel in Grad (°) bestimmen zu können.

280 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005), S.193f. und Bruice, P.Y. (2007) S.250ff.

281 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005), S.194ff. und Bruice, P.Y. (2007) S.253ff.


203

Stimmen die Vorzugsrichtungen von Polarisator und Analysator überein, so kann das Licht

ungehindert hindurch dringen. Wird der Analysator hingegen senkrecht zum Polarisator ge-

stellt, so kann das Licht nicht hindurch und das Blickfeld erscheint dunkel. Wenn man in die-

ser Stellung von Analysator und Polarisator eine optisch aktive Lösung in den Strahlengang

bringt, so kann man eine Aufhellung am Analysator erkennen. Dies liegt daran, dass die

Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts durch die optisch aktive Lösung um einen

bestimmten Betrag gedreht wurde. Der am Analysator gemessene Drehwinkel entspricht der

beobachteten optischen Drehung α der Probe.

Der Drehwert α hängt neben der Struktur der optisch aktiven Substanz von der Konzentrati-

on, der Länge der Küvette, der Wellenlänge des Lichts und der Temperatur ab. Um bessere

Vergleichswerte zu haben, hat man sich auf einen Standardwert von α, die spezifische Dre-

hung, geeinigt. Die Definition dieser vom Lösungsmittel unabhängigen Größe ist in Abb.13

dargestellt.

Abb.11 Polarimeter mit achiraler Probe

Abb.12 Polarimeter mit chiraler Probe


204

Abb14. Saccharose

[α] = spezifische Drehung λ = Wellenlänge des einfallenden Lichts; für die Natriumdampflampe einfach durch „ D“ gekennzeichnet δ = Temperatur in °C α = beobachtete optische Drehung in ° d = Länge der Küvette (Meßzelle) in dm (meist 1 dm lang) c = Konzentration in g/mL (Lösung oder Dichte in g/mL (reine flüssige Phase) 282

Der Overheadprojektor dient dem im Versuch verwendete Polarimeter als Lichtquelle. Dies

bedeutet, dass es sich nicht um monochromatisches, sondern um polychromatisches Licht

handelt. Dieses Licht besitzt verschiedene Wellenlängen und besteht somit auch aus unter-

schiedlichen Farben. Aus diesem Grund lässt sich im Versuch auch keine komplette Ver-

dunklung beim Messen der Drehwerte der verschiedenen Lösungen erreichen, da die Polari-

sationsfolie als Prisma fungiert und das Licht in seine verschiedenen Farben teilt. Als Ergeb-

nis gilt somit nicht, wie im Idealfall „lässt Licht durch und lässt kein Licht durch“, sondern „es

wird kein Licht durchgelassen und es wird nur blaues Licht durchgelassen“.

Des Weiteren wird nicht mit Nicolschen Prismen gearbeitet, sondern mit einfacheren Polari-

sationsfolien.

Aus diesen Gründen können beim Messen mit diesem provisorischen Polarimeter keine Lite-

raturwerte erreicht werden. In den Tendenzen stimmen die Ergebnisse jedoch mit einem

professionellen Polarimeter überein.

3. Erläuterung des Versuchs

Saccharose ist ein Disaccharid, das sich aus zwei Monosaccharideinheiten zusammensetzt,

α-D-Glucose und β-D-Fructose (Abb. 14).

282 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E.(2005), S.195

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OOH

H

OH

OH

H

OH

OH

Abb.13 Berechnung des spezifischen Drehwertes

[α]λδ=


205

H+

O CH3

H

H

OH

OH

H

OH

OH

O

C+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

+H2O

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

H

H

+O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

OH

+

Saccharose

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OOH

H

OH

OH

H

OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

O OH

H

OH

OH

H

OH

OHH


H+

-

+

Wird eine Saccharose-Lösung mit konzentrierter Säure behandelt, so kommt es zur Hydroly-

se des Disaccharids. Die Saccharose wird in die in ihr enthaltenen Monosaccharide-

Einheiten α-D-Glucose und β-D-Fructose gespalten (Abb.15)

Saccharose hat eine spezifische Drehung von +66,5°. Durch das Behandeln der Saccharao-

selösung mit konzentrierter Salzsäure ändert sich die Drehung kontinuierlich bis zu einem

Drehwert von -20°. Aufgrund der Umkehrung (Inversion) des Vorzeichens der Lösung spricht

man auch von Rohrzuckerinversion. Das Produkt wird als Invertzucker bezeichnet.

Erklären lässt sich dieses Phänomen dadurch, dass bei der Hydrolyse ein äquimolares Ge-

misch aus α-D-Glucose und β-D-Fructose entsteht. Der Drehwert der Fructose beträgt -92°,

während Glucose einen Drehwert von +52,7° besitzt. Aufgrund des äquimolaren Verhältnis-

ses und des höheren Betrages der Drehung bei der Fructose, ist die Gesamtdrehung der

Invertzuckerlösung negativ.

Abb.15 Spaltung von Sacchraose


206







Einordnung des Versuchs

Zur Durchführung dieses Versuchs muss ein Polarimeter an der Schule vorhanden sein. An-

sonsten ist der Aufbau des Versuchs relativ einfach. Die verwendeten Chemikalien (Saccha-

rose und Salzsäure) sollten an der Schule vorhanden sein. Laut „HessGiss“-Datenbank dür-

fen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von Schülern verwendet werden, wes-

halb sich dieser Versuch auch als Schülerversuch eignet. Aufgrund der relativ lange Durch-

führungszeit ist dieser Versuch nur in einer Doppelstunde durchführbar. Durch diesen Ver-

such können die Schüler die Funktionsweise eines Polarimeters und gleichzeitig die Hydro-

lyse-Reaktionen der Kohlenhydrate erlernen. Die Schüler können dabei einen Zusammen-

hang zwischen den Drehwerten der Lösung und der ablaufenden Chemischen Reaktion bzw.

den Produkten und Edukten herstellen.

Literaturangaben:




Bilderverzeichnis:

Abb.6+7: Bruice (2007), S.240

Abb.11 : Bruice (2007), S.251

Abb.12 : Bruice (2007), S.253


207

I. In dem Versuch wird Saccharose mit Salzsäure behandelt.

a) Vervollständige folgende Reaktionsgleichung und benenne die Produkte:

b) Formuliere den Reaktionsmechanismus!

II. Der spezifische Drehwert der Lösung ändert sich durch diese Reaktion von +66,5°

auf -20°.

Erkläre diese Änderung des Drehwertes mit Hilfe der Reaktionsgleichung aus Aufga-

benteil Ia!

(Tipp: Informiere dich über die Drehwerte des Edukts und der Produkte!)

III. Das Produkt der sauren Hydrolyse von Saccharose wird in der Lebensmittelindustrie

genutzt.

a) Wie lautet der Name des Produkts und woher stammt der Name?

b) Finde heraus, wofür dieses Produkt verwendet wird!

H+

Saccharose

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OOH

H

OH

OH

H

OH

OH

+

+

Name: Name:

Arbeitsblatt: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose

Datum:

208

Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose

Zeitaufwand:

Aufbau: 10 Minuten

Durchführung: 24 Stunden


Chemikalien:

Geräte:

- Längliches Glasrohr (oder auch längliches 600 mL Becherglas)

- Glasstab

- Overheadprojektor

- Polarimeter

- Evtl. Stoppuhr


einsatz

Glucose

C6H12O6

90 g - - - SI + SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose

209

Versuchsaufbau:

Durchführung:

I. Kalibrierung des Polarimeters:

1. Zur Kalibrierung des Polarimeters wird die Küvette (das Glasrohr) mit 400 mL Wasser

aufgefüllt.

2. Die Küvette wird dann auf das Polarimeter gestellt und der Projektor angeschaltet.

3. Nun wird der Analysator auf null gestellt.

4. Anschließend dreht man den Polarisator so lange, bis kein Licht mehr durch den Analy-

sator hinaustritt und somit auch der Lichtfleck an der Wand verschwindet.

Lichtquelle:

Overhead-Projektor

Polarimeter

Küvette

Polarisator

& Analysator


Wand

= Weg des Lichts


210

II. Ermittlung des Drehwertes von Glucose

1. In die Küvette (das Glasrohr bzw. das Becherglas) wird 90 g Glucose eingewogen.

2. Diese Glucose wird in 350 mL Wasser gelöst.

3. Das Gemisch wird nun so lange kräftig gerührt, bis sich die gesamte Glucose vollständig

gelöst hat.

4. Nach dem Lösen der Glucose wird die Lösung mit dem Polarimeter untersucht, indem

der Drehwert der Lösung in regelmäßigen Abständen ermittelt wird.

Beobachtung:

Bei der Drehwertbestimmung der Glucose ist eine Änderung des Drehwertes über einen län-

geren Zeitraum zu beobachten. Dabei nimmt der Drehwert der Lösung ab. Die Drehwertän-

derung verläuft anfangs relativ schnell, während nach etwa einer Stunde nur noch eine ge-

ringe Drehwertänderung festzustellen ist. Nach einem Tag ist der Drehwert der Lösung kons-

tant. An diesem Polarimeter war eine Drehwertänderung von -310° auf -337° festzustellen.283

283 Dies sind keine spezifischen Drehwerte, sondern Beschreibungen des Versuchs.



211

Entsorgung:

Die Glucose-Lösung kann in den Ausguss entsorgt werden.

Auswertung:

1. Stereoisomerie und optische Aktivität

s. Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose

2. Funktionsweise eines Polarimeters:

s. Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose


Aldosen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen und Ketosen mit vier oder mehr Kohlenstoff-

atomen enthalten ein oder mehrere chirale Zentren. Aus diesem Grund gehört auch die Glu-

cose zu den optisch aktiven Substanzen, da sie sogar mehr als ein Chiralitätszentrum besitzt

(Abb.4). Aufgrund dieser Chiralität weist die Glucose auch optische Aktivität auf.

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH*

*

*

*

Abb.4 Chiralitätszentren der Glucose


212

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

O

H+

+

O+

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OHH

H+

-

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

(1)

(2)

(1)

O+

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OHH

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

H+

(2)

-D-Glucose

-D-Glucose

-

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

O+

H

C+

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

H

OH

D-Glucose

* *

* *

* = Stereozentrum

Zucker sind Hydroxycarbonylverbindungen, die intramolekular Halbacetale ausbilden kön-

nen. Dies geschieht vor allem dann, wenn dadurch relativ spannungsfreie Fünf- oder Sechs-

ringe gebildet werden.284 Tatsächlich bildet die Glucose solche intramolekularen Halbacetale

aus, indem die Hydroxid-Gruppe am Kohlenstoffatom C5 intramolekular mit der Aldehyd-

Gruppe unter Ausbildung eines sechsgliedrigen Halbacetalrings reagiert (Abb.5)

Anhand der Reaktionsgleichung (Abb.5) kann man erkennen, dass zwei verschiedene Hal-

bacetale gebildet werden, da der Carbonyl-Kohlenstoff zu einem neuen Chiralitätszentrum im

entstehenden Halbacetal wird. Dieses neu gebildete Chiralitätszentrum wird auch als anome-

res Kohlenstoffatom bezeichnet. Dabei bedeutet die griechische Vorsilbe ano- „über“ bzw.

284 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005), S.1263

Abb.5 Ringschluss der Glucose


213

„oberst“, was darauf hinweist, dass es sich um das „oberste“ chiral substituierte Kohlenstoff-

atom handelt.285 Dieses Kohlenstoffatom ist auch das einzige Kohlenstoffatom im Molekül,

das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist. Aus diesem Grund weist das amomere Zentrum

auch eine höhere Reaktivität auf.

Weist in der Haworth-Projektion die Hydroxyl-Gruppe am neu gebildeten Chiralitätszentrum

(dem anomeren Kohlenstoffatom) nach unten, so wird diese Form als α-D-Glucose bezeich-

net. Weist die Hydroxid-Gruppe am anomeren Kohlenstoffatom nach oben, so spricht man

von der β-D-Glucose. α-D-Glucose und β-D-Glucose werden auch als Anomere bezeichnet,

da sie sich nur in der Konformation am anomeren Kohlenstoffatom unterscheiden.

Durch Röntgenstrukturanalysen wurde bewiesen, dass Glucose aus wässrigen Lösungen

ausschließlich als α-D-Glucose auskristallisiert.286 Dies bedeutet, dass Glucose als Feststoff

nicht in einer offenkettigen Form vorliegt, sondern ausschließlich in der Ringform und dies

meist auch nur in der α-Form. Um reine β-D-Glucose zu erhalten, lässt man Glucose aus

Pyridin auskristallisieren.

Wird dieser Feststoff jedoch in Wasser gelöst, so öffnen sich die Halbacetale unter Bildung

des offenkettigen Aldehyds. Bei der Rezyklisierung kann sowohl α-D-Glucose als auch β-D-

Glucose gebildet werden. Schließlich erreichen alle drei Formen der Glucose einen Gleich-

gewichtszustand (Abb.6).

Anomere unterscheiden sich, wie Epimere, in der Konfiguration an nur einem Kohlenstoff-

atom, weshalb sie eine spezielle Klasse von Diastereomeren darstellen. Aus diesem Grund

weisen α-D-Glucose und β-D-Glucose auch unterschiedliche physikalische Eigenschaften

285 Bruice, P.Y. (2007), S.1135


Abb.6 Die drei Formen der Glucose in Lösung

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

-D-Glucose Aldehydform

0,003 %

-D-Glucose

63,6 %

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

36,4 %


214

bezüglich ihrer Drehwerte auf. So hat α-D-Glucose einen spezifischen Drehwert von +112 °,

während β-D-Glucose einen spezifischen Drehwert von +18,7 ° zeigt.287 Wird α-D-Glucose in

Wasser gelöst, so ändert sich der Drehwert der Lösung langsam von +112 ° bis zu +52,7 °.

Diese Drehwertänderung liegt in der oben beschriebenen Einstellung eines Gleichgewichtes

begründet. So addieren sich die Drehwerte der drei Formen in Lösung, wodurch der neu

entstandene Drehwert zu erklären ist:

0,36 x +12 ° = +40,32 °

0,64 x +18,7 ° = +11,968 °

Gesamt: +52,288°

Der geringe Unterschied zum Literaturwert entsteht durch die offenkettige Aldehydform, die

auch noch einen Anteil am Drehwert hat, der aber aufgrund der geringen Konzentration im

Gleichgewicht sehr gering ist. Somit beträgt der spezifische Drehwinkel der Gleichgewichts-

mischung +52,7 °.

Wird reine β-D-Glucose in Wasser gelöst, so steigt der Drehwert langsam von +18,7 ° eben-

falls auf einen Drehwert von +52,7 ° an. Die beschriebenen Molekularen Abläufe sind dafür

verantwortlich, dass sich immer derselbe Drehwert einstellt, egal ob Kristalle von α- oder β-

Glucose gelöst werden. Die langsame Änderung der optischen Reaktion bis zu einem Errei-

chen eines Gleichgewichtszustandes wird auch als Mutarotation bezeichnet (mutare, latein.:

verändern, verwandeln). Die Umwandlung von Zuckern in ihre α- bzw. β- Anomere ist eine

Eigenschaft, die alle Zucker aufweisen, die als cyclische Halbacetale vorliegen.






optische Aktivität der Kohlenhydrate eingegangen werden.


Zur Durchführung dieses Versuchs muss ein Polarimeter an der Schule vorhanden sein. An-

sonsten ist der Aufbau des Versuchs relativ einfach. Auch Glucose sollte an jeder Schule

vorhanden sein. Es werden keine anderen Chemikalien als Glucose eingesetzt, weshalb

287 Bruice, P.Y. (2007), S. 1135


215

dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann. Die Dauer des Versuchs

ist jedoch sehr lange, weshalb die Durchführung wahrscheinlich nicht einmal in einer Dop-

pelstunde möglich ist.

Die Mutarotation ist eine Eigenschaft von vielen Kohlenhydraten, die beim Thema Kohlen-

hydrate, auch laut Lehrplan, besprochen werden sollte. Dabei sind das Verständnis von opti-

scher Aktivität und die Messung mittels Polarimeter wichtige Lerneffekte dieses Versuchs,

die auch für weitere Themenbereiche der Chemie wichtig sind (z.B. Aminosäuren). Durch die

Verwendung eines Polarimeters, bei dem Polarisator und Analysator mit der Hand gedreht

werden, können die Schüler die Funktionsweise eines Polarimeters besser verstehen als bei

der Verwendung eines maschinellen Polarimeters, bei dem nur die Werte angezeigt werden.

Der Nachteil ist, dass mit dem in diesem Versuch verwendeten Polarimeter keine Literatur-

werte erzielt werden können.

Literaturangaben:







216

I. In kristalliner Form liegt die Glucose meist als α-D-Glucopyranose vor. In Lösung liegt

die Glucose jedoch im Gleichgewicht mit der β-Form.

a) Vervollständige folgende Gleichung:

b) Formuliere auch einen Reaktionsmechanismus für die Reaktion!

II. Der spezifische Drehwert einer Glucoselösung, die sich im Gleichgewicht befindet,

beträgt 52,7°.

Berechne die spezifischen Drehwerte von α-D-Glucopyranose und β-D-

Glucopyranose!

(Tipp: Sieh dir die Prozentzahlen aus Aufgabe I.a an. Der Drehwert der Aldehydform kann

vernachlässigt werden.)

III. Welchen Effekt hätte eine Zugabe von Säure oder Base zu Beginn des Versuchs?

(Tipp: Sieh dir den Reaktionsmechanismus aus Aufgabe I.b nochmals genau an.

Recherchiere auch in Büchern oder im Internet)

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

-D-Glucopyranose Aldehydform

0,003 %

-D-Glucopyranose

63,6 %36,4 %

Arbeitsblatt: Mutarotation von Glucose

Datum:

217

5. Energiespeicher, Gerüstsubstanz, Energiestoffwechsel

Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker

Zeitaufwand:

Aufbau: 10 Minuten



Chemikalien:

Herstellung der Ca(OH)2-Lösung:

Zur Herstellung der Calciumhydroxid-Lösung wird eine heiß gesättigte Calciumhydroxid-

Lösung hergestellt, die mit einem Faltenfilter filtriert wird.

Materialien:

- PE-Flaschen 250 mL (2x)

- Gummistopfen (2x)

- Löffel

- Heizplatte mit Wasserbad

- Pulvertrichter

- Meßzylinder


einsatz

Hefe 2 Päckchen - - - SI +S II

„Haushaltszucker“

Saccharose

C12H22O11

1 Löffel - - - SI +S II

Calciumhydroxid

Ca(OH)2 ca. 2 g 41 22-24-26-39

SI +S II

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker

218

Mit

Zucker

Versuchsdurchführung 1:

- Luftballons (2x)

- Rückschlagventil (2x)


- Gärröhrchen (2x)

Versuchsaufbau:

1.

