Download der Examensarbeit - ChidS

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

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
I

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 (C 5 H 10 O 5 ) ................................................................. 50
4.4.2 Hexosen (C 6 H 12 O 6 ) .................................................................. 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
II

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
III

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
IV

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 Lernens“
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 Schulunterricht“
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 Filmstudios
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 Unterrichtsfilmen
im Chemieunterricht behandelt.
1 Tulodziecki, G. (1997) S.5ff.
2 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.2
3 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.1
1

I. Theorieteil 1: Medien und Film
2. Medien im Unterricht
Der Lernprozess im Unterricht wird meist durch ein von der Lehrkraft gelenktes
Unterrichtsgespräch angestoßen. Die direkte Kommunikation von Lehrer
und Schüler, aber auch von Schülern untereinander, fördert deren Lernfortschritte.
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 Medieneinsatzes
im Unterricht personale Interaktionen phasenweise ersetzt werden.
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 pädagogischen
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 verstanden
werden, „durch die in kommunikativen Zusammenhängen bestimmte
Zeichen mit technischer Unterstützung übertragen, gespeichert, wiedergegeben
oder verarbeitet werden.“ 9
In diesem Zusammenhang versteht man unter Unterrichtsmedien reale Gegenstände,
die als Lernobjekte oder Hilfsmittel dienen. Betrachtet man ein
4 Zur Erleichterung der Lesbarkeit wird bei geschlechtsgebundenen Personalpronomen
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
2

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 Unterrichtsmethoden
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 auszulösen.
Von Martial und Ladenthin sprechen in diesem Zusammenhang auch
von „Multiplikatoren“, da der Lernprozess bei allen Schüler gleichzeitig abläuft.
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 chemischen
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
11
Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.15
12 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.15
13 Maier, F. (2007) S.29ff.
14 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.15
3

I. Theorieteil 1: Medien und Film
diesem Fall, dass die Schüler dazu befähigt sein sollen, Medien selbstständig
produzieren und interpretieren zu können. Ferner sollen die Schüler
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 Hypothesen
oder kontroversen Stellungnahmen anregen. Des Weiteren werden
durch eine Mitbestimmung der Schüler an der Auswahl und dem Einsatz
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 geschult
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 Medien
unterschiedliche Funktionen. Medien werden im Unterricht häufig verwendet,
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 aufrechterhalten.
15 Medien, wie Bücher oder Wandkarten, sind Träger von Informationen.
Medien als Lernobjekte vermitteln häufig Informationen über den Unterrichtsgegenstand.
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 Schülern
Gegenstände des Lernens zugänglich zu machen. 16 Die Funktion des
Mediums Films wird im Kapitel 3.4 explizit erläutert.
15 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.47
16 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.16
4

I. Theorieteil 1: Medien und Film
2.3 Einteilung der Medien
Hubalek differenziert nach auditiven Medien, visuellen Medien und audiovisuellen
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 akustische
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 Konzentration
und Aufmerksamkeit der Schüler stark beansprucht wird. 18
Die visuellen Medien vermitteln ihre Botschaft rein optisch. Sie können in visuell-statische
und visuell-dynamische Medien unterteilt werden. Bilder oder
Dias beinhalten beispielsweise statische Elemente, ein Stummfilm ist ein Beispiel
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 akustisch-optische
Mittler. Sie nehmen den Seh- und Hörsinn des Nutzers parallel
in Anspruch, jedoch nicht gleichzeitig in demselben Wirkungsgrad. 20 Ergänzend
ist zu erwähnen, dass bei computerbasierten Medien, z.B. bei Computerspielen,
neben dem Hör- und Sehsinn auch der Tastsinn angesprochen
werden kann. 21
Bezogen auf den Unterricht ergibt sich eine Hierarchie der Effizienz der verschiedenen
Vermittlungsformen zum Betrieb eines Gerätes oder zur Durchführung
eines Experiments: Akustische Vermittlung < Statisch optische Vermittlung
< Dynamisch optische Vermittlung < Akustisch-optische Vermittlung

I. Theorieteil 1: Medien und Film
nen unter Etablierung von sog. Multimedia-Systemen und ihre internationale
Vernetzung, z.B. in Form des Internets“ 23 . Der große Vorteil dieser multimedialen
Mediensysteme sind die digital abgespeicherten Daten, die grundsätzlich
allen Nutzern nach einer individuell zu treffenden Auswahl zu Verfügung stehen.
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 dienliche
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 Darstellung
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 Auswirkungen
auf den Unterricht bewusst sein und sich im Vorfeld die Frage stellen,
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 methodischen
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
26 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.27
27 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.60
28 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.60f.
29 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.15
6

I. Theorieteil 1: Medien und Film
3. Filme im Unterricht
Filme sind relativ neue Medien und bilden eine Erweiterung der audiovisuellen
Vermittlungsformen. Sie können jedoch nicht derzeit praktizierte
klassische Methoden wie Frontalunterricht, Projektarbeit, Freiarbeit etc. ersetzen,
sondern lediglich deren Wirkkraft unterstützen. 30 Mithilfe des Unterrichtsfilms
können reale Anschauungen oder originale Begegnungen wiedergegeben
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 bundesweit
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 astronomische
Aufnahmen, Bewegungen von Tieren oder Entwicklungen aus der Biologie.
Die Kategorie der Spielfilme wurde in seinen Anfängen als anspruchslose
Schund- und Kitschdarstellungen kritisiert und als erzieherisch gefährlich beurteilt.
Erzieherisch wertvolle Filme dagegen wurden für den Einsatz im Unterricht
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 Nutzung
von Unterrichtsfilmen ergaben. Im Juli 1934 wurde die „Reichsstelle für
den Unterrichtsfilm“ errichtet, aus der die heutige Bildstellenorganisation hervorging.
Die Hauptaufgabe der Reichsstelle lag in der Produktion von Kurzfilmen,
die so genannten „Arbeitsstreifen“, die sich an den Rahmenlehrplänen
30 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.1
31 Toman, H. (2006) S.171
7

I. Theorieteil 1: Medien und Film
orientierten und wegen ihrer hohen technischen Qualität und didaktisch angemessenen
Darstellungen großen Anklang fanden. Gegenwärtig ist das „Institut
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 wahrgenommen.
Es entsteht der Eindruck einer kontinuierlichen Wiedergabe
und eines gewöhnlichen zeitlichen Ablaufs. 34
- Zeitlupe: Wird die Anzahl der Belichtungen pro Zeiteinheit bei der Filmaufnahme
erhöht und wird diese im normalen Tempo wiedergegeben, erscheint
die Aufnahme langsamer als in der Realität und einzelne Bewegungen
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 Wirklichkeit
wiederzugeben. Mit dieser Methode kann beispielsweise das Öffnen
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 Geschehnisse
zu illustrieren, die man normalerweise nicht sehen kann“ 37 .
Beispielsweise können maschinelle Funktionen und Abläufe durch Trickund
Zeichentechniken veranschaulicht werden.
32 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.247f.
33 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.79
34 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.251
35 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.251
36 Toman, H. (2006) S.170
37 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.79
8

I. Theorieteil 1: Medien und Film
- 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 bliebe“
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 Unterrichtsfilmen:
40
1. Der Film zur Veranschaulichung: Die meisten Unterrichtsfilme dienen dem
Zweck der Veranschaulichung. Prozesse und Darstellungen sollen demnach
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 Einsatzform
bietet besonders in höheren Klassen eine anregende Diskussionsgrundlage.
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.
38 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.80
39 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.80
40 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.84f.
9

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 unterschätzende
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 didaktisch
manipulierte Wirklichkeit entsteht, die man nach ihren didaktischen Intentionen
verwenden kann. 43 So können mithilfe des Unterrichtsfilms Sachverhalte
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.
10

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 zugänglich
gemacht werden können“ 44 .
Der Unterrichtsfilm vermittelt Wissen
Eine weitere, sehr zentrale Funktion von Unterrichtsfilme liegt in der Wissensvermittlung.
Dabei kann es sich um reines Faktenwissen handeln, aber auch
um Wissen, dass auf Verstehen angelegt ist. In diesem Zusammenhang fördert
der Film das problemorientierende und denkende Erfassen von Beziehungen
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, prozesshafte
Darstellung sowie geistige Aktivierung erhöht. Zudem können durch
Veranschaulichungen, didaktische Reduktionen, Interpretationen, optische
Akzentuierungen und Lenkung der Aufmerksamkeit die Sachauseinandersetzungen
gesteuert und erleichtert werden. Außerdem unterstützt der Film die
Stoffsicherung und hilft, Eingesehenes auf neue Sachverhalte zu übertragen.
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
11

I. Theorieteil 1: Medien und Film
3.5 Vor- und Nachteile des Einsatzes von
Unterrichtsfilmen
Mit dem Einsatz von Filmen werden einzelne Unterrichtssequenzen „anschaulicher,
lebendiger, abwechslungsreicher, konkreter und attraktiver“ 48 gestaltet.
Der technische Status des Mediums Film erleichtert die Lehre in vielerlei Hinsicht.
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, wirklichkeitsgetreue
Darstellungen möglich. Des Weiteren kann der Film nach Belieben gestoppt
oder auch nur szenenweise gezeigt werden. Außerdem lassen sich
akustische Signale bei Bedarf ausblenden. 49 Durch den Einsatz von Unterrichtsfilmen,
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 Erscheinungsform
und ihren Aufforderungscharakter die Aufmerksamkeit der Schüler.
Weiterhin wirken sich Filme positiv auf die langfristigen Lernerfolge der Schüler
aus, da sich visuell Gelerntes dauerhafter einprägt. 51 Im Rahmen der Medienerziehung
unterstützt der Einsatz von Unterrichtsfilmen somit den Lernprozess
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 fremdbestimmt,
wodurch auch häufig Methoden, Ziele und Inhalte des Unterrichts
mitbestimmt werden.
Ein weiterer negativer Aspekt des Unterrichtsfilms kann in einer Fülle von Details
liegen, die durch den Film vermittelt werden. Dies kann zu einer Reizüberflutung
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.
12

I. Theorieteil 1: Medien und Film
3.6 Ablauf des Filmeinsatzes im Unterricht
Die Unterrichtsstunde ist in die Hinführungs-, Bearbeitungs- und Verarbeitungsphase
gegliedert. Bei der Planung von Unterricht ist zu prüfen, in welchen
Phasen geeignete Unterrichtsfilme einen Beitrag zur Verwirklichung der
angestrebten Lernziele zu leisten versprechen. Je nach filmischen Darstellungen
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 Bearbeitungsphase.
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 Informationsaufnahme
durch Sehen des Films und Informationsverarbeitung durch die schriftliche
Fixierung. Es können Beobachtungsaufgaben und Arbeitsaufträge vom
Lehrer gegeben werden, die selbstständig oder in Partner- bzw. Gruppenarbeit
bearbeitet werden können. 56 Der Auswertungsphase sollte viel Zeit eingeräumt
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 gewonnenen
Erkenntnisse. Außerdem hat der Lehrer in dieser Phase die Möglichkeit,
aufgetretene Missverständnisse zu korrigieren und schwierige Filmsequenzen
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 schriftliche
Bearbeitung von Arbeitsaufträgen und Aufgabenstellungen sowie die kritische
Reflexion der Filminhalte. 59 Der Lehrer trägt, wie auch beim Einsatz an-
55 Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005) S.285
56 Maier, F. (2007) S.45
57 Toman, H. (2006) S.172
58 Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972) S.84
59 Toman, H. (2006) S.173
13

I. Theorieteil 1: Medien und Film
derer Medien, die Verantwortung. Er muss im Vorfeld des Einsatzes von Filmen
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 Darstellung,
das Vorwissen der Schüler sowie das Anspruchsniveau der Sprache
Berücksichtigung finden. Zudem sollte der Film interessante und aktuelle
Problemstellungen sowie adressatengerechte, anregende und aussagekräftige
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 sinnvollen
Anknüpfungspunkten für andere Fächer, der Einsatz von quantitativen
bzw. qualitativen Differenzierungen, die Vermittlung von sach- und fachspezifischen
Arbeitsweisen, die Anregung von sozialen Lernformen, die Möglichkeiten
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 primär
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
14

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 Darstellungen,
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. Wenschkewitz
und Menge nennen vier Filmkategorien speziell für den Chemieunterricht:
63
1. Komplettfilme: Diese Filmkategorie befasst sich beispielsweise mit technischen
Prozessen der chemischen Industrie. Der Film beinhaltet ein abgeschlossenes
Thema und ist daher eine Art Fertigprodukt, weshalb die Gefahr
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 Komplettfilmen
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 Chemieunterricht
eignen sich Trickfilme im Bereich der Materievorstellung,
beispielsweise zur Veranschaulichung kleinster Teilchen und ihres Verhaltens.
Um Modellvorstellungen zu visualisieren, etablierte sich diese Kategorie
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 verdeutlichen
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.
64 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.9
15

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 Abhängigkeit
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 vernachlässigen.
Weiterhin ist zu beachten, dass derzeit noch kein wissenschaftlicher
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 „möglichst
universelle Informationsschnipsel“ 65 didaktisch eingebettet werden.
Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, gibt es einige Methoden, um die Filme inhaltlich
zu bearbeiten. Die Techniken der Zeitlupe oder die des Zeitraffers eignen
sich besonders für Experimentalfilme im Chemieunterricht. So können beispielsweise
mithilfe der Methode der Zeitlupe schnell ablaufende Reaktionen
veranschaulicht werden. Beispiele für das Verfahren der Zeitraffung sind langsam
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 „Videosequenzen“
(s.o.). Im weiteren Verlauf des theoretischen Teils meiner Arbeit
werde ich daher speziell auf den Einsatz von Videoexperimenten im Chemieunterricht
eingehen.
4.2 Gründe für den Einsatz von Videoexperimenten im
Chemieunterricht
Die in Kapitel 2.5 genannten Vorteile gelten für den Einsatz von Unterrichtsfilmen
in jedem beliebigen Fach. Nachfolgend werden Gründe für den Einsatz
von Videoexperimenten vornehmlich im Chemieunterricht aufgeführt.
Zunächst muss betont werden, dass Videosequenzen traditionelle Demonstrationsexperimente
nicht komplett aus dem Unterricht verdrängen sollen und
werden. Dennoch gibt es zahlreiche Gründe, warum Experimente als Videos
65 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.10
16

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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 flüssigen
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 Chemikalien
oder mit Explosionseffekten, im Unterricht oft nicht durchgeführt werden,
da sie zu gefährlich oder zu umweltbelastend sind. In diesen Fällen bieten
sich Videoexperimente an (siehe DVD, Video: Schießbaumwolle). Die Effekte
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 ablaufende
chemische Prozesse (siehe DVD, Video: Polarimetrische Untersuchung
von Saccharose) schneller als in Wirklichkeit und zeitlich gerafft wiedergegeben
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 Unterrichtsstunde
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 Wiederholung
einsetzen (siehe DVD, Video: Mutarotation von Glucose). In der
Regel ist das einzelne wiedergegebene Videoexperiment von kurzer Dauer,
66 Toman, H. (2006) S.171
67 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.11
68 Maier, F. (2007) S.39f.
17

I. Theorieteil 1: Medien und Film
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. vorhanden
ist. Ferner können die Experimentalvideos zur Auffrischung vor einer
Klausur genutzt werden. Im heutigen Computerzeitalter ist es außerdem möglich,
dass sich die Schüler die Videos als Heimexperimente anschauen und
dazu passende Arbeitsblätter bearbeiten. Viele Versuche sind Teil einer experimentellen
Reihe, „deren vollständige Bearbeitung aus ökonomischen Gründen
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 Versuchsskizzen
mit Erklärungen, „da zusätzlich zu der bildlichen Wahrnehmung
auch noch die auditive Sinneswahrnehmung angesprochen wird“ 70 .
4.3 Gestaltung chemischer Demonstrationsexperimente
im Unterrichtsfilm
Schmidkunz 71 hat neun Wahrnehmungsgesetze der Gestaltungspsychologie
formuliert, um die Darbietung chemischer Experimente zu optimieren. Diese
Grundsätze sollten auch bei der Aufnahme von Videoexperimenten weitestgehend
umgesetzt werden.
1. Das Gesetz der Einfachheit
Das Gesetz der Einfachheit besagt, dass ein Versuchsaufbau von den Schülern
umso deutlicher wahrgenommen wird, je einfacher er im Aufbau ist. Demnach
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 Reaktionsweg
in einer Apparatur sollte von dem Beobachter gut, schnell und eindeutig
verfolgt werden können. Dementsprechend sollten Verbindungsschläu-
69 Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008) S.11
70 Maier, F. (2007) S.39
71 Schmidkunz, H. (1983) S.360 ff.
18

I. Theorieteil 1: Medien und Film
che und Einleitungsrohre möglichst in glatt, in waagerechter Position verlaufen.
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 gekennzeichnete
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 unmittelbarer
Nähe zur Apparatur stehen. Befinden sich die einzelnen Teile zu nahe
aneinander, führt dies zu einer optischen Verschmelzung und eine einprägsame
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 kontrastierend
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
19

I. Theorieteil 1: Medien und Film
Wird eine Reihe von Elementen nach einem bestimmten Prinzip gestaltet,
entwickelt der Betrachter die Tendenz, den Elementen eine bestimmte Funktion
zuzuordnen. Auch neu hinzugefügte Elemente werden nach diesem Prinzip
kategorisiert. Wenn beispielsweise ein Schüler ein bestimmtes Gefäß mit einer
bestimmten Funktion kennen lernt, wird er dieses Gefäß bei anschließenden
Versuchen immer wieder mit dieser Funktion in Verbindung bringen. Dementsprechend
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 bewegt
werden. Folglich sollten niemals mehrere Versuchsapparaturen auf einem
Wagen vor den Augen der Betrachter in dem Demonstrationsraum geschoben
werden. Der Betrachter könnte dies irrtümlicherweise als eine Verbindung
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 vorhandene
Fachliteratur bezogen. Anhand meiner Erfahrungen bei meiner praktischen
Arbeit sowie der Arbeiten von Wenschkewitz und Menge 73 und Maier 74
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 Versuches
im Klaren sein. Dies schließt auch ein, dass man weiß, welcher Ausschnitt
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.
20

I. Theorieteil 1: Medien und Film
sich als nützlich erwiesen, ein kleines „Drehbuch“ zu schreiben, indem die
einzelnen Sequenzen mit Kameraeinstellungen niedergeschrieben werden.
Hierbei kann es auch hilfreich sein, bereits den Text des späteren Videos
niederzuschreiben um die Länge der Szene und auch die Geschwindigkeit
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 empfunden
werden.
4. Auf jegliche bildliche Nebeninformationen, die vom eigentlichen Film ablenken,
sollte verzichtet werden. Dazu gehören Geräte mit Gebrauchsspuren,
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 Körperschmuck
(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 Sekunden
vor und nach dem Versuch läuft. Diese Zeit kann dann später beispielsweise
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 Kamera
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, Vertonung
usw.) der Videoexperimente nimmt lange Zeit in Anspruch, die
nicht mit der einfachen Durchführung von Experimenten im Labor vergleichbar
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 eine
Person experimentiert und die andere Person die Kamera bedienen
kann. Auf diese Weise können Fehler in der Kameraeinstellung besser erkannt
werden.
21

II. Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
1. Einleitung
Die Kohlenhydrate sind eine wichtige Gruppe von natürlich vorkommenden
organischen Verbindungen. Sie sind die mengenmäßig häufigste Verbindungsklasse
der bewegten Welt, die mehr als 50 Prozent des Trockenanteils
der auf der Welt existierenden Biomasse ausmacht. 75 Dabei erfüllen die Kohlenhydrate
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 dienen
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 Gerüststoffe.
Weitere Kohlenhydrate dienen der Erkennung an der Oberfläche von Zellen.
So war das erste Ereignis in unserem Leben die Erkennung bestimmter Kohlenhydrate
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
22

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 C n (H 2 O) m zugeschrieben
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 Substanzen,
die von der Elementzusammensetzung C n (H 2 O) m abweichen. Zusätzlich
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 C n (H 2 O) m , gehören aber nicht
zu der Klasse der Kohlenhydrate. 81 Trotz dieses Irrtums haben die Kohlenhydrate
ihren Namen bis heute behalten. Dabei werden die Begriffe „Kohlenhydrat“,
„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, definiert.
82 Ein Monosaccharid ist ein Aldehyd oder ein Keton mit mindestens zwei
Hydroxygruppen. 83 Daher sind die beiden einfachsten Vertreter dieser Verbindungsklasse
Glycerinaldehyd (2,3-Dihydroxypropanal) und 1,3-Dihydroxyaceton
(1,3-Dihydroxypropanon) (Abb.1).
H
O
OH
OH
O
OH
Glycerinaldehyd
OH
1,3-Dihydroxyaceton
Abb.1 Darstellung der einfachsten Vertreter der Monosaccharide
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
23

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Man unterscheidet zwischen zwei Klassen von Kohlenhydraten. Einfache Kohlenhydrate
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 Oligosacchariden
und Polysacchariden unterschieden: 85
- Monosaccharide
Bestehen aus einem Zuckermolekül, welches nicht weiter zu kleineren Einheiten
hydrolysiert werden kann.
- Oligosaccharide
Sind aus 2 bis 8 Monosacchariden aufgebaut, die über Acetal-Bindungen miteinander
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 Polysaccharide
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 Suffix
für Kohlenhydrate ist. Dementsprechend heißen Zucker mit einer Keto-
Gruppe Ketosen. 86
Des Weiteren werden Monosaccharide auch aufgrund ihrer Kettenlänge eingeteilt.
So heißen Zucker mit drei Kohlenstoffatomen Triosen, mit vier Kohlenstoffatomen
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
24

