V20 Natürliche Indikatoren - chids.de · V20 Natürliche Indikatoren Fach Klasse Überthema...
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V20 Natürliche Indikatoren
Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit
Chemie Q4 Farbstoffe pH-Indikator 90 Minuten
Zusammenfassung
Der Versuch stellt im Wesentlichen einen Zusatzversuch zu V19 dar. Es werden roter
und schwarzer Tee mit Säure, bzw. Base, versetzt und die auftretenden Farbänderungen
beobachtet. Zudem werden verschiedene rote bis blaue Blüten mit Säure und Base
versetzt.
Einordnung in den Unterricht1
Der Versuch ist nach dem hessischen Lehrplan G8 der Qualifikationsphase Q4 dem
Wahlthema angewandte Chemie zuzuordnen. Dort kann er zum Unterrichtsinhalt
Farbstoffe und genauer pH-Indikatoren durchgeführt werden. Als Vorwissen
benötigen die SuS ihre Kenntnisse aus den Halbjahren 9G.2 und Q1, in denen es um die
Säure-Base-Theorien und aromatische Kohlenwasserstoffe geht. Durch den Versuch
wird den SuS gezeigt, dass pH-Indikatoren Farbstoffe sind, die bei Änderung des pH-
Wertes ihre Farbe ändern und so anzeigen, ob es sich um eine Säure oder Base handelt.
Den SuS sind solche Indikatoren aus dem Unterrichtsalltag bereits bekannt, jedoch kann
die dahinterstehende Theorie erst verstanden werden, nachdem den SuS die Prinzipien
der Farbigkeit von Stoffen erläutert wurden. Überdies zeigt der Versuch, dass pH-
Indikatoren nicht nur synthetisch hergestellte Stoffe sind, die im Chemieunterricht
verwendet werden, sondern dass es natürliche Farbstoffe gibt, die als pH-Indikatoren
fungieren können. Weiterhin bietet der Versuch einen guten Einstieg in die
unterschiedlichen Farbstoffklassen, indem an ein bereits bekanntes Phänomen aus dem
Unterricht angeknüpft wird. Versuche mit Anthocyanen bieten sich darüber hinaus sehr
gut an, da sie zum einen ungefährlich sind und so bedenkenlos von den SuS gehandhabt
1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).
werden können und zum anderen, weil anschauliche Experimente zu verschiedenen
Aspekten möglich sind mit denen die SuS etwas anfangen können.
Der Versuch
Die Durchführung2
Abbildung 1: Übersicht über die verwendeten Materialien.
Abbildung 2: Übersicht über die Versuchsanordnung für den Rosenindikator.
2 Schwedt, G.: Experimente mit Supermarktprodukten – Eine chemische Warenkunde. S 121.
Versuchsteil a)
Zwei Tassen schwarzer Tee und zwei Tassen roter Tee (zum Beispiel Hagebuttentee)
werden zubereitet. Anschließend wird in je eine Tasse roter und eine Tasse schwarzer
Tee etwas Essigessenz gegeben. In die anderen beiden Tassen wird Soda hinzugefügt.
Versuchsteil b)
Es werden blaue und rote Blüten gesucht und gepflückt. Besonders eignen sich für den
Versuch die Blüten der Raublattgewächse (Boraginaceae) wie zum Beispiel dem
Lungenkraut (Pulmonaria officinalis), dem gewöhnlichen Natternkopf (Echium vulgare)
oder Borretsch (Borago officinalis). Auch Rosenblüten können getestet werden.
Anschließend wird ein Gefäß mit verdünnter Essigessenz und eins mit gesättigter
Sodalösung gefüllt. Nun werden einige der verschiedenen Blüten sowohl ins saure als
auch ins basische Milieu getaucht und beobachtet.