Mit Ohne Mit Ohne

mL

mL

Substanz

Ohne

Zucker Zucker

on on

Oder:

on on

Und:

Luftballons

Wasser

Wasser

Gärröhrchen mit Ca(OH)2-Lösung

Hefe


2.

Mit

Zucker


219

Durchführung:

1. In zwei PE-Flaschen wird jeweils ein Päckchen Hefe gegeben.

2. Einer der beiden Flaschen wird zusätzlich ein Löffel Zucker hinzugefügt.

3. Anschließend werden in beide Flaschen 60 mL Wasser gefüllt und kräftig geschüttelt.

4. a) Versuchsdurchführung 1:

Die Flasche wird mit dem Gummistopfen luftdicht verschlossen, in dem ein an ein

Rückschlagventil befestigtes Stück Schlauch hängt. An der andern Seite des Ven-

tils befindet sich ein Luftballon.

4. b) Versuchsdurchführung 2:

Die Gärröhrchen werden mit Calciumhydroxid-Lösung befüllt. Anschließend wer-

den die mit einem Gummistopfen versehenen Gärröhrchen auf die Flaschen

gesteckt, so dass diese luftdicht verschlossen sind.

5. Beide Flaschen werden nun in ein warmes Wasserbad gestellt.

Beobachtung:

Nach wenigen Minuten im warmen Wasserbad ist ein Aufschäumen der Lösung in der mit

Zucker versehenen Flasche zu erkennen.


Zu Beginn sieht es so aus, als würden sich beide Luftballons aufblähen. Nach einiger Zeit

dehnt sich der Luftballon auf der Flasche, in der sich kein Zucker befindet, jedoch nicht mehr

aus. Der Ballon auf der Flasche, in die Zucker gegeben wurde, bläht sich nach wenigen Mi-

nuten prall auf.



220


Zu Beginn des Versuchs ist an beiden Gärröhrchen eine Gasentwicklung zu beobachten.

Nach wenigen Minuten lässt jedoch die Gasentwicklung an der Flasche, in der sich kein Zu-

cker befindet, etwas nach. Die Lösung in dem Gärröhrchen verändert sich nicht. In dem Gär-

röhrchen, das auf der mit Zucker gefüllten Flasche steckt, nimmt die Gasentwicklung stetig

zu, bis ein gleichmäßiger Gasstrom zu erkennen ist. In der Lösung dieses Gärröhrchens ist

eine Trübung zu erkennen, es fällt ein weißer Niederschlag aus.

Entsorgung:

Die Flaschen können in den Ausguss entleert werden



221

Hefe

Auswertung:

1. Hefe

Als Hefen werden einzellige Pilze bezeichnet, die in Lebensräumen gedeihen, in denen Zu-

cker verfügbar ist. So findet man Hefen z.B. auf Früchten, Blüten und Baumrinden. Die meis-

ten Hefen sind fakultativ aerob. Dies bedeutet, dass sie sowohl zu aeroben Stoffwechsel

durch Atmen, als auch zu fermentativen Stoffwechsel, befähigt sind. Die Fähigkeit des fer-

mentativen Stoffwechsels wird schon seit frühgeschichtlicher Zeit zur alkoholischen Gärung

benutzt. Die kommerziell wichtigsten Hefen sind die Back- und Brauhefen, die zumeist An-

gehörige der Gattung Saccharomyces (Zuckerpilz) sind. Diese industriell angewandten He-

fen sind vermutlich ziemlich verschieden von den Wildtypstämmen von Früchten und daraus

zubereiteten Säften. Diese Wildtypstämme wurden über viele Jahre durch sorgfältige Selek-

tion und (in der heutigen Zeit) durch genetische Veränderungen in Hinblick auf die erwünsch-

te Leistung verbessert.288

Hefezellen für die Back- und Nahrungsmittelindustrie werden kommerziell in so genannten

Fermentern gezüchtet. Dies sind große belüftete Tanks, die mit Melasse gefüllt sind. Diese

Melasse besteht aus Zucker, Mineralien, Vitaminen und Aminosäuren, welche die Hefen be-

nötigen. Durch Zentrifugation werden dann die Hefezellen gewonnen und entweder zu komp-

rimierten Hefewürfeln oder zur Trockenhefe weiterverarbeitet. Die Hefewürfel haben einen

Wasseranteil von etwa 70 %, weshalb sie im Kühlschrank gelagert werden müssen. Durch

das Mischen mit Zusatzstoffen und dem Trocknen im Vakuum auf einen Feuchtigkeitsgehalt

von etwa 8 % wird die Trockenhefe hergestellt. Diese wird in luftdichten Behältern verpackt

und ist somit auch ohne Kühlung längere Zeit haltbar.289

2. Stoffwechsel der Hefe

Bei der Herstellung von Brot und alkoholischen Getränken macht man sich meistens die He-

fe Saccharomyces cervisiae zunutze, um CO2 oder Alkohol zu gewinnen. Wie bereits be-

schrieben, ist diese Art von Hefen dazu in der Lage zwei verschiedene Metabolismen durch-

zuführen, die Fermentation und die Atmung. So wachsen Hefen bei der Anwesenheit von

Zuckern, wobei weitere Hefezellen und CO2 (aus dem Citronensäurezyklus) entstehen:290

(1) C12H22O11 x CO2 + y H2O (+weitere Hefezellen)

288 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.532




222

Hefe

Ethanol

Unter anaeroben Bedingungen (sauerstofffrei) geht die Hefe dann zum fermentativen Meta-

bolismus über, wobei Alkohol und Kohlenstoffdioxid entstehen:

(2) C12H22O11 x C2H5OH + y CO2

Bei diesem fermentativen Metabolismus, in dem Alkohol entsteht, spricht man auch von der

alkoholischen Gärung. Auf diese Weise wird auch Wein oder Bier gewonnen:

Bei der Weintraubenlese gelangen kleine Mengen von Hefezellen, die sich auf den Trauben

befinden, in den Most. Während der ersten Tage wachsen die Hefezellen und durch ihre

Atmung verbrauchen sie den Sauerstoff. Sobald der Sauerstoff verbraucht ist, setzt die Fer-

mentation ein und es wird Alkohol gebildet. Dieser Übergang vom aeroben zum anaeroben

Metabolismus ist sehr wichtig und es muss dafür gesorgt werden, dass keine Luft mehr an

den Fermenter (das Innere des Weinfasses) gelangt, damit auch weiterhin Alkohol gebildet

wird.291

In manchen Teilen der Welt, in denen es viel Zucker, jedoch wenig Öl gibt (z.B. Brasilien),

wird der Alkohol für Benzin aus Zucker und Hefe gewonnen.

Des Weiteren wird die Hefe als Treibmittel genutzt. Hierbei ist jedoch nicht die Produktion

von Alkohol entscheidend, da dieser sich beim Backen verflüchtigt. Der entscheidende Stoff

beim Backen ist das Gas CO2, das dem Teig Volumen verleiht.

3. Auswertung des Versuchs

Zu Beginn des Versuchs scheint sich in beiden Flaschen ein Gas zu entwickeln, da eine

leichte Gasentwicklung an den Gärröhrchen zu erkennen ist bzw. beide Luftballons sich et-

was aufblasen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich durch das warme Wasserbad

auch die vorhandene Luft in der Flasche erwärmt. Durch diese Erwärmung dehnt sich die

Luft aus und es kommt zu dem beschriebenen Effekt.

Im Laufe des Versuchs entsteht dann in der Flasche, in die ein Löffel Zucker gegeben wurde,

ein Gas, das den Luftballon aufbläht, bzw. am Gärröhrchen als Luftblasen zu erkennen ist.

Dies ist durch die Reaktion der Hefe mit dem Zucker zu erklären (vgl. Reaktionsgleichung

(1) und (2)). So wird zunächst mit dem vorhandenen Sauerstoff ein aerober Stoffwechsel

stattfinden (1), bis dieser verbraucht ist und der Metabolismus zum anaeroben Stoffwechsel

übergeht (2). Bei beiden Reaktionsgleichungen entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid, das für

das Aufblähen des Luftballons verantwortlich ist.



223

Der weiße Niederschlag, der in dem Gärröhrchen entstanden ist, kann anhand des Kalk-

kreislaufes292 erläutert werden (Abb.4).

Wie man sieht, reagiert das durch die Hefepilze produzierte Kohlenstoffdioxid mit dem Cal-

ciumhydroxid zu Calciumcarbonat:

Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) CaCO3

Calciumcarbonat ist mit 14 mg/L bei 20 °C 293 ein in Wasser kaum lösliches Salz, das nach

der Bildung im Gärröhrchen für den weißen Niederschlag verantwortlich ist. So dienen Cal-

ciumhydroxidlösungen dem Nachweis des Gases Kohlenstoffdioxid.

In der Flasche, der kein Zucker zugegeben wurde, fällt der Kohlenstoffdioxidnachweis im

Gärröhrchen negativ aus bzw. der Luftballon bläht sich nicht auf. Dies liegt daran, dass den

Hefepilzen in dieser Flasche das Nahrungsmittel (der Zucker) fehlt. Aufgrund dieser „Diät“

kann die Hefe auch nichts verstoffwechseln und produziert somit auch kein Kohlenstoffdio-

xid.

292 Elborn W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.222

293 RÖMPP Online, Stichwort „Calciumcarbonat“ (letzter Zugriff: 08.04.2010)

Abb.4 Der Kalkkreislauf


224



Dieser Versuch kann zu verschiedenen Themen des Lehrplans seine Anwendung finden. So

kann dieser Versuch bereits in der Sekundarstufe I beim Thema „Ethanole und Alkohole“ in

der Einführungsphase E2 „Einführung in die Kohlenstoffchemie“ durchgeführt werden. Des

Weiteren passt dieser Versuch auch in die Qualifikationsphase Q1 „Kohlenstoffchemie I:

Kohlenstoffverbindungen und ihre funktionellen Gruppen“. In diesem Themenbereich werden

unter anderem die Alkanole behandelt. Eine dritte Möglichkeit zur Durchführung des Ver-

suchs ergibt sich in der Qualifikationsphase Q 2 „Kohlenstoffchemie II: Technisch und biolo-

gisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“. Hierbei ist das Thema Kohlenhydrate genannt, zu

welchem dieser Versuch wichtige Prinzipien veranschaulicht.


Die Verwendung von Hefe und „Haushaltszucker“ macht den Versuch für die Schüler inter-

essant, da beide Produkte aus dem Alltag bekannt sind. Die verwendeten „Chemikalien“

dürften die meisten Schüler zu Hause haben oder sie sind zumindest leicht zu beschaffen.

Auch den Aufbau kann man leicht improvisieren.294 Aus diesem Grund eignet sich dieser

Versuch auch sehr gut als chemische Hausaufgabe.

In diesem Versuch wird ein Alkohol (Ethanol) dargestellt, wodurch der Versuch auch zum

Einstieg in dieses Thema geeignet ist. Des Weiteren könnte man auch den Abbau der Koh-

lenhydrate durch Hefe besprechen. Dies ermöglicht auch einen fächerübergreifenden Unter-

richt, da das Thema Hefe/Stoffwechsel auch in der Biologie thematisiert wird.

Anhand dieses Versuches kann auch der unter Umständen in der Mittelstufe behandelte

Kalkkreislauf nochmals thematisiert und wiederholt werden.

Literaturangaben:

Elborn W. & Jäckel, M. & Risch, K.T. (Hrsg.). (1998). Chemie Heute: Sekundarbereich II (1. Auflage). Hannover: Schroedel Verlag GmbH.

Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009). Brock Mikrobiologie (11. Auflage). München: Pear-son Education Deutschland GmbH.


294 Der Versuch kann auch mit einer kleinen Flasche auf den ein Luftballon gestülpt wird durchgeführt werden.


225







226

1. Chemischer Name für Traubenzucker

2. Name des chemischen Vorgangs im Versuch (Stoffwechsel ohne Sauerstoff)

3. Bezeichnung für Stoffwechselprozesse ohne Sauerstoff

4. „Atemabgas“ der Hefezellen (Stoffwechsel mit Sauerstoff)

5. Produkt der Reaktion von Hefe mit Zucker unter Sauerstoffausschluss

6. Bezeichnung für Stoffwechselvorgänge mit Sauerstoff

7. Trivialname für Saccharomyces

8. Gas, Stoffwechselprozessen von Hefen aufgenommen wird

9. Molekül, das aus zwei Zuckerbausteinen aufgebaut ist

10. Zu dieser Art zählen auch die Hefen

Arbeitsblatt: Hefe und Zucker

Datum:

228

6. Bedeutung und Verwendung

Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme

Zeitaufwand:




Chemikalien:

Materialien:

- Heizplatte

- Magnetrührer (oder Rührstab)

- Petrischale

- Becherglas


einsatz

Citronensäure

C6H8O7

4 g 36 26

SI+SII

Saccharose

C12H22O11

70 g - - - SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme

229

Versuchsaufbau:

Durchführung:

1. In einem Becherglas werden 70 g Saccharose in 100 mL Wasser gelöst.

2. Zu dieser Lösung werden nun 40 mL einer 10%igen Zitronensäure-Lösung gegeben.

3. Die Lösung wird anschließend bei 80-90 °C so lange erhitzt, bis die Lösung gelb und

leicht zähflüssig wird (wie Honig aus dem Supermarkt).

4. Nun kann der „Kunsthonig“ auf die Petrischale gegossen werden.

Wird der Versuch nicht im Labor durchgeführt, kann der „Honig“ auch verzehrt werden.295

295 S. hierzu: Arbeitsblatt: Chemische Hausaufgabe: Kunsthonig

Citronensäure

Saccharose-Lösung

2. Erwärmen

1. Zugabe von Citronensäure


40

120

150 mL 80

3. Umfüllen in Petrischale


230

Beobachtung:

Die Lösung färbt sich durch das Erwärmen zunehmend gelblich. Des Weiteren nimmt auch

die Viskosität der Lösung zu, bis am Ende des Versuchs der viskose, gelbe „Kunsthonig“

entstanden ist.

Entsorgung:

Der entstandene „Honig“ kann in den Ausguss oder in den Hausmüll entsorgt werden.



231

H+

O CH3

H

H

OH

OH

H

OH

OH

O

C+

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

+H2O

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

H

H

+O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

H

H

OH

OH

H

OH OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

OH

+

Saccharose

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OOH

H

OH

OH

H

OH

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O+

O OH

H

OH

OH

H

OH

OHH


H+

-

+

Auswertung:

1. Chemische Vorgänge des Versuchs

In diesem Versuch wird durch die Zugabe von Citronensäure zur Saccharose-Lösung die

Saccharose hydrolytisch gespalten. Durch diese Hydrolyse wird ein Saccharose-Molekül in

ein Molekül Glucose und ein Molekül Fructose gespalten (Abb.3). Das dabei entstehende

äquimolare Gemisch von Glucose und Fructose wird auch als Invertzucker bezeichnet, da

bei der Spaltung der Saccharose eine Inversion des optischen Drehwerts der Lösung statt-

findet.296

296 Vgl. hierzu Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose

Abb.3 Reaktionsmechanismus der säurekatalytischen Saccharosespaltung


232

2. Honig297

2.1 Herstellung und Zusammensetzung

Honig ist ein stark süßschmeckendes Substanzgemisch, das von Honigbienen erzeugt wird.

Dabei verarbeiten diese Bienen Nektar von Blüten (Blüten oder Nektarhonig), Assimilations-

absonderungen von Blättern (Blatthonig) oder Blattausscheidungen (Honigtauhonig). Die

Honigbereitung beginnt dabei beim Sammeln von Blütenpollen, Nektar und Honigtau in der

Sammelblase der Sammelbiene und wird dann von der Arbeitsbiene im Bienenstock fortge-

setzt. Dabei umfasst die Honigproduktion folgende Stufen:

1. Eindicken des Nektars und Zunahme des Invertzuckers. Dies geschieht durch Säuren

des Ausgangsmaterials und des Bienenkörpers sowie durch Enzyme der Biene. Des

Weiteren findet eine Isomerisierung von Glucose zu Fructose im Bienenmagen statt.

2. Aufnahme von Eiweißstoffen aus Pflanzen und der Biene sowie von Säuren aus dem

Bienenkörper.

3. Aufnahme von Mineralstoffen, Vitaminen und Aromastoffen aus dem Futter

4. Aufnahme von Enzymen aus der Speicheldrüse und der Honigblase der Bienen.

5. Wenn der Wassergehalt der Honigmasse auf etwa 16-19 % gesunken ist, wird die

Zelle mit einem Wachsdeckel verschlossen.

6. In der Zelle findet eine weitere Reifung des Honigs statt. Vor allem die Inversion des

Zuckers.

Das Eindicken des Nektars und die Zunahme des Invertzuckers (Punkt 1) finden statt, indem

zunächst die Sammelbiene den Inhalt der Honigblase herauswürgt. Dieser Inhalt wird von

den Stockbienen gefressen und erneut in die Wabe erbrochen. Dieses Fressen und erbre-

chen wiederholt sich mehrmals, wobei der Wassergehalt verringert wird und das Speichelen-

zym Invertase die Saccharose in Fructose und Glucose spaltet.

Honig stellt im Wesentlichen eine konzentrierte wässrige Lösung von Invertzucker dar,

enthält aber daneben eine sehr komplexe Mischung verschiedener Kohlenhydrate und au-

ßerdem Aminosäuren, organische Säuren, Mineralstoffe, Aromastoffe, Pigmente, Wachse,

Pollenkörner und weitere Inhaltsstoffe (s. Abb.6).

Der Wassergehalt von Honig sollte dabei unter 20% gehalten werden, da sonst eine Gärung

durch osmophile Hefen möglich ist. Ab einem Wassergehalt von < 17,1 % ist eine solche

Gefahr nicht mehr gegeben.

297 Belitz, H.-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008) S.912ff.

und Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.505ff.


233

2.2 Hintergrundwissen: Honig

Die Verwendung von Honig geht in prähistorische Zeiten zurück. So spielte im Altertum so-

wohl der Bienenwachs als auch der Bienenhonig bei vielen Kulturvölkern eine wichtige Rolle.

Honig wurde Verstorbenen als Grabbeilage (Seelenspeise) gegeben und auch im Alten Tes-

tament wird ein wohlhabendes Land erwähnt, „in dem Milch und Honig fließt“. Honig war ein

geschätztes Süßungsmittel, wurde aber auch als Heilmittel verwendet, das bereits von Aris-

toteles empfohlen wurde. Im Mittelalter galt Honig als hervorragendes Stärkungsmittel und

bis zur Entdeckung des Rohrzuckers war Honig das einzige Süßungsmittel der Welt.

Neben seiner Verwendung als Speisehonig wird Honig auch zum Backen (Honigkuchen etc.)

und zur Herstellung von alkoholischen Getränken (Honiglikör, Bärenfang, Met) verwendet.

Des Weiteren wird Honig zur Aromatisierung von Tabakwaren verwendet sowie in der Medi-

zin in reiner Form oder in Zubereitung verordnet (Honigmilch, Fenchelhonig).