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
O
O
OH
OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
HO
H
H
O
H
OH
OH
HO
H
H
O
H
OH
OH
OH
OH
OH
OH
Fischer-Projektion
Keil-/Strich-Formel
Fischer-Projektion
Keil-/Strich-Formel
D-Glucose
ein Polyhydroxyaldehyd
D-Fructose
Ein Polyhydroxyketon
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 substituierte
Kohlenstoffatom (die Carbonyl-Gruppe) nach oben geschrieben.
88 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.202
25

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
3. Photosynthese
Kohlenhydrate entstehen hauptsächlich durch eine als Photosynthese bezeichnete
Reaktionsfolge. Bei dieser Reaktion absorbiert das in den grünen
Pflanzen enthaltene Chlorophyll Sonnenlicht. Die dadurch gewonnene Energie
wird dazu genutzt, um Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und
polyfunktionelle Kohlenhydrate umzuwandeln. 89 Die Photosynthese findet dabei
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 Mechanismus
ist jedoch sehr ähnlich.
Die Photosynthese ist ein sehr komplexer Vorgang, der zwei Vorgänge umfasst.
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 Kohlenstoffassimilation
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 Reaktion
entsteht auch Sauerstoff. In der Kohlenstofffixierungsreaktion dienen ATP
und NADHP dazu, Kohlenstoffdioxid zu reduzieren, wodurch Triosephosphate,
Stärke, Saccharose und davon abgeleitete Produkte entstehen. 90
Licht
H 2 O O 2
Lichtreaktion
NADP +
ADP+P i
NADHP
ATP
Kohlenstoffassimilation
Kohlenhydrate
CO 2
Abb.3 Schematische
Darstellung der Photosynthese
89 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1280
90 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.982
26

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 Enantiomerenpaares
existiert (Abb.4). 92
Perspektivische Strukturformel:
O
O
HO
* *
H
H
CH 2 OH
HOH 2 C
OH
(R)-(+)-Glycerinaldehyd
(S)-(-)-Glycerinaldehyd
Fischer-Projektion:
H
O
OH
* *
OH
HO
O
H
OH
(R)-(+)-Glycerinaldehyd
(S)-(-)-Glycerinaldehyd
Abb.4 Enantiomerenpaare des Glycerinaldehyds in der Fischer–
Projektion und als perspektivische Strukturformel
Die R,S-Nomenklatur würde zur Benennung der Zucker vollkommen ausreichen,
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
92 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1259
93 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.454
94 Die D-/L- Schreibweise ist unabhängig von der optischen Drehung der Zucker!
27

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
das Chiralitätszentrum, welches am weitesten von der Carbonyl-Gruppe entfernt
ist, die gleiche absolute Konfiguration wie D-(+)-Glycerinaldehyd besitzt,
werden als D-Zucker bezeichnet, Monosaccharide mit der umgekehrten Konfiguration
als L-Zucker. 95 Die D- und L-Bezeichnungen stehen in keiner Beziehung
zur optischen Drehung eines Zuckers, weshalb D-Zucker durchaus (+)-
oder (-)-Enantiomere sein können. 96
Da in der Fischer-Projektion die Carbonylgruppe immer nach oben geschrieben
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 Kohlenstoffatoms
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
CH 2 OH
H
O
HO
H
HO
*
*
*
O
H
OH
H
H
HO
H
H
*
*
*
*
OH
H
OH
OH
OH-Gruppe auf linker Seite
eine L-Ketose
CH 2 OH
Am weitesten von der Carbonyl-Gruppe
entferntes Chiralitätszentrum
CH 2 OH
OH-Gruppe auf rechter Seite
eine D-Aldose
Abb.5
D-und L-Nomenklatur in der Fischer-Projektion
Mit der Zunahme der Anzahl an Chiralitätszentren steigt auch die Anzahl der
Stereoisomere an. So weisen Aldotetrosen zwei chiral substituierte Kohlenstoffatome
auf, weshalb sie vier Stereoisomere bilden. Zwei dieser Stereoisomere
sind Diastereomere, die jeweils ein Enantiomerenpaar bilden. 98
Für
Diastereomere sind, wie bei vielen Naturstoffen üblich, Trivialnamen gebräuchlich,
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
28

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
butanal, welches 2S,3S bzw. 2R,3R Konfiguration besitzt, den Trivialnamen
Erythrose, während ihr Diastereomer den Trivialnamen Threose hat (Abb.6). 99
CHO
CHO
CHO
CHO
H
H
R
R
OH
OH
HO
HO
S
S
H
H
HO
H
S
R
H
OH
H
HO
R
S
OH
H
CH 2 OH
CH 2 OH
CH 2 OH
CH 2 OH
D-(-)-Erythrose L-(+)-Erythrose D-(-)-Threose L-(+)-Threose
Abb.6 Stereoisomere von 2,3,4-Trihydroxybutanal
Im Allgemeinen kann ein Molekül in 2 n Stereozentren auftreten, wobei n für die
Anzahl der chiral substituierten Kohlenstoffatome steht. Aldopentosen weisen
drei chiral substituierte Kohlenstoffatome auf und kommen daher in 2 3 = 8 Stereoisomeren
vor. Bei den Aldohexosen sind aufgrund von 4 chiral substitiuierten
Kohlenstoffatomen bereits 2 4 = 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 C 2 -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 Kohlenstoffatomen.
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
99 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1260
100 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.315
101 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1261
102 Bruice, P.Y. (2007) S. 1123
103 Hart, H. & Craine ,L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S. 581
29

O
H
OH
O
H OH
H OH
H OH
OH
D-(-)-Ribose
O
H OH
H OH
OH
D-(-)-Erythrose
HO
H
H
O
H
OH
OH
OH
OH
D-(+)-Glycerinaldehyd
H
HO
H
O
OH
H
OH
OH
HO
H
O
H
OH
OH
D-(-)-Threose
HO
HO
H
D-(-)-Arabinose D-(+)-Xylose D-(-)-Lyxose
O
H
H
OH
OH
H
H
H
H
O
OH
OH
OH
OH
OH
HO
H
H
H
O
H
OH
OH
OH
OH
H
HO
H
H
O
OH
H
OH
OH
OH
HO
HO
H
H
O
H
H
OH
OH
OH
D-(+)-Allose D-(+)-Altrose D-(+)-Glucose D-(+)-Mannose D-(-)Gulose D(-)-Idose D-(+)-Galactose D-(+)-Talose
H
H
HO
H
O
OH
OH
H
OH
OH
HO
H
HO
H
O
H
OH
H
OH
OH
H
HO
HO
H
O
OH
H
H
OH
OH
HO
HO
HO
H
O
H
H
H
OH
OH
Abb.7 D-Aldosen mit Vorzeichen des optischen Drehwertes und Trivialnamen (bis zu den Aldohexosen)
30

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Vergleicht man nun beispielsweise die D-(-)-Erythrose mit der D-(-)-Trehalose,
so weisen beiden dieselbe Konfiguration an Kohlenstoffatom C 3 auf, jedoch
verschiedene Konfigurationen an Kohlenstoffatom C 2 . 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 Kohlenstoffatom
unterscheiden, werden auch Epimere genannt. So sind beispielsweise
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 C 2 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 C 2 . Dabei hat eine Ketose ein chiral substituiertes Kohlenstoffatom
weniger als die entsprechende Aldose mit derselben Anzahl an Kohlenstoffatomen.
Aus diesem Grund bilden die Ketosen nur halb so viele Stereoisomere
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
31

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
OH
O
OH
1,3-Dihydroxypropanon
OH
H
O
OH
OH
O
OH
D-(-)-Erythrulose
OH
O
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
OH
OH
D-(+)-Ribulose
D-(+)-Xylulose
OH
OH
OH
OH
H
H
H
O
OH
OH
OH
HO
H
H
O
H
OH
OH
H
HO
H
O
OH
H
OH
HO
HO
H
O
H
H
OH
OH
OH
OH
OH
D-(+)-Psicose
D-(-)-Fructose
D-(+)-Sorbose
D-(-)-Tagatose
Abb.8 D-Ketosen mit Trivialnamen und Vorzeichen des optischen Drehwertes
(bis zu den Ketohexosen)
32

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
4.2 Intramolekularer Ringschluss
4.2.1 Zucker bilden intramolekular Halbacetale aus
Aldehyde und Ketone bilden reversibel Halbacetale aus, indem sie mit Alkohole
reagieren. 106 Die durch diese Reaktion erhaltenen Produkte werden als
Halbacetale bezeichnet, da sie ein Zwischenprodukt zur Darstellung von Acetalen
sind. Normalerweise liegt das Gleichgewicht dieser Reaktion auf der
Seite der Edukte. Werden jedoch Acetale intramolekular aus Hydroxyaldehyden
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 Halbacetale
aus. Prinzipiell kann dabei jede Hydroxyl-Gruppe an die Carbonyl-
Gruppe binden, jedoch ist meist die Bildung eines Sechsringes bevorzugt
(Abb.9). 108
H
HO
H
H
O
OH
H
OH
OH
OH
Cyclisierung
H
H
HO
H
H
* *
OH
OH O
H
OH
OH
-(D)-Glucopyranose
HO
H
HO
H
H
H
OH O
H
OH
OH
-(D)-Glucopyranose
Abb.9 Intramolekulare Halbacetalbildung am Beispiel Glucose
Teilweise werden jedoch auch Fünfringe gebildet und bei einigen Zuckern ist
in Lösung die Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen Fünf- und Sechsring
zu beobachten.
106 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 872
107 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.874
108 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1263
33

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Wird ein Sechsring gebildet, spricht man von der Pyranose-Form, wird hingegen
ein Fünfring gebildet, so spricht man von der Furanose-Form. Dem Zucker
wird dann zur Unterscheidung das Wort –pyran bzw. –furan vor die Endung
–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
O
Furan
O
Pyran
Abb.10 Furan und Pyran
Wie sich an der Reaktionsgleichung der Bildung eines Halbacetals am Beispiel
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 zueinander
sind. 110 Steht in der Fischer-Projektion die Hydroxyl-Gruppe auf der
rechten Seite (S-Konfiguration), so handelt es sich bei dem gebildeten Halbacetal
um die α-Form. Steht die Hydroxyl-Gruppe hingegen auf der linken Seite,
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 Kohlenstoffatom
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
112 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.587
34

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
4.2.2 Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten der Ringform
In den vorigen Kapiteln wurden die Zucker in der Fischer-Projektion dargestellt.
Diese Darstellungsmöglichkeit lässt sich nun auch auf die Ringform
übertragen, indem man die durch den Ringschluss entstandenen Verbindungen
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.
H
H
HO
H
H
* *
OH
OH O
H
OH
HO
H
HO
H
H
H
OH
H
OH
O
OH
OH
-(D)-Glucopyranose
-(D)-Glucopyranose
Abb.11 Glucopyranose in der Fischer-Projektion
Da in dieser modifizierten Fischer-Projektion die Bindungen stark verzerrt erscheinen,
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 gezeichnet.
Das anomere Kohlenstoffatom steht in dieser Schreibweise rechts
und der Ether-Sauerstoff an der oberen Seite des Moleküls. 115 Die dick markierten
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 Fischer-Projektion
nach links weist, zeigt in der Haworth-Projektion nach oben
113 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.922
114 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.584
115 Bruice, P.Y. (2007) S.1134
116 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt, C.W. (2002) S.215
35

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Die Hydroxyl-Gruppen, die in der Fischer-Projektion nach rechts weisen, zeigen
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 Kohlenstoffatom
nach oben weist, liegt ein β-Zucker vor. Bei D-Zuckern weist die endständige
OH-Gruppe nach oben, während sie bei L-Zuckern nach unten
weist. 117
OH
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
OH
H
*
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
OH
OH
H
*
-D-Glucose
-D-Glucose
Abb.12 Glucopyranose in der Haworth-Projektion
In manchen Darstellungen in der Haworth-Projektion werden zur besseren
Übersicht die Wasserstoffatome weggelassen und die Hydroxyl-Gruppen werden
teilweise nur durch einfache Striche dargestellt. 118
Die Haworth-Projektion gibt das Bild eines Zuckers in der Ringform realistischer
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 cyclische
Sechs-oder Fünfringe verwendet wird (z.B. Cyclohexan).
Um die Haworth-Projektion in die Sessel-Konformation umzuwandeln, zeichnet
man den Sessel in der Weise, dass die „Rückenlehne“ auf der linken und
die „Fußlehne“ auf der rechten Seite steht. Anschließend wird der Ringsauerstoff
in die hintere rechte Ecke und die Hydroxymethyl-Gruppe in die äquatoriale
Stellung eingezeichnet. Die relativ sperrige Hydroxymethyl-Gruppe am
Kohlenstoffatom C 5 muss in der äquatorialen Position stehen, um somit diaxiale
Wechselwirkungen zu vermeiden. Die Hydroxyl-Substituenten werden nun
117 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.585
118 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.481
36

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
so eingezeichnet, dass zueinander trans-ständige Hydroxygruppen in dieselbe
Ebene und zueinander cis-ständige Hydroxyl-Gruppen in die entgegengesetzte
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 axialen
Positionen werden im Falle der β-D-Glucose also von Wasserstoffatomen
besetzt, die weniger Raum beanspruchen, wodurch die sterischen Spannungen
gering gehalten werden. Aus diesem Grund ist die β-D-Glucose die stabilste
Aldohexose und wohl auch deshalb die am häufigsten vorkommende
Aldohexose in der Natur. 120
H
HO
HO
H
OH
OH
H
O
H
HO
O
H
H
* H HO
H *
OH
OH
H
OH
H
OH
-D-Glucose
-D-Glucose
Abb.13 Glucose in der Sessel-Konformation
Wie in der Haworth-Projektion, werden auch bei Zuckern in der Sesselschreibweise
zur besseren Übersicht häufig die Wasserstoffatome nicht eingezeichnet.
Insgesamt ist die Darstellung eines ringförmigen Zuckermoleküls durch die
Sessel-Konformation von den drei vorgestellten Möglichkeiten diejenige, welche
die räumliche Anordnung der Atome am besten wiedergibt. 121
Als didaktische Reduktion kann jedoch auch die Haworth-Projektion zur Darstellung
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 offenkettigen
Form darzustellen.
119 Bruice, P.Y. (2007) S.1137
120 Bruice, P.Y. (2007) S.137
121 Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009) S.566
37

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
In dieser Arbeit sind offenkettige Zucker immer in der Fischer-Projektion dargestellt.
Cyclische Zucker sind im Theorieteil immer in der Sessel-
Schreibweise dargestellt. In den Protokollen, die für Lehrer in der Schule gedacht
sind, sind die cyclischen Zucker auch oftmals in der Haworth-Projektion
abgebildet, da diese Schreibweise in der Schule häufig seine Anwendung findet.
4.2.3 Mutarotation
Durch Röntgenstrukturanalysen wurde bewiesen, dass Glucose aus wässrigen
Lösungen ausschließlich als α-D-Glucose auskristallisiert. 122 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.
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 jedoch
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
122 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1267
123 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.923
124 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.867
125 Bruice, P. Y. (2007) S.1135
38

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
OH
HO
HO
OH
OH
O
H +
HO
HO
OH
OH
OH
(2)
OH
O + HO
(1)
HO
H C+
D-Glucose
OH
OH
OH
OH
(1)
HO
HO
OH H
O +
OH
*
OH
- H +
O
HO
HO
OH
OH
*
OH
-D-Glucose
(2)
HO
HO
OH H
O + *
OH
OH
- H +
HO
HO
OH
O
*
OH
OH
-D-Glucose
Abb.14 Reversibler Ringschluss der Glucose
Die Reaktion des Ringschlusses der Glucose ist eine reversible Reaktion, die
dazu führt, dass sich in wässriger Lösung ein Gleichgewicht einstellt (Abb.15).
HO
HO
OH
O
*
OH
OH
H
HO
H
H
O
OH
H
OH
OH
HO
HO
OH
O
OH
*
OH
OH
-D-Glucose
36,4 %
Aldehydform
-D-Glucose
0,003 % 63,6 %
Abb.15
Glucose
Gleichgewicht der offenkettigen Form und den Pyranoseformen bei der
Die Geschwindigkeit der Einstellung dieses Gleichgewichtes ist abhängig von
der Temperatur und dem pH-Wert. Die Reaktion der Umwandlung ist sowohl
39

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 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 kommt 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 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 molekularen
Abläufe sind dafür verantwortlich, dass sich immer derselbe Drehwert
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
126 Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009) S.566
127 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). S.1268
128 Bruice, P.Y. (2007) S.1135
129 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.467
40

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 werden,
wird die Produktverteilung durch die Geschwindigkeit der Reaktion der
einzelnen Isomere mit einem Reagenz bestimmt. So kann man die Reaktionen
der Zucker in zwei Gruppen unterteilen. Die erste Gruppe sind Reaktionen,
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 Oxidierbarkeit
der Hydroxyl-Gruppe, die in α-Position zur Oxo-Gruppe steht. Dies
ist auch der Grund dafür, dass Ketosen im Gegensatz zu den Ketonen reduzierend
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 Reduktionsmittel
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 (Zuckeralkohol)
genannt wird (Abb.16). 132
HO
HO
OH
O
OH
OH
H
HO
H
H
O
OH
H
OH
OH
H 2
;Katalysator
oder NaBH 4
H
HO
H
H
CH 2 OH
OH
H
OH
OH
OH
OH
-D-Glucopyranose
D-Glucose
D-Glucitol (Sorbitol)
Abb.16 Reduktion von Glucose
130 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1269
131 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.458
132 Bruice, P.Y. (2007) S.1124
41

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Diese Reaktion verläuft über die geringe Aldehyd-Menge, die im Gleichgewicht
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 unterschiedliches
Verhalten. So werden Aldosen durch gelinde Oxidationsmittel, wie beispielsweise
Bromwasser, zu Carbonsäuren oxidiert (Abb.17). 134
O
HO
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
+ 1/2 Br 2 + HO
- H 2 O
braun
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
+ Br-
farblos
OH
OH
D-Glucose
D-Gluconsäure
Abb.17 Oxidation von D-Glucose mit Bromwasser
Ketone oder Alkohole werden nicht von Bromwasser oxidiert, womit man
durch die Zugabe von Bromwasser zu einer unbekannten Zuckerlösung zwischen
Aldosen und Ketosen unterscheiden kann.
Durch Fehling-Reagenz und auch durch Tollens-Reagenz werden sowohl Aldosen,
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
133 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.592
134 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.459
135 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.918
42

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
CH 3 CH 3
H
H 3 C
H
3 C
O + B - H 3 C
O -
C -
CH 3 CH
C
3
O
+
BH
H 3 CH 3
Enolform
CH 3
H 3 C
O
H CH 3
+ B -
Ketoform
Abb.18 Mechanismus der Keto-Enol-Umwandlung
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.
O
HO
H
H
OH
O
H
OH
OH
OH
D-Fructose
HO
OH
OH
H
OH
OH
HO
- H
H
OH
Endiol
H
HO
H
H
D-Glucose
HO
HO
H
H
OH
H
OH
OH
OH
O
H
H
OH
OH
OH
D-Mannose
Abb.19 Keto-Enol-Gleichgewicht am Beispiel Fructose
43

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Werden stärkere Oxidationsmittel, wie beispielsweise Salpetersäure, verwendet,
so können neben den Aldehyd-Gruppen auch eine oder mehrere der Hydroxyl-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 beispielsweise
zur Glucarsäure und Mannose zur Mannarsäure (Abb.20). 137
O
H OH
HO
H
H OH
H OH
OH
D-Glucose
HNO 3
HO
H
HO
H
H
O
O
OH
H
OH
OH
OH
D-Glucarsäure
HO
HO
H
H
O
H
H
OH
OH
OH
D-Mannose
HNO3
HO
HO
HO
H
H
O
O
H
H
OH
OH
OH
D-Mannarsäure
Abb.20 Oxidationsprodukte der Oxidation mit Salpetersäure
4.3.3 Glycosidbildung
Eine Reaktion, in der Monosaccharide in der Ringform reagieren, ist die Bildung
von Vollacetalen. Diese Reaktion verläuft analog zu der Reaktion von
Aldehyden, die erst mit einem Äquivalent Alkohol zu einem Halbacetal reagieren
(Abb.21). Dieses Halbacetal reagiert dann mit einem weiteren Äquivalent
Alkohol zu einem Acetal (Vollacetal). Das gebildete Acetal wird bei den Zuckern
als Glycosid bezeichnet. Die Bindung zwischen anomeren Kohlenstoffatom
und der Alkoxygruppe wird glycosidische Bindung genannt. 138
136 Bruice P.Y. (2007) S.1127
137 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.459
138 Bruice, P.Y. (2007) S.1139
44

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
HO
HO
OH
O
OH
OH
H +
HO
HO
OH
O
OH
H
O + H
-D-Glucopyranose
OH
HO
HO
O +
OH
+
O H 2
Angriff "von oben"
ein Oxcarbenium-Ion
R
OH
Angriff "von unten"
R
OH
HO
HO
OH
O
OH
O +
H
R
HO
HO
OH
O
OH
O +
H
R
-H + -Glycosid
-H +
HO
HO
OH
O
OH
O
R
HO
HO
OH
O
OH
O
R
-Glycosid
Hauptprodukt
Abb.21 Mechanismus der Glycosidbildung am Beispiel β-D-Glucose
Der saure Katalysator könnte jedes der sechs Sauerstoffatome angreifen. Jedoch
führt nur die Protonierung des Hydroxyl-Sauerstoffs am anomeren Zentrum
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
45