Versuchsteil c)
Nun werden zwei Rosenblüten genommen und ihre Blütenblätter für fünf Minuten in
200 mL Wasser aufgekocht. Anschließend wird der erhaltene Rosenblütenextrakt auf 5
Schnappdeckelgläschen aufgeteilt und mit folgenden Stoffen versetzt: Essigessenz,
Zitronensaft, Kaisernatron, Soda, Rohrfrei. Zu einem weiteren Schnappdeckelgläschen
werden etwas Blütenextrakt und ein wenig Wasser gefüllt. Diese Probe dient als
Vergleichsprobe
Die Beobachtung
Versuchsteil a)
Wird zu schwarzem Tee Essigessenz gegeben, so hellt sich dessen Farbe in ein hellbraun
auf. Wird zum schwarzen Tee Soda gegeben, so verändert sich die dunkelbraune Farbe
nach schwarz.
Abbildung 3: Links: Schwarzer Tee mit zugegebener Essigessenz. Rechts: Schwarzer Tee mit Soda.
Bei rotem Tee hellt sich die Fabe bei Zugabe von Essigessenz ebenfalls zu einem hellrot
auf. Wird Soda hinzugegeben, so verdunkelt sich die Farbe stark ins grünschwarze.
Abbildung 4: Links: Roter Tee mit Essigessenz. Rechts: Roter Tee mit Soda.
Versuchsteil b)
Die in die Essigessenz getauchten Blüten werden mit der Zeit heller. Bei den blauen
Blüten der Boragniaceae verändert sich die Farbe hin zu einem hellen rotviolett. Bei
Rosenblättern ist nur eine leichte Aufhellung des roten Tons zu erkennen. Werden die
Blüten in die gesättigte Sodalösung getaucht, so erscheinen sie dunkler und verlieren
ihre Farbe nach einiger Zeit ganz. Sehr deutlich ist dieser Effekt bei den Borretschblüten.
Die Rosenblätter werden lediglich an manchen Stellen etwas dunkler. Blütenblätter von
Borretsch, Natternkopf und Lungenkraut verändern ihre Farbe reversibel, je nachdem,
ob sie gerade im Basischen oder Sauren sind. Verlieren die Blüten jedoch im Basischen
ihre Farbe, so ist keine Umfärbung mehr möglich.
Abbildung 5: Links: Blüte des Natternkops in Essigessenz. Aufhellung ins Rote. Rechts: Natternkopf in Soda-Lösung. Verfärbung ins Dunkelblaue.
Abbildung 6: Links: Aufhellung der Rosenblätter im Sauren. Rechts: Dunkelverfärbung im Basischen.
Versuchsteil c)
Die Blütenblätter verlieren beim Kochen mit der Zeit ihre Farbe und färben das
Kochwasser grünrot.
Abbildung 7: Extrakt aus Rosenblättern nach fünf minütigem Kochen in Wasser.
Bei Zugabe von den verschiedenen Substanzen können folgende Beobachtungen
gemacht werden:
Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1: Versuchsbeobachtung bei Zugabe der verschiedenen Stoffe zu dem Rosenextrakt.
Zugabe von: Farbveränderung nach:
Zitronensaft Intensiv rot
Essigessenz hellrot
Wasser unverändert hellgrün
Kaisernatron grasgrün
Soda grüngelb
Rohrfrei gelb
Abbildung 8: Der Rosenindikator. Von links nach rechts mit folgenden Substanzen versetzt: Zitronensäure, Essigessenz, Wasser, Kaisernatron, Soda, Rohrfrei.
Entsorgung
Die Lösungen können in den Abfluss entsorgt werden. Die Blütenreste kommen in den
Biomüll.
Fachlicher Hintergrund
Der Versuch basiert auf den gleichen chemischen Grundlagen, wie der Versuch V19. Er
kann sowohl als eigenständiger Versuch als auch als zusätzliche Variation zu diesem
durchgeführt werden.
Was ist ein pH-Indikator? Welche pH-Indikatoren kennst du bereits aus dem
Unterricht? Wie funktionieren sie?