Deutsche sind mit einem pro Kopf-Verbrauch von etwa 1,4 kg Honig, das Land mit dem

höchsten Honigverzehr. Dabei werden etwa 80 % des benötigten Honigs importiert.

Eine Biene besucht bis zu 1000 Blüten um die Honigblase mit etwa 70 mg Nektar zu füllen.

Zur Produktion von 1 kg Honig ist das Sammeln von 3 kg Nektar nötig, was in etwa 40.000

Sammelflüge mit einem Besuch von mehreren Millionen Blüten notwendig macht.

Abb.4 Zusammensetzung von Honig


234

3. Invertzucker-Creme (Kunsthonig)298

„Unter Invertzuckercreme versteht man aus mehr oder weniger stark invertierter Saccharose

(Rüben- oder Rohrzucker) mit oder ohne Verwendung von Stärkezucker oder Stärkesirup

hergestellte, aromatisierte, in Aussehen, Geruch und Geschmack dem Honig ähnliche Er-

zeugnisse, die von ihrer Herstellung her organische Nichtzuckerstoffe, Mineralstoffe und

Saccharose sowie stets Hydroxymethylfurfural enthalten.“299

Die Invertzucker-Creme wird meist säurehydrolytisch (durch Salz-, Schwefel-, Phosphor-,

Kohlen-, Ameisen-, Milch-, Wein-, und Citronensäure) oder seltener auch enzymatisch durch

Invertase aus einer 75%igen Saccharose-Lösung gewonnen.300 Nach Ablauf der Reaktion

wird der Säurezusatz durch Zugabe von Natriumcarbonat oder -hydrogencarbonat, Ätzkalk

u.a. neutralisiert. Der entstandene Invertzuckersirup wird nun noch aromatisiert. Dies ge-

schieht auch teilweise mit stark schmeckenden Honigen, ansonsten durch den Zusatz von

Farb- und Aromastoffen.

Verwendet wird Invertzucker-Creme als Brotaufstrich sowie in der Herstellung von Backwa-

ren und Süßigkeiten, wie beispielsweise Lebkuchen, Printen und Bonbons.

Der frühere Name „Kunsthonig“ ist heute nicht mehr zulässig.





ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auf die Reak-

tionen der Kohlenhydrate und die Bedeutung und Verwendung von Kohlenhydraten einge-

gangen werden.





kann. Des Weiteren ist dieser Versuch auch als chemische Hausaufgabe denkbar, da alle

verwendeten Chemikalien im Supermarkt zu erwerben sind. So kann dieser Versuch von den

298 Nach: RÖMPP Online, Stichwort „Invertzuckercreme“ (letzter Zugriff 25.04.2010)

und Belitz, H-D. & Grosch W. & Schieberle P. (2008) S.919 299

Belitz, H-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008) S.919 300

Reaktion: siehe 1. Chemische Vorgänge des Versuchs


235

Schülern zu Hause durchgeführt werden. Das Produkt, der Invertzucker, kann dann auch

von den Schülern verzehrt werden.301


Durch diesen Versuch kann den Schülern die Spaltung von Saccharose am Beispiel eines

Naturproduktes, dem Honig, gezeigt werden. Die synthetische Nachbildung des Honigs aus

Saccharose ist dabei ein Versuch, der aus der Lebenswirklichkeit stammt. So können Schü-

ler zu Hause bestimmt ein Lebensmittel mit dem Inhaltsstoff Invertzucker-Creme (oder Glu-

cose/Fructose-Sirup) finden. Das Ergebnis des Versuchs ist am schönsten, wenn der Ver-

such nicht im Labor, sondern mit lebensmittelgeeigneten Materialien durchgeführt wird. In

diesem Falle kann der Honig verzehrt werden, was den Versuch für die Schüler interessanter

macht.

Literaturangaben:

Belitz, H.-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008). Lehrbuch der Lebensmittelchemie (6.Auflage). Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.

Schwedt, G. (2003). Experimente mit Supermarktprodukten- eine chemische Warenkunde (2.Auflage). Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.

Sticher, O. & Hänsel, R.(2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Heidel-berg: Springerverlag





Abb.4: Belitz, H.-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008) S.914


301 S. Arbeitsblatt


236

Herstellung von „Kunsthonig“

Benötigte Chemikalien:

- Zitronensäure

(Zitronensäure bekommst du in im Supermarkt oder in der Apotheke!)

- Saccharose ( der „gewöhnliche“ Haushaltszucker)

Benötigte Materialien:

- Kochtopf

- Teelöffel

- Löffel

- Herd

- Küchenwaage

- Messbecher

Durchführung:

1. Löse in einem Kochtopf 250 g Zucker in 100 ml Wasser.

2. Gebe etwa einen halben Löffel Zitronensäure in die Zuckerlösung.

3. Erwärme die Lösung auf der Herdplatte. Rühre die Lösung dabei mit einem Kochlöffel

um.

4. Wenn die Lösung gelb und zähflüssig geworden ist (wie der Honig im Supermarkt),

kannst du den Topf von der Herdplatte nehmen.

5. Nach dem Abkühlen kann der Honig gegessen werden.

Guten Appetit!

Chemische Hausaufgabe: Herstellung von „Kunsthonig“

237

Versuchsprotokoll:

Alginate - Restrukturierte Paprikastreifen

Zeitaufwand:

Aufbau: 10 Minuten



Chemikalien:

Materialien:

- Paprika - Magnetstab zur Entfernung des Rührfisches

- Mörser mit Pistill - Zerstäuber

- Messer - Petrischale oder Kristallisierschale

- Magnetrührer mit Heizplatte - Bechergläser

- Haushaltssieb

- Haushaltsmixer

- Polyethylen-Tropfflaschen

- Waage

- Rührfisch

- Bechergläser


einsatz

Guarkernmehl 0,95 g - - - SI+SII

Natriumalginat 1,9 g - - - SI+SII

Calciumchlorid-

Lösung (w=0,1)

[CaCl2*2H2O]

150 mL 36 22-24

SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen

238

Versuchsaufbau:

Durchführung:302

I. Herstellung des Paprika-Konzentrats:

1. Zur Herstellung des Paprikakonzentrats wird zunächst eine Paprika mit dem Messer in

kleine Stücke geschnitten und anschließend in einem Becherglas weich gekocht.

2. Die weichen Paprikastücke werden nun im Haushaltsmixer zu einem Brei zerkleinert.

3. Soll diese Masse mehrere Tage haltbar sein, so muss sie im Kühlschrank gelagert wer-

den. Falls die Konsistenz dieser Masse zu zähflüssig ist, so kann noch etwas Wasser

hinzugefügt werden.

II. Herstellung des Hydrokolloid-Sols:

1. Zur Herstellung des Hydrokolloid-Sols werden in einem Becherglas (250 mL, niedrige

Form) 100 mL entionionisiertes Wasser unter Verwendung eines Magnetrührers und ei-

nes Rührfisches auf eine Temperatur von 70 °C erwärmt.

302 Gerstner, E. & Marburger, A. (2000) S.28

1. Mischen der bei-

den Komponenten

2. Überführen in

die Petrischale

3.Mit CaCl2-Lösung

besprühen

4. Mit CaCl2-Lösung

übergießen

Paprika-Konzentrat Hydrokolloid-Sol CaCl2-Lösung



239

2. In der Zwischenzeit werden in einem Mörser 1,9 g Natriumalginat und 0,95 g Guarkern-

mehl eingewogen und mit dem Pistill gründlich verrieben.

3. Wenn die gewünschte Temperatur des Wassers erreicht ist, wird die Heizung des Mag-

netrührers abgestellt und das Hydrokolloidgemisch langsam unter Zuhilfenahme des

Haushaltssiebs portionsweise in das erwärmte entionisierte Wasser gegeben. Während

dieses Vorgangs sollte mit dem Rührfisch ein starker Vortex erzeugt werden, damit sich

das Gemisch auch vollständig löst. Das Gemisch muss so lange gerührt werden, bis sich

die Feststoffe vollständig gelöst haben, was auch durch kräftiges Rühren des Sols mit ei-

nem Glasstab beschleunigt werden kann.

III. Herstellung restrukturierter Paprikastreifen:

1. Zur Herstellung der restrukturierten Paprikastreifen wiegt man 80 g des Hydrokolloid-Sols

und 20 g des Paprika-Konzentrats in ein Becherglas ein.

2. Das Gemisch wird nun mit einem Glasstab kräftig gerührt und anschließend in eine Petri-

schale überführt.

3. Die Parikamasse wird jetzt mit einem Zerstäuber, in dem sich eine 1 molar Calcium-

chlorid-Lösung befindet, eingesprüht (etwa 5 Sprühstöße) und dann 10 Minuten stehen

gelassen.

4. Nach diesen 10 Minuten wird das Paprika-Alginat-Calcium-Gel mit 150 mL einer 10 pro-

zentigen Calciumchlorid-Lösung übergossen. In dieser Lösung bleibt die Masse für eine

halbe Stunde.

5. Die entstandene feste Masse kann nun mit einem Messer in Streifen geschnitten werden.

Beobachtung:

Kurz nach dem Besprühen Am Ende der Reaktion


240

Durch die Zugabe des Hydrokolloidgemisches zum erwärmten Wasser steigt die Viskosität

der Flüssigkeit. Wenn das gesamte Gemisch hinzugegeben wurde, ist eine zähflüssige Mas-

se entstanden.

Nachdem das Paprika/Hydrokolloid-Gemisch mit Calciumchlorid-Lösung besprüht wurde,

zieht sich die Masse zusammen. Diese Kontraktion wird nach der Zugabe der Calcium-

chlorid-Lösung stärker.

Am Ende der Reaktion ist eine schnittfeste Masse entstanden, aus der „Paprikastreifen“ ge-

schnitten werden können.

Entsorgung:

Die Lösungen können in den Ausguss und die restrukturierten Paprikastreifen in den Haus-

müll entsorgt werden.

Abb. 2,3+4 Versuchsbeobachtung


241

O

OH

OH

OH

OH

COOHO

OHCOOH

OH

OH

OHO

OHOHOH

OHHOOCO

OHOHOH

OH

HOOC

-L-Guluronsäure -D-Mannuronsäure

O

1OH

COOH

O

OH

O

O

4OH

COOHOH

OH

H

n

O

1

OH

OOHO

HOOC

4

OH

OHOH

HOOC

H

O

n

1,4-verknüpfte -Mannuronsäure

M

MM M

Auswertung:

1. Alginsäuren und Alginate303

Alginsäure ist ein Gemisch von linearen Polyuronsäuren, das aus wechselnden Anteilen von

β-D Mannuronsäure und (1,4)-α-L-Guluronsäure besteht (Abb.5), wobei der Polimerisations-

grad zwischen 1000 und 3000 liegt.

Diese beiden Bausteine liegen in der Alginsäure teilweise als Blockpolymere mit nur einem

Uronsäuretyp vor. In diesem Falle spricht man bei der Mannuronsäure von MM-Blöcken, die

aus β-D-(1,4)-verknüpften Mannuronsäure-Monomeren bestehen (Abb.6). Bei der Guluron-

säure spricht man von GG-Blöcken, in denen die α-L-Guluronsäuremonomere (1,4)-

verknüpft sind (Abb.7). Teilweise liegen die Uronsäuretypen auch in einer alternierenden

Sequenzpolymer (MG-Block) vor, wobei beide Uronsäuretypen zu etwa gleichen Anteilen

statistisch verteilt sind (Abb.8).

303 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.632ff. und Marburger, A. (2003) S.7ff.

Abb.6 MM-Block in Haworth- und Sesselschreibweise

Abb.5 Polyuronsäuren in Sessel- und Haworth- Schreibweise


242

O

1OH

COOH

O

OH

O

O

4OH

COOHOH

OH

H

n

O

1OH

O4

OHO

HOOC

OH

OH

HOOC OHH

O

n

1,4-verknüpfte -L-Guluronsäure

G

G G G

O

1OH

O

OH

O

COOH

O

4OH

COOHOH

H

OH

n

O

1

OH

OOHO

HOOCH

4HOOC

OH

OH

OH

O

n

M

G M G

alternierende Sequenz

Die Primärstruktur der Alginsäuren besteht somit aus periodischen Sequenzen (MM-und GG-

Blöcke), die von aperiodischen Sequenzen (MG-Blöcke) unterbrochen werden. Das Verhält-

nis von Polymannuronsäure, Polyguluronsäure und dem alternierenden Segment kann dabei

je nach Algenart variieren.

Guluronsäure ist mit einem pKa-Wert von 3,65, die etwas stärkere Säure als Mannuronsäure

mit einem pKa-Wert von 3,38. Aufgrund ihrer pKa-Werte liegen in Lösung die Carboxyl-

Gruppen der Alginsäure größtenteils als Carboxylat-Anion vor.

Abb.7 GG-Block in Haworth- und Sesselschreibweise

Abb.8 MG-Block in Haworth-und Sesselschreibweise


243

In den Zellwänden kommen die Uronsäuren in dicht gepackten Strängen vor, wobei die

Carboxylat-Gruppen der Säuren über zweiwertige Kationen (Mg2+, Ca2+) miteinander ver-

knüpft sind. In dieser Verknüpfung der verschiedenen Polyuronsäuren in den Zellwänden der

Algen liegt unter anderem die deren Festigkeit und Flexibilität begründet, die den extremen

mechanischen Belastungen durch Meeresströmungen und Wellenbewegungen standhalten.

2. Gelbildung von Natriumalginat304

Alginsäure ist in Laugen löslich. In siedendem Wasser hingegen ist Alginsäure kaum, in or-

ganischen Lösungsmitteln und kaltem Wasser praktisch unlöslich. Alginsäure kann jedoch

unter Quellung das 200- bis 300fache an Masse aufnehmen. Im Gegensatz zur Alginsäure

löst sich Natriumalginat langsam in Wasser und es kommt zur Ausbildung eines Sols.

Wie man den Konformationsformeln entnehmen kann, unterscheiden sich die verschiedenen

Sequenzvarianten in ihrer räumlichen Struktur, was entscheidend für die Fähigkeit zur Bil-

dung von Gelen ist. Durch die Anwesenheit von mehrwertigen Kationen können sich die

GG-Ketten parallel anlagern und somit geordnete Tertiärstrukturen ausbilden. Durch die bia-

xiale Verknüpfung der Guluronateinheiten kommt es zur starken Faltung der GG-Blöcke, die

dazu führt, dass „Höhlen“ entstehen, die in etwa dem Durchmesser eines Ca2+- Kations ent-

sprechen (Abb.9). Man spricht von der sogenannten „egg box type“-Struktur, da sich ähnlich

einem Eierkarton durch die Faltung Hohlräume ergeben, in die sich Kationen einlagern und

die elektrostatische Abstoßung der anionischen Ketten kompensieren (Abb.10,11,12). Es

wird davon ausgegangen, dass innerhalb eines solchen Hohlraumes ein Ca2+-Kation von

insgesamt 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden wird (Abb.9).

304 Sticher, O. &Hänsel, R. (2007) S.635ff und Marburger, A. (2003) S.19ff

O

1O

O4

OOO

OH

O

OH

O-

O

H

H

O O-

Ca2+

n

Die fünf Sauerstoffatome innerhalb eines

Gulurunat-Dimers, die an der koordinati-

ven Bindung beteiligt sind, sind rot her-

vorgehoben.

Abb.9 Einlagerung eines Calcium-Ions


244

Die Konformation der MM- und MG-Blöcke erlaubt nicht eine solche parallele Anordnung der

anionischen Ketten, sondern sie führen zu einer gestreckten Anordnung, weshalb man auch

von einer „ribbon type“(eng. bandartigen)-Konformation spricht. Die aggregierten Zonen

durch die „egg Box junctions“ werden von den ungeordneten MM-Blöcken und MG-Blöcken

unterbrochen, wodurch große Hohlräume entstehen, in die große Mengen Wasser eingela-

gert werden kann (Abb.13).

Abb.13 Entstehung von Hohlräumen durch die „Egg box“- und „ribbon“-type Konformation

Abb.10,11 +12 „Egg box“-Modell


245

3. Verwendung von Alginsäure und Alginaten305

Alginsäuren und Alginate werden unter anderem aufgrund ihrer Sol- und Geleigenschaften

und ihrer suspensions- und emulsionsstabilisierenden Wirkung in sehr vielen Bereichen ver-

wendet.

In der Lebensmittelindustrie wird etwa ein Drittel der jährlichen Weltproduktion als Di-

ckungsmittel, Gelbildner, Suspensions- und Emulsionsstabilisator oder Schutzkolloid einge-

setzt. Alginate werden auch in einem relativ neuen Bereich der Lebensmitteltechnologie ver-

wendet, der sogenannte Restrukturierung von Lebensmitteln. Unter Restrukturierung ver-

steht man die Formung von Früchten, Fleisch, Fisch oder Gemüse- Konzentraten. Die Vor-

teile dieser Restrukturierung ist nun die mögliche Verwendung von Fleisch-, Fisch-, Gemüse-

und Obstresten, was zur Senkung der Produktionskosten führt. Des Weiteren ergibt sich

durch die Einflussnahme auf die Form, Größe und mechanischen Eigenschaften eine besse-

re prozesstechnische Handhabung.

Ein Beispiel hierfür ist die in diesem Versuch durchgeführte Restrukturierung von Paprika-

streifen. So musste früher die Paprika in kleine Stücke geschnitten werden, um dann mit der

Hand in die einzelnen Oliven eingebracht zu werden. Durch die Restrukturierung kann die

Paprikapaste von Maschinen eingespritzt und dann durch Calciumchlorid-Lösung gehärtet

werden (Abb.14,15). Dabei gelten die verwendeten Alginate als gesundheitlich unbedenklich.

Wenn Natriumalginat zur Herstellung von Lebensmitteln verwendet wird, so wird das Produkt

mit dem Zusatzstoff E 401 deklariert, während Guarkernmehl mit E 412 deklariert werden

muss (Abb.16).

305 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.636ff. und Marburger, A. (2003) S. 56ff.

Abb.14+15 Olive mit Paprikapaste


246

Weitere Anwendungsbeispiele sind die Stabilisation von Mayonnaise, Speiseeis, Salatdres-

sings, Bierschaumkronen und Tiefkühlkost.

In der pharmazeutischen Technologie werden Alginate unter anderem aufgrund ihrer Unlös-

lichkeit und ihres ausgeprägten Quellungsvermögens als Tablettensprengmittel verwendet.

Auch in der Kosmetikindustrie werden Alginate zur Stabilisation von Cremes (Zahncreme),

Bestandteil von Haarfestigern und Prothesehaftmitteln sowie als Trägerstoff von Aromen

verwendet.