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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. Somit
werden Glycoside der Glucose als Glucosid bezeichnet, während Glycoside
der Galactose Galactoside genannt werden. Bei Verwendung der Pyranose-/Furanose-Nomenklatur
wird das Acetal Pyranosid bzw. Furanosid genannt
(Abb.22). 141
HO
HO
OH
O
OH
O
CH 3
HO
HO
OH
O
OH
O
CH 3
Ethyl -D-Glucopyranosid
Methyl -D-Glucopyranosid
Abb.22 Beispiele für Glycoside
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
HO
OH
O
OH
OH
-D-Ribofuranose
+
H +
NH 2
HO
OH
O
NH
OH
HO
+
OH
O
HN
OH
N-Phenyl -D-Ribosylamin
N-Phenyl- -D-Ribosylamin
Abb.23 Darstellung eines N-Glycosids
140 Bruice, P.Y. (2007) S.1140
141 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.594
142 Bruice, P.Y. (2007) S.1140
46

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 Carbonyl-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 Monosaccharid,
da sich keiner der Substituenten in axialer Position befindet. Trotzdem
entsteht bei einer Reaktion von Glucose mit einem Alkohol als Hauptprodukt
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, insbesondere
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. Dadurch
kann Elektronendichte von dem freien Elektronenpaar des Ringsauerstoffs
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
47

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Elektronenpaare des Ringsauerstoffs in einer Weise zum σ * -Orbital der Glycosidbindung
angeordnet, so dass es zu einer Übertragung von Elektronendichte
kommen kann (Abb.24). 147
-Glycosid:
axiales einsames
Elektronenpaar
äquatoriales einsames
Elektronenpaar
O
Äquatoriales freies Elektronenpaar
und -Orbital überlappen
R
-Orbital
-Glycosid:
axiales einsames
Elektronenpaar
äquatoriales einsames
Elektronenpaar
O
R
keine Überlappung von freien
Elektronenpaaren und * -Orbital möglich
-Orbital
Abb.24 Der anomere Effekt
Als Ergebnis der Übertragung von Ladungsdichte eines einsamen Elektronenpaars
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 erzeugte
Glycoside durch Erhitzen in wässriger Lösung auch wieder hydrolysiert
147 Bruice, P.Y. (2007) S.1141
48

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
werden können. Der Mechanismus dieser Reaktion ist die Umkehrung des
Bildungsmechanismus von Glycosiden (Abb.25). 148
HO
HO
OH
-Glucosid
O
OH
O
R
H +
HO
HO
OH
O
OH
O +
H
R
R OH +
Alkohol
HO
HO
OH
O
CH +
OH
HO
HO
OH
O +
OH
O H 2
HO
HO
OH
O
OH
O +
H
H
HO
HO
OH
O
OH
Glucose
OH
Abb.25 Hydroyse eines Glycosids
Ähnlich der Bildung von Glycosiden ist auch bei der Spaltung von Glycosiden
als Produkt sowohl die α- als auch β-Form des Zuckers möglich.
148 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.874
49

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
4.4 Monosaccharide natürlich vorkommender
Kohlenhydrate
Der Verlängerung des Kohlenstoffgerüstes bei Monosacchariden ist grundsätzlich
keine Grenze gesetzt. Aus diesem Grund könnte die Anzahl der natürlich
vorkommenden Monosaccharide unendlich groß sein. Tatsächlich geht die
Natur sehr maßvoll mit dieser Fülle an Möglichkeiten um. So konnten insgesamt
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 Verbindungen
eine biologische Verwendung finden. Dabei handelt es sich immer um die
thermodynamisch stabile Verbindung. 149
4.4.1 Pentosen (C 5 H 10 O 5 )
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 Pankreas
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) gewonnen
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 Maiskolben
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
150 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.473
50

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
4.4.2 Hexosen (C 6 H 12 O 6 )
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 Hauptquelle
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 gebunden),
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 Mannose
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 strukturabhängig.
So ist die β-D-Fructopyranose etwa doppelt so süß wie die
Saccharose, die aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Glucose
aufgebaut ist. Die β-D-Fructofuranose hingegen ist fast geschmackslos.
- L(-)-Sorbse tritt als Zwischenprodukt bei der technischen Herstellung
von Vitamin C (Ascorbinsäure) auf.
151 Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009) S.576
152 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.473
153 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.473
51

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
5. Disaccharide
Disaccharide sind die einfachsten Polysaccharide, die aus zwei Monosacchariden
bestehen. Die beiden Monosaccharide sind dabei über eine glykosidische
Bindung von einer Hydroxyl-Gruppe des einen Monosaccharids mit
der Hydroxyl-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms eines anderen Monosaccharids
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 Monosacchariden
entspricht der Reaktion der Bildung von Acetalen aus einem Alkohol und
einem Halbacetal. Es handelt sich also um glycosidische Bindungen (vgl. Kapitel
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 ausgehend
von dem linken, nicht reduzierenden Ende beschrieben und dann folgendermaßen
aufgebaut: 157
1. Zuerst wird die Konfiguration (α oder β) des anomeren Kohlenstoffatoms
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 Bindung
miteinander verbundenen Kohlenstoffatome angegeben. (1,4)
bedeutet also, dass das Kohlenstoffatom C 1 des zuerst genannten Zu-
154 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S. 946
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
52

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
ckerrestes mit dem Kohlenstoffatom C 4 des zweiten Zuckerrestes verbunden
ist.
4. Zuletzt wird der zweite Rest genannt. Handelt es sich dabei um ein reduzierendes
Disaccharid, 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 Zucker erhält anstatt der
Endung „-ose“ die Endung „-id“.
OH
1.
HO
HO
O
1
OH
O
OH
4 O
HO
OH
OH
2. D-Glucopyranosyl 3. (1,4) 4. D-Glucopyranose
-D-Glucopyranosy-(1,4)-D-Glycopyranose
Abb.26 Beispiel zur Benennung von Disacchariden
5.2 Reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide
Wie bereits in Kapitel 4.3.4 beschrieben, weisen Glycoside aufgrund ihrer Bindung
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 miteinander
verknüpft sind, trifft dies nicht automatisch zu. Da bei Disacchariden
zwei Monosaccharid-Einheiten miteinander verknüpft sind, müssen auch beide
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 Kohlenstoffatome
verknüpft, so ist die Fehling-Probe negativ und im Versuch fällt kein
53

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
rotes Kupferoxid aus. Des Weiteren ist bei diesen nicht reduzierenden Zuckern
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 Kettenende
mit einem freien anomeren Kohlenstoffatom (das nicht an der glycosidischen
Bindung beteiligt ist) wird auch reduzierendes Ende genannt. 158
Die reduzierenden Eigenschaften dieser Diasaccharide liegen darin begründet,
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 Kohlenstoffatome
C 1 und C 4 miteinander verknüpft sind. 160 Aufgrund dieser Verknüpfung
ist der zweite Glucose-Rest dazu in der Lage, eine Ringöffnung durchzuführen,
wodurch dieses Disaccharid reduzierende Eigenschaften hat. Zudem
weist die Maltose Mutarotation auf, weshalb auch bei der Benennung des Disaccharids
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 Ringöffnung
weist eine Lösung von Maltose eine positive Fehling-Probe auf (Abb.
26).
158 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.320
159 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1287
160 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.887
54

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Konfiguration an diesem
C-Atom ist nicht spezifiziert
HO
HO
OH
O
1*
4
O
OH
O
HO
OH
OH
*
OH
-D-Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose
Ringöffnung
HO
HO
OH
O
*
1
OH 4
O
HO
OH
OH
OH
O
Maltose
HO
HO
OH
O
* 1
OH 4
O
HO
OH
OH
OH
+ Fehling-Lösung bzw.
Tollens-Lösung
OOH
Abb.26 Reaktion eines reduzierenden Disaccharid mit Fehling-Lösung am Beispiel
Maltose
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 Kohlenstoffatome
an den jeweiligen Positionen C 1 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 Trehalose
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.
161 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.887
55

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
HO
HO
OH
O
*
1
OH
O
*
1
O
HO
OH
Verknüpft über beide anomeren
Kohlenstoffatome
HO
HO
-D-Glucopyranosyl-(1,1)--Glucopyranose
Trehalose
Abb.27 Ein nicht-reduzierender Zucker am Beispiel Trehalose
5.3 Wichtige Disaccharide
Im Folgenden sollen nun kurz einige wichtige, in der Natur vorkommende Disaccharide
vorgestellt werden.
5.3.1 Saccharose
Die Saccharose (auch Rohrzucker oder Rübenzucker genannt) ist das am
häufigsten vorkommende Disaccharid, die Haupttransportform von Kohlenhydraten
in Pflanzen 162 . 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 Nahrungsmittel
ist die Saccharose mengenmäßig eine der bedeutendsten Lebensmittelzutaten.
Dabei wird die Saccharose hauptsächlich aufgrund des süßen Geschmacks
zugegeben, aber auch andere Eigenschaften, wie Körper, Struktur,
Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, Geschmacksverstärkung, Konservierung
und antioxidative Wirkung (als Invertzucker) sind wichtige Verwendungszwecke.
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)
56

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
küle über ihre jeweiligen anomeren Zentren miteinander verknüpft, wodurch
die Saccharose zu den nicht-reduzierenden Zuckern gehört (Abb.28).
HO
HO
OH
O
1*
OH
O
HO
*
OH
H
O
2 O
OH
-D-Glucopyranosyl-(1,2)--D-Fructofuranosid
Saccharose
Abb.28 Strukturformel von Saccharose
5.3.2 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. Dabei beträgt der Anteil der Lactose an der Muttermilch
der meisten Säugetiere etwa 5 Gewichtsprozente der flüssigen Milch.
Bei den Trockensubstanzen der Milch beträgt der Lactose-Anteil etwa ein Drittel.
165 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. 166 Verwendet wird
Lactose bei der Herstellung von Kindernährmitteln und diätetischen Lebensmitteln,
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 Glucose
zusammen, wobei die Galactose mit dem Kohlenstoffatom C 1 und die
Glucose mit dem Kohlenstoffatom C 4 an der glycosidischen Bindung beteiligt
ist. Da die Glucose ihr anomeres Zentrum an Kohlenstoffatom C 1 hat, ist eine
Ringöffnung des Glucosebausteins möglich. Aus diesem Grund zählt die Lactose
zu den reduzierenden Zuckern. In wässriger Lösung liegt die Lactose
über Mutarotation im Gleichgewicht zwischen α- und β- Form.
165 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1290
166 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S. 947
167 RÖMPP Online, Stichwort “Lactose“ (letzter Zugriff 26.04.10)
57

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
HO
OH
O
OH
HO
O O
OH HO
OH
OH
-D-Galactopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose
-Lactose
HO
OH
O
OH
HO
O O
OH HO
OH
OH
-D-Galactopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose
-Lactose
Abb.29 Strukturformeln von Lactose
5.3.3 Maltose
Die Maltose (auch Malzzucker genannt) ist nach der Saccharose und der Lactose
das am häufigsten 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 Disaccharid Maltose gespalten
werden. So kommt die Maltose in Pflanzenwurzeln und Pflanzenknollen, Blättern,
in keimenden Getreidesamen und Keimanlagen der Kartoffel vor. Eingesetzt
wird die Maltose als Süßmittel, als Bestandteil von Nährböden und Bienenfutter.
Maltose wird beim Bierbrauen vergoren und bildet einen der wesentlichen
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.
HO
HO
OH
O
OH
O
HO
OH
O
OH
OH
-D-Glucopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose
-Maltose
HO
HO
OH
O
OH
O
HO
OH
O
OH
OH
-D-Glucopyranosyl-(1,4)--D-Glucopyranose
-Maltose
Abb.30 Strukturformeln von Maltose
5.3.4 Trehalose
168 RÖMPP Online, Stichwort “Maltose“ (letzter Zugriff 27.04.10)
58

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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
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.
HO
HO
OH
O
*
1
OH
O
*
1
O
HO
OH
HO
HO
-D-Glucopyranosyl-(1,1)--D-Glucopyranosid
Abb.31 Strukturformel von Trehalose
169 RÖMPP Online, Stichwort “Trehalose“ (letzter Zugriff 27.04.10)
59

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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 Drehwert
von -20°. 170 Dieser Effekt liegt darin begründet, dass durch die Hydrolyse
der Saccharose ein äquimolares Gemisch von Glucose und Fructose entsteht
(Abb.32).
HO
HO
OH
O
OH
O
HO
Saccharose
OH
HO
O
OH
H +
HO
HO
OH
O
OH O +
H
HO
OH
HO
O
OH
HO
HO
OH
O
OH
OH
+
H
OH
H O +
HO
HO
O
OH
H 2 O
HO
HO
OH
O
OH
OH
+
HO
C +
HO
HO
O
OH
- H +
HO
HO
OH
O
OH
OH
+
HO
OH
OH
HO
O
OH
Glucose
Fructose
Abb.32 Hydrolytische Spaltung von Saccharose
Der spezifische Drehwert von -20° kommt dadurch zustande, dass die Glucose
einen spezifischen Drehwert von +52° aufweist und die Fructose dagegen
eine stark negative Drehung von -92° hat. Dabei ist zu beachten, dass diese
170 Hart, H. & Craine, L.E. & Hart, D.J. & Hadad, C.M. (2007) S.601
60

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
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).
HO
OH
O
HO
OH
OH
HO
OH
O
HO
OH
OH
-D-Fructofuranose
OH
-D-Fructofuranose
HO
H
H
O
H
OH
OH
OH
HO
O
OH
HO OH
-D-Fructopyranose
OH
HO
HO
O
OH
-D-Fructopyranose
OH
OH
Abb.33 Strukturen der Fructose in Lösung
Aufgrund des äquimolaren Verhältnisses und des höheren Betrages der Drehung
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 Reaktion
katalysieren, werden als Invertasen bezeichnet. Diese Invertasen werden
von vielen Insekten synthetisiert, darunter auch Bienen, die mittels dieses Enzyms
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 (laevus
lat. links) bezeichnet, da sie linksdrehend ist.
171 Bruice, P.Y. (2007) S.1146
61

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
6. Polysaccharide
Polysaccharide, die auch Glycane genannt werden, bestehen aus Monosaccharid-Einheiten,
die über glycosidische Bindungen miteinander verknüpft
sind. Dabei kann man die Polysaccharide in die Gruppen Homopolysaccharide
und Heteropolysaccharide einteilen. Bei Homopolysacchariden handelt
es sich um Polysaccharide, die ausschließlich aus einer Sorte Monosacchariden
bestehen. Heteropolysaccharide hingegen bestehen aus mehreren
verschiedenartigen Monosacchariden. 172
Im Gegensatz zu Proteinen und Nucleinsäuren können die Polysaccharide
sowohl verzweigte als auch lineare Polymere bilden. Dies liegt darin begründet,
dass die glycosidischen Bindungen mit jeder Hydroxyl-Gruppe eines Monosaccharids
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 konservativ.
So werden die drei am häufigsten vorkommenden Polysaccharide Cellulose,
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 physikalische
und chemische Eigenschaften als die Mono- und Oligosaccharide. Dabei
kann die Verknüpfung der einzelnen Zuckermoleküle sowohl in geraden Ketten
als auch verzweigt erfolgen. Dass die meisten Polysaccharide entweder
gar nicht oder nur kolloidal in Wasser löslich sind, lässt auf hohe relative Molekülmassen
schließen, deren Größe zwischen 17.000 und mehreren Millionen
liegen kann. 175
Polysaccharide erfüllen in der Natur hauptsächlich zwei Aufgaben. Zum einen
dienen sie als Energiespeicher von Pflanzen und Tieren. Eine weitere Aufgabe
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
174 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1292
175 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.488f.
62

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
6.1 Cellulose
Cellulose ist das wichtigste Gerüstpolysaccharid der höheren Pflanzen und die
am weitesten verbreitete organische Substanz der Erde. So werden jährlich
schätzungsweise 10 15
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 Trockenmasse
von Blättern aus und 90 % der Masse von Baumwollfaser, aus der
leicht reine Baumwolle gewonnen werden kann. 177 Die bedeutendste Cellulosequelle
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
O
HO
OH
O
OH
HO
O
H
OH
OH
O
O
HO
OH
O
OH
HO
O
OH
OH
O
O
n
Abb.34 Cellulose
Durch die β-glykosidische Anordnung und der damit linearen Struktur der Cellulose-Ketten
bilden sich sowohl intramolekular als auch zwischen benachbarten
Ketten intermolekular Wasserstoffbrückenbindungen aus (Abb.35).
176 Nuhn, P. (2006) S.157
177 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.950
178 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1292
63

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
O
HO
O
HO
HO
OH
O
H
O
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
O
O
H
O
O
H O
O
H
O
H O
O
O
H
O
OH
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
H
O
O
O
O
O
O
n
Intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: blau
Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: rot
Abb.35 Darstellung der Inter-und Intramolekularen Wechselwirkungen der Cellulose
Aufgrund der Ausbildung von sowohl inter- als auch intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen
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 zwischen
Stärke und Cellulose ist die Stereochemie der glycosidischen Bindung.
Durch den anomeren Effekt (Kapitel 3.3.5) sind die β-glycosidischen Bindungen
der Cellulose stabiler als die α-glycosidischen Bindungen der Stärke und
des Glycogens. So enthält das menschliche Verdauungssystem Enzyme, welche
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 hydrolysieren.
Solche Bakterien finden sich beispielsweise in den Verdauungssystemen
der Termiten, die sich hauptsächlich von Cellulose (Holz) ernähren.
Wiederkäuer, wie z.B. Kühe, sind ebenfalls dazu in der Lage Gräser und andere
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
64

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
6.2 Stärke
Stärke ist ein Polysaccharid, das in der Natur durch Pflanzen als ihre wichtigste
Nährstoffreserve produziert wird. Die Stärke liegt in Form wasserunlöslicher
Stärkekörner, den sogenannten Stärkegranula vor, deren Form charakteristisch
für verschiedene Pflanzenarten sein kann. 181 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 gelösten Moleküle ist. 182
Chemisch gesehen gehört die Stärke zu der Gruppe der Glycane (Polysaccharide),
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 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. 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).
-(1,4)-Verknüpfung
OH
HO
O
OH
1
OH
O 4 O
HO
OH
O
n
Abb.36 Amylose
181 Nuhn, P. (2006) S.160
182 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1292
183 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1292
65

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Ein Amylose-Molekül besteht aus 50.000 – 150.000 Glucose-Einheiten. 184
Modellbetrachtungen zeigen, dass die α-glycosidischen Bindungen der Glucosemoleküle
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
HOH 2 C
O
O
OH
O
HO
OH
O
CH 2 OH
HOH 2 C
HO
HO
O
O
0,5 nm
OH
OH
O
O
OH
HOH 2 C
OH
O
OH
OH
O
OH
O
CH 2 OH
O
CH 2 OH
Abb.37 Grafische Darstellung einer Windung der Amylose-Helix
Die spiralförmige Struktur der Amylose ist durch die axial-äquatorial gerichteten
α-(1,4)-Bindungen zu erklären, die sowohl zu einer links- als auch rechtsgängigen
stark gestreckten Helix führen können. In das Innere dieser Helix
ragen die Wasserstoffatome, wodurch das Innere einen hydrophoben Charakter
erhält. Die Hydroxyl-Gruppen sind hingegen auf der Außenseite der Windungen
angeordnet und stabilisieren die Helix durch die Ausbildung intramolekularer
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
186 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.540
187 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S. 541
66

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
toffbrückenbindungen die kristallinen Strukturen der helikalen Moleküle stabilisieren.
188
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. 189
6.2.2 Amylopektin
Amylopektin besteht zwar hauptsächlich, wie die Amylose, aus α(1,4)-glycosidisch
verknüpften α-D-Glucoseeinheiten, zusätzlich weist das Amylopektion
jedoch im Durchschnitt alle 24 bis 30 Glucoseeinheiten eine α(1,6)- Quervernetzung
auf (Abb.38). 190
-(1,4)-Verknüpfung
OH
HO
HO
HO
HO
O
OH
1
OH
O 4 O
HO
OH
1
OH
O
O
1
6
OH
O 4 O
HO
-(1,6)-Verknüpfung
OH
O
H
n
Abb. 38 Amylopektin
Durch die 4-6% α-(1,6)-Bindungen in dem Amylopektin-Molekül ist eine baumartige
Verzweigung am wahrscheinlichsten. 191 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 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
191 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.542
67

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Länge dieser Ketten vor, so kann das Amylopektin eine Doppelhelix ausbilden,
die durch inter- und intramolekulare Wechselwirkungen kristalline Strukturen
ausbilden können. 192
Die Amylopektionmoleküle gehören mit bis zu einer Million (10 6 ) Glucose-
Einheiten zu den größten in der Natur vorkommenden Makromolekülen. 193 In
kaltem Wasser ist Amylopektin kaum löslich und bildet beim Kontakt mit heißem
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.39 195
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
68

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
6.3 Glycogen
Während Stärke ausschließlich durch Pflanzen synthetisiert wird, ist das Glycogen
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 Glucose-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 nichtreduzierende
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 Verfügung
stehen.
196 Walter, W. & Franck, W. (1998) S.492
197 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.326
198 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1293
199 Nelson, D. & Cox, M. (2009) S.326
69