Durch den Versuch wird gezeigt, wie pH-Indikatoren funktionieren. Indikatoren sind
Stoffe, die es ermöglichen, Prozessen zu folgen. Dies bedeutet, dass zum Beispiel der
Verlauf einer chemischen Reaktion oder der Zustand, in dem sich ein chemisches System
befindet, sichtbar gemacht wird.3 Dadurch, dass der Farbstoff seine Farbe in
Abhängigkeit des pH-Werts ändert, wird dadurch indirekt gezeigt, welcher pH-Wert in
der Lösung vorliegt. Durch die unterschiedlichen Farbnuancen kann sogar abgeschätzt
werden, ob es sich um eine stark saure oder schwach saure Lösung, bzw. eine schwach
basische oder stark basische Lösung, handelt. Allerdings kann nicht exakt bestimmt
werden, welcher pH-Wert in der Lösung vorliegt. Dies bedeutet, dass nicht bei jeder pH-
Stufe ein deutlicher Farbumschlag erfolgt. Daher werden im Labor sogenannte
Universalindikatoren eingesetzt. Diese sind Mischungen aus mehreren pH-Indikatoren,
sodass für weitere pH-Bereiche definierte Farbumschläge erkennbar sind und so
genauere Angaben über den pH-Wert gemacht werden können.4
Polyphenole – Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe
Die Stoffe, die den schwarzen Tee und die Blüten färben, zählen zu den Polyphenolen,
einer Gruppe von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen. Polyphenole sind pflanzliche
Sekundärmetaboliten, die ausschließlich aus dem Shikimat-Phenylpropan-Syntheseweg
oder dem Polyketid-Syntheseweg stammen. Sie müssen mindestens einen Phenolring
enthalten und dürfen keine Stickstofffunktionen aufweisen.5 Diese Stoffgruppe ist sehr
heterogen und weitläufig.6 Zu ihnen zählen unter anderem die Flavonoide, zu denen die
3 Vgl. Neupert, M.: Indikatoren. In: Thieme RÖMPP Online. URL: http://www.roempp.com/prod/. Letzter Zugriff am: 03.10.2011 . 4 Vgl. Neupert, M.: Indikatoren. In: Thieme RÖMPP Online. URL: http://www.roempp.com/prod/. Letzter Zugriff am: 03.10.2011 . 5 Vgl. In: Angewandte Chemie. Volume 123/Issue3. 2011. S. 618. 6 Vgl. Pott, R.: Biodiversitätsforschung. Naturwirkstoffe aus Pflanzen. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 44/ Issue 4. 2010. S. 267.
in den Blütenfarbstoffen enthaltenen Anthocyane und die im schwarzen Tee
vorkommenden Flavonole und Flavanole (Catechine) gehören.
Abbildung 9: Übersicht über einige Untergruppen der Polyphenole.7
Die Flavonoide sind, die in der Natur am weitesten verbreiteten, Polyphenole, von denen
bereits mehr als 6000 Konstitutionsisomere bekannt sind. Neben der aroma- und
farbgebenden Funktion, wirken die Polyphenole auch zum Schutz gegen Schädlinge,
Krankheiten und bewahren die Pflanze vor oxidativen Schäden. Weiterhin wird ihnen
eine gesundheitsfördernde Wirkung zugeschrieben. Flavonoide senken demnach das
Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, besitzen eine Krebsrisiko senkende,
antimikrobielle und Immunsystem unterstützende Wirkung. 8
Schlage nach, welcher Farbstoff in roten Blüten enthalten ist. Zu welcher
Farbstoffklasse gehören diese Farbstoffe? Zeichne das Grundgerüst!
Im Sommer erscheinen viele Blumen in herrlichen Farben von violett bis rot. Die
meisten dieser Blütenfarben gehen auf die Farbstoffklasse der Anthocyane, die zu den
Flavonoiden und somit zu der Stoffklasse der Polyphenole zählen, zurück. Auch in rot bis
violetten Früchten und in manchen Gemüsearten, wie dem Rotkohl, sind sie enthalten.