4. Hintergrundinformation: Algen306

Algen sind eine artenreiche und auch sehr vielgestaltige Pflanzengruppe, die schon seit dem

Präkambium existiert. Die meisten Algen sind in natürlichen Gewässern beheimatet und mit

19.500 Arten repräsentieren sie etwa 90 % der maritimen Pflanzenwelt. Die Formenvielfalt

der Algen reicht von 1 μm großen Einzellern bis hin zu den uns als Tang (z.B. Seetang) ge-

läufigen hoch entwickelten Rot- und Braunalgen. Die für pharmazeutischen Zwecke relevan-

ten Vertreter der Algen sind nur unter den Rotalgen, den Braunalgen und den Kieselalgen zu

finden. Dabei sind die Rot- und Braunalgen aufgrund ihrer Phycokolloide (s.u.) und die Kie-

selalgen aufgrund ihrer Kieselsäureschalen von Interesse.

Braunalgen

Die Braunalgen bilden eine Klasse, die aus elf Ordnungen und 250 Gattungen mit 1500-2000

Arten besteht. Der Großteil dieser Klasse sind Meeresalgen, die am meisten in den gemä-

ßigten und kälteren Teilen des Pazifiks vorkommen. Braunalgen sind mit Haftfäden oder -

scheiben an Steinen oder Ähnlichem befestigt. In den Gezeitenzonen der Felsenküsten bil-

den sie üppige Vegetationen (beispielsweise die unterseeischen Wälder an amerikanischen

306 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.629ff.

Natriumalginat Guarkernmehl

Abb.16 Zutatenliste der „Oliven mit Paprikapaste“


247

Abb. 17 Struktur des Guarkernmehls in der Haworth-Projektion

Pazifikküsten) und sind ein wichtiger Bestandteil des Ökosystems. Manche Arten der Braun-

algen gehören mit einer Länge von bis zu 60 m, einem Wachstum von etwa 30 cm pro Tag

und einem Gewicht von mehreren Tonnen zu den größten Pflanzen unseres Planeten.

Rotalgen

Rot- und Braunalgen produzieren jährlich etwa 350 Millionen Tonnen Biomasse und werden

zunehmend wirtschaftlich genutzt. So werden aus den Algen Alginsäure, Agar und Carra-

geenan gewonnen. Vor allem in Asien dienen Algen auch als Nahrungsmittel. In Europa

spielen die Algen als Nahrungsmittel nahezu keine Rolle, hier werden die Algen jedoch in der

Landwirtschaft als Futtermittel für Tiere und als Düngemittel verwendet. Neben den Wild-

sammlungen dieser Algen spielt auch die Kultivierung dieser Algen eine zunehmende Rolle,

wobei die Bedeutung mit einer Jahresproduktion von etwa 10 Millionen Tonnen momentan

noch sehr gering ist.

Wie die Landpflanzen, werden auch Algen im großen Umfang sowohl als Nahrungsmittel für

Mensch und Tier als auch als Düngemittel verwendet.

5. Guarkernmehl307

Guarkernmehl, auch Guarmehl oder Guargummi genannt, ist ein weißes bis grauweißes

Pulver, das durch Mahlen der Samen des in Indien beheimateten Baumes Cyamopsis tetra-

gonolobus gewonnen wird. Der lösliche Hauptbestandteil des Guarkernmehls ist das Gua-

ran, dass sich aus β-(1,4)-verknüpften D-Mannopyranose-Einheiten zusammensetzt, die

zusätzlich in einer Seitenkette mit D-Galaktopyranose α-(1,6) verknüpft sind. Dabei kommt

jeweils eine Galactoseeinheit auf zwei Mannose-Einheiten (Abb.17,18)

307 RÖMPP Online, Stichwort „Guarmehl“ (letzter Zugriff 02.04.2010)

O

H

OHH

H

O

OH

H H

CH2

O

O

H

OHH

H

OH

H H

CH2OH

O

O

HH

OH

H

OH

H OH

H

CH2OH

O

n


248

OOH

OOH

O

O

OOH O

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

n

Guarkernmehl ist ein Hydrokolloid (Verdickungsmittel) und quillt in Wasser auf. Dabei hat

Guarmehl etwa die achtfache Verdickungskraft der Stärke. Im Jahr werden etwa 70.000-

80.000 t Guarkernmehl produziert, wovon etwa 25.000 t in der Lebensmittelindustrie einge-

setzt werden. So wird Guarkernmehl Käse zugesetzt, um dadurch das Wasserbindungsver-

mögen zu steigern. Des Weiteren wird Guarkernmehl in verschiedenen Eissorten zur Ver-

hinderung der Zuckerkristallisation, bei Getränken zur Verbesserung der Vollmundigkeit, in

der Papierindustrie zur Verbesserung der Zug- und Reißfestigkeit des Papiers und in der

pharmazeutischen Industrie als Bindemittel für Cremes und Salben eingesetzt.

Guarmehl kann vom menschlichen Organismus nicht verdaut werden, weshalb es auch in

kalorienreduzierten Lebensmittel als Stärkeersatz eingesetzt wird.





ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf Be-

deutung und Verwendung, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte einge-

gangen werden.


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, und laut „HessGiss“-Datenbank

dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schülern verwendet werden.

Aus diesem Grund kann dieser Versuch als Schülerversuch durchgeführt werden. Dabei ist

die Dauer des Versuchs relativ lange und der Versuch muss auch intensiv durch die Lehr-

kraft vorbereitet werden. Des Weiteren sind sowohl Natriumalginat, als auch Guarkernmehl

nicht an jeder Schule vorhanden.

Abb.18 Struktur des Guarkernmehls in der Sessel-Projektion


249

Dieser Versuch ist sehr schön anzusehen und er liefert ein eindrucksvolles Ergebnis, was die

Schüler für diesen Versuch begeistern dürfte. Auch der Realitätsbezug ist durch die indust-

rielle Anwendung am Beispiel der Olive mit Paprikapaste gegeben. Das Prinzip der Gelbil-

dung dürfte für die Schüler nachvollziehbar sein, was durch das Eierkarton-Modell unterstützt

werden kann. Aus diesem Grund können dieser Versuch und die sich dahinter verbergende

Chemie zum Verständnis über den Aufbau und die Vielseitigkeit von Polysacchariden beitra-

gen.

Literaturangaben:

Gerstner, E. & Marburger, A.(2000). Alginate – Vielseitig verwendbare Polysaccharid-Derivate aus Braunalgen. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie, 49(6), S.22-30

Marburger, A.(2000). Alginate in der Medizin. Praxis der Naturwissenschaft-Chemie. 51 (5) S.27-35.

Marburger, A.(2003). Alginate und Carrageenane-Eigenschaften, Gewinnung und Anwen-dungen in Schule und Hochschule. Dissertation, Philipps-Universität Marburg-Fachbereich Chemie.

Sticher, O. & Hänsel, R .(2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Hei-delberg: Springerverlag





Abb.13: Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.635



250

Versuchsprotokoll: Alginate-Zahnabdruck

Zeitaufwand:

Aufbau: 15 Minuten



Chemikalien:

Chemikalie Menge

(in g) R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Schul-

einsatz

Kieselgur 30,9 68/20 22

SI+SII

Natriumalginat 7,0 - - - SI+SII

Calciumsulfat-

Dihydrat

[CaSO4*2H2O]

8,75 - - - SI+SII

Kaliumhexafluo-

ro-titanat

K2[TiF6]

1,5 20/21/22 26-36

SI+SII

Natriumphosphat

Na3PO4*12H2O 1,65 34

26-

36/37/39-

45

SI+SII

Thymolphthalein

C28H30O4

0,015 - 22-24/25 - SI+SII

Phenolphthalein

C20H14O 0,005 45-62-68 53-45

SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck

251

Materialien:

- Mörser mit Pistill

- Porzellanschale

- PE-Schraubdeckelgefäß (500 mL, Weithals)

- Pulvertrichter (NS 29)

- Teigschaber

- Gebiss308

- Messzylinder

- Spatel

- Waage

Versuchsaufbau:

308 Zahnarztpraxen haben oft Gebisse übrig; es geht auch mit „Vampirgebissen“ aus Plastik.

1.Chemkalien

2. +H2O 3.Überführen in

Porzellanschale

KMnO4Dentalpulver

4.Zahnabdruck

anfertigen



252

Durchführung:309

1. Zunächst wird ein Dentalabdruckpulver aus allen oben aufgeführten Chemikalien

hergestellt. Dazu werden die angegebenen Komponenten in den angegebenen Men-

gen mittels Pulvertrichter in das Schraubdeckelgefäß eingewogen. Dabei schüttelt

man nach der Zugabe jedes Bestandteils die Flasche kräftig durch.

2. Anschließend werden im Mörser 45 g des Dentalpulvers in 120 mL Wasser mittels

Pistill und Teigschaber homogenisiert.

3. Die Masse wird nun in die Porzellanschale überführt und mit dem Teigschaber an der

Oberfläche glattgestrichen.

4. Wenn ein Farbumschlag nach weiß eintritt, fertigt man einen Zahnabdruck an, indem

man das Gebiss in die Masse drückt.

5. Nach fünf Minuten kann das Gebiss aus der Masse entfernt und der Abdruck mittels

Spatel aus der Porzellanschale genommen werden.

Beobachtung:

309 Marburger A. (2003) S.124ff.


253

Nach der Zugabe des Wassers zum Dentalabdruckpulver bildet sich eine zähe, rotviolette

Masse. Nach wenigen Minuten entfärbt sich die Masse langsam wieder, bis sie schließlich

weiß ist. Das Gebiss lässt sich leicht in die Masse eintauchen und nach fünf Minuten auch

wieder gut entfernen.

Nach einem Tag ist die Masse komplett ausgehärtet.

Entsorgung:

Der Abdruck kann von einem Schüler mit nach Hause genommen werden. Ansonsten kann

er in den Feststoffabfall entsorgt werden.

Auswertung:

1. Alginsäuren und Alginate

Zu genaueren Informationen über Alginsäuren und Alginate s. Protokoll Alginate-

Restrukturierte Paprikastreifen.

Abb.2,3+4 Versuchsbeobachtung


254

2. Allgemeines zu Dentalabdrücken310

Ein Dentalabdruck ist eine möglichst genaue Abformung des menschlichen Gebisses. Dazu

gehören die Zähne, der Kiefer und das Zahnfleisch. Das möglichst genaue Anfertigen sol-

cher Abdrücke ist die Voraussetzung zu Herstellung von gut sitzendem Zahnersatz. Der Ab-

druck wird hergestellt, indem der Zahnarzt zunächst einen an die Mundverhältnisse ange-

passten Abdrucklöffel mit der Abdruckmasse beschickt und dann auf die darzustellenden

Mundregionen drückt. Der durch diesen Vorgang entstehende Negativabdruck wird mit ei-

nem speziellen Hartgips ausgegossen, wodurch ein positiver Gipsabdruck entsteht, der von

einem Zahntechniker weiterverarbeitet werden kann.

Dentalabdruckpulver auf Alginat-Basis sind schon seit etwa 1942 auf dem Markt. Heute

kommt das Abdruckpulver fertig gemischt in den Handel und muss vom Zahnarzt nur noch

mit Wasser angerührt und dann weiterverarbeitet werden.

3. Erläuterung des Versuchs311

Der für die Gelbildung verantwortliche Stoff des Dentalpulvers ist das Natriumalginat, das in

der Gegenwart von Calcium-Ionen feste, aber elastische Gele bildet.312 Als Calcium-Quelle

dient in diesem Versuch das schwerlösliche Salz Calciumsulfat (Gips), dessen Calciumionen

aufgrund der Schwerlöslichkeit nur sehr langsam in Lösung gehen (1). Zusätzlich wird, um

die Freisetzung von Calciumionen zu verzögern, dem Dentalabdruckpulver ein sogenannter

Retarder zugesetzt. In diesem Versuch ist der Retarder Natriumphosphat, das die sich aus

dem Gips lösenden Calcium-Ionen zunächst durch die Bildung eines schwerlöslichen Cal-

ciumphosphat-Niederschlags bindet (3):

(1) CaSO4(aq) Ca2+(aq) + SO4

2-(aq)

(2) Na3PO4(aq) 3Na+(aq) + PO4

3-(aq)

(3) 3 Ca2+(aq) + 2 PO4

3-(aq) Ca3(PO4)2 (s)

Des Weiteren wurde dem Dentalabdruckgemisch noch die pH-Indikatoren Phenolphthalein

und Thymolphthalein zugesetzt, deren Umschlagsbereiche in folgender Tabelle dargestellt

werden:

310 Marburger, A. (2003) S.124

311 Marburger, A. (2003) S.129f. und Marburger, A. (2000) S.30

312 Vgl. Protokoll Alginate-Restrukturierte Paprikastreifen


255

pH-Indikator Umschlagsbereich Farbumschlag

Phenolphthalein pH = 8,4 – 10,0 farblos rotviolett

Thymolphthalein pH = 8,8 – 10,5 farblos blau

Wenn das Dentalabdruckpulver mit Wasser angerührt wird, färbt sich die Masse von violett

bis rotviolett und der Zahnarzt muss den Abdrucklöffel mit der Masse beschicken. Dieser

Farbumschlag, der auf ein basisches Milieu hinweist, entsteht durch die in Lösung gehenden

Phosphat-Anionen (2), die in Lösung alkalisch reagieren:

(4) PO43-

(aq) + H2O HPO42-

(aq) + OH-(aq)

Bei diesen Bedingungen liegen beide pH-Indikatoren in ihrer deprotonierten Form vor. Aus

der Mischfarbe der beiden Indikatoren (rotviolett und blau) entsteht der violette Farbeindruck.

Die bei dieser Reaktion entstandenen Hydrogenphosphat-Anionen reagieren in der Folge mit

den durch das Calciumsulfat freigesetzten Calcium-Ionen (1) unter Bildung schwerlöslicher

Calciumphosphat-Niederschläge:

(5) 3 Ca3+ (aq) + 2 HPO42-

(aq) Ca3(PO4)2 (s) + 2 H+(aq)

Die freiwerdenden Protonen sorgen für ein Absinken des pH-Wertes. Des Weiteren wurde

der Lösung Kaliumhexafluorotitanat als sogenannter pH-Modifikator zugesetzt. Kaliumhexa-

fluorotitanat reagiert leicht sauer, da die [TiF6]2- -Ionen in Wasser langsam hydrolysieren (7):

(6) K2[TiF6](s) 2 K+(aq)

+ [TiF6]2-

(aq)

(7) [TiF6]2-

(aq) + H2O [Ti(OH)F5] + H+ + F-(aq)

Der pH-Wert der Lösung sinkt durch das Freiwerden der Protonen, sodass zunächst nur

noch das Phenolphthalein in seiner deprotonierten Form vorliegt, wodurch ein rotvioletter

Farbeindruck entsteht. Sinkt der pH-Wert nun noch weiter, liegen beide pH-Indikatoren in der

protonierten (farblosen) Form vor und die Masse färbt sich weiß.

Das Kieselgur ist chemisch inerte und dient als Füllstoff, der die Festigkeit der Abdruckmas-

se erhöht und das Vermischen des Dentalabdruckpulvers mit Wasser erleichtert

Tab.1 Umschlagspunkte der verwendeten Indikatoren


256

Zu Dentalabdruckmischungen, die in Arztpraxen Verwendung finden, werden noch Ge-

schmacks- und Farbstoffe zugesetzt. Durch die Geschmacksstoffe wird die Anfertigung des

Abdrucks für die Patienten angenehmer und durch die Färbung werden Alginat-Abdruck-

massen mit unterschiedlichen Gelbildungseigenschaften optisch besser unterscheidbar.

Didaktische Analyse:





Bedeutung und Verwendung, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte ein-

gegangen werden.


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, und laut „HessGiss“-Datenbank

dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schülern verwendet werden.

Aus diesem Grund kann dieser Versuch als Schülerversuch durchgeführt werden. Dabei ist

jedoch fraglich, ob alle verwendeten Chemikalien an der Schule vorhanden sind.

Durch diesen Versuch kann den Schülern eine neue Anwendungsmöglichkeit von Alginaten

aufgezeigt werden. Dabei ist der Alltagsbezug dieses Versuch gegeben, da bestimmt bereits

von einigen Schülern ein solcher Zahnabdruck angefertigt wurde. Dabei kann man auch mit

den Schülern die in der Abdruckmasse vorgehenden Redoxprozesse besprechen, die zu

dem Farbumschlag des Indikators führen. Durch diesen Versuch können also komplexe

chemische Vorgänge anhand eines den Schülern bekannten Prozesses (der Herstellung

eines Zahnabdruckes) besprochen werden.

Literaturangaben:

Marburger, A.(2000). Alginate in der Medizin. Praxis der Naturwissenschaft-Chemie. 51 (5) S.27-35.

Marburge,r A.(2003). Alginate und Carrageenane-Eigenschaften, Gewinnung und Anwen-dungen in Schule und Hochschule. Dissertation, Philipps-Universität Marburg-Fachbereich Chemie.



257




258

7. Nachwachsende Rohstoffe/ modifizierte Naturprodukte

Versuchsprotokoll: Stärkefolie

Zeitaufwand:

Aufbau: 10 Minuten

Durchführung: 30 Minuten + 1 Tag trocknen

Abbau: 10 Minuten

Chemikalien:

Materialien:

- Zweihalsrundkolben mit einem Stopfen (beide NS 29)

- Rückflusskühler

- Kleiner Standzylinder (5-10 mL)


- Rührfisch

- Wasserbad oder Heizpilz

- Glasplatte

- Spatel


einsatz

Kartoffel- oder

Maisstärke 50 g - - - SI+SII

Glycerin 4 mL - - - SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Stärkefolie

259

Versuchsaufbau:

Durchführung:

1. Zunächst werden in dem Rundkolben 5 g Kartoffelstärke in 50 mL Wasser suspen-

diert.313

2. Zu dieser Suspension werden 4 mL Glycerin-Lösung gegeben.

3. Diese Mischung wird nun unter Rühren und Rückflusskühlung 15 Minuten lang er-

hitzt.

313 Dieser Versuch kann auch in einem mit einem Uhrglas abgedeckten Becherglas durchgeführt wer-den.

mL

1. Zugabe von

Glycerin

Glycerin

Wasser/Stärke-

Suspension

3. Gemisch auf

einer Glasplatte

verteilen


2. Erwärmen


260

4. Das Gemisch sollte so viskos sein, dass es gerade so aus dem Kolben herauslaufen

kann. Sollte das Gemisch zu fest geworden sein, kann man etwas Wasser hinzuge-

ben und das Gemisch erneut erhitzen.

5. Das Gemisch wird nun auf einer Glasplatte verteilt und über Nacht trocknen gelas-

sen.

6. Am nächsten Tag kann die Stärke vorsichtig unter Zuhilfenahme des Spatels entfernt

werden.

Beobachtung:

Die Stärke löst sich zunächst nicht im Wasser. Durch das Erhitzen im Wasserbad entsteht

nach einiger Zeit eine zähflüssige Lösung, die sich gut auf der Glasplatte verteilen lässt.

Am nächsten Tag kann man die Folie von der Glasplatte lösen, wobei man vorsichtig vorge-

hen muss, damit die Folie nicht einreißt.