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
6.4 Alginate
6.4.1 Alginsäuren und Struktur der Alginate 200
Alginsäure ist ein Gemisch von linearen Polyuronsäuren, das aus wechselnden
Anteilen von β-D Mannuronsäure und (1,4)-α-L-Guluronsäure besteht
(Abb.40), wobei der Polimerisationsgrad zwischen 1000 und 3000 liegt.
HO
HO
HOOC
O
OH
OH
HOOC
HO
HO
O
OH
OH
-L-Guluronsäure
-D-Mannuronsäure
Abb.40 Polyuronsäuren
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.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 gleichen
Anteilen statistisch verteilt sind (Abb.43).
200 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.632ff. und Marburger A. (2003) S.7ff.
70

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
M M M
H
O
HO
HOOC
OH
O
1
HO
O
4
HOOC
OH
O
O
HO
HOOC
OH
O
1
n
O
1,4-verknüpfte -Mannuronsäure
Abb.41 MM-Block
G G G G
HOOC
O
OH
OH
O
HOOC
O
OH
OH
O
O
O
OH
1
O 4
HOOC
OH
O
OH
1
O 4
HOOC
OH
n
1,4-verknüpfte -L-Guluronsäure
Abb.42 GG-Block
M
G
M
G
OH
O
HO
HOOC
OH
O
1
O
4
HOOC
OH
O
OH
O
HO
HOOC
OH
O
1
O
4
HOOC
O
OH
O
n
alernierende Sequenz
Abb.43 MG-Block
71

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Die Primärstruktur der der Alginsäuren besteht somit aus periodischen Sequenzen
(MM-und GG-Blöcke), die von aperiodischen Sequenzen (MG-
Blöcke) unterbrochen werden. Das Verhältnis von Polymannuronsäure, Polyguluronsäure
und dem alternierenden Segment kann dabei je nach Algenart
variieren.
Guluronsäure hat einen pK a -Wert von 3,65, die etwas stärkere Säure als
Mannuronsäure einen pK a -Wert von 3,38. Aufgrund ihrer pK a -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 (Mg 2+ ,
Ca 2+ ) miteinander verknüpft sind. In dieser Verknüpfung der verschiedenen
Polyuronsäuren in den Zellwänden der Algen liegt unter anderem die Festigkeit
und Flexibilität der Algen begründet, die den extremen mechanischen Belastungen
durch Meeresströmungen und Wellenbewegungen standhalten.
6.4.2 Gelbildung von Natriumalginat 201
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 aufnehmen.
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 entscheidend
für die Fähigkeit zur Bildung von Gelen ist. Durch die Anwesenheit von
mehrwertigen Kationen können sich die GG-Ketten parallel anlagern und somit
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 Ca 2+ - Kations
entsprechen (Abb.44). 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.45,46,47). Es kommt zu einer Chelat-
201 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.635ff und Marburger, A. (2003) S.19ff
72

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
bildung zwischen den anionischen Ketten und dem zweiwertigen Kation. Es
wird davon ausgegangen, dass innerhalb eines solchen Hohlraumes ein Ca 2+ -
Kation von insgesamt 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden wird
(Abb.44).
O
O
-
O
OH
O
O
Ca 2+
H
O
O
1 4
O O -
H
O
OH
O
n
Die fünf Sauerstoffatome
innerhalb eines Gulurunat-
Dimers, die an der koordinativen
Bindung beteiligt
sind rot hervorgehoben
Abb.44 Einlagerung eines Calcium-Ions
Abb.45, 46+47 „Egg box“-Modell
73

II: Theorieteil 2: Chemie der Kohlenhydrate
Die Konformation der MM- und GG-Blöcke erlaubt eine solche parallele
Anordnung der anionischen Ketten nicht, 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
eingelagert werden kann (Abb.48).
Abb.48 202
Entstehung von Hohlräumen durch die „Egg box“- und „ribbon“-type
Konformation
202 Aus: Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S. 635
74

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 Format
der Arbeit ab, da sie hauptsächlich als Begleitmaterial zur DVD gedacht
sind. Sie sollen von den Lehrern direkt in einem praktischen Format verwendet
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 immer
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)
75

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)
76

2. Nachweisreaktionen
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
(bei angesetzten Lösungen)
Chemikalien:
Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Pentahydrat
CuSO 4 *5H 2 O
22-36/38-50/53 22-60-61 SI + SII
Unmittelbar vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling-1-Lösung und Fehling-2-
Schuleinsatz
Kupfersulfat-
Kalium-Natrium-
Tartrat
- 22-24/25 - SI + SII
K + /Na + [C 4 H 4 O 6 ] 2-
Natriumhydroxid
NaOH
35 26-37/39-45 SI + SII
Glucose
C 6 H 12 O 6
- - SI + SII
Herstellen der Fehling-Lösungen:
Fehling-1-Lösung:
Fehling-2-Lösung:
3,5 g CuSO 4 *5 H 2 O in 50 mL Wasser lösen
17,5 g K + - Na + - Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen
Lösung im Verhältnis 1:1 gemischt werden.
77

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
Materialien:
- Heizplatte
- Becherglas (2x)
- Reagenzgläser (2x)
- Schliffflaschen (2x) (für die Fehling-Lösungen)
- Reagenzglasgestell
Versuchsaufbau:
1. Lösen in heißem Wasser 2. Zugabe von Fehling-Lösung
heißes Wasser
Glucose
Blindprobe
Fehling-Lösung
(1+2 gemischt)
Abb.1 Aufbau des Versuchs
78

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
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 Flüssigkeiten
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 Schwermetallabfall
entsorgt.
Beobachtung:
Abb.2 Beobachtung des Versuchs
Die Lösung von Glucose färbt sich nach der Zugabe von Fehling-Lösung von blau über gelblich-braun
nach orange-rot, während bei der Blindprobe keine Farbveränderung zu erkennen
ist.
79

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
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 oxidieren,
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
O
O
O -
O -
H 2 OH OH
Cu
OO
2+
Cu 2+ OH 2
H O -
OH OH 2
2
OH
O -
O
O
Abb.3 Kupfer 2+ -Tartrat-Komplex
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 CuO 2 -Niederschlag.
203 RÖMPP Online, Stichwort “Fehlingsche Lösung” (letzter Zugriff 12.02.10)
204 Holleman A. F. & Wiberg, E. (1995) S.1335
80

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
Oxidation:
R
+I
O
H
+ H 2 O
R
+III
O
OH
+ H +
2 + 2 e-
+II
+I
Reduktion: Cu 2+ + H 2 O +2e - Cu 2 O + 2 H +
rot
O
O
+II
+I
Gesamt: +I
(aq) + 2 Cu 2+ (aq) + 4 OH - (aq) +III +Cu 2 O + 2H 2 O (l)
R H
R OH
Abb.4 Ablaufende Redoxreaktion der Fehling-Probe
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 Röntgenstrukturanalysen
bewiesen wurde, kristallisiert Glucose ausschließlich als α-D-Glucose
aus. 205 In dieser ringförmigen Glucose existiert keine Aldehydgruppe und der Nachweis würde
negativ ausfallen. Wird die Glucose jedoch in Lösung gegeben, so stellt sich ein Gleichgewicht
zwischen α- und β-Form der ringförmigen Glucose, sowie einer kleinen Menge des
offenkettigen Aldehyds ein. 206
HO
H
HO
H
OH
O
H
H
OH
H
*
OH
H
HO
H
H
O
OH
H
OH
OH
HO
H
HO
H
OH
O
H
H
OH
OH
*
H
OH
-D-Glucose
36,4
Aldehydform
0,003 %
-D-Glucose
63,6 %
Abb.5 Die drei in Lösung vorkommenden Konformationen der Glucose
205 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1267
206 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 1268
81

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
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 offenkettige
Aldehydform übergeht.
Der Mechanismus, nach der die ringförmige Glucose gebildet wird, ist der einer reversiblen
cyclischen Halbacetalbildung. 207
OH
OH
OH
H
HO
H
OH
H
OH
H
O
+H +
H
HO
H
OH
H
OH
H
O +
H
H
HO
H
OH
OH
(2)
(1)
H C + OH
H
H
OH
H
OH
H
OH
D-Glucose
OH
(1)
H
HO
H
OH
H
OH H
H +
O + OH - H +
H
O OH
H
H *
OH H *
H
HO
H
OH
H OH
-D-Glucose
(2)
H
HO
H
OH
OH
OH
H
O + H -
H
O H
H
H * OH H *
OH
HO
OH
H
OH
H
OH
-D-Glucose
Abb.6 Cyclische Halbacetalbildung am Beispiel Glucose
207 Bruice, P.Y. (2007) S. 935
82

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
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 Halbacetalen,
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).
+I O
HO +III
O
H
OH
H
OH
HO
H
H
OH
HO
H
H
OH
+ 2 e-
H
OH
H
OH
OH
OH
Abb. 7 Oxidation der Glucose zur Gluconsäure
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
83

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Glucose
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 Aldehyden
und dem „neuen“ Stoff Glucose geschlagen werden. So kann anhand dieses Versuchs
die Struktur von Zuckermolekülen erarbeitet werden. Des Weiteren kann anhand dieses Versuchs
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.
84

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.
85

Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Pentahydrat
CuSO 4 *5H 2 O
3,5 g
Kupfersulfat-
22-36/38-
50/53
22-60-61 SI + SII
Tartrat 17,5 g - 22-24/25 - SI + SII
K + /Na + [C 4 H 4 O 6 ] 2-
Natriumhydroxid
NaOH
6 g 35 26-37/39-45 SI + SII
Saccharose
C 12 H 22 O 11
Fructose
C 6 H 12 O 6
Glucose
C 6 H 12 O 6
Kalium-Natrium-
Spatelspitze
Spatelspitze
Spatelspitze
- - - SI + SII
- - - SI + SII
- - - SI + SII
Herstellen der Fehling-Lösungen:
Fehling-1-Lösung:
3,5 g CuSO 4 *5 H 2 O in 50 mL Wasser lösen
Fehling-2-Lösung:
17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen
86

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
Unmittelbar vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling-1-Lösung und Fehling-2-
Lösung 2 im Verhältnis 1:1 gemischt werden.
Materialien:
- Heizplatte
- Bechergläser (2x)
- Reagenzgläser (4x)
- Schliffflaschen (2x) (für die Fehling-Lösungen)
- Reagenzglasgestell
Versuchsaufbau:
2. Lösen in heißem Wasser
2. Zugabe von Fehling-Lösung
heißes Wasser
Abb.1 Versuchsaufbau
Verschiedene Zucker
Blindprobe
Fehling-Lösung
(1+2 gemischt)
87

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
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 Wasserbad
gestellt werden! (Die angewandte Variante eignete sich besser zum Filmen von Videos.)
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
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 Saccharose-Lösung,
wie auch bei der Blindprobe, keine Farbveränderung zu erkennen ist.
Entsorgung:
Die mit Fehling-Lösung versetzten Zuckerlösungen werden neutral in den Schwermetallabfall
entsorgt.
88

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
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 Fructose
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.
CH 3
H 3 C
O
H CH 3
Ketoform
H O -
3 C O
H 3 C
+ B - C -
H 3 C CH 3 H 3 C CH 3
BH
H 3 C OH
H 3 C CH 3
Enolform
Abb.3 Keto-Enol-Tautomerie unter Basenkatalyse
208 Bruice, P.Y. (2007) S.178f. und Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E,. (2005) S.918
89

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
H
O
H 3 C
CH 3
CH 3
H 3 C
CH 3
H O +
CH 3
H
H 3 C
CH 3
H O H
C +
CH 3
+ H + Enolform
Ketoform
H 3 C
C
H 3
OH
+
CH 3
H +
Abb.4 Keto-Enol-Tautomerie unter Säurenkatalyse
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 Aldehydfunktion
für die positive Fehling-Probe im Falle der Fructose verantwortlich sind.
90

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
O
HO
H
H
OH
O
H
OH
OH
OH - /H +
HO
H
H
OH
OH
H
OH
OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
OH
D-Glucose
O
OH
D-Fructose
OH
Endiol
HO
HO
H
H
H
H
OH
OH
OH
D-Mannose
Abb.5 Keto-Enol-Tautomerie am Beispiel Fructose
5. Warum ist der Nachweis der Saccharose negativ?
s. Versuchsprotokoll : Fehling-Disaccharide
Didaktische Auswertung:
Einordnung in den Lehrplan:
s. Protokoll: Fehling: Glucose
Einordnung des Versuchs:
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 Umständen
wurde diese auch schon im Bereich „Kohlenstoffchemie I:Kohlenstoffchemie und funktionelle
Gruppen“ beim Thema „Alkanale und Alkanole“ behandelt, was dann am Beispiel
91

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehlingreaktion
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 Deutschland
GmbH.
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.
92

Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Pentahydrat
CuSO 4 *5H 2 O
3,5 g
Kupfersulfat-
22-36/38-
50/53
22-60-61 SI + SII
Tartrat 17,5 g - 22-24/25 - SI + SII
K + /Na + [C 4 H 4 O 6 ] 2-
Natriumhydroxid
NaOH
6 g 35 26-37/39-45 SI + SII
Saccharose
C 12 H 22 O 11
Lactose
C 12 H 22 O 11
Maltose
C 12 H 22 O 11
Trehalose
C 12 H 22 O 11
Kalium-Natrium-
Spatelspitze
Spatelspitze
Spatelspitze
Spatelspitze
- - - SI + SII
- - - SI + SII
- - - SI + SII
- - - SI + SII
93

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Herstellen der Fehling-Lösungen:
Fehling-1-Lösung :
3,5 g CuSO 4 *5 H 2 O 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.
Materialien:
- Heizplatte
- Becherglas (2x)
- Reagenzgläser (4x)
- Schliffflaschen (2x) (für die Fehling-Lösungen)
- Reagenzglasgestell
Versuchsaufbau:
3. Lösen in heißem Wasser
2. Zugabe von Fehling-Lösung
heißes Wasser
Verschiedene Zucker
Blindprobe
Fehling-Lösung
(1+2 gemischt)
Abb.1 Versuchsaufbau
94

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
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 gestellt
werden! (Die angewandte Variante eignete sich besser zum Filmen von Videos.)
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
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.
95

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
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 Mechanismus
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
OH
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
O
H +
H
HO
H
OH
H
O
H
O + H
H
OH
H
H
OH
H
-D-Glucose
- H 2 O
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
C +
H
HO
H
OH
H
OH
O +
H
OH
H
+
HO
O
H
O
H
OH
OH
H
H
OH
-D-Fructose
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
OH
H
HO
O + O H
H HO
H OH H
OH
OH
- H +
H
H
OH
H
O
H
HO
H
O
HO
H
HO
H
OH
O
OH
H
OH
Saccharose
Abb.3 Acetalbildung am Beispiel der Bildung von Saccharose
209 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.946
210 Mechanismus: Vgl. Vollhardt, K.P.C. & Schore N. E. (2005) S.875
96

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Die systematische Benennung der Disaccharide ist durch die beteiligten Monosaccharide,
deren Ringform (α oder β bzw. Fünf- oder Sechsring) sowie die Art der Verknüpfung zwischen
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 Kohlenstoffatom
C 1 des zuerst genannten Zuckerrestes mit dem Kohlenstoffatom C 4 des
zweiten Zuckerrestes verbunden ist.
8. Zuletzt wird der zweite Rest genannt. Handelt es sich dabei um ein reduzierendes Disaccharid,
so wird der Zucker mit der Endung „-ose“ ausgeschrieben und es muss
keine Konfiguration (α- oder β-) vorangestellt werden. Im Falle eines nichtreduzierenden
Disaccharids muss die Konfiguration angegeben werden und der Zucker
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 Kohlenstoffatome
verknüpft, so ist die Fehling-Probe negativ und im Versuch fällt kein rotes Kupferoxid
aus. Diese Zucker werden auch nicht reduzierende Zucker genannt, da sie keine reduzierenden
Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren ist bei diesen nicht reduzierenden Zuckern
keine Mutarotation festzustellen. Ist bei einem der beiden Monosaccharid-Einheiten
eines Disaccharids das anomere Kohlenstoffatom nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt,
so hat dieser Zucker reduzierende Eigenschaften und wird als reduzierender Zucker
bezeichnet (im Versuch reduziert er die Kupferionen). Zusätzlich ist bei diesen reduzierenden
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
97

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
1. Saccharose:
Die Saccharose ist das am häufigsten vorkommende Disaccharid und ist die Haupttransportform
von Kohlenhydraten in Pflanzen. 213 Für uns Menschen ist die Saccharose als der gewöhnliche
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-Glucopyranose
und einem Molekül β-D-Fructofuranose zusammensetzt (Abb.4).
H
HO
H
H
1
2
3
4
5
O
OH
H
OH
OH
6
OH
H
4
HO
OH
6
5 O
H
OH H
3 2
H OH
O
H
2
1* HO
3
OH
4
H
H
1 OH
5
6
H
OH
OH
OH
HO
6
5
H
O
H HO
4 3
OH H
OH
2
1
*
OH
D-Glucose
-D-Glucopyranose
D-Fructose
D-Fructofuranose
* = anomeres Zentrum
Abb.4 Ringschluss von Glucose und Fructose
Wie man in Abb.4 erkennen kann, befindet sich das anomere Kohlenstoffatom der Glucopyranose
an Kohlenstoffatom C 1 , während sich im Falle der Fructose das anomere Kohlenstoffatom
an Position C 2 befindet. Anhand der systematischen Bezeichnung kann man erkennen,
dass die Saccharose gerade über diese beiden anomeren Kohlenstoffatome verknüpft
ist (Abb.5).
H
4
OH
6
5 O
H
OH H
H
1
HO
1
2
H
O
HO
H
5
HO
3
H
2
OH
O 3 4
OH H
6
OH
Abb.5 Saccharose: -D-Glucopyranosyl-(1,2)--DFructofuranosid
213 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C.W. (2002) S.219
98

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Aufgrund der Beteiligung der beiden anomeren Kohlenstoffatome an der glykosidischen Bindung
schützen die beiden cyclischen Acetalgruppen sich gegenseitig und eine Ringöffnung
wird verhindert. 214 Da jedoch die offenkettige Form die Voraussetzung für reduzierende Eigenschaften
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. Dabei
beträgt der Anteil der Lactose in der Muttermilch der meisten Säugetiere etwa fünf Gewichtsprozente
der flüssigen Milch. Bei den Trockensubstanzen der Milch beträgt der Lactose-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-Glucopyranose.
Dies bedeutet, dass die Lactose aus einer β-D-Galactopyranose- und einer D-
Glucopyranose-Einheit besteht (Abb.6).
H
HO
HO
H
1
2
3
4
5
6
O
OH
H
H
OH
OH
HO
4
H
OH
6
5 O
H
OH H
3 2
H OH
OH
1
H
*
Glucose: s. oben
Galactose
-D-Galactopyranose
Abb.6 Ringschluss Galactose
214 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1287
215 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1290
216 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.947
99

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Man kann erkennen, dass sich das anomere Kohlenstoffatom der Galaktose an Kohlenstoffatom
C 1 befindet. Wie bereits bei der Saccharose beschrieben, ist das anomere Kohlenstoffatom
der Glucose ebenfalls am Kohlenstoffatom C 1 . Am systematischen Namen ist zu
erkennen, dass die Lactose über das Kohlenstoffatom C 1 der Galactopyranose mit dem Kohlenstoffatom
C 4 der Glucopyranose verknüpft ist (Abb.7).
OH
OH
HO
H
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
4
O
1
H
*
H
OH
H
O H
1
H *
OH
OH
-Lactose
HO
H
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
4
O
1
H
*
H
OH
H
O OH
1
H *
H
OH
-Lactose
OH
HO
H
OH
OH
H
O
H
4
O
1
H
OH
H
OH H
1
H
OH
O
H
H
H
OH
Abb.7 Lactose: -D-Galactopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose
Abb.7 zeigt, dass das anomere Kohlenstoffatom der Glucopyranose nicht an der glykosidischen
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 Carbonsäure
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).
100

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
3. Maltose 217
Nach der Saccharose und der Lactose ist die Maltose (oder auch Malzzucker) das am häufigsten
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 Disaccharid
Maltose gespalten werden. So kommt die Maltose in Pflanzenwurzeln und Pflanzenknollen,
Blättern, in keimenden Getreidesamen und Keimanlagen der Kartoffel vor.
Maltose ist ein Dimer der Glucose und trägt den systematischen Namen α-D-Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose.
Die Maltose besteht also aus zwei Glucose-Einheiten (s.
oben), die über die Kohlenstoffatome C 1 und C 2 verknüpft sind (Abb.8).
OH
OH
OH
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
H
4
1
* OH H *
1
O
H
O
H
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
H
4
1
* OH H *
1
H
O
OH
O
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
Maltose
Maltose
OH
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
OH
H
O
H
OH
H
OH
Abb.8 Maltose: -D-Glucopyranosyl-(1,4)-D-Glucopyranose
Ähnlich der Lactose ist auch bei der Maltose nur einer der beiden anomeren Kohlenstoffatome
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)
101

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
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-Glucopyranosid
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 C 1
verknüpft (Abb.9)
OH
HO
H
HO
H
OH
H
O
H
1
*
O
*
H
1
H
O
OH
H
OH
H
OH
OH
H
Abb.9 Trehalose: -D-Glucopyranosyl-(1,1)--D-Glycopyranosid
Wie man an der Struktur der Trehalose erkennen kann, sind die beiden anomeren Kohlenstoffatome
an der glykosidischen Bindung beteiligt. Aus diesem Grund sind, wie bei der Saccharose,
keine Ringöffnungen bei diesem Disaccharid möglich. Dadurch fällt auch die Fehling-Probe
negativ aus. Die Trehalose hat keine reduzierenden Eigenschaften und beim Lösen
in Wasser findet keine Mutarotation statt. Die Trehalose ist ein nicht reduzierender Zucker
und besitzt somit auch keine α- bzw. β-Form.
102