7 Engelhardt, U..: Wissenschaftlicher Informationsdienst Tee. Polyphenole im Tee. In: Deutscher Teeverband e.V.. URL: http://www.teeverband.de/texte/download/WIT1-98end.pdf. Letzter Zugriff am: 08.01.2011. 8 Vgl. Pott, R.: Biodiversitätsforschung. Naturwirkstoffe aus Pflanzen. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 44/ Issue 4. 2010. S. 267.
Polyphenole
Hydroxybenzoesäuren Hydroxyzimtsäuren Flavonoide
Flavanole
oder Catechine
Proanthocyanidine Kondensationsprodukte:
Theaflavine, Thearubigine
Flavone Flavonole Anthocyane Flavanone
Ebenso erfolgt die Färbung der Schalen von Hülsenfrüchten durch die Farbstoffklasse
der Anthocyane. Die charakteristischen Farben sind durch Absorption in einem
Wellenlängenbereich von 465-560 nm gegeben. Das jeweilige Absorptionsmaximum,
wird durch die spezifische Struktur und den pH-Wert beeinflusst.9
Das Grundgerüst der Anthocyane, das Flavyliumkation, besteht aus zwei aromatischen
Ringen (A,B) und einem mittleren, sauerstoffhaltigen, heterocyclischen Ring (C).
O+
R
R1
R2
R3
R4
R6
B
CA3
5
12
4
6
7
8
Je nachdem, um welches Anthocyan es sich handelt, unterscheiden sich die einzelnen
Reste, sodass eine Vielzahl unterschiedlicher Anthocyane existiert. In der Pflanze
kommen sie nicht frei, sondern glykosidisch gebunden vor. Durch die glykosidische
Bindung werden die Anthocyane wasserlöslich und sind besser stabilisiert. Liegen die
Farbstoffe ohne Zuckerreste vor, so werden sie als Anthocyanidine bezeichnet. Die
folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Anthocyane, die Glykoside
der Anthocyanidine.
9 Vgl. Watzl, B., Briviba, K., Rechkemmer, G.: Basiswissen aktualisiert - Anthocyane. In: Ernährungs-Umschau 49/Heft 4. Karlsruhe 2002. S. 148-150. URL: http://www.mri.bund.de/fileadmin/Institute/PBE/Sekundaere_Pflanzenstoffe/Anthocyane.pdf. Letzter Zugriff am: 20.10.2011.
Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-2: Übersicht über die wichtigsten Glykoside der Anthocyanidine.10
B
CA3
5
O
OH
O
OHOH
OH
O+
R
R1
R2
OR5
R6
O
OH OHOH
OH
Anthocyan Aglycon R R2
Pelargonin Pelargonidin H H
Cyanin Cyanidin OH H
Päonin Päonidin OCH3 H
Delphin Delphinidin OH OH
Petunin Petunidin OCH3 H
Malvin Malvinidin OCH3 OCH3
In dem Versuch wird bewiesen, dass der pH-Wert der Lösung die Farbigkeit der
Anthocyane in den Blüten der einzelnen Blumen beeinflusst. Sie können daher als
sogenannte pH-Indikatoren eingesetzt werden. Allerdings kann nur darüber Auskunft
gegeben werden, ob es sich um ein saures oder basisches Milieu handelt. Darüber wie
sauer oder basisch die Lösung ist, kann keine eindeutige Aussage getroffen werden.
Der Rosenextrakt: Chemische Hintergründe zu den Farbänderungen der
Anthocyane in Abhängigkeit vom pH-Wert
In roten Rosen ist das Anthocyan Cyanin enthalten.
10 Vgl. Gotot, T., Kondo, T.: Struktur und molekulare Stapelung von Anthocyanen - Variation der Blütenfarben. In: Angewandte Chemie. Volume 103/Issue 1. S. 17-18.