Entsorgung:

Alle verwendeten Chemikalien und auch die Stärkefolie können in den Hausmüll/den Aus-

guss entsorgt werden.



261

Auswertung:

1. Struktur der Stärkekörner314

Die Ablagerung von Stärke in Pflanzen erfolgt in Form von Stärkekörnern. Das Aussehen

dieser Stärkekörner ist typisch für die jeweilige Stammpflanze (Abb.3).

Stärkekörner enthalten nahezu reine Stärke und haben einen Durchmesser von 10 μm

(Reiskorn) bis 100 μm (Kartoffel). Die unterschiedlichen Verhältnisse von Amylose zu Amy-

lopektin bestimmen die grundlegenden Eigenschaften der Stärken unterschiedlichen pflanzli-

chen Ursprungs.

Die Stärkekörner weisen eine konzentrische Schichtung um einen Bildungskern (Hilum) he-

rum auf. Die Schichtung der Stärkekörner ist dabei auf eine wechselnde Folge von Amylose

und Amylopektin zurückzuführen. Stärke ist somit kristallähnlich (semikristallin) konstruiert.

314 RÖMPP Online, Stichwort „Stärke” (letzter Zugriff: 24.04.2010)

Abb.3 : Stärkekörner von verschiedenen Pflanzen (200fach vergrößert)


262

2. Quellung von Stärke/Bildung von Stärkekleister

Wird Stärke in Wasser gegeben, so löst sich diese zunächst nicht. Wird das Wasser jedoch

erwärmt, brechen zunächst die äußeren kristallinen Bereiche des Stärkekorns auf und das

Stärkekorn nimmt langsam Wasser auf. Dies macht sich bereits durch ein leichtes Aufquellen

bemerkbar. Bei weiterem Erhitzen quellen die Stärkekörner, auch aufgrund der immer größe-

ren Wasseraufnahme, deutlich schneller auf. Durch weiteres Erwärmen brechen die kristalli-

nen Strukturen des Stärkekorns, bei einem für die jeweilige Pflanze typischen Temperaturbe-

reich, vollständig auf. Die Stärkekörner gehen in eine formlose, aufgedunsene Masse über,

den sogenannten Stärkekleister. Die Quellung beruht dabei größtenteils auf der Aufnahme

von Wasser in die molekularen Strukturen des Amylopektins. Der Quellvorgang ist irreversi-

bel, so dass auch beim Erkalten der Flüssigkeit der Stärkekleister erhalten bleibt. Dieser

Stärkekleister bildet auch beim Backen von Brot und ist damit dafür verantwortlich, dass das

Brot die gewünschte Konsistenz erhält.

.

Abb.4 Quellen des Stärkekorns beim Erhitzen


263

3. Stärkefolie315

Die Quellungseigenschaften der Stärke macht man sich auch bei der Herstellung von Stärke-

folien zunutze. So bildet der Stärkekleister beim Erkalten einen spröden Film. Damit dieser

Film nicht zu spröde wird, wird dem Stärkekleister Glycerin hinzugegeben, um dadurch die

Ausbildung von kristallinen Bereichen zu verhindern. Dabei lagern sich die Glycerin-Moleküle

zwischen den Stärkemolekülen an und bilden mit diesen Wasserstoffbrückenbindungen aus

(Abb.5). Des Weiteren bindet Glycerin Wasser, wodurch ein Austrocknen und damit das

Sprödewerden der Folie ausbleiben.

Immer häufiger wird Stärke anstelle von Polystyrol als Verpackungsmaterial eingesetzt. Stär-

kefolien haben die den Vorteil, dass sie schneller verrotten. Dabei werden großtechnisch die

Stärkefolien aus partiell oxidierter Stärke hergestellt, der sogenannten Aldehyd-Stärke. Die

Aldehyd-Gruppen können sich mit Hydroxyl-Gruppen, der Glucose-Einheiten eines anderen

Stärkemoleküls reagieren, wodurch es zu Quervernetzungen kommt. Diese Folien sind nicht

mehr so leicht biologisch abbaubar. Ein Nachteil der Stärkefolien ist, dass sie nicht wasser-

resistent sind. Aus diesem Grund überzieht man die industriell gefertigten Stärkefolien mit

einem wasserabweisenden Schutz. Dieser besteht aus Silanen, die in einer Kondensations-

reaktion mit der Stärke reagieren.

315 http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff am 25.04.2010)

Abb.5 Einlagerung des Glycerins

http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm


264






nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.






kann. Wenn der Versuch durch die Lehrkraft gut vorbereitet wird, ist er in einer Einzelstunde

durchführbar, wobei das Produkt (die getrocknete Folie) dann erst in der nächsten Stunde

fertig ist.

Anhand dieses Versuchs kann die Quelleigenschaft von Stärke besprochen werden. Diese

Eigenschaft der Stärke ist allen Schülern bekannt, da sie die Grundvoraussetzung zum Ba-

cken von Brot ist. Des Weiteren werden auch alle Schüler bereits einmal (wissentlich oder

unwissentlich) eine Stärkefolie in der Hand gehalten haben. Aus diesem Grund ist dieses

Experiment nahe an der Wirklichkeit der Schüler. Das Ergebnis des Versuchs, die Folie, ist

ein schönes Ergebnis, was die Schüler für diesen Versuch begeisterungsfähig macht.

Literaturangaben:

Walter, W. & Franck, W. (1998). Lehrbuch der Organischen Chemie (23.Auflage). Stuttgart Heidelberg: S.Hirzel Verlag.




http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff: 25.04.2010)


Abb.3 RÖMPP Online, Stichwort „Stärke” (letzter Zugriff: 24.04.2010)




265

Abb.4 http://www.wissensforum-backwaren.de/files/lernreihe/kap_II-2.pdf (letzter Zugriff: 08.05.2010)

Abb.5 http://www.chids.de/dachs/expvortr/739Kartoffel_Kuhn.pdf (letzter Zugriff: 08.05.2010)

http://www.wissensforum-backwaren.de/files/lernreihe/kap_II-2.pdf

http://www.chids.de/dachs/expvortr/739Kartoffel_Kuhn.pdf

266

Versuchsprotokoll: Kupferseide

Zeitaufwand:


Durchführung: 20 Minuten (+24 Stunden Wartezeit)


Chemikalien:


einsatz

Kupfersulfat

CuSO4*5 H2O 13 g

22-36/38-

50/53 22-60-61

SI+SII

Ammoniak-

Lösung

NH3

(w=0,25)

40 mL 34-50 26-36/37/39-

45-61

SI+SII

Natronlauge

NaOH

(w=0,32)

8,6 mL 35 26-37/39-45

SI+SII

Schwefelsäure

H2SO4

(konz.)

12 35 26-30-45

SI+SII

Watte

(aus reiner

Baumwolle)

2 g - - - SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Kupferseide

267

Materialien:

- 250 mL Rundkolben mit Schliff

- Schliffstopfen

- Keck-Klemme

- Becherglas 500 mL

- Becherglas 250 mL

- Plastikspritze

Versuchsaufbau:

Schweizers Reagenz

Watte

Schwefelsäure

1. Watte in Schweizers

Reagenz lösen

2. Nach 24 h in ein

Fällungsbad spritzen



268

Durchführung:316

1.Herstellung des Schweizer Reagenz:

In einem Becherglas werden 13 g Kupfersulfat in 40 mL Wasser gelöst. Zu dieser Lösung

werden 40 mL Ammoniak und 8,6 mL Natronlauge gegeben.

2.Auflösen der Cellulose:

In den Rundkolben werden 2 g Watte gegeben, die vorher etwas auseinandergezupft wurde.

Zu dieser Watte gibt man nun das frisch hergestellte Schweizer Reagenz hinzu und ver-

schließt den Rundkolben mit dem Schliffstopfen und einer Keck-Klemme. Das Gemisch wird

nun über Nacht stehen gelassen.

3. Herstellung der Kunstseide:

In einem Becherglas werden zu 200 mL Wasser 12 mL konzentrierte Schwefelsäure gege-

ben. Der Rundkolben wird geöffnet und mit einer Einwegspritze wird der entstandene Brei

aufgesogen. Nun kann dieser Brei langsam in das Fällungsbad gedrückt werden.

Beobachtung:

316 http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)


http://diefoergs.de/start.html


269

(Schweizers Reagenz)

Nach der Zugabe von Ammoniak-Lösung und Natronlauge zur Kupfersulfat-Lösung färbt sich

diese dunkelblau.

Nach 24 Stunden hat sich die Watte vollständig gelöst und es ist eine dunkelblaue breiige

Masse entstanden. Wenn diese Masse in das Schwefelsäurebad gespritzt wird, entstehen

zunächst kleine, blaue Fäden, die nach einigen Minuten weiß werden. Wenn die Fäden aus

dem Schwefelsäurebad herausgenommen werden, haben sie eine spaghetti-ähnliche Kon-

sistenz.

Entsorgung:

Die entstandenen Cellulosefäden können getrocknet in die Feststofftonne entsorgt werden.

Die Lösung muss neutral in den anorganischen Lösungsmittelbehälter entsorgt werden.

Auswertung:


Wie bereits beschrieben, ist die Cellulose aufgrund ihres hohen Ordnungs- und Polymerisa-

tionsgrades in Wasser praktisch unlöslich.317 Der Schweizer Chemiker und Professor Ma-

thias Eduard Schweizer (1818-1860)318 entdeckte jedoch, dass sich Cellulose in dem nach

ihm benannten Schweizer Reagenz löst. Bei dem Schweizer Reagenz handelt es sich um

eine Kupfersulfat-Lösung, die mit Ammoniak versetzt wird. Die tiefblaue Farbe der Lösung

nach der Zugabe des Ammoniaks zur Kupfersulfat-Lösung kommt dem Tetraaminkupfer(II)-

hydroxid zu:319

Cu2+(aq) + 4 NH3(aq) + 2 OH-

(aq) [Cu(NH3)4(OH)2](aq)

In diesem Komplex lagern sich die Ammoniak-Moleküle quadratisch-planar an, während sich

die Hydroxid-Ionen oberhalb und unterhalb dieser Ebene anlagern (Abb.3).

317 Vgl. Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle

318 RÖMPP Online, Stichwort „Schweizers Reagenz“ (letzter Zugriff:17.04.2010)

319 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995), S.1336


270

Der Lösungsprozess von Cellulose in Schweizers Reagenz ist so zu erklären, dass die Cellu-

lose in Kupfer-Chelat-Komplexen in Lösung geht.320 Dieser zweizähnige Chelatkomplex ent-

steht, indem ein Ligandenaustausch des Tetraamin-Kupfer-Komplexes stattfindet. Bei die-

sem Austausch werden zwei Ammino-Liganden von deprotonierten Alkoholresten an den

Kohlenstoffatomen C2 und C3 eines Glucosemoleküls verdrängt, wobei das zentrale Kupfer-

atom an diese beiden deprotonierten Alkoholreste koordiniert (Abb.4).321

320 Nuhn, P. (2006), S.157


NH3

NH3

OH-

NH3

OH-

NH3Cu

2+

Abb.3 Tetraaminkupfer(II)-hydroxid-Komplex



271

Durch diese Komplexbildung wird die Ausbildung von sowohl inter- als auch intramolekularen

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den verschiedenen Cellulosemolekülen verhindert

O

O

OOHO

O

O

OOO

O

OOO

O

OO

OH

O

O

OOH

O

OH

O

O

OOO

OH

OOO

O

OO

H OH

H

H OH

H

H

OH

H

HOH

HH

OHH

H

HOH

H

n

-16 H2O

-16 NH3 + 8 [Cu(NH3)4(OH)2

NH3NH3

NH3NH3

NH3NH3NH3NH3

O

23O

- OO-O

OH

O

23O

-

OO-

O

23O

- OO-

O

23O

-

OO-

OH

OH

OH

Cu2+

Cu2+

Cu2+

Cu2+

NH3NH3

NH3NH3

NH3NH3NH3NH3

O

23O

- OO-O

OH

O

23O

-

OO-

O

23O

- OO-

O

23O

-

OO-

OH

OH

OH

Cu2+

Cu2+

Cu2+

Cu2+

Abb.4 Lösungsvorgang der Cellulose in Schweizers Reagenz


272

und dadurch kristalline Bereiche der Cellulose abgebaut. Die noch verbleibenden Ammino-

Liganden sorgen dafür, dass sich die Löslichkeit der Cellulose stark erhöht.

Wird dieses Gemisch in das aus Schwefelsäure bestehende Fällungsbad gegeben, so wer-

den die Ammoniak-Moleküle des Komplexes protoniert und können so nicht mehr an das

Kupfer-Ion koordinieren. Das Kupfer-Ion löst sich von den deprotonierten Hydroxyl-Gruppen,

die sofort wieder protoniert werden, wobei wieder Cellulose entsteht (Abb.5).

Wie an der Reaktionsgleichung zu erkennen, verlassen die Cu2+-Ionen den Komplex und

gehen in Lösung. Aufgrund dieser Cu2+-Ionen färbt sich die Säure blau, während die neu

gebildete Cellulose nach einiger Zeit wieder weiß wird. Da die Cellulose eine andere Form

hat, als beispielsweise in diesem Versuch die Watte, spricht man auch von der sogenannten

Regeneratcellulose.

NH3NH3

NH3NH3

NH3NH3NH3NH3

O

23O

- OO-O

OH

O

23O

-

OO-

O

23O

- OO-

O

23O

-

OO-

OH

OH

OH

Cu2+

Cu2+

Cu2+

Cu2+

+ 4 H2SO4

- CuSO4

O

O

OOH

O

OH

O

O

OOO

OH

OOO

O

OO

H OH

H OH

H

H

OH

H

H

Abb.5 Bildung der Regeneratcellulose


273

2. Hintergrundwissen: Kupferseide322

Geschichte

Schon seit Beginn des 17. Jahrhunderts wurden Gedanken dazu geäußert, die von der Sei-

denraupe produzierten endlos langen Fäden künstlich herzustellen. Im Laufe der Zeit ver-

suchte man diese Fäden aus den verschiedensten Materialien, wie Gelatine, Kasin und Al-

bumin herzustellen. Die Ergebnisse dieser Versuche waren jedoch wenig erfolgreich, da es

nicht gelang, das Protein der Naturseide nachzubilden.

Erst das Verwenden von Cellulose als Ausgangsstoff machte das Herstellen von künstlichen

Fasern möglich. Der Vorteil der Cellulose liegt darin, dass sie im Gegensatz zum Protein

nicht aus verschiedenen Aminosäuresequenzen aufgebaut ist, sondern aus vielen gleichen

Glucose-Einheiten. Aus diesem Grund ist es aber auch irreführend, die aus Cellulose her-

gestellten Kunstfasern als Seiden zu bezeichnen. Trotzdem gleichen die Cellulosefasern

denen der Naturseide.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde damit begonnen Cellulose in Lösung zu bringen. Im

Jahre 1846 entdeckte Schönbein in Basel die Nitrocellulose.323 Im Jahre 1857 entdeckte

Schweizer dann die Löslichkeit der Cellulose in der nach ihm benannten Schweizers Rea-

genz.

Als der eigentliche Begründer der Kunstseidenproduktion gilt der Franzose Graf Chardonnet,

der auf der Weltausstellung in Paris im Jahre 1889 die Herstellung seiner Kunstseide vor-

stellte. Zu dieser Zeit wurde auch in England versucht, künstliche „Seide“ herzustellen, wo-

durch im Jahre 1891 durch Cross, Beyan und Beadle die Reaktion von Alkalicellulose mit

Schwefelkohlenstoff unter der Bildung einer wasserlöslicher Verbindung entwickelt wurde.

Dies war die Grundlage des sehr erfolgreichen Viskoseverfahrens. Aufgrund dieses Verfah-

rens und dem später entwickelten Acetat-Verfahren in Verbindung mit dem Streckspinnver-

fahren entwickelte sich eine Industrie, die lange Zeit sehr erfolgreich war.

Das Spinnverfahren

Die Cellulosefäden werden im Nassspinnverfahren hergestellt. Dabei wird die hochviskose

Cellulose-Lösung durch eine Spinndüse in ein Fällungsbad gepresst. Dieser Vorgang findet

unter Sauerstoffausschluss statt, damit Oxidationsreaktionen vermieden werden. Der im Fäl-

lungsbad entstehende Faden wird über ein Rollensystem aufgewickelt, wobei der Faden

leicht gestreckt wird. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren auch Streckspinnverfahren

genannt. Durch das Strecken der Fäden richten sich die Cellulosemoleküle auch gestreckt

aus, wodurch der Faden eine höhere Festigkeit erhält (Abb.6).


323 Vgl. Versuchsprotokoll: Nitrocellulose



274

Kupferseide heute

Wie viele halbsynthetische Fasern, hatte die Kupferseide ihre Blütezeit bis zur Entdeckung

von vollsynthetischen Fasern, wie Polyamide (Nylon, Perlon) oder Polyestern (Trevira). Da

jedoch die vollsynthetischen Fasern immer weiter verbessert wurden, waren die halbsynthe-

tischen Fasern kaum noch konkurrenzfähig. Des Weiteren ist die Verfügbarkeit des Rohstof-

fes Cellulose momentan nicht so gut, wie die der vollsynthetischen Fasern (Erdöl). Dennoch

werden auch heute noch Kupferseide-Fasern unter dem Namen „Reyon“ oder „Cupro-

Reyon“ von einer italienischen Firma hergestellt und verarbeitet.





ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf Koh-

lenhydrate als nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen wer-

den.

Abb.6 Streckspinnverfahren


275



auch die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Die Durchfüh-

rung des Versuchs dauert nicht sehr lange. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass der

Lösungsprozess einen Tag dauert, weshalb der Versuch nicht in einer Doppelstunde durch-

geführt werden kann. Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien un-

eingeschränkt von den Schülern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schü-

lerversuch durchgeführt werden kann.

Auf der Basis dieses Versuchs kann mit den Schülern über die Eigenschaften von Cellulose

gesprochen werden. Dabei können die Verfahren zur Lösung von Cellulose und die Verwen-

dung von Regenerat-Cellulose behandelt werden. Der Versuch ist sehr eindrucksvoll und

liefert ein schönes Ergebnis, weshalb er sich gut als Schulversuch eignet.

Literaturangaben:

Holleman, A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter & Co.

Nuhn, P. (2006). Naturstoffchemie: Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Auf-lage). Stuttgart: S. Hirzel Verlag.

Internetquelle(n):

http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)


Abb. 4+5: Eigene Zeichnung nach: http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)

Abb.6:: http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)

Alle anderen Zeichnungen und Bilder wurden selbst angefertigt.




276

I. Cellulose ist in Wasser nicht löslich. Sieh dir die Struktur der Cellulose an und erkläre

diese Eigenschaft.

II. Die in diesem Versuch verwendete Lösung zum Auflösen der Cellulose wird auch als

Schweizers Reagenz bezeichnet. Informiere dich über dieses Reagenz. Stelle auch

eine Reaktionsgleichung auf!