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Disaccharide
Didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
s. Versuchsprotokoll: Fehling-Glucose
Einordnung dieses Versuchs:
Durch diesen Versuch können die Schüler anhand der verschiedenen chemischen Eigenschaften
Rückschlüsse auf die Struktur bzw. die Verknüpfungsarten der verschiedenen Zucker.
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 Sekundarstufe
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.
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
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen dieses Protokolls wurden selbst angefertigt.
218 Vgl. hierzu: Versuchsprotokoll Spaltung von Saccharose und Polarimeter: Spaltung von Saccharose
103

Arbeitsblatt: Fehling - Disaccharide
Datum:
I. Schau dir das Video aufmerksam an und fülle danach folgende Tabelle aus:
Zucker Maltose Trehalose Lactose Saccharose
Fehling-Probe
+ (positiv)
- (negativ)
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.
HO
OH
O
HO
O
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
HO
OH
HO
OH
OH
OH
-D-Galactopyranose
-D-Fructose
-D-Glucose
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!
104

Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
Zeitaufwand:
Vorbereitung:
Durchführung:
Entsorgung/Abbau:
5 Minuten
10 Minuten
5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kaliumhydroxid
KOH
1,8 g 2-35
26-36/37/39-
45
SI +SII
Silbernitrat
AgNO 3
3,4 g 34-50/53 26-45-60-61 SI + SII
Ammoniak
NH 3 (w=0,25)
ca. 8 mL 10-23-34-50
9-16-26-36-
36/37/36-45-
61
SI+SII
219
Ammoniumsulfat
(NH 4 ) 2 SO 4
36/37/38 26-36 SI+ SII
Glucose
C 6 H 12 O 6
Spatelspitze
Spatelspitze
- - - SI + SII
219 Schwangere und stillende Personen dürfen nicht mit Ammoniak arbeiten.
105

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
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:
1. Zugabe Ammoniak
2. Die drei Lösungen in
ein sauberes Glasgefäß
Substanz
NH 3
KOH
3. Schütteln
Silbernitratlösung
Glucose-
Lösung
Abb.1 Versuchsaufbau
106

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
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, Glucose-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:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
Nach der Zugabe von Ammoniak zur Silbernitrat-Lösung bildet sich ein brauner Niederschlag,
der sich nach weiterer Zugabe von Ammoniak wieder auflöst. Durch das Schütteln
des Glasgefäßes scheidet sich an der Reagenzglaswand ein silbrig glänzender, spiegelähnlicher
Niederschlag ab.
107

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
Entsorgung:
Die Lösung aus dem Glasgefäß wird neutral in den anorganischen Abfall entsorgt. Das verspiegelte
Glas kann nach dem Trocknen von den Schülern mit nach Hause genommen werden
oder es wird in die Feststofftonne entsorgt.
Auswertung:
1. Herstellen der Silbernitratlösung:
Durch die Zugabe von Ammoniak wird die Lösung basisch. Beim Versetzen einer Silbersalzlösung
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) Ag 2 O (s) ↓ + H 2 O
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 Bildung
eines Diammin-Silber(I)-Komplex auf:
Ag 2 O (s) + 4 NH 3 (aq) + H 2 O
2 [Ag(NH 3 ) 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 störender
Niederschläge (beispielsweise Ag 2 O) verhindert wird, welche die zu erwartende Reaktion
verhindern würde. 221
220 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995) S.1345
221 Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.197
108

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
2. Tollens-Probe
„Die leichte Oxidierbarkeit von Aldosen wird für analytische Methoden genutzt, die in der Zucker-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 metallischem
Silber reduziert werden, das sich auf der Innenwand des Reaktionsgefäßes abscheidet.
Primär ist die Tollens-Probe ein Nachweis für Aldehyde. Bei diesem Nachweis werden Silber-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:
R
O
O
+I +III + 2 e-
H
R OH
Reduktion:
+I
Ag + + e - 0
Ag
Gesamt:
R
O
+I
H(aq)
+I
+ 2 [Ag(NH 3 ) 2 ]+ +
(aq)
O
2 OH - (aq)
+III
0
(s) (aq)
R H
+ 2 Ag + 4 NH 3 +
H 2 O
Abb.4 Ablaufende Redoxreaktionen der Tollens-Probe
Das bei der Reaktion entstandene elementare Silber scheidet sich an der Wand des Reaktionsgefäßes
ab und sorgt dort für den „Spiegeleffekt“ an der Glaswand.
Bei großtechnischen Synthesen findet der Tollens-Nachweis normalerweise keine Anwendung.
In der Industrie wird die Tollens-Reaktion verwendet, um glänzende Spiegel auf Glasoberflächen
zu erzeugen. Ein Beispiel für eine Verspiegelung einer Glasoberfläche ist die
Innenseite einer Thermosflasche. 223
222 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.935
223 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.894
109

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
3. Warum funktioniert der Nachweis auch mit Glucose?
s. Versuchsprotokoll: Fehling-Glucose
4. Hintergrundinformation: Geschichte der Spiegelherstellung 224 225 :
Die ersten, den Menschen bekannte, Spiegel sind wohl glatte Wasseroberflächen. Ein weiterer
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 Verwenden
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 beschichtet.
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 Quecksilberschicht
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 ausgekleidet
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
110

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
Abb.5 Der Spiegelsaal von Versailles
Im Jahre 1855 wurde dann durch Justus von Liebig die Technik der Herstellung von Silbernitrat-Spiegeln
entdeckt, welche wie in diesem Versuch angewendet funktioniert. Dieses Verfahren
konnte sich jedoch erst nach dem Verbot des Quecksilber-Amalgam-Spiegels im Jahre
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 hergestellt.
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 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.
Einordnung des Versuchs:
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-
111

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Tollens-Probe
lern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden
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 Struktur
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.
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
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)
Abbildungsverzeichnis:
Abb.5: http://www.willylogan.com/Photos/summer-2006/roll-09/7365-spiegelsaal.jpg
(letzter Zugriff 02.04.2010)
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt
112

Arbeitsblatt: Tollens-Probe
Datum:
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?
Formuliere eine Reaktionsgleichung!
c) Warum wird der Silbernitratlösung Ammoniak zugegeben?
Formuliere eine Reaktionsgleichung!
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
113

Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung 10 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
(Bei angesetzten Lösungen)
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Iod
I 2
2 g 20/21-50 23.2-25-61 SI + SII
Kaliumiodid
KI
Stärke
Eis
H 2 O
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 Kaliumiodid
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
Schuleinsatz
4 g - - - SI + SII
Spatelspitze
- - - SI + SII
- - - SI + SII
Herstellung der I/KI-Lösung:
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
114

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Materialien:
- Stativmaterial
- (Demo-) Reagenzglas
- Bunsenbrenner
- Pasteurpipette mit „Hut“
Versuchsaufbau:
I. II.
Stärke-
Lösung
1. Zugabe
I/KI-Lösung
3. Kühlen mit
Eisbad
I/KI
2. Erwärmen mit
Bunsenbrenner
Abb. 1 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 Bunsenbrenner
erhitzt.
3. Nach dem Verschwinden der Farbe wird das Reagenzglas mit einem kalten Wasserbad
gekühlt.
115

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Beobachtung:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
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 entsorgt.
116

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Auswertung:
1. Stärke:
Stärke ist ein Polysaccharid, das in der Natur durch Pflanzen als ihre wichtigste Nährstoffreserve
produziert wird. Die Stärke liegt in Form wasserunlöslicher Stärkekörner, den sogenannten
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 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 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).
6
OH
6
OH
H
C 4
5 O
H
OH H
3 2
H
1
O
H
4
5 O
H
OH H
3 2
H
1
O
H
OH
H
OH
n
-(1,4)-Verknüpfung
Abb.3 Amylose in Haworth-Projektion
227 Nuhn P. (2006) S.160
228 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1292
229 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1292
117

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
HO
-(1,4)-Verknüpfung
OH
O
OH
1
OH
O 4 O
HO
OH
O
n
Abb.4 Amylose in der Sessel-Schreibweise
Ein Amylose-Molekül besteht aus 50.000 – 500.000 Glucosemolekülen. Modellbetrachtungen
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 Biopolymer,
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
HOH 2 C
O
O
OH
O
HO
OH
O
CH 2 OH
HOH 2 C
HO
HO
O
O
0,5 nm
OH
OH
O
O
OH
HOH 2 C
OH
O
OH
OH
O
OH
O
CH 2 OH
O
CH 2 OH
Abb.5 Grafische Darstellung einer Windung der Amylose-Helix
230 Nuhn P. (2006) S. 160
118

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
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, wodurch
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 Wasserstoffbrückenbindungen
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 verknüpften
α-D-Glucoseeinheiten, zusätzlich weist das Amylopektion jedoch im Durchschnitt alle 24
bis 30 Glucoseeinheiten eine α(1,6) Quervernetzung auf. 234
OH
6
OH
HO
H
H
OH
H
O
H
O
H
4
5 O
H
OH H
3 2
H
1
O
-(1,6)-Verknüpfung
H
OH
OH
H
OH
6
H
H
OH
H
O
H
1
O
H
4
5 O
H
OH H
3 2
H
1
O
H
H
OH
H
OH
n
-(1,4)-Verknüpfung
Abb.6 Amylopektin in der Haworth-Schreibweise
231 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S. 541
232 RÖMPP Online, Stichwort “ Amylose” (letzter Zugriff 25.04.2010)
233 Sticher, O. & Hänsel, R.(2007) S.541
234 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt C.W. (2002) S.222
119

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
-(1,4)-Verknüpfung
OH
HO
HO
HO
HO
O
OH
1
OH
O 4 O
HO
OH
1
OH
O
O
1
6
OH
O 4 O
HO
-(1,6)-Verknüpfung
OH
O
H
n
Abb. 6 Amylopektin in der Sessel-Schreibweise
Durch diese 4-6% α-(1,6)-Bindungen in dem Amylopektin-Molekül ist eine baumartige Verzweigung
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 ausreichende
Länge dieser Ketten vor, so kann das Amylopektin eine Doppelhelix ausbilden, die
durch inter-und intramolekulare Wechselwirkungen kristalline Strukturen ausbilden können.
235
Die Amylopektionmoleküle gehören mit bis zu 10 6 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
120

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
2. Iod-Stärkenachweis
In wässrigen Lösungen von Kaliumiodid wird elementares Iod zu Kaliumtriiodid, bei höheren
Konzentrationen auch unter Bildung von Polyiodiodionen gelöst: 237
n I 2 (s/aq) + n I - (aq)
I - 3(aq), I 5
-
(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 Fettsäuren
(Abb.7).
Abb.7 Darstellung einer Iod-Stärke Einschlussverbindung
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)
121

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Anzahl der Glucosereste λ max (nm) Farbeindruck
12 490 gelb-orange
30 537 rot
>80 610 blau
Tab. 1 Verhältnis von Kettenlänge zu Absorptionsmaximum und Farbeindruck
Der Amylose-Iodid-Komplex enthält etwa 19,5 % Iodidanionen und ist mit einem Absorptionsmaximum
von λ max = 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 λ max = 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 Erhitzen
werden zwar keine Bindungen der Amylose gebrochen, jedoch geht die geordnete Tertiärstruktur
(die Helix) verloren. Beim Abkühlen der Lösung hingegen wird die Helix zurückgebildet
und die Polyiodid-Anionen können sich wieder in dieser Helix einlagern, weshalb die
Lösung wieder eine blaue Farbe annimmt.
Didaktische Betrachtung:
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 sollen auch die
Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden.
238 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.543
239 Nuhn P. (2006) S.161
240 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.543
122

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis
Einordnung des Versuchs:
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 Stärke.
Durch diesen Versuch können die Schüler etwas über die Struktur der Stärke (Helix) erfahren
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 Sekundarstufe
I+II uneingeschränkt verwendet werden, weshalb dieser Versuch auch als Schülerversuch
geeignet ist.
Literaturangabe:
Nuhn P. (2006). Naturstoffchemie: Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Auflage).
Stuttgart: S. Hirzel Verlag.
Sticher, O. & Hänsel, R. (2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Heidelberg:
Springerverlag
Voet, D. & Voet J.G. & Pratt C.W. (2002). Lehrbuch der Biochemie (1. Auflage). Weinheim:
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
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
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
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
123

Arbeitsblatt: Iod-Stärkenachweis
Datum:
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 zusammen,
der__________________________ und dem ___________________________.
Die Blaufärbung mit Iod-/Kaliumiodid-Lösung kommt durch eine sogenannte Einschlussverbindung
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.
124

Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 10 Minuten
Durchführung: 5 Minuten
Abbau/Entsorgung: 10 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kaliumiodid
KI
1-2 g - - - SI +SII
Materialien:
- Gleichspannungstransformator (Trafo)
- Strippen mit Messspitzen
- Petrischale
- Stativmaterial
- Kartoffel
125

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Versuchsaufbau:
I. II.
2. Kartoffel schneiden und
3. Kartoffel festspannen
feuchte Seite auf KI drücken
1. KI in Petrischale
geben
KMnO KI 4
Spannungsquelle
12.34
_
+
V
4. Spannung
anlegen
on
Abb. 1 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 Petrischale
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 gehalten,
während man mit der Messspitze des positiven Pols auf die mit Kaliumiodid vermischte,
feuchte Kartoffelseite schreibt.
126

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
An der Messspitze, die am Pluspol des Gleichspannungstransformators angeschlossen ist,
entsteht beim Kontakt mit der in Kaliumiodid getauchten feuchten Kartoffelseite eine tiefblaue,
fast schwarze Farbe.
Entsorgung:
Die Kartoffel und übrig gebliebenes Kaliumiodid können in den Hausmüll entsorgt werden.
127

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Auswertung:
1. Stärke und Stärkenachweis
s. Versuchsprotokoll: Stärkenachweis
2. Erläuterung des Versuchs:
In dem Versuch wurde die frisch aufgeschnittene Kartoffelseite auf Kaliumiodid-Kristalle gedrückt.
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 Wasserstoff
aus dem Wasser zu elementarem Diwasserstoff oxidiert:
Oxidation: 2I - (s/aq) I 2 (s/aq) + 2 e -
Reduktion: 2H 2 O (l) + 2e -
H 2(g) + 2OH - (aq)
Gesamt: 2I - + 2 H 2 O I 2 + 2H 2 + 2 OH -
Das bei der Oxidation entstandene elementare Iod reagiert mit den noch in der Lösung vorhandenen
Iodid-Ionen zu Polyiodid-Ionen:
n I 2 (s/aq) + n I - (aq)
I - 3(aq), I 5
-
(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
128

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
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 Kartoffelerzeugung
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 Kartoffeln
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 wichtigsten
Volksnahrungsmittel entwickelte. Die Verbreitung wurde jedoch durch schwere Rückschläge
erschwert. Durch Kraut- und Knollfäule wurden im 19. Jahrhundert ganze Ernten
und Lagerbestände vernichtet, was zu schweren Hungersnöten führte. Trotz dieser Ereignisse
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 Zusammensetzung
der Kartoffel ist genetisch bedingt, wird aber auch durch andere Faktoren,
wie Klima, Witterung, Erde und Krankheiten beeinflusst. Des Weiteren kann sich die Zusammensetzung
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 Stärkegewinnung
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
244 http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=STÄRKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cir
skartoffel
245 http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST%C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con
=cirskartoffel_zus
129

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Gesamtzucker
0,5%
Zusammensetzung der Kartoffel
Fasern 0,7%
Stärke
18%
Protein
2%
Rest
2,8%
Wasser
76%
Abb.3 Zusammensetzung der Kartoffel
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 sollen auch die
Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden. Das Verständnis von Redoxreaktionen,
die in Sekundarstufe II in der Einführungsphase E1 behandelt werden, sollte zum
Verständnis dieses Versuchs vorausgesetzt werden.
Einordnung des Versuchs:
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, weshalb
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 möglich,
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.
130

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Kartoffelpapier“
Literaturangaben:
Alsing, I. & Friesecke, H. & Guthy, K. (1992). Lexikon Landwirtschaft: pflanzliche Erzeugung,
tierische Erzeugung , Landtechnik,Betriebslehre, landwirtschaftliches Recht (2. Auflage).
München: BLV Verlagsgesellschaft.
Buckel W. & Dehnen S. et al. (2009). Chemikum Marburg – Kurze Broschüre mit Erläuterungen
zu den Experimenten. Skript, Philipps Universität Marburg-Fachbereich Chemie
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
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=nstaerkein
st&con=cirskartoffel_zus (letzter Zugriff: 12.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
131

Arbeitsblatt: „Kartoffelpapier“
Datum:
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 Aufgabe
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!
132

3. Reaktionen der Kohlenhydrate
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung: 15 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Ethanol
C 2 H 5 OH
10 mL 11 7-16 SI + SII
Emser Pastillen
(mit und ohne
Zucker)
Je 2-4 - - - SI + SII
Zigarettenasche - - - SI + SII
Sand - - - SI + SII
Zur Herstellung des Sand-Zigarettenasche-Gemisches wird der Sand mit der Asche im Verhältnis
1:1 gemischt.
1 Tablette Emser Pastillen mit Zucker enthält:
126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile: Natrium- Chlorid- und Hydrogencarbonat-Ionen),
Saccharose, sprühgetrocknetes arabisches Gummi, Stearinsäure, Traganat,
Calciumstearat, Vanillearoma.
133

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
1 Tablette Emser Pastillen ohne Zucker enthält:
126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile Natrium- Chlorid- und Hydrogencarbonat-Ionen),
Isomalt, Aspartam, Calciumstearat, Pfefferminzaroma.
Materialien:
- Porzellanschalen (2x)
- Feuerzeug
- Messpipette
Versuchsaufbau:
A
1. Pastillen mit Ethanol übergießen
S
E
2. Ethanol entzünden
EtOH
Emser-Pastillen
mit Zucker
Sand-Zigarettenasche-
Gemisch
Emser-Pastillen
ohne Zucker
Abb.1 Versuchsaufbau
134

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
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 angezündet.
246
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
Nach der Entzündung brennt der Ethanol auf und neben den Pastillen. Nach kurzer Zeit verfärben
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 beobachten.
135

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
Auswertung:
1. Erläuterung des Versuchs:
Wie an der Zusammensetzung (s. oben) zu erkennen, bestehen die Emser Pastillen mit Zucker
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 Kohlenstoffdioxid
freigesetzt wird: 247
(1) 2 NaHCO 3 (s) Na 2 CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O
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) C 12 H 22 O 11 (s) + 9½ O 2 (g) 12 CO 2 (g) + 6H 2 O (g)
(3) C 12 H 22 O 11 (g) 12 C (s) + 11 H 2 O (g)
Der bei der Verkohlung entstandene Kohlenstoff wurde durch das entstandene Kohlenstoffdioxid
(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
136

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
2. Hintergrundwissen Süßstoffe und Zuckeraustauschstoffe
In den Emser Pastillen ohne Zucker ist zwar auch Natriumhydrogencarbonat enthalten, jedoch
sind anstatt Zucker in diesen Pastillen der Zuckeraustauschstoff Isomalt und der Süßstoff
Aspartam enthalten.
Die Hauptsüße in diesen Pastillen kommt durch das Aspartam. Dieser Süßstoff ist ein Dipeptid
mit dem chemischen Namen L-Asparagy-L-Phenylalaninmethylester (Abb.3).
O
H 2 N
NH
COOMe
HOOC
Abb.3 Aspartam
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 Eingesetzt
wird Aspartam vor allem in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung von sogenannten
„Light-Produkten“, oder zur Herstellung von Diabetiker-Erzeugnissen.
Das Problem beim Süßen mit synthetischen Süßstoffen wie Aspartam ist, dass sie ganz andere
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 geeignet
sind und häufig einen geringeren Brennwert besitzen“ 250 . So liegt der Brennwert der Zuckeraustauschstoffe
bei ca. 8-12 kJ/mol, während Saccharose einen Brennwert von ~
17kJ/mol hat. Die Süßkraft solcher Zuckeraustauschstoffe ist jedoch geringer als die der Zucker
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 (Saccharose)
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
137

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
men die Saccharose in Isomaltulose umgewandelt. In dieser Reaktion entsteht aus der (1,2)-
Bindung des nicht-reduzierenden Disaccharids Saccharose durch eine Umlagerung das reduzierende
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).
CH 2 OH
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
HO
H
1
2
O
Saccharose
H
OH
O
HO
H
OH
OH
Enzym
H
HO
H
OH
H
OH
H
OH
O
Isomaltulose
H
1
HO
H
H
O
6
O
H
OH
OH
Oxidation
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
HO
HO
H
CH 2 OH
H
H
OH
H OH H
O
H
OH H
O
HO
H
OH
OH
H
H
HO
H
H
O
CH 2 COH
OH
H
OH
OH
-D-Glucopyranosyl-(1,1)-Mannit
-D-Glucopyranosy-(1,6)-Sorbit
äquimolares Gemisch
=Isomalt
Abb.4 Herstellung von Isomalt
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 Diabetiker
geeignet ist.
138

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
Die Frage ist nun, warum dieser Zuckeraustauschstoff in diesem Versuch nicht ebenso verkohlt
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 hinzugegeben,
bis die Tablette die gewünschte Struktur hat.
Didaktische Betrachtung:
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. 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 dürfen
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 sollten
alle Chemikalien an der Schule vorhanden sein. Die Pastillen müssten durch die Lehrkraft
in der Drogerie besorgt und auch die Zigarettenasche muss vor dem Versuch gesammelt
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 Frage
auftauchen könnte, welcher Stoff in den Pastillen ohne Zucker für die Süße verantwortlich
ist.
251 Siehe weitere Versuchsprotokolle
139