B
CA3
O
OH
O
OHOH
OH
O+
OH
OH
O
OH
O
OH OHOH
OH
B
CA3
OH
O+
OH
OH
OH
OH
Cyanidin Cyanin
In Abhängigkeit vom pH-Wert weist Cyanin verschiedene Farbigkeit auf. Prinzipiell
besitzen alle Anthocyane eine Indikatorwirkung, allerdings sind die auftretenden
Farbschattierungen im Sauren oder Basischen je nachdem, um welches spezielle
Anthocyan es sich handelt, verschieden. Das gesamte Elektronensystem ist für die
auftretende Farbigkeit verantwortlich. Je größer das konjugierte -Elektronensystem,
desto stärker ist seine energieärmste Absorptionsbande in den langwelligen Bereich
verschoben. Dieser Effekt wird als bathochrome Verschiebung bezeichnet. Die Größe
des Elektronensystems ändert sich durch die jeweiligen Säure-Base-Reaktionen,
wodurch ebenfalls die Absorptionsbande verändert wird, was sich im Farbeindruck
auswirkt. Im sauren Milieu liegen die Anthocyane als Kationen vor, die rot erscheinen.11
O+
OH
OH
OH
OH
OH
Flavyliumkation
pH-Wert < 3
max = 510 nm
O
OH
OH
OH
OH
OHOH
Carbinol Pseudobase
pH-Wert 4-5
farblos
+H2O, - H+
Im Neutralen liegt überwiegend ein Flavenol mit einer violetten Färbung vor, welches
im Gleichgewicht mit der farblosen Pseudobase steht. Eine farblose Lösung kann daher
11 Das Anthocyan Pelargoninchlorid zeigt eine eher gelbrote Färbung auf, Cyaninchlorid hingegen ist im Sauren eher rotviolett.
zu keinem Zeitpunkt beobachtet werden. Die zu beobachtende Farbvertiefung ist auf die
Bildung eines sogenannten chinoiden Systems zurückzuführen. Im alkalischen Milieu
liegt ein Farbanion vor, welches eine blaue Farbe besitzt. In diesem ist die
Delokalisierung der -Elektronen über die drei Sechsringe und die Sauerstoffatome der
Phenolat-Gruppen möglich.
O
OH
OH
OH
OH
O
Flavenol
pH-Wert 6-7
- H2O
(max)= 575 nm
O
OH
OH
OH
O-
O
Flavenolatanion
pH-Wert > 8
+OH-, -H2O
(max)= 600 nm
Im stark Basischen erfolgt die Zerstörung des Farbstoffs, durch Öffnung des
konjugierten, mesomeriestabilisierten Grundgerüsts. Es liegt demnach kein großes
delokalisiertes -Elektronensystem mehr vor, sondern zwei kleine. Dies bewirkt, dass
das Absorptionsmaximum in den kurzwelligen Bereich verschoben wird, was einen
gelben Farbeindruck mit sich bringt.
OH
OH
OH
O-
OH
O-
O
Chalkon
pH-Wert >10
(max) = UV-Bereich
+ OH-
Die grünen Farben der Proben ergeben sich aus den Mischfarben des Gleichgewichts von
Flavenolatanion (blau) und Chalkon (gelb).12,13
Im Versuch zeigt der pH-Indikator, dass es sich bei Zitronensaft und Essigessenz um
saure Lösungen handelt, Wasser neutral, Kaisernatron bereits schwach basisch, Soda
basisch und Rohrfrei sehr basisch ist.
Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-3: Farbveränderungen bei Zugabe von Haushaltsstoffen zu Rosenextrakt.
Zugabe von: Farbveränderung nach: Eigenschaft der Lösung
Zitronensaft Intensiv rot sauer
Essigessenz hellrot sauer
Wasser unverändert grünrot neutral
Kaisernatron grasgrün schwach basisch
Soda grüngelb basisch
Rohrfrei gelb stark basisch
Welche Inhaltsstoffe färben den roten bzw. den schwarzen Tee?