III. Die in diesem Versuch hergestellte „Kunstseide“ wird heute als Reyon bezeichnet.

Heute gibt es zwei wichtige Verfahren, um die Cellulose in Lösung zu bringen. Nenne

diese Verfahren und erläutere sie kurz!

IV. Was sind die Vorteile dieser künstlich hergestellten (halbsynthetischen) Cellulosefa-

sern gegenüber natürlicher Baumwollfasern?

n

O

O

OOHO

O

O

OOO

O

OOO

O

OO

OH O

OH H

O

H H H

H

HH

H

H

O

O

OOH

O

OH

O

O

OOO

OH

OOO

O

OO

O

H O H

O

H

HH

H

HH

H

Struktur der Cellulose beispielhaft an zwei Celluloseketten

Arbeitsblatt: Kupferseide Datum:

277

Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle

Zeitaufwand:

Aufbau: 10 Minuten



Chemikalien:

Materialien:

- Becherglas

- Thermometer mit abgeschmolzener Pipette zum Schutz des Temperaturfühlers

- Magnetrührer mit Rührfisch

- Kristallisierschale als Eisbad

- Glasstab

- Säurehandschuhe

- Tiegelzange

- Kristallisierschale oder Plastikschüssel zum waschen der Watte


einsatz

Schwefelsäure

H2SO4

280 mL 35 26-30-45

SI+SII

Salpetersäure

HNO3 140 mL 35 23-26-36-45

SI+SII

Natriumcarbonat

Na2CO3

25,2 g 36 22-26

SI+SII

Watte

(aus 100 %

Baumwolle)

10 g - - - -

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle

278

Versuchsaufbau:

Durchführung:324

1. Herstellung der Schießbaumwolle

1. In ein 600 mL Becherglas werden langsam unter Rühren und Kühlung durch ein Eisbad

zu 140 mL konzentrierter Salpetersäure 280 mL Schwefelsäure gegeben.

2. Nachdem die beiden Säuren im Becherglas vereinigt wurden, wird das Säuregemisch auf

ca. 20 °C heruntergekühlt.

3. Nun gibt man in das Säuregemisch (die Nitriersäure) 10 g Watte325 in kleinen Portionen

von etwa 0,5 g. Dabei wird jede Portion einzeln in die Nitriersäure gegeben und mit ei-

nem Glasstab untertaucht und durch Drücken mit dem Glasstab dafür gesorgt, dass die

Watteportionen auch vollständig mit Säure vollgesogen sind. Während dieses gesamten

324 Grosse Austing, J. (2008) S.168ff.

325 Es ist wichtig Watte mit 100% Baumwolle zu verwenden. Sehr gut eignen sich Abschminktücher aus dem Drogeriemarkt.

600

200

400

800 mL

on

oC

100.4

1. Zugabe H2SO4

3. Zugabe Watte

Watte (100% Baumwolle) Schwefelsäure

Salpetersäure Eisbad

2. Zugabe HNO3



279

Vorgangs muss das Becherglas weiter gekühlt werden. Die Temperatur sollte nie über 25

°C steigen. Das Reaktionsgemisch wird nun noch bei gelegentlichem Rühren für ca. 25

Minuten stehen gelassen.

4. Jetzt werden die Watteportionen mit der Tiegelzange aus der Nitriersäure genommen

und mit der Tiegelzange und den Säurehandschuhen über dem Becherglas ausgedrückt.

Die ausgedrückten Watteportionen werden in eine mit Wasser gefüllte Kristallisierschale

gegeben. Die Kristallisierschale wird in ein Waschbecken gestellt und es wird stetig fri-

sches, kaltes Wasser in die Kristallisierschale laufen gelassen. Während dieses Wa-

schens mit Wasser werden die Watteportionen mit den mit Säurehandschuhen ge-

schützten Händen durch Kneten gewaschen. Dieser Vorgang sollte etwa 5 Minuten

dauern.

5. Anschließend werden die Watteportionen in ein Becherglas gegeben, in dem sich eine

Lösung von 25,2 g Natriumcarbonat in 300 mL entionisiertem Wasser befindet.

6. Nachdem die Watte in der Natriumcarbonatlösung gewaschen wurde, wird sie erneut

ausgewrungen und in ein Wasserbad gegeben, in das stetig frisches, kaltes Wasser

nachläuft. Mit dem pH-Papier wird nun das Waschwasser auf Säurefreiheit getestet. Soll-

te das Wasser immer noch sauer sein, so wird das Waschen in Natriumcarbonat-Lösung

bis zur Säurefreiheit wiederholt.

7. Die Watteportionen werden nun erneut gut ausgewrungen und dann zum Trocknen drei

Stunden in den Trockenschrank bei einer Temperatur von maximal 40 °C gegeben.

2. Deflagration

Zur Deflagration der Wolle gibt es verschiedene Möglichkeiten:

2.1 Deflagration auf der Hand

Vor der Deflagration auf der Hand sollte die Qualität der Nitrocellulose auf einer feuerfesten

Unterlage getestet werden. Dazu wird eine in etwa wallnussgroße Portion etwas aus-

einandergezupft, auf eine feuerfeste Unterlage gelegt und anschließend mit einem Feuer-

zeug entzündet. Deflagriert die Nitrocellulose stark genug, so kann die Deflagration auf der

offenen Handfläche versucht werden

2.2 Deflagration auf der Heizplatte

Ein etwa walnussgroßes Stück der Nitrocellulose wird auseinandergezupft auf eine heiße

Heizplatte fallen gelassen.


280

2.3 Hammer und Amboss

Eine kleine Portion der Schießbaumwolle (etwa die Größe einer Haselnuss) wird auf einen

Amboss gelegt und anschließend mit einem kräftigen Hammerschlag zur Detonation ge-

bracht.

Beobachtung:

Bei der Zugabe der Schwefelsäure zur Salpetersäure steigt die Temperatur des Gemisches

schlagartig auf bis zu 40 °C an.

Wenn die nitrierte Watte in das Waschwasser gegeben wird, färbt sich die Watte durch ent-

stehende nitrose Gase rötlich-braun. Nach kurzer Zeit nimmt die Watte durch das Waschen

jedoch wieder eine weiße Farbe an. Das Waschwasser der nitrierten Watte zeigt einen sau-

ren pH-Wert. Nachdem die Watteportionen in der Natriumcarbonat-Lösung gewaschen wur-

den, ist das Waschwasser neutral. Die Watte deflagriert in weniger als einer Sekunde mit

einer hellgelben Flamme.

Entsorgung:

Die Nitrocellulose wird vollständig verbrannt oder in einem Plastikgefäß ethanolfeucht gela-

gert. Für eine weitere Deflagration wird die Nitrocellulose vorher getrocknet.

Verbliebene Nitriersäure wird neutralisiert und in den Ausguss gegeben.

Abb.2+3 Deflagration der Watte auf der Hand


281

Auswertung:

1. Cellulose

Cellulose ist das wichtigste Gerüstpolysaccharid der höheren Pflanzen und die am weitesten

verbreitete organische Substanz der Erde. So werden jährlich schätzungsweise 1015 kg Cel-

lulose auf- und abgebaut und mit 10 Billionen Tonnen liegt mehr als die Hälfte des gesamten

Kohlenstoffs der Biosphäre in Cellulose gebunden vor.326 So macht die Cellulose z.B. 10-20

% der Trockenmasse von Blättern aus, und 90 % der Masse von Baumwollfaser, aus der

leicht reine Baumwolle gewonnen werden kann.327 Die bedeutendste Cellulosequelle ist je-

doch Holz, das zu 40-50 % aus Cellulose besteht. Der Rest des Holzes besteht zu 1/3 aus

Hemicellulose und 2/3 aus Lignin.

Die Cellulose ist ein Polysaccharid, dass ausschließlich aus unverzweigten Ketten von D-

Glucosemolekühlen besteht, die β- (1,4)- glykosidisch verknüpft sind. Dabei besteht ein Mo-

lekül Glucose im Durchschnitt aus 3000 Glucose-Einheiten und besitzt eine molare Masse

von etwa 5000 g/mol.328

326 Nuhn, P. (2006), S.157

327 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E. (1994), S.950


O

OH

OOHO

OH

O

OH

H

OOH

OH

O

OH

OOH

OH

O

OH

OOH

OH

n

Abb.4 Cellulose in der Haworth- und Sesselschreibweise

O

H

HH

H

OOH

H OH

O

OH

O

H

HH

H

OH

H OH

O

OH

O

H

HH

H

OH

H OH

O

OH

O

H

HH

H

OH

H OH

O

OH n


282

Durch die β-glykosidische Anordnung und der damit verbundenen linearen Anordnung der

Glucose-Moleküle in der Cellulose bilden sich sowohl intramolekular als auch zwischen be-

nachbarten Ketten intermolekular Wasserstoffbrückenbindungen aus.

Durch diese Zusammenlagerung der Makromoleküle und mittels Ausbildung von Wassers-

toffbrückenbindungen ist die Cellulose wasserunlöslich. Des Weiteren verleiht die Bündel-

lung aus Polymerketten der Cellulose strukturelle Stäke, was die Cellulose zu einem idealen

Gerüststoff der Pflanzen macht.329

2. Nitrierung der Cellulose

Da das Stickstoffatom der Nitrogruppe nicht elektrophil genug zur Nitrierung der Baumwolle

ist, muss es zuerst aktiviert werden. Dies geschieht durch die Zugabe von Schwefelsäure zur

Salpetersäure.

Schwefelsäure hat eine starke hygroskopische Wirkung. Wenn konzentrierte Schwefelsäure

zur Salpetersäure gegeben wird, so geht die Salpetersäure unter Wasserabspaltung quanti-

tativ in das Nitryl-Kation über (Mechanismus Abb.6). 330

HNO3 + 2 H2SO4 NO2+

+ H3O+ + 2 HSO4

-

329 Bruice, P.Y.(2007), S.1148

330 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995), S.586

Intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: blau

Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: rot

O

O

OOHO

O

O

OOO

O

OOO

O

OO

OH

O

O

OOH

O

OH

O

O

OOO

OH

OOO

O

OO

H OH

H

H OH

H

H

OH

O

OH

OOH

O

OH

OO

H

H

OH

OHOH

HH

OHH

H

HOH

H

H

n

Abb.5 Darstellung der Inter-und Intramolekularen Wechselwirkungen der Cellulose


283

331

In diesem Nitronium-Ion ist die Ladung weitestgehend am Stickstoff lokalisiert. Das Nitro-

nium-Ion ist somit ein sehr gutes Elektrophil, das nach dem Mechanismus einer nucleophilen

Addition mit der Cellulose reagiert (Abb.7).


N+

O-

O

OH

H OSO3H

H

N+

O-

O

O+

H

+ HSO4

-

H

N+

O-

O

O+

H

OH2 + N+

OO

Nitronium-Ion

Schwefelsäure

O

OH

OOHO

OH

+ N+

O

O

O

OH

OOH

O

O+

N OO

H

- H+

O

OH

OOH

O

ONO2 + 2 NO2

- 2 H+

O

ONO2

OO2NOO

ONO2

n n

nn

Abb.6 Mechanismus der Bildung des Nytril-Kations

Abb.7 Mechanismus der Baumwoll-Nitrierung


284

Cellulosenitrat verbrennt beim Entzünden auch in Abwesenheit von Sauerstoff, ist reibungs-

und hitzeempfindlich. Die Verbrennung verläuft ohne Rauchentwicklung und ist stark exo-

therm (Abb.8).

2 + 4 O2 (g) 12 CO2 (g) + 3 N2 (g) + 6 H2O (g)

Die sich in dieser Reaktion entwickelnden Gase sind auch für die Heftigkeit der Reaktion

verantwortlich. Die Verbrennung geht mit einem hohen Entropiegewinn einher, da in der

Reaktion ein fünfmal so großes Gasvolumen entsteht.

Wie an der Reaktionsgleichung zu erkennen ist, werden die freien Hydroxyl-Gruppen in ihre

Nitratester überführt. Aus diesem Grund ist der oft geläufige Name „Nitrocellulose“ streng

genommen falsch, da es sich nicht um Nitrogruppen handelt.

3. Hintergrundwissen: Cellulosenitrat

Cellulosenitrat ist der wichtigste anorganische Celluloseester. Der Nitrierungsgrad von Cellu-

losenitrat wird oft mit % Stickstoff bezeichnet. Bei einem Nitrierungsgrad von 60-75 % spricht

man von Celluloid und Lackwolle, Cellodiumwollen haben einen Nitrierungsgrad von 75-85 %

und einen entsprechenden Stickstoffgehalt von 11,5-12,6 %. Bei hoch nitrierter Cellulose, mit

einem durchschnittlichen Stickstoffgehalt von 13,0 – 13,4 %, spricht man von sogenannter

Schießbaumwolle. 332

Bereits 1838 soll T.J. Pelouze Papier nitriert haben. Im Jahre 1847 haben der Frankfurter

(am Main) Böttger und C.F. Schönebein aus Basel Baumwolle nitriert. Basierend auf dieser

Entdeckung wurde ca. 1869 der erste Kunststoff der Welt, das Celluloid entwickelt. Dieser

Kunststoff bestand zu 25-30 Gewichtsprozent aus Campher und zu 70-75 Gewichtsprozent

332 RÖMPP Online, Stichwort “Schießbaumwolle“ (letzter Zugriff 14.03.10)

Abb.8 Reaktionsgleichung der Verbrennung von Schießbaumwolle

O

H

HH

H

ONO2

H ONO2

ONO2

O


285

aus Cellulosedinitrat. Zu Beginn wurde dieser Kunststoff zur Herstellung von Billardkugeln

eingesetzt, die bis zu diesem Zeitpunkt aus Elfenbein hergestellt wurden.333

Ab dem Jahre 1884 wurden kurzzeitig Endlosfasern von Viskose-Seide, auch „Schwieger-

mutterseide“ oder „Chardonnaitsaide“ genannt, angefertigt. Dies fand aber ein jähes Ende

als bei einem spektakulären Unfall in einem Londoner Salon solche Roben abflammten.334

Auch der Rückgang der Nachfrage nach dem ersten Kunststoff der Welt, dem Celluloid, ist

durch seine leichte Brennbarkeit zu erklären.






nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering. Die Durchführung ist einfach,

jedoch muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, da der Umgang mit den konzentrierten Säu-

ren Gefahren birgt. Alle verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein

und laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien von den Schülern der

Sekundarstufe I und II verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch

durchgeführt werden kann. Wie bereits erwähnt ist das Arbeiten mit den konzentrierten Säu-

ren gefährlich, weshalb nur Schüler mit entsprechender Erfahrung diesen Versuch als Schü-

lerversuch durchführen sollten.

Anhand des Versuchs kann im Unterricht das Thema Nitrierung von Cellulose besprochen

werden. Dabei kennen die Schüler bereits die Nitrierung von Aromaten, wodurch sie auch

die Nitriersäure bereits kennengelernt haben. Dadurch sollte die Theorie des Versuchs für

Schüler gut verständlich sein. Des Weiteren kann anhand dieses Versuchs auf die Herstel-

lung von Kunststoffen eingegangen werden. Das Ergebnis dieses Versuchs, die Verbren-

nung der Schießbaumwolle, ist spektakulär, weshalb die Schüler für diesen Versuch zu be-

geistern sind. Aus diesen Gründen eignet sich dieser Versuch gut als Schulversuch.

333 RÖMPP Online, Stichwort “Celluloid” (letzter Zugriff 14.03.10)

334 RÖMPP Online, Stichwort “Nitrocellulose” (letzter Zugriff 14.03.2010)


286

Literaturangaben:


Grosse Austing, J.B. (2008). Sprengstoffe. Wissenschaftliche Hausarbeit, Universität Mar-burg, Fachbereich Chemie

Holleman, A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter & Co.

Nuhn, P. (2006). Naturstoffchemie: Mikobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Aufla-ge). Stuttgart: S. Hirzel Verlag.

Streitweiser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower E.M. (1994). Organische Chemie (2. Auflage). Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH.








287

Wird Cellulose in ein Gemisch aus Schwefelsäure und Salpetersäure gegeben, so wird die

Cellulose nitriert. Dabei werden die freien Hydroxyl-Gruppen der Cellulose mit Salpetersäure

in Anwesenheit der Schwefelsäure verestert. Es entstehen Nitratester.

I. a) Wie heißt das im Versuch verwendete Gemisch von Schwefelsäure und

Salpetersäure?

b) Welche sehr reaktive Zwischenstufe entsteht bei der Mischung der Säuren?


(Tipp: Auch bei der Nitrierung von aromatischen Verbindungen wird dieses Gemisch

Verwendet!)

II. Zeichne einen Ausschnitt der Strukturformel von Cellulose in dein Heft! Zeichne

daneben die Strukturformel der Schießbaumwolle!

(Tipp: Lies dir den Text am Anfang des Arbeitsblattes noch einmal durch)

III. Warum verbrennt Cellulosenitrat nach der Entzündung?

(Tipp: Informiere dich über die Begriffe „brandfördernder Stoff“ und „brennbarer

Stoff“)

Arbeitsblatt:Schießbaumwolle/Cellulosenitrat Datum:

288

Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung

Zeitaufwand:

Aufbau: 15 Minuten

Durchführung: 80 Minuten + Trockenzeit


Chemikalien:

Materialien:

- Rückflusskühler - Verlängerungsstück mit Schliff335

- Dreihalsrundkolben - Stativmaterial

- Stockthermometer mit Quickfit - Saugflasche und Porzellannutsche

- Heizpilz - Korkring

- Magnetrührer - Pulvertrichter

- Rührfisch - Messzylinder (3x)


einsatz

Wasserstoffpe-

roxid

H2O2

76 mL 22-41 17-26-28-

36/37/39-45

SI+SII

Ameisensäure

76 mL 35 23-26-45

SI+SII

Schwefelsäure

(konz.)

H2SO4

7,6 mL 35 26-30-45

SI+SII

Kleintierstreu 10 g - - - SI+SII

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung

289

Versuchsaufbau:

Durchführung:336

1. Die Apparatur wird entsprechend der Abbildung im Versuchsaufbau aufgebaut.

2. Anschließend wird in einem Becherglas eine Aufschlusslösung aus 76 mL Wasserstoff-

peroxid, 76 mL Ameisensäure und 7,6 mL konzentrierter Schwefelsäure hergestellt.

3. In den Rundkolben werden 10 g Kleintierstreu eingewogen und die Aufschlusslöung zu-

gegeben.

4. Das aufzuschließende Kleintierstreu wird in der Aufschlusslösung für 1 Stunde in der

Siedehitze unter Rückfluss erhitzt. Die Reaktionstemperatur sollte dabei in etwa 100 °C

betragen. Der Heizpilz sollte nur auf Stufe 1-2 betrieben werden, damit eine Verkohlung

des Materials oberhalb der Flüssigkeitsgrenze vermieden wird.