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Pharaoschlange
Literaturangaben:
Riedel E. & Janiak C. (2007). Anorganische Chemie (7. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter
GmbH & Co. KG.
Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-
VCH GmbH & Co KGaA.
Pfeifer, P. & Sommer K. (Hrsg.). (2001). Kohlenhydrate [Themenheft]. Naturwissenschaften
im Unterricht, 12 (2)
Elektronische Quellen:
„HessGISS“-Gefahrstoff-Informationssystem 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
140

Arbeitsblatt: Pharaoschlange
Datum:
1 Tablette Emser Pastillen mit Zucker enthält:
126 mg natürliches Emser Salz (Hauptbestandteile: Natrium-, Chlorid- und Hydrogencarbonat-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 Hydrogencarbonat-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 Beobachtung!
141

Versuchsprotokoll:
Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure
Zeitaufwand:
Aufbau:
Durchführung:
Abbau/Entsorgung:
5 Minuten
10 Minuten
5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schwefelsäure
H 2 SO 4 (konz)
10 mL 35 26-30-45 SI+SII
Schuleinsatz
„Haushaltszucker“
(Saccharose)
C 6 H 12 O 6
35 g - - - SI+SII
Materialien:
- Becherglas
- Glasstab
- Spritzflasche
142

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure
Versuchsaufbau:
Zugabe
von
H 2 SO 4
H 2 SO 4
(konz)
Zucker
Abb.1 Aufbau des Versuchs
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.
143

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure
Beobachtung:
Abb.2 Beobachtung des Versuchs
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(!) Waschen
als Aktivkohle weiter verwendet werden oder es wird neutral in die Feststofftonne entsorgt.
Übrig gebliebene Säure wird neutral in den anorganischen Abfall entsorgt.
144

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure
Auswertung:
Die Schwefelsäure ist eine starke, zweiprotonige Säure, deren elektrolytische Dissoziation in
zwei Stufen erfolgt:
H 2 SO 4 H + + HSO 4
-
pK s = -3 pK s = +1,96 252
2 H + + SO 4
2-
-
Die hohe Wasseraffinität der Schwefelsäure ist auf die Bildung eines stabilen Salzes (HSO 4
H 3 O + ) 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 Verdünnen
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 chemischen
Gleichgewichten verwendet. 253
Das Bestreben reiner Schwefelsäure zum Wasserentzug ist sogar so groß, dass sie sich in
einem geringen Ausmaß selbst entwässert:
2 H 2 SO 4 (l) H 3 O + - -5 254
(aq) + HS 2 O 7 (aq) K= 5,1 x 10
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:
C 6 H 12 O 6 (s) + H 2 SO 4 (l)
6 C (s) + 6 H 3 O + (aq) + HSO 4
-
(aq)
schwarz
Der in dieser Reaktion entstehende elementare Kohlenstoff ist für die schwarze Farbe verantwortlich.
Des Weiteren wirkt die konzentrierte Schwefelsäure oxidativ zerstörend, was zu einer Gasentwicklung
führt:
252 Riedel, E. & Janiak, C. (2007) S.450
253 Riedel, E. & Janiak, C. (2007) S.586
254 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995) S.586
145

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure
C (s) + 2 H 2 SO 4 (l)
CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O (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 Chatelier
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 Eleminierung
von Wasser aus Alkoholen. Bei dieser Reaktion entstehen Alkene.
Die erkaltete Kohlenstoffmasse kann als Aktivkohlenstoff verwendet werden. Bei Aktivkohlenstoffen
handelt es sich um mikrokristalline, porenreiche Kohlenstoffsorten mit einer sehr
großen inneren Oberfläche. 255 Verwendet werden diese Aktivkohlenstoffe als „Adsorptionsmittel“,
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 Verpackungsmaterials,
leicht bräunlich aus.
Didaktische Betrachtung:
Einordnung in den Lehrplan:
Dieser Versuch kann bei mehreren Themengebieten des Lehrplans seine Anwendung finden.
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 sollen.
Des Weiteren kann dieser Versuch in der Sekundarstufe II beim Thema „Redoxreaktionen“
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
146

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zucker + Schwefelsäure
und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“. In diesem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate
ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf Nachweisreaktionen der
Kohlenhydrate eingegangen werden.
Einordnung des Versuchs:
Dieser Versuch hat einen geringen apparativen Aufwand. Die eingesetzte Chemikalie
Schwefelsäure sollte an der Schule vorhanden sein und darf laut „HessGiss“-Datenbank uneingeschränkt
von Schülern der Sekundarstufe SI und SII verwendet werden. Trotzdem eignet
sich dieser Versuch nur bedingt als Schülerversuch, da die Verwendung der konzentrierten
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 Möglichkeit
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 werden.
Literaturangaben:
Holleman A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage).
Berlin: Walter de Gruyter & Co.
Riedel E. & Janiak C. (2007). Anorganische Chemie (7. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter
GmbH & Co. KG.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
147

Arbeitsblatt: Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure
Datum:
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:
C 6 H 12 O 6 (s) + H 2 SO 4 (l)
III.
Des Weiteren wirkt Schwefelsäure oxidativ zerstörend.
a) Vervollständige folgende Reaktionsgleichung:
C (s) + 2 H 2 SO 4 (l) (g) + (g) + 2 H 2 O (g)
b) Erläutere, warum sich der „schwarze Berg“ aufbläht!
148

Versuchsprotokoll:
Zuckerwürfel in Kaliumchlorat
Zeitaufwand:
Aufbau: 5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kaliumchlorat
KClO 3
20 g
51/53
9-20/22-
13-16-27-
61
SI +SII
Würfelzucker
(Saccharose)
1 - - - SI +SII
C 12 H 22 O 11
Materialien:
- Stativmaterial
- Demoreagenzglas
- Bunsenbrenner
- Spatel
149

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat
Versuchsaufbau:
2. Zugabe Würfelzucker
Würfelzucker
Kaliumchlorat
1. Schmelzen des
Kaliumchlorats
Abb.1 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 Reagenzglas
abrutschen!!!).
3. Das Kaliumchlorat wird nun mit dem Bunsenbrenner geschmolzen.
4. Wenn sich das komplette Salz verflüssigt hat, kann man ein Stück Würfelzucker 257 hinzugeben
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 Flüssigkeit
aus dem Reagenzglas spritzt.
256 Nach: Brandl, H. (2006) S.25f.
257 Anstatt Würfelzucker kann auch ein Gummibärchen oder anderes organisches Material zugegeben
werden.
150

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat
Beobachtung:
Durch das Erwärmen mit dem Bunsenbrenner schmilzt das Kaliumchlorat. Nach der Zugabe
des Würfelzuckers zur Kaliumchlorat-Schmelze verbrennt der Zuckerwürfel in einer sehr heftigen
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.
151

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat
Auswertung:
Kaliumchlorat, ein Salz der Chlorsäure (HClO 3 ), ist ein weißes Pulver mit einem Schmelzpunkt
von 370 °C. 258 Bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes verliert das Kaliumchlorat
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 KClO 3 (s) KClO 4 (l) + KCl (l) + O 2 (g)
KClO 4 (l)
2 O 2 (g) + KCl (l)
Wie an den Reaktionsgleichungen zu erkennen ist, entsteht bei der Zersetzung von Kaliumchlorat
eine große Menge an Sauerstoff. In der sich im Reagenzglas gebildeten heißen
Sauerstoffatmosphäre entzündet sich der Würfelzucker und wird in einer heftigen Reaktion
verbrannt:
C 12 H 22 O 11 (s) + 12 O 2 (g)
12 CO 2 (g) + 11 H 2 O (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, Cheddite)
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 Gemisch
noch Holzmehl zugesetzt wurde. In Deutschland wurden die Chloratsprengstoffe vorwiegend
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 Sauerstoffversorgung
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)
259 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995) S.480
260 RÖMPP Online, Stichwort „Kaliumchlorat“ (letzter Zugriff: 06.04.2010)
152

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zuckerwürfel in Kaliumchlorat
Didaktische Auswertung:
Einordnung in den Lehrplan:
Im Lehrplan kann dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich „Kohlenstoffchemie
II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ eingeordnet werden. In diesem
Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Eine weitere Anwendung
kann dieser Versuch in der Einführungsphase im Bereich Redoxreaktionen finden.
Einordnung des Versuchs:
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 verwendet
werden. Trotzdem sollte dieser Versuch nur als Demonstrationsversuch durch den Lehrer
durchgeführt werden, da die Reaktion sehr heftig ist.
Dieser Versuch ist spektakulär und sollte dadurch das Interesse der Schüler wecken. Anhand
dieses Versuchs kann die stark oxidative Wirkung des Kaliumchlorats besprochen werden,
wodurch dieser Versuch zum Thema Redoxchemie gezeigt wird. Eine weitere Möglichkeit
wäre das Besprechen von Oxidation des Zuckermoleküls, wodurch man diesen Versuch
der Kohlenhydratchemie zuordnen würde.
Literaturverzeichnis:
Holleman A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage).
Berlin: Walter de Gruyter & Co.
Brandl, H. (2006). Trickkiste Chemie (2. Auflage). Köln: Aulis-Verlag Deubner
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 06.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
153

Versuchsprotokoll:
Fehling - Spaltung von Saccharose
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung: 15 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Salzsäure
HCl
(konzentriert)
Einige
Tropfen
34-37 26-45 SI + SII
Pentahydrat
CuSO 4 *5H 2 O
3,5 g
Kupfersulfat-
22-36/38-
50/53
22-60-61 SI + SII
Tartrat
17,5 g - 22-24/25 - SI + SII
K + /Na + [C 4 H 4 O 6 ] 2-
Natriumhydroxid
NaOH
6 g 35 26-37/39-45 SI + SII
Glucose
C 6 H 12 O 6
Kalium-Natrium-
Spatelspitze
- - - SI + SII
Herstellen der Fehling-Lösungen:
Fehling-1-Lösung:
Fehling-2-Lösung:
3,5 g CuSO 4 *5 H 2 O in 50 mL Wasser lösen
17,5 g K- Na- Tartrat und 6,0 g NaOH in 50 mL Wasser lösen
154

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose
Unmittelbar vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling-1-Lösung und Fehling-2-
Lösung im Verhältnis 1:1 gemischt werden.
Materialien:
- Heizplatte
- Bechergläser (2x)
- Reagenzgläser (2x)
- Schliffflaschen (2x) (für die Fehling-Lösungen)
- Reagenzglasgestell
Versuchsaufbau:
1. Lösen in heißem Wasser
3. Zugabe von Fehling-Lösung
2. Zugabe Salzsäure
Substanz
HCl
heißes Wasser
Saccharose
Fehling-Lösung
(1+2 gemischt)
Abb.1 Versuchsaufbau
155

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose
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 Fehling-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:
Ohne HCl
Mit HCl
Abb.2 Versuchsbeobachtung
Die Saccharose-Lösung, zu der zusätzlich einige Tropfen konzentrierte Salzsäure zugegeben
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.
156

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose
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).
OH
H
H
OH
H
O
H
HO
H
O
HO
OH
HO
H
OH
O
OH
H
OH
Abb.3 Saccharose
Wird eine Saccharose-Lösung mit konzentrierter Säure behandelt, so kommt es zur Hydrolyse
des Disaccharids. Die Saccharose wird in die in ihr enthaltenen Monosaccharid-
Einheiten α-D-Glucose und β-D-Fructose gespalten (Abb.4).
157

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose
H
HO
H
OH
H
OH
HO
O H
H
O
OH
Saccharose
H
OH
O
HO
H
OH
OH
+ H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
HO
O +
H
H
OH
O
HO
H
OH
OH
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
O + H
H
HO
+
HO
H
OH
O
HO
H
H
OH
H2O
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
HO
C + H
+
HO
H
OH
O
HO
H
CH 3
H
- H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
OH
+
HO
OH
H
OH
O
HO
H
H
OH
-D-Glucose
-D-Fructose
Abb.4 Protonenkatalysierte Spaltung von Saccharose
Durch diese Spaltung und die dadurch entstandenen Monosacharide ist der positive Nachweis
reduzierender Zucker mittels Fehling-Probe zu erklären. 261
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 die
Reaktionen der Kohlenhydrate eingegangen werden. Zu diesen Reaktionen gehören auch
die Hydrolyse-Reaktionen der Kohlenhydrate.
261 Siehe hierzu: Versuchsprotokoll: Fehlingprobe
158

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Fehling - Spaltung von Saccharose
Einordnung des Versuchs:
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 verwendet
werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann.
Mit diesem Versuch kann den Schülern gezeigt werden, wie ein Disaccharid in seine Monosaccharide
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.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
159

Arbeitsblatt: Fehling-Spaltung von Saccharose
Datum:
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!
+
Produkt 1
Name:
Produkt 2
Name:
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.
160

Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 20 Minuten
Abbau/Entsorgung:: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Pentahydrat
CuSO 4 *5H 2 O
3,5 g
Kupfersulfat-
22-36/38-
50/53
22-60-61 SI + SII
Kalium-Natrium-
Tartrat
17,5 g - 22-24/25 - SI + SII
K + /Na + [C 4 H 4 O 6 ] 2-
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
Stärke
(löslich)
4 g - - - SI + SII
1 g - - - -
161

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
Herstellung der Lösungen:
Fehling-Lösung 1:
3,5 g CuSO 4 *5 H 2 O 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 Kaliumiodid
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 dieser
Lösung werden ein Massenprozent Kaliumiodid und zwei Massenprozent Iod in 94 Massenprozent
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
162

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
Materialien:
- Reagenzgläser (4x)
- Reagenzglasständer
- Messpipette
- Pasteurpipette mit Pipettenhütchen
- Becherglas
- Magnetrührer mit Heizplatte
- Heißes Wasserbad
Versuchsaufbau:
4. Proben Einfüllen
3. Zugabe Salzsäure
1. Proben Einfüllen
Substanz
HCl
I/K
II
Fehling
Stärkelösung
2.+5. Proben mit I/KI-Lösung und
Fehling-Lösung untersuchen
Abb.1 Versuchsaufbau
163

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
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 Proben
mit Fehling-Lösung und die andere Probe mit einer Iod-/Kaliumiodid-Lösung untersucht
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 zugegeben.
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 Lösungen
werden neutral in den anorganischen Abfall entsorgt.
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
164

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
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, entstand
bei der Zugabe von Fehling-Lösung nach einigen Minuten ein dunkelroter Niederschlag.
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 Kohlenstoffatome
verknüpft sind.
Dadurch können bei den Glucosemolekülen keine Ringöffnungen stattfinden, wodurch sie
keine Aldehydfunktion mehr besitzen. Da die Ringöffnung und die damit verbundene offenkettige
Aldehydfunktion jedoch Voraussetzung für die Oxidation der Kupfer-Ionen in der Fehling-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
264 Breitmaier, E. & Jung, G. (2009) S.874
165

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
OH
O
HO
O
OH
O
HO
OH
O
OH
O
+
+
H
O
HO
OH
O
OH +
O
H HO
OH
O
OH
O
O
HO
OH
+
O
OH
+
HO
HO
OH
O
OH
O
+ H 2 O
O
HO
OH
O
+
OH
O H
H
+
HO
HO
OH
O
OH
O
OH
+ O
-H O
HO
OH
OH
+
HO
HO
OH
O
OH
O
Abb. 3 Mechanismus der Stärkehydrolyse
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.
Didaktische Betrachtung:
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 sollen auch die
Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden.
Einordnung des Versuchs:
Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering und auch alle verwendeten Chemikalien
sollten an der Schule vorhanden sein. Die verwendeten Chemikalien dürfen laut
265 Vgl. hierzu: Protokoll: Fehling-Glucose
166

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkespaltung
„HessGiss“-Datenbank von Schülern der Sekundarstufe I und II uneingeschränkt verwendet
werden, weshalb sich dieser Versuch sowohl als Lehrerdemonstration als auch als Schülerversuch
eignet. Voraussetzung zum Verständnis dieses Versuchs ist die Kenntnis sowohl
der Fehling-Probe, als auch der Stärkenachweis mit Lugolscher Lösung. 266 Sind diese beiden
Nachweisreaktionen bekannt, so kann es den Schülern gelingen, die Versuchsereignisse
richtig zu interpretieren. Das Spalten von glykosidischen Bindungen ist ein wichtiger Bestandteil
zum Verständnis der Chemie der Kohlenhydrate. In Verbindung mit andern Versuchen
kann dieser Versuch zum besseren strukturellen Verständnis der Stärke und von Kohlenhydraten
führen.
Literaturangaben:
Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-
VCH GmbH & Co KGaA.
Breitmaier E. & Jung G. (2009). Organische Chemie – Grundlagen, Verbindungsklassen,
Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur, Naturstoffe (6. Auflage). Stuttgart: Georg
Thieme Verlag.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
266 Vgl hierzu Protokoll: Versuchsprotokoll: Stärkenachweis
167

Arbeitsblatt: Stärkespaltung
Datum:
I. Trage die Versuchsbeobachtung in folgende Tabelle ein:
+ (positiv)
Nachweisreaktion - (negativ) Fehling
Iod-
/Kaliumiodid
Vor der Zugabe von Säure
Nach der Zugabe von Säure
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)
OH
OH
H
OH
H
H
O
H
H
OH
H
H
O
H
+ H+
O
H
OH
H
OH
c) Erläutere, warum die jeweiligen Nachweisreaktionen positiv bzw. negativ sind!
168

Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 5 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalien Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Natriumhydroxid
NaOH
10 g 35 26-37/39-45 SI+SII
Ethanol
C 2 H 5 OH
99 g 11 7-16 SI+SII
Methylenblau
C 16 H 18 N 3 SCl
1 g 22 22-24/25 SI+SII
Glucose
C 6 H 12 O 6
10 g - - - SI+SII
Herzustellende Lösungen:
- Ethanolische Methylenblau-Lösung (w = 1 %)
- Alkalische Zuckerlösung: 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL Wasser lösen
169

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Materialien:
- Messpipette mit Peleusball
- Schraubdeckelglas
- Becherglas
Versuchsaufbau:
1. Zugabe von Methylenblau
2. Schütteln
Ethanolische Methylenblau-Lösung
Glucose-/NaOH-Lösung
Abb.1 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.
170

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Beobachtung:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
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 kurzer
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)
(H 3 C) 2 N
Cl -
S +
N(CH 3 ) 2
(H 3 C) 2 N
S
Cl - +
N(CH 3 ) 2
(H 3 C) 2 N
N
N(CH 3 ) 2
(H 3 C) 2 N
N
N(CH 3 ) 2
Abb.4 Methylenblau
268 Holfeld, M. (2000) S.40
171

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
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).
+1
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
+
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
+4
S +
N
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
+ Cl -
OH
Glucose
Methylenblau
Blau
HO
H
HO
H
H
+3
O
OH
H
OH
OH
+
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
+2
S
N
H
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
+
HCl
OH
Gluconsäure
Leukomethylenblau
Farblos
Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Methylenblaus)
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)
172

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Durch das anschließende Schütteln der Lösung diffundiert Luftsauerstoff in die Lösung und
oxidiert das Leukomethylenblau wieder zu Methylenblau (Abb.6).
0
O 2 + 2 H + +
2
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
+2
S
N
H
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
Leukomethylenblau
Farblos
2
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
+4
S +
N
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
+ 2 H -2
2 O
Methylenblau
Blau
Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leukomethylenblaus)
Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Methylenblaus
mehr vorhanden ist.
2. Hintergrundinformationen Methylenblau: 270
Methylenblau findet in der Industrie vielfältige Verwendungsmöglichkeiten. So wird Methylenblau
als Färbemittel für mit Tannin gebeizte Baumwolle genützt. Mit Methylenblau gefärbte
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 sogenannter
Vitalfarbstoff eingesetzt. Dieser Vitalfarbstoff färbt bestimmte Teile des lebenden
Organismus sehr stark ein, während andere ungefärbt bleiben. So kann diese Lösung beispielsweise
zum Anfärben von Blutparasiten dienen. Aus diesem Grund wird Methylenblau in
270 RÖMPP Online, Stichwort “Methylenblau” (letzter Zugriff 10.04.2010)
173

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
der Mikroskopie eingesetzt und in Form von speziell angefertigten Pillen dient dieser Farbstoff
einer Funktionsprobe des Magens. Bei Vergiftungen mit Kohlenstoffmonoxid, Cyanverbindungen,
Nitrit und anderen Methämoglobin-Bildnern werden 1%ige Methylenblaulösungen
intravenös verabreicht. Des Weiteren wird das Methylenblau in der Tiermedizin bei äußerlichen
und innerlichen Wunden, Furunkeln, Magen- und Darmkatarrh und ähnlichen Krankheiten
eingesetzt. In der Teichwirtschaft wird Methylenblau zur Abtötung von Pilzen und Parasiten
eingesetzt.
3. Hintergrundinformationen: „Die blauen Leute von Troublesome Creek 271
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 mehreren
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 Erythrozyten
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 reversibel
zu binden. Dieser Vorgang ist im menschlichen Organismus jedoch nicht gefährlich,
da dieses Methämoglobin wieder durch ein Enzym, die Methämoglobin-Reduktase (Diaphorase),
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 verantwortlich
ist.
271 Brandl, H. (2006) S.106ff.
174