Bei dem roten Tee handelt es sich um Früchtetee, der ebenso wie die im Versuch
verwendeten Blüten Anthocyane enthält. Demnach ist die Farbänderung des roten
Früchtetees auf die darin enthaltenen Anthocyane zurückzuführen. Früchtetee wird
genau wie schwarzer oder grüner Tee zubereitet, allerdings ist er kein aus der
Teepflanze erhaltenes Produkt. Daher zählt er zwar zu den teeähnlichen Erzeugnissen,
die Bezeichnung Tee ist aber ist aber nicht richtig.14
Wird ein Teebeutel schwarzer Tee in heißes Wasser gegeben, lösen sich ca. 40 % der
Trockenmasse der Teeblätter. Bei diesen löslichen Bestandteilen handelt es sich um
12 Vgl. Korhammer, K., Pfeifer, P.: Experimente mit Anthocyanen – eine Grundlage für Schülerübungen. In : Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. Nr. 52/ 1999. S.20. 13 Vgl. Schikor, H.: Blütenzauber – dem Geheimnis des Cyanidins auf der Spur: eine Unterrichtsanregung für den Chemiekurs der Oberstufe. In: Praxis der Naturwissenschaften. 8/47, 1998. S. 39-42. 14 Vgl. Lebensmittelführer 2: Fleisch, Fisch, Milch, Fett, Gewürze, Getränke, Lebensmittel für Diät, für Säuglinge, für Sportler. Inhalte, Zusätze, Rückstände. S.180.
Mineralstoffe, Coffein, ätherische Öle, Thearubigine und Theaflavine. Zudem sind noch
geringe Mengen Vitamin B und Vitamin B2 enthalten.15
Bei der Teeherstellung erfolgt ein oxidativer Prozess, in welchem ein Teil der
Teeflavanole, die auch als Gerbstoffe bezeichnet werden, zu den sogenannten
Theatanninen oxidiert werden. An diesem Vorgang sind die im Blatt enthaltenen
Phenoloxidasen beteiligt, die als Katalysatoren wirken. Zu den Theatanninen zählen die
Theaflavine und die Thearubigine. Diese sind für den Teegeschmak und die Farbe
verantwortlich. So besitzen die Theaflavine eine orangerote Farbe und die Thearubigine
eine dunkelrote Färbung.16,17 Die Theatannine sind sehr schwer zu analysieren, dazu
dieser Substanzklasse viele verschiedene Verbindungen zählen. Im Tee sind z.B.
tausende Thearubigin-Verbindungen enthalten. Die Teepflanze ist daher ein Meister der
molekularen Vielfalt.18
OH
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
OH
OHO
Theaflavin
OH
OOH
OH
OH
OH
OH
O
O
OH
OH
OHOH
OH
O
O
O
O
eine mögliche Verbindung von Thearubigin
Wird zum Tee Säure oder Base hinzugegeben, verändert sich die Färbung der
Theaflavine und Thearubigine. Sie können, demnach ebenfalls als pH-Indikatoren
bezeichnet werden. Genau wie bei den Blütenfarbstoffen, kann keine eindeutige Aussage
15 Vgl. Lebensmittelführer 2: Fleisch, Fisch, Milch, Fett, Gewürze, Getränke, Lebensmittel für Diät, für Säuglinge, für Sportler. Inhalte, Zusätze, Rückstände. S.181. 16 Vgl. Quideau, S., Deffieux, D., Douat-Casassus, C., Pouysegu, L.: Pflanzliche Polyphenole: chemische Eigenschaften, biologische Aktivitäten und Synthese. In: Angewandte Chemie. Volume 123/issue 3, 2011. S. 615. 17 Vgl. Gasper, H. et al.: Chemie in Lebensmitteln. S.285. 18 Vgl. Kuhnert, N.: Die Chemie des schwarzen Tees. Meister der molekularen Vielfalt. In: labor&more URL: http://www.laborundmore.de/archive/441839/Die-Chemie-des-schwarzen-Tees.html. Letzter Zugriff am: 08.11.2011.
darüber getroffen werden, wie sauer oder basisch die Lösungen sind. Die
Farbveränderung rührt daher, dass eine Säure-Base-Reaktion abläuft, wodurch das
Absorptionsmaximum der Theaflavine und Thearubiginine verschoben wird und so der
jeweilige Farbeindruck entsteht.