336 Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S. (2003) S.477f.

on on

1.Kleintierstreu

einfüllen

2. Aufschlusslösung

hinzugeben



290

5. Nach Beendigung der Reaktion wird das Produkt mittels Vakuumfiltration („Abnutschen“)

von der noch heißen Lösung abgetrennt.

6. Das Produkt wird anschließend mindestens zweimal mit destilliertem Wasser gewaschen

und anschließend an der Luft oder im Trockenschrank bei 40 °C getrocknet.

Beobachtung:

Nach Zugabe der Aufschlusslösung färbt sich das Gemisch im Rundkolben hellgelb und die

Lösung kocht zunächst stark auf. Im Laufe der Reaktion färbt sich die Aufschlusslösung im-

mer dunkler, bis sie zum Ende der Reaktion braun ist. Durch das Waschen mit Wasser ver-

liert das Reaktionsprodukt seine braune Farbe, bis es schließlich weiß ist. Das Produkt ist

ein fester, faseriger Stoff.

Entsorgung:

Das ligninhaltige Filtrat wird neutralisiert und kann danach in den Ausguss gegeben werden.



291

Auswertung:

1. Rohstoff Holz337

Der Rohstoff, der für die Produktion von Cellulose benötigt wird, ist Holz. Die wichtigsten

Bestandteile des Holzes sind Cellulose (30-50%), Polyosen (auch Hemicellulosen genannt)

(15-30%) und Lignin (20-35%). Des Weiteren sind im Holz noch Bestandteile wie Harze,

Terpene und Wachse enthalten.

Cellulose besteht aus D-Glucoseeinheiten, welche über glycosidische Bindungen miteinan-

der verknüpft sind und weist dabei einen hohen Polymerisationsgrad (bis ca. 15.000) auf.338

Bei den Hemicellulosen handelt es sich ebenfalls um Polysaccharide, die über glykosidische

Bindungen miteinander verknüpft sind. Diese Polysacchraide sind mehr oder weniger ver-

zweigt und haben einen Polymerisationsgrad von 50 bis 250.

Bei Lignin handelt es sich vereinfacht um eine hochmolekulare aromatische Verbindung aus

verschiedenen Phenylpropaneinheiten (Abb.4).

337 Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S. (2003) S.474f.

338 Für nähere Informationen über den Aufbau von Cellulose: s. Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle

Abb.4 Ausschnitt aus einem Lignin-Molekül

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/Lignin_structure.sv


292

Cellulose, Hemicellulosen und Lignin sind im Holz zu einem übermolekularen System ver-

knüpft. Die bandförmigen Cellulosestränge ordnen sich dabei parallel zueinander an und

bilden Elementarfibrillen und die dickeren Mikrofibrillen. Die relativ reißfesten und biegsamen

Cellulosefibrillen sind nun in das als Füllmaterial dienende Lignin eingebettet, sodass sie sich

nicht mehr verschieben können (Abb.5).

Dieses Grundprinzip wird auch bei Stahlbeton verwendet, bei dem sich die Druckfestigkeit

des Betons und die Zugfestigkeit des Stahls ergänzen.

2. Zellstoffgewinnung339

Sulfat-Verfahren

Um aus Holz Cellulose gewinnen zu können, müssen Bestandteile wie Hemicellulosen und

Lignin abgetrennt werden. Das in der Industrie dazu am weitesten verbreitete technische

Verfahren ist das Sulfat-Verfahren. In diesem Verfahren wird das Pflanzenmaterial in einer

Lösung, die vor allem aus Natriumhydroxid und Natriumsulfit besteht, aufgeschlossen. Dabei

wird das Lignin durch die Spaltung von Etherbrücken abgebaut, wobei Phenolate entstehen,

die in Lösung gehen. Durch das Auflösen des Lignins gehen auch die Hemicellulosen in Lö-

339 Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S. (2003) S.477f. und Feckl, J.(1992) S.24ff.

= Hemicellulose

= Cellulose

= Lignin

4 Mikrofibrillen aus 16 Elementarfibrillen, die über Polyosen mitei-

nander verbunden und in Lignin eingebettet sind.

Abb.5 Modell eines Aufbaus einer Holzzellwand


293

sung. Der Name Sulfat-Verfahren kommt daher, dass in diesem Verfahren Natriumsulfat als

Ausgleich zu Verlusten bei der Chemikalienrückgewinnung zugesetzt wird.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Reißfestigkeit des gewonnenen Zellstoffs. Des

Weiteren können in diesem Verfahren Hölzer aller Sorten sowie Pflanzen und Schilf als Aus-

gangsprodukt eingesetzt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der große Wasserver-

brauch, der auch dazu führt, dass große Mengen an organisch belasteten Abwässern ent-

stehen. Zusätzlich bilden sich bei diesem Verfahren geruchsbelästigende Schwefelverbin-

dungen, wie Mercaptane.

Sulfitverfahren

Im Sulfitverfahren werden Holzschnitzel bei Überdruck in einer Lösung von Sulfiten oder

Hydrogensulfiten gekocht. In diesem Verfahren wird durch Spaltung der Etherbrücken und

Substitutionsreaktionen das Lignin zu Ligninsulfonsäure umgesetzt. Der durch dieses Ver-

fahren gewonnene Zellstoff ist jedoch nicht so reißfest wie der aus dem Sulfatverfahren.

Bleichverfahren und Produktionsverteilung

Um aus dem gewonnenen Zellstoff weißes Papier herzustellen, muss dieser, um die restli-

chen Ligninanteile zu entfernen, gebleicht werden. Um dabei die Umwelt zu schonen wird

heutzutage dabei größtenteils auf den Einsatz von Chlor verzichtet und es kommen andere

Chemikalien wie Sauerstoff, Ozon und Peroxide (Natriumperoxid, Wasserstoffperoxid) zum

Einsatz.

Weltweit wird etwa 80% des hergestellten Zellstoffs durch das Sulfat-Verfahren gewonnen

und 10% durch das Sulfit-Verfahren. Im Jahre 2002 wurden in Deutschland knapp 900.000 t

Zellstoff produziert, wobei etwa zwei Drittel durch das Sulfat-Verfahren und ein Drittel durch

das Sulfit-Verfahren hergestellt wurden. Da der Verbrauch in Deutschland jedoch bei über 4

Millionen t lag, musste ein großer Teil des benötigten Zellstoffs meist aus Finnland oder

Schweden importiert werden.

Neue Verfahren zur Zellstoffgewinnung

Seit den dreißiger Jahren des 20. Jahrhundert wird versucht, neue Verfahren zur Gewinnung

von Zellstoff zu entwickeln. Bei einer Entwicklung eines solchen Verfahrens sind vor allem

folgende Punkte maßgebend:

- Möglichst viele Pflanzen sollen als Ausgangsstoff dienen können

- Es muss auch bei einer geringen Anlage wirtschaftliches Arbeiten möglich sein

- Die modernen Umweltstandards müssen erfüllt sein

- Möglichst geringer Verbrauch an Wasser und Chemikalien

- Zellstoff in hoher Ausbeute liefern und leicht bleichbar


294

Nur wenige Verfahren wurden daraufhin entwickelt, die eine realistische Chance zur Umset-

zung im industriellen Maßstab haben. Eines dieser Verfahren ist das sogenannte MILOX

(Milieu pure oxidative pulping). Dieses Verfahren ist das in diesem Versuch angewandte

Verfahren und wird im nächsten Kapitel erläutert.

3. Das MILOX-Verfahren340

Das in Finnland entwickelte chlor- und schwefelfreie Aufschlussverfahren wurde von 1984 an

entwickelt und von 1990 bis 1994 in einer Pilotanlage getestet. Dieses Verfahren eignet sich

besonders für Laubhölzer sowie Nichtholzpflanzen. Die entstehenden Cellulosefasern sind

kurzfasrig und eignen sich aus diesem Grund besonders gut zur Herstellung von Feinpapie-

ren. Vor dem Aufschluss müssen die Holzfasern getrocknet werden, woraufhin sie mit Amei-

sensäure und Wasserstoffperoxid besprüht werden. Der Aufschluss erfolgt in drei Stufen bei

einer Reaktionstemperatur von 105 °C. Am Ende des Prozesses wird der Zellstoff mit Was-

serstoffperoxid-Lösung gebleicht.

Bei der Reaktion von Ameisensäure mit Wasserstoffperoxid wird nach dem Mechanismus

einer Veresterung Peroxoameisensäure gebildet (Abb.6).

340 Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S.(2003) S.476

O

H OH

H+ O

+

H OH

H

OH OHO

H O+

H

OH

H

OH

O

H O

H

O+

H

H

OH

-H2O O+

H O

H

OH

- H+ O

H O OH

Ameisensäure

Peroxoameisensäure

Wasserstoffperoxid

Abb.6 Mechanismus der Bildung von Peroxoameisensäure


295

Für die Aufschlussreaktion sind sowohl Ameisensäure als auch Peroxoameisensäure ent-

scheidend. Zunächst ist Ameisensäure ein gutes Lösungsmittel für Lignin. Des Weiteren

werden durch die Ameisensäure die Etherbrücken innerhalb des Lignins gespalten (Abb.7).

O

CHOH

HOH2COH2C

R1

R2

R3

OH2C

Vereinfachung

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül

R1

O

R3

R2

O

O

HH

AmeisensäureR1

O

R3

R2 R1

O+

R3

R2

H

OH2

R1

OH+R3

R2

O+

H

H

R3

R2

OH R1

OH+

- H+

Abb.7 Spaltung der Etherbrücken des Lignins durch Ameisensäure


296

Zusätzlich zur Spaltung der Etherbrücken reagiert die Ameisensäure mit freien aliphatischen

und phenolischen Hydroxyl-Gruppen des Lignins zu den entsprechenden Estern (Abb.8).

Die Peroxoameisensäure ist ein starkes Oxidationsmittel und oxidiert das gelöste Lignin,

welches dann in einer wasserlöslichen (hydrophilen) Form vorliegt. Dabei ist die Peroxo-

ameisensäure hoch selektiv und reagiert nicht mit der Cellulose oder anderen Polysacchari-

den des Holzes.

Die Vorteile des MILOX-Verfahrens sind vor allem das Arbeiten bei vergleichsweise niedri-

gen Temperaturen und Normaldruck, und die Möglichkeit einer Rückgewinnung der verwen-

deten Ameisensäure. Nachteile des Verfahrens sind u.a. die korrosive Wirkung der einge-

setzten Ameisensäure und die Notwendigkeit einer Vortrocknung des Holzes.

O

CHOH

CH2OHOH2C

R1

R2

R3

OH2C

Vereinfachung

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül

R1

OH

R1

OH

O

OH H

+ H+

O+

OH H

H

+

O

H OH

H

O+

R1

H

O+

OH H

H

O

R1

H

- H2O

H

O+

O

H

R1

H

O

O

R1

Abb.8 Esterbildung von Lignin und Ameisensäure


297


Einordnuung in den Lehrplan:



ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll dabei auf das

Thema nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.


Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ hoch, die Durchführung ist zwar einfach,

dauert aber relativ lange. Alle verwendeten Chemikalien sollten an der Schule vorhanden

sein und laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien von den Schülern

genutzt werden. Aus diesem Grund kann dieser Versuch auch als Schülerversuch durchge-

führt werden. Aufgrund der langen Dauer des Versuchs und der langen Aufbauzeit ist die

Durchführungsmöglichkeit in einer Doppelstunde zumindest zweifelhaft.

Anhand dieses Versuchs können mit den Schülern die verschiedenen Verfahren zur Zell-

stoffgewinnung (Sulfat- und Sulfit- Verfahren) besprochen werden. Dabei kann auch auf

mögliche alternative Verfahren eingegangen werden. Bei den Reaktionsmechanismen han-

delt es sich um Esterbildungen und Etherspaltungen, die den Schülern bekannt sein sollten.

So können sie ihr erlerntes Wissen auf das MILOX-Verfahren übertragen.

Literaturangaben:

Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S. (2003). Ein Experiment zur Zellstoffgewin-nung im Unterricht – säurekatalytischer Aufschluss mit Wasserstoffperoxid und Amei-sensäure. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 56(8), S.473-479

Feckl J. (1992) Lösungsmittelhaltige Verfahren zur Zellstoffherstellung – ein Weg zur Ver-meidung von Emissionen und zur besseren Nutzung nachwachsender Rohstoffe?. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie. 41(7), S.23-27




Abb.4: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Lignin_structure.svg&filetimestamp=

20070424122513


http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Lignin_structure.svg&filetimestamp=20070424122513

298

Versuchsprotokoll:

Superabsorber aus Stärke

Zeitaufwand:


Durchführung: 120 Minuten + Zeit zum trocknen


Chemikalien:

341 Exposition für Schwangere und Stillende ausschließen


einsatz

Ethanol

C2H5OH

(96 Vol.-%)

200 ml 11 7-6

SI+SII

Natriumhydroxid

NaOH 12 g 35 26-37/39-45

SI+SII

Salzsäure

HCL

c = 4 mol /L

50 ml 34-37 26-45

SI+SII

Monochloressigsäu-

re

C2H3O2Cl

9,4 g 23/24/25-34-

50

26-

36/37/39-

45-61-63

SI+SII

341

Dichloressigsäure

C2H2Cl2O2 2,6 g 35-50

(1/2)-26-45-

61

Kartoffelstärke 16,2 g - - - -

III. Experimenteller Teil Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke

299

Materialien:

- Heizrührer

- 3-Hals-Rundkolben 500 / 3x NS29

- Rückflusskühler NS 29

- Thermometer mit Quickfit NS 29

- Stopfen NS 29

- Keck-Klemmen 3x

- Pulvertrichter

- Messzylinder

- Spatel

- Büchnertrichter

- Saugflasche

Versuchsaufbau:

1. Zugabe Kartoffelstärke

2. Zugabe Ethanol

3. Zugabe NaOH

4. Zugabe Monochlor-

Essigsäure

5. Zugabe Dichlor-

Essigsäure



300

Durchführung:342

I. Herstellung der modifizierten Stärke

1. Zunächst wird die Apparatur nach Abb.1 aufgebaut.

2. Jetzt werden 16,2 g Kartoffelstärke in den Rundkolben eingewogen und in 100 mL Etha-

nol suspendiert.

3. Dieser Suspension wird nun eine Lösung von 12 g Natriumhydroxid (0,3 mol) in 25 mL

Wasser hinzugefügt.

4. Die Mischung wird bei geschlossener Apparatur für 15 Minuten gerührt und anschließend

wird eine Temperatur von 50 °C eingestellt.

5. Nach 20 Minuten wird 9,4 g Monochloressigsäure in das Reaktionsgefäß eingerührt und

die Suspension etwa 5 Minuten bei einer Temperatur von 50-60 °Celsius gerührt.

6. Nun werden der Suspension 2,6 g Dichloressigsäure zugefügt und das Reaktionsge-

misch weitere 30 min gerührt.

7. Die abgekühlte Flüssigkeit wird abdekantiert und der visköse Rückstand wird mit 50 mL

Salzsäure behandelt.

8. Anschließend wird der Rückstand mindestens zweimal mit 40 mL Ethanol gewaschen.

9. Das viskose Produkt wird durch Filtration von der Waschlösung getrennt und bei 60 °C

getrocknet.

II. Testen des Produkts auf Quellvermögen

1. Das getrocknete Produkt wird im Mörser mit einem Pistill fein zerrieben.343

2. Das Produkt wird nun auf seine Eigenschaften in Bezug auf Löslichkeit in kaltem Wasser

getestet. Dazu wird in ein Reagenzglas 2 g Kartoffelstärke und in ein zweites Reagenz-

glas 2 g des Produkts eingewogen.

3. In beide Reagenzgläser werden nun 15 mL Wasser gegeben, die Reagenzgläser mit

Gummistopfen verschlossen und kräftig geschüttelt.

342 Zeuke, M. (2005), S.157f.

343 Noch besser eignet sich eine elektrische Kaffeemühle


301

Beobachtung:

Nach der Zugabe von Monochlor-Essigsäure wird das Gemisch im Rundkolben zunehmend

viskoser. Durch die Zugabe von Dichlor-Essigsäure steigt die Viskosität nochmals an, bis der

Rührfisch zu springen beginnt.

Durch die Zugabe von Salzsäure ist das Ausfallen eines weißen Rückstandes zu beobach-

ten, der mittels Ethanol aus dem Produkt herausgewaschen wird.

Nach dem Trocknen ist ein Feststoff entstanden, der sich nur durch eine elektrische Kaffee-

mühle zu einem Pulver verarbeiten lässt.

Nach der Zugabe von Wasser zum Produkt und anschließendem kräftigen Schütteln hat sich

ein festes Gel im Reagenzglas gebildet. Im Gegensatz dazu ist beim Ausgangsprodukt

(Stärke) weder eine Löslichkeit, noch eine Gelbildung zu erkennen.

Entsorgung:

Die bei der Herstellung des Superabsorbers anfallenden Flüssigkeiten werden neutral in den

organischen Abfall entsorgt. Die Lösungen aus der Herstellung des Gels sowie die modifi-

zierte Stärke selbst können in den Haushaltsmüll entsorgt werden.



302

Auswertung:

1. Ethersynthese nach Williamson344

Die Entstehung des Superabsorbers ist mechanistisch mit der Ether-Synthese nach William-

son zu vergleichen. Bei dieser Synthese werden Alkoholatanionen mit Halogenalkanen zu

Ethern in einem zweistufigen Mechanismus umgesetzt:

1.1 Erzeugung des Alkoholatanions:

In der Estersynthese nach Williamson wird das Anion durch metallisches Natrium oder Nat-

riumhydrid (NaH) erzeugt, wobei in einer Redoxreaktion dem Alkohol ein Proton entzogen

wird:

ROH + Na RO- + Na+ + ½ H2

ROH + NaH RO- + Na+ + H2

1.2 Nucleophile Substitution

In der Ethersynthese nach Williamson reagiert das nucleophile Alkoholatanion nach dem

Mechanismus einer nucleophilen Substitution (SN2) mit einem Halogenalkan zu einem Ether

(Abb.4).

344 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 401 und Bruice, P.Y. (2007) S.485

R1 O-

Na+

+ R1 O-

C

R

H H

Cl-

OR1

H

R

H

Cl

R

H H

+ Cl-

Abb.4 Mechanismus der Williamson-Ethersynthese


303

+

n

O

HH

H

OH

H OH

H

OH

O O

O

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

+

2 OH-

2 H2O

n

O

HH

H

OH

H O-

H

OH

OO

O

HH

H

OH

H OH

H

O-

O

Diese Grundreaktion kann nun auf die im Versuch verwendete Stärke und die darin enthalte-

ne α-D-Glucose übertragen werden.

2. Reaktionen des Versuchs

Wie bei der Ethersynthese nach Williamson werden auch in diesem Versuch durch die Zu-

gabe von hoch konzentrierter Natronlauge zahlreiche Hydroxyl-Gruppen des Stärkepolymers

deprotoniert (Abb.5).