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Hämoglobin Hb(Fe 2+ )
(dunkelrot)
O 2
Oxyhämoglobin Hb(Fe 2+ )O 2
(hellrot)
Enzym Diaphorase
Methämoglobin Hb(Fe 3+ )
(braun)
Abb.7 Verschiedene Farben des Hämoglobins
Kurioserweise verordnete der Arzt Madiseon Cawein den blauhäutigen Patienten Methylenblau-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 ausgeschieden
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 Leuko-Methylenblau
reduziert. Dieses Leuko-Methylenblau reduziert nun seinerseits spontan
Methämoglobin zu Hämoglobin, wobei das Leuko-Methylenblau wieder zu Methylenblau oxidiert
wird. Somit übernimmt das Methylenblau die Aufgabe des Enzyms Diaphorase. Das
entstandene Methylenblau wird über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Durch das Methylenblau
hat der Urin dann eine blaue Farbe, wodurch das Ausscheiden von „blauem Blut“
der „blauen Leute von Troublesome Creek“ nach Einnahme der Methylenblaupillen zu erklären
ist.
Didaktische Betrachtung:
Einordnung in den Lehrplan:
Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase Q2 im Bereich „Kohlenstoffchemie
II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ einzuordnen. In diesem Bereich
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 Leistungskurs
ebenfalls in der Qualifikationsphase Q2 zu verordnende fakultative Unterrichtsinhalt
Farbstoffe.
175

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Blue Bottle“
Einordnung des Versuchs:
Der „Blue-Bottle“-Versuch ist ein optisch sehr schöner und für Schüler sicher beeindruckender
Versuch. Der apparative Aufwand ist sehr gering und auch die Chemikalien sollten an
der Schule vorhanden sein. Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien
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 herzustellen.
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 besseren
Verständnis kann neben dem „Blue-Bottle“-Experiment auch auf das „Violett-Bottle“-
„Red-Bottle“- und „Ampel-Bottle“- Experiment eingegangen werden. Anhand dieser vier Beispiele
können die Schüler dann auch das Prinzip der konjugierten π-Elektronensysteme erkennen.
Literaturangabe:
Brandl, H. (2006). Trickkiste Chemie (2. Auflage). Köln: Aulis-Verlag Deubner
Holfeld M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie,
47/3, S.39-40.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 10.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
176

Arbeitsblatt: „Blue Bottle“
Datum:
I. a) Fülle die freien Felder der Reaktionsgleichung aus!
+
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
S +
N
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
+ Cl -
Methylenblau
Blau
Glucose
+
(H 3 C) 2 N
(H 3 C) 2 N
S
N
H
N(CH 3 ) 2
N(CH 3 ) 2
+
Leukomethylenblau
Farblos
Gluconsäure
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!
177

Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalien Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Natriumhydroxid
NaOH
10 g 35 26-37/39-45 SI+SII
Thioninacetat
0,25 g
Glucose
C 6 H 12 O 6
10 g - - - SI+SII
Herzustellende Lösungen:
Thioninacetat-Lösung (w = 0,25)
Alkalische Zuckerlösung: 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL Wasser lösen
Materialien:
- Messpipette mit Peleusball
- Schraubdeckelglas
- Becherglas
178

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“
Versuchsaufbau:
Zugabe von Thioninacetat
Thioninacetat-Lösung
Glucose-/NaOH-Lösung
Abb.1 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) hinzugefügt.
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.
179

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“
Beobachtung:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
Nach der Zugabe der Thioninacetat-Lösung färbt sich die Flüssigkeit in dem Schraubdeckelglas
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).
CH 3 COO -
S +
S
H 2 N
N
NH 2
+
H 2 N
N
NH 2
CH 3 COO -
Abb.4 Thioninacetat
273 Holfeld, M. (2000) S.40
180

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“
Wie man an der Struktur des Thininacetats erkennen kann (Abb.3), hat dieser Stoff ein konjugiertes
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 vorhandene
Glucose zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Thioninacetat zu Leukothionin
reduziert (Abb.5).
+1
O
H
OH
+4
S +
HO
H
H
OH
+
+ CH 3 COO- + H 2 O
H 2 N
N
NH 2
H
OH
Thioninacetat
OH
Violett
Glucose
HO
+3
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
OH
Gluconsäure
+
+2
S
CH 3 COOH
H 2 N
N
NH 2
H
Leukothionin
Farblos
+
Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Thioninacetats)
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 verschwindet
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 Leukothionin
und oxidiert dieses wieder zum violetten Thioninacetat (Abb.6.).
181

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Violett-Bottle“
+2
S
0
O 2 + 2 H+ +
2
H 2 N
N
H
NH 2
Leukothionin
Farblos
+2
H 2 O
+
+4
S +
2
H 2 N
N
NH 2
Thioninacetat
Violett
Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leukothionins)
Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis die gesamte Glucose zu Gluconsäure
oxidiert ist.
Didaktische Auswertung:
s. Versuchsprotokoll „Blue Bottle“
Literaturangaben:
Holfeld M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie,
47/3, S.39-40.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
182

Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 5 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalien Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Natriumhydroxid
NaOH
5 g 35 26-37/39-45 SI+SII
Safranin-T
C 20 H 19 ClN 4
0,25 g 41 26-39 SI+SII
Glucose
C 6 H 12 O 6
30 g - - - SI+SII
Herzustellende Lösungen:
Safranin-T-Lösung (w = 0,25)
Alkalische Zuckerlösung: 5 g Natriumhydroxid und 30 g Glucose in 375 mL Wasser lösen
Materialien:
- Messpipette mit Peleusball
- Schraubdeckelglas
- Becherglas
183

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Versuchsaufbau:
Zugabe von Safranin-T
Safranin-T-Lösung
Glucose-/NaOH-Lösung
Abb.1 Versuchsaufbau
Durchführung: 274
1. In einem Schraubdeckelglas werden 5 g Natriumhydroxid in 375 mL Wasser gelöst.
2. Zu dieser Lösung werden 30 g Glucose und 5 mL Safranin-T-Lösung (w=0,25) hinzugefügt.
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.
184

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
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 Schraubdeckelglases
färbt sich die Lösung erneut rot, bis sie sich nach ca. 20 Minuten wieder entfärbt
hat.
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Lösungsmittelbehälter entsorgt.
Auswertung:
Der für die intensiv rötliche Färbung verantwortliche Stoff ist das Safranin-T (Abb.4).
H 3 C
N
CH 3
H 2 N
H 3 N
CH 3
N +
Cl - NH 2
N
N
+
NH 2
Cl -
H 2
C
Abb.4 Safranin-T
Die Struktur des Safranin-T zeigt, dass dieser Stoff ein konjugiertes π-Elektronensytem besitzt,
das für die intensive rote Farbe verantwortlich ist (Abb.4).
185

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Safranin-T ist ein Oxidationsmittel, das in der Lage ist, die in der Lösung vorhandene Glucose
zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Safranin-T zu Leuko-Safranin-T reduziert.
+1
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
H 3 C
N +2 CH 3
H N
N +
2 +2 NH 2
+ + Cl - + O
H 2
Glucose
OH
Safranin-T
Rot
+3
HO
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
+
H
H 3 C
N +1 CH 3
H 2 N
N +1 NH 2
+ HCl
OH
Gluconsäure
Leuko-Safranin-T
Farblos
Abb.5 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Safranin-T)
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).
186

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
0
O 2 + 2 H + + 2
H
H 3 C
N +1 CH 3
H 2 N
N +1 NH 2
Leuko-Safranin-T
Farblos
-2
2 H 2 O
+
2
H 3 C
N +2 CH 3
H N
N +
2 +2 NH 2
Safranin-T
Rot
Abb.6 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leuko-Safranin-T)
Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Safranin-T
mehr vorhanden ist.
Didaktische Auswertung:
s. Versuchsprotokoll „Blue Bottle“
Literaturangaben:
Holfeld, M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie,
47/3, S.39-40.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
187

Versuchsprotokoll:
„Ampel-Bottle“- Experiment
Zeitaufwand:
Aufbau:
5 Minuten
Durchführung: 10 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalien Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Natriumhydroxid
NaOH
10 g 35
26-37/39-
45
SI+SII
Spatelspitze
Indigocarmin
Glucose
- 22-24/25 - SI+SII
C 6 H 12 O 6
10 g - - - SI+SII
Herzustellende Lösungen:
Alkalische Zuckerlösung: 10 g Natriumhydroxid und 10 g Glucose in 300 mL Wasser lösen
Materialien:
- Magnetrührer mit Heizplatte
- Becherglas (800mL oder 1L)
- Spatel
- Thermometer
- Schraubdeckelglas
188

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Versuchsaufbau:
2. Zugabe Spatelspitze
Indigocarmin
3. Lösung in Schraubdeckelglas füllen
NS24
1.Erwärmen
der Lösung
Substanz
Indigocarmin
Glucose-Lösung
NaOH-Lösung
Abb.1 Versuchsaufbau
Durchführung:
1. In einem Schraubdeckelglas werden 6 g Natriumhydroxid in 100 mL Wasser gelöst.
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:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Lösungsmittelbehälter entsorgt.
189

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Beobachtung:
.
Abb.2,3,4 Versuchsbeobachtung
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.
190

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Auswertung:
Ausschlaggebend für die intensive blaue Farbe in diesem Versuch ist das Indigocarmin
(Abb.5).
O
H
N
SO 3 Na
NaO 3 S
N
H
O
Abb.5 Indigocarmin
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
OH
HO
HO
O
OH
O
N
H
Abb.6 Indican
275 RÖMPP Online, Stichwort “Indigocarmin+Indican“ (letzter Zugriff 14.03.10)
191

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Das Indigocarmin ist ein Oxidationsmittel, das dazu in der Lage ist, die in der Lösung vorhandene
Glucose zu Gluconsäure zu oxidieren. Dabei wird das Indigocarmin zu Leuco-
Indigocarmin reduziert (Abb.7).
+1
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
+
NaO 3 S
O
+1
N
H
O
H
N
+1
SO 3 Na
+ 2 NaOH
OH
Glucose
Indigocarmin
blau
HO
+3
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
NaO 3 S
0
N
H
ONa
NaO
H
N
SO 3 Na
+ + O
0
H 2
OH
Gluconsäure
Leuko-Indigocarmin
Gelb
Abb.7 Reaktion der Entfärbung (Reduktion des Indigocarmins)
192

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Die grüne Farbe der Lösung resultiert nun aus einer Mischung der oxidierten und der reduzierten
Form (gelb und blau). Woher die rote Farbe der Lösung stammt, ist noch nicht vollständig
geklärt. Am wahrscheinlichsten ist jedoch eine radikalische Zwischenstufe, die für
den roten Farbeindruck verantwortlich ist (Abb.8.). 276
O -
H
N
SO 3 Na
NaO 3 S
N
H
C
O -
Abb.8 Struktur des Radikalanions
Durch das anschließende Schütteln der Lösung diffundiert Luftsauerstoff in die Lösung und
oxidiert das Leuko-Indigocarmin wieder zu Indigocarmin (Abb.9).
0
O 2
+ H 2 O
+
NaO 3 S
0
N
H
ONa
NaO
H
N
0
SO 3 Na
Leuko-Indigocarmin
Gelb
-1
2 NaOH
+ H 2 O 2 +
NaO 3 S
+1
N
H
O
H
N
+1
O
SO 3 Na
Indigocarmin
blau
Abb.9 Reaktion der Färbung (Oxidation des Leuko-Indigocarmin)
276
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/video_herbstblatth.htm
Zugriff: 03.04.2010)
(Letzter
193

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: „Red-Bottle“
Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Glucose zur Reduktion des Indigocarmins
mehr vorhanden ist.
Didaktische Auswertung:
s. Versuchsprotokoll „Blue Bottle“
Literaturangaben:
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/video_herbstblatth.htm
(Letzter Zugriff: 03.04.2010)
http://www.seilnacht.com/Lexikon/Indigo.htm (Letzter Zugriff: 03.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
194

4. Optische Aktivität und Stereoisomerie
Versuchsprotokoll:
Polarimetrische Untersuchung von Saccharose
Zeitaufwand:
Aufbau: 5-10 Minuten
Durchführung: 35 Minuten
Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Salzsäure
HCl (konz.)
100 mL 34-37 26-45 SI+SII
Saccharose
C 12 H 22 O 11
120 g - - - -
Materialien:
- Längliches Glasrohr (oder auch längliches 600 mL Becherglas)
- Glasstab
- Overheadprojektor
- Polarimeter
- evtl. Stoppuhr
195

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Versuchsaufbau:
= Weg des Lichts
Wand
Küvette
Polarisator
& Analysator
Polarimeter
Lichtquelle:
Overhead-Projektor
Wand:
Gradzahl
Abb.1+2 Versuchsaufbau
196

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
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 Analysator
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 Saccharose
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. Auswertung).
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 Glasstab
umgerührt. Will man die Zeit ermitteln, so wird nach der Zugabe der Säure die Stoppuhr
angeschaltet.
3. Der Drehwert dieser Lösung wird mittels Polarimeter in regelmäßigen Zeitabständen ermittelt,
bis sich ein konstanter Drehwert eingestellt hat.
197

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Beobachtung:
Nach der Zugabe der Salzsäure verändert sich der Drehwert der Lösung von +37° auf
-12°. 277
Abb. 3+4 Versuchsbeobachtung
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!
198

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Auswertung:
1. Stereoisomerie und optische Aktivität
Stereoisomerie 278
In der Chemie unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten von Isomerie. Die
Konstitutionsisomerie (oder auch Strukturisomerie) und die Stereoisomerie. Konstitutionsisomere
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 angeordnet
werden. Ein solches Beispiel einer Konstitutionsisomerie wäre das Butan und das
2-Methylpropan (Abb.5).
Summenformel: C 6 H 12 O 6:
H 3 C
CH 3
H 3 C
CH
CH 3
3
Butan
2-Methylpropan
Abb.5 Konstitutionsisomerie am Beispiel Butan
Bei der Stereoisomerie (auch Raumisomerie) haben die Atome der Isomeren zwar immer
die gleiche Konstitution, sie sind aber räumlich verschieden angeordnet. Stereoisomere weisen
also bei gleicher Atomfolge verschiedene räumliche Anordnung der Atome und Bindungen
auf. 279
Bei den Stereoisomeren wird nochmals zwischen den Diastereomeren und den Enantiomeren
unterschieden.
Bei den Enantiomeren handelt es sich um Isomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.
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
199

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Abb.6 nicht chirale Objekte
Abb.7 chirale Objekte
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 dargestellt
und es wird gezeigt, ob sie chiral, oder achiral sind.
Enantiomerenpaar
Enantiomerenpaar
Br
H
F
Cl
H
F
Cl
Spiegelebene
chiral
Br
H
H
H
H
achiral
Cl
CH 3
H
H
achiral
CH 3
CH 3 CH 2 H
OCH 3
CH 3
H CH 3 CH 2
OCH . 3
Spiegelebene
chiral
Abb.8 Beispiele für chirale und achirale Moleküle
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 Chiralitätszentrum,
Stereozentrum oder asymmetrisches Atom bezeichnet und mit „*“ markiert (Abb.9).
200

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Enantiomerenpaar
B
A
C
D
D
C
A
* *
B
* = Chiralitätszentrum
asymmetrisches Kohlenstoffatom
Spiegelebene
chiral
Abb.9 Darstellung eines chiralen Moleküls
Moleküle, die eine solche „Händigkeit“ zeigen, können unterschiedliche Eigenschaften besitzen,
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.
CH 3
O
CH 3
CH 2
* *
H 2 C CH 3 H 3 C CH 3
(S)-(+)-Carvon
Kümmelgeruch
(R)-(-)-Carvon
Minzgeruch
Abb.10 Enantiomerenpaar des Carvons
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.
201

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Optische Aktivität 280
Enantiomere sind sich sehr ähnlich. So haben sie identische Bindungen und auch einen
identischen Energiegehalt. Des Weiteren sind auch die meisten physikalischen Eigenschaften
von Enantiomeren identisch. Eine Ausnahme bildet dabei die Drehung von linear polarisiertem
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 Versuch
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 Polarimeters 281 :
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 Wellenlänge
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, ermittelt.
An diesem Analysator befindet sich ein Okular, an das eine Stellschraube mit Gradeinteilung
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.
202

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Abb.11 Polarimeter mit achiraler Probe
Abb.12 Polarimeter mit chiraler Probe
Stimmen die Vorzugsrichtungen von Polarisator und Analysator überein, so kann das Licht
ungehindert hindurch dringen. Wird der Analysator hingegen senkrecht zum Polarisator gestellt,
so kann das Licht nicht hindurch und das Blickfeld erscheint dunkel. Wenn man in dieser
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 Konzentration,
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 Drehung,
geeinigt. Die Definition dieser vom Lösungsmittel unabhängigen Größe ist in Abb.13
dargestellt.
203

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
[α] λ δ =
[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
Abb.13 Berechnung des spezifischen Drehwertes
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 unterschiedlichen
Farben. Aus diesem Grund lässt sich im Versuch auch keine komplette Verdunklung
beim Messen der Drehwerte der verschiedenen Lösungen erreichen, da die Polarisationsfolie
als Prisma fungiert und das Licht in seine verschiedenen Farben teilt. Als Ergebnis
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 Polarisationsfolien.
Aus diesen Gründen können beim Messen mit diesem provisorischen Polarimeter keine Literaturwerte
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).
OH
H
H
OH
H
O
H
HO
H
O
HO
OH
HO
H
OH
O
OH
H
OH
Abb14. Saccharose
282 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E.(2005), S.195
204

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
Wird eine Saccharose-Lösung mit konzentrierter Säure behandelt, so kommt es zur Hydrolyse
des Disaccharids. Die Saccharose wird in die in ihr enthaltenen Monosaccharide-
Einheiten α-D-Glucose und β-D-Fructose gespalten (Abb.15)
H
HO
H
OH
H
OH
HO
O H
H
O
OH
Saccharose
H
OH
O
HO
H
OH
OH
+ H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
HO
O +
H
H
OH
O
HO
H
OH
OH
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
O + H
H
HO
+
HO
H
OH
O
HO
H
H
OH
H2O
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
HO
C + H
+
HO
H
OH
O
HO
H
CH 3
H
- H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
OH
+
HO
OH
H
OH
O
HO
H
H
OH
-D-Glucose
-D-Fructose
Abb.15 Spaltung von Sacchraose
Saccharose hat eine spezifische Drehung von +66,5°. Durch das Behandeln der Saccharaoselösung
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 Gemisch
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 Verhältnisses
und des höheren Betrages der Drehung bei der Fructose, ist die Gesamtdrehung der
Invertzuckerlösung negativ.
205

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Polarimeter- Spaltung von Saccharose
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.
Einordnung des Versuchs
Zur Durchführung dieses Versuchs muss ein Polarimeter an der Schule vorhanden sein. Ansonsten
ist der Aufbau des Versuchs relativ einfach. Die verwendeten Chemikalien (Saccharose
und Salzsäure) sollten an der Schule vorhanden sein. Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen
alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von Schülern verwendet werden, weshalb
sich dieser Versuch auch als Schülerversuch eignet. Aufgrund der relativ lange Durchführungszeit
ist dieser Versuch nur in einer Doppelstunde durchführbar. Durch diesen Versuch
können die Schüler die Funktionsweise eines Polarimeters und gleichzeitig die Hydrolyse-Reaktionen
der Kohlenhydrate erlernen. Die Schüler können dabei einen Zusammenhang
zwischen den Drehwerten der Lösung und der ablaufenden Chemischen Reaktion bzw.
den Produkten und Edukten herstellen.
Literaturangaben:
Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education
Deutschland GmbH.
Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-
VCH GmbH & Co KGaA.
Holleman A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage).
Berlin: Walter de Gruyter & Co.
Bilderverzeichnis:
Abb.6+7: Bruice (2007), S.240
Abb.11 : Bruice (2007), S.251
Abb.12 : Bruice (2007), S.253
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.
206

Arbeitsblatt: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose
Datum:
I. In dem Versuch wird Saccharose mit Salzsäure behandelt.
a) Vervollständige folgende Reaktionsgleichung und benenne die Produkte:
OH
H
H
OH
H
O
H
HO
H
O
HO
OH
HO
H
OH
O
OH
H
OH
Saccharose
+ H +
+
Name:
Name:
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 Aufgabenteil
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!
207

Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
Zeitaufwand:
Aufbau: 10 Minuten
Durchführung: 24 Stunden
Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Glucose
C 6 H 12 O 6
90 g - - - SI + SII
Geräte:
- Längliches Glasrohr (oder auch längliches 600 mL Becherglas)
- Glasstab
- Overheadprojektor
- Polarimeter
- Evtl. Stoppuhr
208

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
Versuchsaufbau:
= Weg des Lichts
Wand
Küvette
Polarisator
& Analysator
Polarimeter
Lichtquelle:
Overhead-Projektor
Abb.1 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 Analysator
hinaustritt und somit auch der Lichtfleck an der Wand verschwindet.
209

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
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:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
Bei der Drehwertbestimmung der Glucose ist eine Änderung des Drehwertes über einen längeren
Zeitraum zu beobachten. Dabei nimmt der Drehwert der Lösung ab. Die Drehwertänderung
verläuft anfangs relativ schnell, während nach etwa einer Stunde nur noch eine geringe
Drehwertänderung festzustellen ist. Nach einem Tag ist der Drehwert der Lösung konstant.
An diesem Polarimeter war eine Drehwertänderung von -310° auf -337° festzustellen. 283
283 Dies sind keine spezifischen Drehwerte, sondern Beschreibungen des Versuchs.
210