Die durch diese Reaktion entstandenen Alkoholate sind gute Nucleophile und reagieren

leicht mit Elektrophilen.

Die zugegebene Mono- und Dichloressigsäure wird zunächst durch die Natronlauge eben-

falls zum Carboxylat deprotoniert. Aufgrund der stark elektronenziehenden Wirkung des

Chlors besitzt dieses Carboxylat ein elektrophiles α-Kohlenstoffatom (Abb.6).

Abb.5 Deprotonierung des Stärkepolymers Exemplarisch für zwei Hydroxy-Gruppen


304

An diesem α-Kohlenstoffatom greift nun ein Alkoholat des Stärkepolymers nach dem Mecha-

nismus einer nucleophilen Substitution (Sn2) an. Dabei werden Ether gebildet, während

Chlorid-Ionen aus dem Molekül austreten (Abb.7).

Abb.6 Polarisierung der Monochloressigsäure der Mono- und Dichloressigsäure

Abb.7 Mechanismus der Etherblidung

C

O

O-

Cl

-Kohlenstoffatom

O

O-

Cl

Cl

Dichloressigsäure Monochloressigsäure

+

n

2

Cl

O

O-

Cl Cl

O

O-

+

O

HH

H

OH

H O-

H

OH

OO

O

HH

H

OH

H OH

H

O-

O

n

O

HH

H

OH

H O

H

OH

O O

O

HH

H

OH

H OH

H

O

O

O-

O

OOH

Cl

+ 2 Cl-


305

Die Dichloressigsäure ist nun dazu in der Lage, zweimal mit einem Elektrophil zu reagieren.

Dadurch werden die Stärkepolymerketten miteinander verbunden und es entsteht ein dreidi-

mensionales Netzwerk (Abb.8).

Durch die Zugabe von Salzsäure in der Aufbereitung werden die meisten Carboxylat-Ionen

wieder zu freien Carbonsäure-Gruppen protoniert.

n

O

HH

H

OH

H O

H

OH

O O

O

HH

H

OH

H OH

H

O

O

COO-

COO-

Cl

n

O

HH

H

OH

H O

H

OH

OO

O

HH

H

OH

H OH

H

O-

O

COO-

+

n

O

HH

H

OH

H O

H

OH

OO

O

HH

H

OH

H OH

H

O

O

COO-

O

HH

H

OH

H O

H

OH

O O

O

HH

H

OH

H OH

H

O

O

COO-

COO-

n

+ Cl-

Abb.8 Bildung eines Dreidimensionalen Netzwerkes


306

3. Erklärung der Eigenschaften des Produkts

Das entstandene Produkt gehört zur einer Gruppe von Polymeren, die als Superabsorber

bezeichnet werden. Diese Polymere sind sehr saugfähig und dazu in der Lage ein Vielfaches

ihrer eigenen Masse an Wasser aufnehmen zu können. Superabsorber geben dieses Was-

ser auch nicht unter moderatem Druck wieder ab. „Die Wasseraufnahmefähigkeit beruht da-

bei auf einer starken Wechselwirkung von Wasser mit hydrophilen Gruppen der Superabsor-

ber, insbesondere ionische Gruppen, oder Gruppen, die zu Wasserstoffbrückenbindungen

fähig sind“345.

Wird der hergestellte Superabsorber in Wasser gegeben, so reagieren die Carboxylgruppen

(Säuregruppen!) mit dem Wasser unter Bildung von Oxonium-Ionen. Dabei bleiben viele ne-

gativ geladene Carboxylat-Anionen im Molekül zurück. Somit herrscht im Inneren des ver-

netzten Makromoleküls eine hohe Ladungsdichte, wodurch ein Konzentrationsgefälle zwi-

schen dem Inneren und der Umgebung des Makromoleküls entsteht. Ähnlich der Osmose

diffundieren Wasser-Moleküle in Richtung des Konzentrationsgefälles ins Innere des Mak-

romoleküls, wo sie durch Wasserstoffbrückenbindungen gebunden werden.346 Dieser Pro-

zess kommt erst zum Erliegen, wenn die Polymerketten so viel Wasser eingelagert haben,

dass sie sich räumlich nicht mehr weiter voneinander entfernen können.347

Der Zusatz von Kochsalz zur Lösung würde dazu führen, dass sich Natriumionen in das In-

nere des Makromoleküls einlagern und die negativen Ladungen kompensieren. Dadurch

345 RÖMPP online, Stichwort „Superabsorber“ (letzter Zugriff: 14.04.2010)

346 Redlin, K.& Lück, G. (2000) S.43

347 http://daten.didaktikchemie.uni+-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm (letzter Zu-griff: 14.04.2010)

Abb.9 Wirkungsweise eines Superabsorbers

http://daten.didaktikchemie.uni+-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm


307

würde die Wasseraufnahmefähigkeit verringert. Aus diesem Grund können Superabsorber

auch mehr entionisiertes Wasser als Leitungswasser aufnehmen.348

Angewendet werden Superabsorber aus Stärke in Hydrogelen für die Ultraschall-Diagnostik,

in Windeln als Feuchtigkeitsschutz, für Lebensmittelverpackungen, als Ionenaustausche und

Flockungsmittel. Da der Hauptausgangsstoff des Superabsorbers Stärke ist, gelten diese als

gesundheitlich unbedenklich, weshalb sie auch in der pharmazeutischen und Lebensmittel-

industrie verwendet werden.349






Reaktionen der Kohlenhydrate, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte

eingegangen werden.


Der Aufbau des Versuchs ist nicht sehr kompliziert, jedoch dauert der Versuch sehr lange

und die verwendeten Chemikalien sind teilweise giftig. Aus diesem Grund eignet sich dieser

Versuch nicht als Schülerversuch und sollte deshalb von der Lehrkraft durchgeführt werden.

Des Weiteren gehören Mono- und Dichloressigsäure nicht zum Standardbestand an den

Schulen, was eine Durchführung an der Schule erschwert.

Die Ethersynthese nach Williamson ist eine Reaktion, die durchaus an der Schule bespro-

chen wird. Somit müsste es auch den Schülern möglich sein, diese auf die Herstellung die-

ses Superabsorbers zu übertragen. Der Superabsorber ist ein Stoff, der Schüler für den Ver-

such begeistern kann, da die Wassermenge, die dieser Stoff aufnehmen kann, doch enorm

ist und somit beeindruckt.

348 Redlin, K.& Lück, G. (2000) S.43

349 Zeuke, M. (2005) S.158


308

Literaturangaben: Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education

Deutschland GmbH.


Zeuke, M.(2005). Superabsorber aus nachwachsenden Rohstoffen- Die gezielte Synthese mit nachwachsenden Rohstoffen. Chemkon, 12(4), S.155-159.

Redlin, K. & Lück, G. (2000). Kunststoffe – Versuche für alle Schularten geeignet. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie, 49(4), S.40-45.




http://daten.didaktikchemie.uni+-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm (letzter

Zugriff: 14.04.2010)


Abb.9: http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm

(Letzter Zugriff: 09.05.2010) Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.



http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm

309

IV. Literatur- und Abbildungsverzeichnis

Bücher, Zeitschriften und Dissertationen:

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Atkins, P.W. (2001). Physikalische Chemie (3. Auflage). Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH.

Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S. (2003). Ein Experiment zur Zellstoffgewin-nung im Unterricht – säurekatalytischer Aufschluss mit Wasserstoffperoxid und Amei-sensäure. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 56(8), S.473-479.

Belitz, H.-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008). Lehrbuch der Lebensmittelchemie (6.Auflage). Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.

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Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005). Medien im Unterricht. Grundlagen und Praxis der Me-diendidaktik (2. Auflage). Baltmannsweiler: Schneider Verlag Hohengehren.

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Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008). Didaktik und Methodik des Filmeinsatzes im allge-meinbildenden Chemieunterricht des Gymnasiums. Unter http://www.leprax.de/phocadownload/didaktik-methodik.pdf (09.04.2010).

Zeuke, M.(2005). Superabsorber aus nachwachsenden Rohstoffen- Die gezielte Synthese mit nachwachsenden Rohstoffen. Chemkon, 12(4), S.155-159.


Digitale Datenbanken:



Internetlinks (nach Abrufdatum geordnet):

http://www.baufachinformation.de/denkmalpflege.jsp?md=2000127125248 (letzter Zugriff 02.04.2010)

http://www.monumente-online.de/09/02/sonderthema/spiegel_barock_schloss.php?seite=2 (letzter Zugriff 02.04.2010)

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=STÄRKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel (letzter Zugriff: 12.04.2010)

http://www.leprax.de/phocadownload/didaktik-methodik.pdf







312

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkein st&con=cirskartoffel_zus (letzter Zugriff: 12.04.2010)

http://daten.didaktikchemie.uni+-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm (letzter Zugriff: 14.04.2010)

http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)

http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff: 25.04.2010)


Abb.39: http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG

(Letzter Zugriff: 11.04.2010)

Abb. 48: Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.635

Bei allen anderen Abbildungen handelt es sich um Privatfotos oder selbst angefertigte

Zeichnungen/Abbildungen.

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkein%20st&con=cirskartoffel_zus

http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkein%20st&con=cirskartoffel_zus





313

V. Anhang

1. Bedeutung der R- und S-Sätze

R-Sätze (Risiko-Sätze – Besondere Gefahren):

R 1 In trockenem Zustand explosionsgefährlich

R 2 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen explosionsgefährlich

R 3 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen besonders explosionsge-

fährlich

R 4 Bildet hochempfindliche explosionsgefährliche Metallverbindungen

R 5 Beim Erwärmen explosionsfähig

R 6 Mit und ohne Luft explosionsfähig

R 7 Kann Brand verursachen

R 8 Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen

R 9 Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen

R 10 Entzündlich

R 11 Leichtentzündlich

R 12 Hochentzündlich

R 14 Reagiert heftig mit Wasser

R 15 Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase

R 16 Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Stoffen

R 17 Selbstentzündlich an der Luft

R 18 Bei Gebrauch Bildung explosionsfähiger / leichtentzündlicher Dampf-Luftgemische

möglich

R 19 Kann explosionsfähige Peroxide bilden

R 20 Gesundheitsschädlich beim Einatmen

R 21 Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut

R 22 Gesundheitsschädlich beim Verschlucken

R 23 Giftig beim Einatmen

R 24 Giftig bei Berührung mit der Haut

R 25 Giftig beim Verschlucken

R 26 Sehr giftig beim Einatmen

R 27 Sehr giftig bei Berührung mit der Haut

R 28 Sehr giftig beim Verschlucken

R 29 Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase

R 30 Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden


314

R 31 Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase

R 32 Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase

R 33 Gefahr kumulativer Wirkung

R 34 Verursacht Verätzungen

R 35 Verursacht schwere Verätzungen

R 36 Reizt die Augen

R 37 Reizt die Atmungsorgane

R 38 Reizt die Haut

R 39 Ernste Gefahr irreversiblen Schadens

R 40 Verdacht auf krebserzeugende Wirkung

R 41 Gefahr ernster Augenschäden

R 42 Sensibilisierung durch Einatmen möglich

R 43 Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich

R 44 Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss

R 45 Kann Krebs erzeugen

R 46 Kann vererbbare Schäden verursachen

R 48 Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition

R 49 Kann Krebs erzeugen beim Einatmen

R 50 Sehr giftig für Wasserorganismen

R 51 Giftig für Wasserorganismen

R 52 Schädlich für Wasserorganismen

R 53 Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben

R 54 Giftig für Pflanzen

R 55 Giftig für Tiere

R 56 Giftig für Bodenorganismen

R 57 Giftig für Bienen

R 58 Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben

R 59 Gefährlich für die Ozonschicht

R 60 Kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen

R 61 Kann das Kind im Mutterleib schädigen

R 62 Kann möglicherweise die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen

R 63 Kann das Kind im Mutterleib möglicherweise schädigen

R 64 Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen

R 65 Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen.

R 66 Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen.

R 67 Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit erzeugen.

R 68 Irreversibler Schaden möglich


315

Kombinierte Sätze:

R 14/15 Reagiert heftig mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase

R 15/29 Reagiert mit Wasser unter Bildung giftiger und hochentzündlicher Gase

R 20/21 Gesundheitsschädlich beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut

R 20/22 Gesundheitsschädlich beim Einatmen und Verschlucken

R 20/21/22 Gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und bei Berührung mit

der Haut

R 21/22 Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken

R 23/24 Giftig beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut

R 23/25 Giftig beim Einatmen und beim Verschlucken

R 23/24/25 Giftig beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut

R 24/25 Giftig bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken

R 26/27 Sehr giftig beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut

R 26/28 Sehr giftig beim Einatmen und Verschlucken

R 26/27/28 Sehr giftig beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut

R 27/28 Sehr giftig bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken

R 36/37 Reizt die Augen und die Atmungsorgane

R 36/38 Reizt die Augen und die Haut

R 36/37/38 Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut

R 39/23 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen

R 39/24 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut

R 39/25 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Verschlucken

R 39/23/24 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und bei Berüh-

rung mit der Haut

R 39/23/25 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch Ver

schlucken

R 39/24/25 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut und

durch Verschlucken

R 39/23/24/25 Giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen,

Berührung mit der Haut und durch Verschlucken

R 39/26 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen

R 39/27 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut

R 39/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Verschlucken

R 39/26/27 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und bei Be-

rührung mit der Haut

R 39/26/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch

Verschlucken


316

R 39/27/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens bei Berührung mit der Haut

und durch Verschlucken

R 39/26/27/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen, Berührung

mit der Haut und durch Verschlucken

R 42/43 Sensibilisierung durch Einatmen und Hautkontakt möglich

R 48/20 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Ex-

position durch Einatmen

R 48/21 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei

längerer Exposition durch Berührung mit der Haut

R 48/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei

längerer Exposition durch Verschlucken

R 48/20/21 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Ex-

position durch Einatmen und durch Berührung mit der Haut


position durch Einatmen und durch Verschlucken


position durch Berührung

R 48/20/21/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Ex-

position durch Einatmen, Berührung mit der Haut und durch Verschlucken

R 48/23 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer

Exposition durch Einatmen

R 48/24 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Be-

rührung mit der Haut

R 48/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Ver-

schlucken

R 48/23/24 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Ei-

natmen und durch Berührung mit der Haut

R 48/23/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer

Exposition durch Einatmen und durch Verschlucken

R 48/24/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Be-

rührung mit der Haut und durch Verschlucken

R 48/23/24/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Ei-

natmen, Berührung mit der Haut und durch Verschlucken

R 50/53 Sehr giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche

Wirkungen haben

R 51/53 Giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wir-

kungen haben


317

R 52/53 Schädlich für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche

Wirkungen haben

R 68/20 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen

R 68/21 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens bei Berührung mit

der Haut

R 68/22 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Verschlu-

cken

R 68/20/21 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen

und bei Berührung mit der Haut

R 68/20/22 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen

und durch Verschlucken

R 68/21/22 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens bei Berührung mit

der Haut und durch Verschlucken

R 68/20/21/22 Gesundheitsschädlich: Möglichkeit irreversiblen Schadens durch Einatmen,

Berührung mit der Haut und durch Verschlucken

S-Sätze (Sicherheitsratschläge):

S 1 Unter Verschluss aufbewahren

S 2 Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen

S 3 Kühl aufbewahren

S 4 Von Wohnplätzen fernhalten

S 5 Unter ........ aufbewahren (geeignete Flüssigkeit vom Hersteller anzugeben)

S 6 Unter ........ aufbewahren (inertes Gas vom Hersteller anzugeben)

S 7 Behälter dicht geschlossen halten

S 8 Behälter trocken halten

S 9 Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren

S 12 Behälter nicht gasdicht verschließen

S 13 Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten

S 14 Von ....... fernhalten (inkompatible Substanzen sind vom Hersteller anzugeben)

S 15 Vor Hitze schützen

S 16 Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen

S 17 Von brennbaren Stoffen fernhalten

S 18 Behälter mit Vorsicht öffnen und handhaben

S 20 Bei der Arbeit nicht essen und trinken

S 21 Bei der Arbeit nicht rauchen

S 22 Staub nicht einatmen

S 23 Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen (geeignete Bezeichnung(en) vom Herstel-

ler anzugeben)


318

S 24 Berührung mit der Haut vermeiden

S 25 Berührung mit den Augen vermeiden

S 26 Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsul-

tieren

S 27 Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen

S 28 Bei Berührung mit der Haut sofort mit viel ...... abwaschen (vom Hersteller anzuge-

ben)

S 29 Nicht in die Kanalisation gelangen lassen

S 30 Niemals Wasser hinzugießen

S 33 Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen

S 35 Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden

S 36 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen

S 37 Geeignete Schutzhandschuhe tragen

S 38 Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät anlegen

S 40 Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit ...... reinigen (Material vom Hersteller

anzugeben).

S 41 Explosions- und Brandgase nicht einatmen

S 42 Bei Räuchern/Versprühen geeignetes Atemschutzgerät anlegen u. (geeignete Be-

zeichnung(en) vom Hersteller anzugeben)

S 43 Zum Löschen ........(vom Hersteller anzugeben) verwenden (wenn Wasser die Gefahr

erhöht, anfügen: "Kein Wasser verwenden")

S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich dieses Etikett vor-

zeigen)

S 46 Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzei-

gen

S 47 Nicht bei Temperaturen über ..... °C aufbewahren (vom Hersteller anzugeben)

S 48 Feucht halten mit ..... (geeignetes Mittel vom Hersteller anzugeben)

S 49 Nur im Originalbehälter aufbewahren

S 50 Nicht mischen mit ..... (vom Hersteller anzugeben)

S 51 Nur in gut gelüfteten Bereichen verwenden

S 52 Nicht großflächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden

S 53 Exposition vermeiden - vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen

S 56 Diesen Stoff und seinen Behälter der Problemabfallentsorgung zuführen

S 57 Zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt geeigneten Behälter verwenden

S 59 Information zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller/Lieferanten

erfragen

S 60 Dieser Stoff und sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen


319

S 61 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einho-

len/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen

S 62 Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen und

Verpackung oder dieses Etikett vorzeigen

S 63 Bei Unfall durch Einatmen: Verunfallten an die frische Luft bringen und ruhigstellen

S 64 Bei Verschlucken Mund mit Wasser ausspülen (nur wenn Verunfallter bei Bewuss-

tsein ist)

2. DVD


320

3. Versicherung

Ich versichere hiermit, dass die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, keine anderen als

die angegebenen Hilfsmittel verwendet und sämtliche Stellen, die den benutzten Werken

dem Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben kenntlich gemacht

sind. Alle wörtlich entnommenen Stellen sind als Zitate kenntlich gemacht.

Sämtliche Speichermedien, auf denen der Text der Arbeit gespeichert wurde, befinden sich

in meinem Besitz oder sind dritten nicht zugänglich.

Marburg, den 14.05.2010

Andreas Gerner

Filmexperimente im Chemieunterricht Schwerpunkt ... 4.2 Intramolekularer Ringschluss 33 4.2.1 Zucker...

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