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
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
3. Erläuterung des Versuchs
Aldosen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen und Ketosen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen
enthalten ein oder mehrere chirale Zentren. Aus diesem Grund gehört auch die Glucose
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.
O
H
HO
H
H
*
*
*
*
OH
H
OH
OH
OH
Abb.4 Chiralitätszentren der Glucose
211

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
Zucker sind Hydroxycarbonylverbindungen, die intramolekular Halbacetale ausbilden können.
Dies geschieht vor allem dann, wenn dadurch relativ spannungsfreie Fünf- oder Sechsringe
gebildet werden. 284 Tatsächlich bildet die Glucose solche intramolekularen Halbacetale
aus, indem die Hydroxid-Gruppe am Kohlenstoffatom C 5 intramolekular mit der Aldehyd-
Gruppe unter Ausbildung eines sechsgliedrigen Halbacetalrings reagiert (Abb.5)
OH
OH
OH
H
HO
H
OH
H
OH
H
O
+H +
H
HO
H
OH
H
OH
H
O + H
H
HO
H
OH
OH
(2)
(1)
H C + OH
H
H
OH
H
OH
H
OH
D-Glucose
OH
(1)
H
HO
H
OH
H
OH H
H +
O + OH - H +
H
O OH
H
H *
OH H *
H
HO
H
OH
H OH
-D-Glucose
(2)
H
HO
H
OH
OH
OH
H
O + H -
H
O H
H
H * OH H *
OH
HO
OH
H
OH
H
OH
* = Stereozentrum
-D-Glucose
Abb.5 Ringschluss der Glucose
Anhand der Reaktionsgleichung (Abb.5) kann man erkennen, dass zwei verschiedene Halbacetale
gebildet werden, da der Carbonyl-Kohlenstoff zu einem neuen Chiralitätszentrum im
entstehenden Halbacetal wird. Dieses neu gebildete Chiralitätszentrum wird auch als anomeres
Kohlenstoffatom bezeichnet. Dabei bedeutet die griechische Vorsilbe ano- „über“ bzw.
284 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005), S.1263
212

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
„oberst“, was darauf hinweist, dass es sich um das „oberste“ chiral substituierte Kohlenstoffatom
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 bezeichnet.
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 Gleichgewichtszustand
(Abb.6).
OH
O
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
OH
H
OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
H
HO
H
OH
H
O
H
OH
OH
H
OH
-D-Glucose
36,4 %
Aldehydform
0,003 %
-D-Glucose
63,6 %
Abb.6 Die drei Formen der Glucose in Lösung
Anomere unterscheiden sich, wie Epimere, in der Konfiguration an nur einem Kohlenstoffatom,
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
286 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1267
213

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
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 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 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 Erreichen
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.
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 die
optische Aktivität der Kohlenhydrate eingegangen werden.
Einordnung des Versuchs:
Zur Durchführung dieses Versuchs muss ein Polarimeter an der Schule vorhanden sein. Ansonsten
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
214

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose
dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann. Die Dauer des Versuchs
ist jedoch sehr lange, weshalb die Durchführung wahrscheinlich nicht einmal in einer Doppelstunde
möglich ist.
Die Mutarotation ist eine Eigenschaft von vielen Kohlenhydraten, die beim Thema Kohlenhydrate,
auch laut Lehrplan, besprochen werden sollte. Dabei sind das Verständnis von optischer
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 Literaturwerte
erzielt werden können.
Literaturangaben:
Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education
Deutschland GmbH.
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 wurden selbst angefertigt.
215

Arbeitsblatt: Mutarotation von Glucose
Datum:
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:
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
OH
-D-Glucopyranose
36,4 %
Aldehydform
0,003 %
-D-Glucopyranose
63,6 %
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)
216

5. Energiespeicher, Gerüstsubstanz, Energiestoffwechsel
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Zeitaufwand:
Aufbau: 10 Minuten
Durchführung: 20 Minuten
Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Zur Herstellung der Calciumhydroxid-Lösung wird eine heiß gesättigte Calciumhydroxid-
Schuleinsatz
Hefe 2 Päckchen - - - SI +S II
„Haushaltszucker“
Saccharose
C 12 H 22 O 11
1 Löffel - - - SI +S II
Calciumhydroxid
Ca(OH) 2
ca. 2 g 41 22-24-26-39 SI +S II
Herstellung der Ca(OH) 2 -Lösung:
Lösung hergestellt, die mit einem Faltenfilter filtriert wird.
Materialien:
- PE-Flaschen 250 mL (2x)
- Gummistopfen (2x)
- Löffel
- Heizplatte mit Wasserbad
- Pulvertrichter
- Meßzylinder
217

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Versuchsdurchführung 1:
- Luftballons (2x)
- Rückschlagventil (2x)
Versuchsdurchführung 2:
- Gärröhrchen (2x)
Versuchsaufbau:
1.
mL
Hefe
Und:
mL
Ohne
Zucker
Zucker
Substanz
Mit Mit
Zucker
Wasser
Wasser
2.
Luftballons
Gärröhrchen mit Ca(OH) 2 -Lösung
Oder:
Mit Ohne Mit Ohne
on
on
on
on
Abb.1 Aufbau des Versuchs
218

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
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 Ventils
befindet sich ein Luftballon.
4. b) Versuchsdurchführung 2:
Die Gärröhrchen werden mit Calciumhydroxid-Lösung befüllt. Anschließend werden
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.
Versuchsdurchführung 1:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
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 Minuten
prall auf.
219

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Versuchsdurchführung 2:
Abb.3 Versuchsbeobachtung
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 Zucker
befindet, etwas nach. Die Lösung in dem Gärröhrchen verändert sich nicht. In dem Gärröhrchen,
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
220

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Auswertung:
1. Hefe
Als Hefen werden einzellige Pilze bezeichnet, die in Lebensräumen gedeihen, in denen Zucker
verfügbar ist. So findet man Hefen z.B. auf Früchten, Blüten und Baumrinden. Die meisten
Hefen sind fakultativ aerob. Dies bedeutet, dass sie sowohl zu aeroben Stoffwechsel
durch Atmen, als auch zu fermentativen Stoffwechsel, befähigt sind. Die Fähigkeit des fermentativen
Stoffwechsels wird schon seit frühgeschichtlicher Zeit zur alkoholischen Gärung
benutzt. Die kommerziell wichtigsten Hefen sind die Back- und Brauhefen, die zumeist Angehörige
der Gattung Saccharomyces (Zuckerpilz) sind. Diese industriell angewandten Hefen
sind vermutlich ziemlich verschieden von den Wildtypstämmen von Früchten und daraus
zubereiteten Säften. Diese Wildtypstämme wurden über viele Jahre durch sorgfältige Selektion
und (in der heutigen Zeit) durch genetische Veränderungen in Hinblick auf die erwünschte
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 benötigen.
Durch Zentrifugation werden dann die Hefezellen gewonnen und entweder zu komprimierten
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 Hefe
Saccharomyces cervisiae zunutze, um CO 2 oder Alkohol zu gewinnen. Wie bereits beschrieben,
ist diese Art von Hefen dazu in der Lage zwei verschiedene Metabolismen durchzuführen,
die Fermentation und die Atmung. So wachsen Hefen bei der Anwesenheit von
Zuckern, wobei weitere Hefezellen und CO 2 (aus dem Citronensäurezyklus) entstehen: 290
Hefe
(1) C 12 H 22 O 11 x CO 2 + y H 2 O (+weitere Hefezellen)
288 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.532
289 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.1109
290 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.135
221

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Unter anaeroben Bedingungen (sauerstofffrei) geht die Hefe dann zum fermentativen Metabolismus
über, wobei Alkohol und Kohlenstoffdioxid entstehen:
(2) C 12 H 22 O 11
Hefe
x C 2 H 5 OH + y CO 2
Ethanol
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 Fermentation
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 CO 2 , 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 etwas
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.
291 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.135
222

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Der weiße Niederschlag, der in dem Gärröhrchen entstanden ist, kann anhand des Kalkkreislaufes
292 erläutert werden (Abb.4).
Abb.4 Der Kalkkreislauf
Wie man sieht, reagiert das durch die Hefepilze produzierte Kohlenstoffdioxid mit dem Calciumhydroxid
zu Calciumcarbonat:
Ca(OH) 2 (aq) + CO 2 (g) CaCO 3
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 Calciumhydroxidlösungen
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 Kohlenstoffdioxid.
292 Elborn W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.222
293 RÖMPP Online, Stichwort „Calciumcarbonat“ (letzter Zugriff: 08.04.2010)
223

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Didaktische Auswertung:
Einordnung in den Lehrplan:
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 Versuchs
ergibt sich in der Qualifikationsphase Q 2 „Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch
wichtige Kohlenstoffverbindungen“. Hierbei ist das Thema Kohlenhydrate genannt, zu
welchem dieser Versuch wichtige Prinzipien veranschaulicht.
Einordnung des Versuchs:
Die Verwendung von Hefe und „Haushaltszucker“ macht den Versuch für die Schüler interessant,
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 Kohlenhydrate
durch Hefe besprechen. Dies ermöglicht auch einen fächerübergreifenden Unterricht,
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: Pearson
Education Deutschland GmbH.
Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009). Brock Mikrobiologie (11. Auflage). München: Pearson
Education Deutschland GmbH.
294 Der Versuch kann auch mit einer kleinen Flasche auf den ein Luftballon gestülpt wird durchgeführt
werden.
224

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Hefe und Zucker
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
225

Arbeitsblatt: Hefe und Zucker
Datum:
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
226

227

6. Bedeutung und Verwendung
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 5 Minuten
Durchführung: 180 Minuten
Abbau/Entsorgung: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Citronensäure
C 6 H 8 O 7
4 g 36 26 SI+SII
Saccharose
C 12 H 22 O 11
70 g - - - SI+SII
Materialien:
- Heizplatte
- Magnetrührer (oder Rührstab)
- Petrischale
- Becherglas
228

III. Experimenteller Teil
Versuchsaufbau:
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
1. Zugabe von Citronensäure
3. Umfüllen in Petrischale
120
150 mL 80
40
2. Erwärmen
Citronensäure
Saccharose-Lösung
Abb.1 Aufbau des Versuchs
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
229

III. Experimenteller Teil
Beobachtung:
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
Abb.2 Beobachtung des Versuchs
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.
230

III. Experimenteller Teil
Auswertung:
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
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 stattfindet.
296
H
HO
H
OH
H
OH
HO
O H
H
O
OH
Saccharose
H
OH
O
HO
H
OH
OH
+ H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
HO
O +
H
H
OH
O
HO
H
OH
OH
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
O + H
H
HO
+
HO
H
OH
O
HO
H
H
OH
H2O
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
HO
C + H
+
HO
H
OH
O
HO
H
CH 3
H
- H +
H
HO
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
OH
+
HO
OH
H
OH
O
HO
H
H
OH
-D-Glucose
-D-Fructose
Abb.3 Reaktionsmechanismus der säurekatalytischen Saccharosespaltung
296 Vgl. hierzu Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose
231

III. Experimenteller Teil
2. Honig 297
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
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), Assimilationsabsonderungen
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 fortgesetzt.
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 erbrechen
wiederholt sich mehrmals, wobei der Wassergehalt verringert wird und das Speichelenzym
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 außerdem
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.
232

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
Abb.4 Zusammensetzung von Honig
2.2 Hintergrundwissen: Honig
Die Verwendung von Honig geht in prähistorische Zeiten zurück. So spielte im Altertum sowohl
der Bienenwachs als auch der Bienenhonig bei vielen Kulturvölkern eine wichtige Rolle.
Honig wurde Verstorbenen als Grabbeilage (Seelenspeise) gegeben und auch im Alten Testament
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 Aristoteles
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 Medizin
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.
233

III. Experimenteller Teil
3. Invertzucker-Creme (Kunsthonig) 298
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
„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 Erzeugnisse,
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 geschieht
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 Backwaren
und Süßigkeiten, wie beispielsweise Lebkuchen, Printen und Bonbons.
Der frühere Name „Kunsthonig“ ist heute nicht mehr zulässig.
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 auf die Reaktionen
der Kohlenhydrate und die Bedeutung und Verwendung von Kohlenhydraten eingegangen
werden.
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
verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt 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
234

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Invertzucker-Creme
Schülern zu Hause durchgeführt werden. Das Produkt, der Invertzucker, kann dann auch
von den Schülern verzehrt werden. 301
Einordnung des Versuchs:
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 Schüler
zu Hause bestimmt ein Lebensmittel mit dem Inhaltsstoff Invertzucker-Creme (oder Glucose/Fructose-Sirup)
finden. Das Ergebnis des Versuchs ist am schönsten, wenn der Versuch
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 Heidelberg:
Springerverlag
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Abb.4: Belitz, H.-D. & Grosch, W. & Schieberle, P. (2008) S.914
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.
301 S. Arbeitsblatt
235

Chemische Hausaufgabe: Herstellung von „Kunsthonig“
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!
236

Versuchsprotokoll:
Alginate - Restrukturierte Paprikastreifen
Zeitaufwand:
Aufbau:
10 Minuten
Durchführung: 60 Minuten
Entsorgung/Abbau: 10 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Guarkernmehl 0,95 g - - - SI+SII
Natriumalginat 1,9 g - - - SI+SII
Schuleinsatz
Calciumchlorid-
Lösung (w=0,1)
[CaCl 2 *2H 2 O]
150 mL 36 22-24 SI+SII
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
237

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Versuchsaufbau:
3.Mit
besprühen
CaCl 2 -Lösung
1. Mischen der beiden
Komponenten
2. Überführen in
die Petrischale
4. Mit CaCl 2 -Lösung
übergießen
Paprika-Konzentrat Hydrokolloid-Sol CaCl 2 -Lösung
Abb.1 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 werden.
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 eines
Rührfisches auf eine Temperatur von 70 °C erwärmt.
302 Gerstner, E. & Marburger, A. (2000) S.28
238

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
2. In der Zwischenzeit werden in einem Mörser 1,9 g Natriumalginat und 0,95 g Guarkernmehl
eingewogen und mit dem Pistill gründlich verrieben.
3. Wenn die gewünschte Temperatur des Wassers erreicht ist, wird die Heizung des Magnetrührers
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 einem
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 Petrischale
überführt.
3. Die Parikamasse wird jetzt mit einem Zerstäuber, in dem sich eine 1 molar Calciumchlorid-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 prozentigen
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
239

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Abb. 2,3+4 Versuchsbeobachtung
Durch die Zugabe des Hydrokolloidgemisches zum erwärmten Wasser steigt die Viskosität
der Flüssigkeit. Wenn das gesamte Gemisch hinzugegeben wurde, ist eine zähflüssige Masse
entstanden.
Nachdem das Paprika/Hydrokolloid-Gemisch mit Calciumchlorid-Lösung besprüht wurde,
zieht sich die Masse zusammen. Diese Kontraktion wird nach der Zugabe der Calciumchlorid-Lösung
stärker.
Am Ende der Reaktion ist eine schnittfeste Masse entstanden, aus der „Paprikastreifen“ geschnitten
werden können.
Entsorgung:
Die Lösungen können in den Ausguss und die restrukturierten Paprikastreifen in den Hausmüll
entsorgt werden.
240

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Auswertung:
1. Alginsäuren und Alginate 303
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 Polimerisationsgrad
zwischen 1000 und 3000 liegt.
O HOOC
OH
COOH HO
OH OH HO
HO
O
OH
OH
COOH
O OH
OH OH
HO
HOOC
HO
HO
O
OH
OH
-L-Guluronsäure
-D-Mannuronsäure
Abb.5 Polyuronsäuren in Sessel- und Haworth- Schreibweise
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 Guluronsäure
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).
H
O
M
4
O O
COOH
1
OH OH
M
O
COOH
OH OH
OH
n
H
O
HO
M
HOOC
OH
O
1
HO
O
4
HOOC
M
O
OH
OH
n
1,4-verknüpfte -Mannuronsäure
Abb.6 MM-Block in Haworth- und Sesselschreibweise
303 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.632ff. und Marburger, A. (2003) S.7ff.
241

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
G G G
H
O
G
O
COOH
OH OH
4
O
1
O
COOH
OH OH
OH
n
H
HOOC
O
OH
O
1
OH
OH
O
O 4
HOOC
OH
OH
n
1,4-verknüpfte -L-Guluronsäure
Abb.7 GG-Block in Haworth- und Sesselschreibweise
H
M
COOH 4
O O
OH 1
OH
O
G M G
O
COOH
OH OH
OH
n
H
O
HO
HOOC
OH
O
1
O
4
HOOC
OH
O
OH
OH
n
alternierende Sequenz
Abb.8 MG-Block in Haworth-und Sesselschreibweise
Die Primärstruktur der Alginsäuren besteht somit aus periodischen Sequenzen (MM-und GG-
Blöcke), die von aperiodischen Sequenzen (MG-Blöcke) unterbrochen werden. Das Verhältnis
von Polymannuronsäure, Polyguluronsäure und dem alternierenden Segment kann dabei
je nach Algenart variieren.
Guluronsäure ist mit einem pK a -Wert von 3,65, die etwas stärkere Säure als Mannuronsäure
mit einem pK a -Wert von 3,38. Aufgrund ihrer pK a -Werte liegen in Lösung die Carboxyl-
Gruppen der Alginsäure größtenteils als Carboxylat-Anion vor.
242

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
In den Zellwänden kommen die Uronsäuren in dicht gepackten Strängen vor, wobei die
Carboxylat-Gruppen der Säuren über zweiwertige Kationen (Mg 2+ , Ca 2+ ) miteinander verknüpft
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 Natriumalginat 304
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 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 Bildung
von Gelen ist. Durch die Anwesenheit von mehrwertigen Kationen können sich die
GG-Ketten parallel anlagern und somit 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 Ca 2+ - Kations entsprechen
(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 Ca 2+ -Kation von
insgesamt 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden wird (Abb.9).
O
O
-
O
OH
O
O
Ca 2+
H
O
O
1 4
O O -
H
O
OH
O
n
Die fünf Sauerstoffatome innerhalb eines
Gulurunat-Dimers, die an der koordinativen
Bindung beteiligt sind, sind rot hervorgehoben.
Abb.9 Einlagerung eines Calcium-Ions
304 Sticher, O. &Hänsel, R. (2007) S.635ff und Marburger, A. (2003) S.19ff
243

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Abb.10,11 +12 „Egg box“-Modell
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 eingelagert
werden kann (Abb.13).
Abb.13 Entstehung von Hohlräumen durch die „Egg box“- und „ribbon“-type Konformation
244

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
3. Verwendung von Alginsäure und Alginaten 305
Alginsäuren und Alginate werden unter anderem aufgrund ihrer Sol- und Geleigenschaften
und ihrer suspensions- und emulsionsstabilisierenden Wirkung in sehr vielen Bereichen verwendet.
In der Lebensmittelindustrie wird etwa ein Drittel der jährlichen Weltproduktion als Dickungsmittel,
Gelbildner, Suspensions- und Emulsionsstabilisator oder Schutzkolloid eingesetzt.
Alginate werden auch in einem relativ neuen Bereich der Lebensmitteltechnologie verwendet,
der sogenannte Restrukturierung von Lebensmitteln. Unter Restrukturierung versteht
man die Formung von Früchten, Fleisch, Fisch oder Gemüse- Konzentraten. Die Vorteile
dieser Restrukturierung ist nun die mögliche Verwendung von Fleisch-, Fisch-, Gemüseund
Obstresten, was zur Senkung der Produktionskosten führt. Des Weiteren ergibt sich
durch die Einflussnahme auf die Form, Größe und mechanischen Eigenschaften eine bessere
prozesstechnische Handhabung.
Ein Beispiel hierfür ist die in diesem Versuch durchgeführte Restrukturierung von Paprikastreifen.
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).
Abb.14+15 Olive mit Paprikapaste
305 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.636ff. und Marburger, A. (2003) S. 56ff.
245

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Natriumalginat
Guarkernmehl
Abb.16 Zutatenliste der „Oliven mit Paprikapaste“
Weitere Anwendungsbeispiele sind die Stabilisation von Mayonnaise, Speiseeis, Salatdressings,
Bierschaumkronen und Tiefkühlkost.
In der pharmazeutischen Technologie werden Alginate unter anderem aufgrund ihrer Unlöslichkeit
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: Algen 306
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) geläufigen
hoch entwickelten Rot- und Braunalgen. Die für pharmazeutischen Zwecke relevanten
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 Kieselalgen
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 gemäßigten
und kälteren Teilen des Pazifiks vorkommen. Braunalgen sind mit Haftfäden oder -
scheiben an Steinen oder Ähnlichem befestigt. In den Gezeitenzonen der Felsenküsten bilden
sie üppige Vegetationen (beispielsweise die unterseeischen Wälder an amerikanischen
306 Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.629ff.
246

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
Pazifikküsten) und sind ein wichtiger Bestandteil des Ökosystems. Manche Arten der Braunalgen
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 Carrageenan
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 Wildsammlungen
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. Guarkernmehl 307
Guarkernmehl, auch Guarmehl oder Guargummi genannt, ist ein weißes bis grauweißes
Pulver, das durch Mahlen der Samen des in Indien beheimateten Baumes Cyamopsis tetragonolobus
gewonnen wird. Der lösliche Hauptbestandteil des Guarkernmehls ist das Guaran,
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)
CH 2 OH
HO
H
H
OH
H
O
H
O
H
OH
CH 2
H
H
OH
O
H
O
OH
H
H
O
H
H
OH
H
H
OH
O
CH 2 OH
H
n
O
Abb. 17 Struktur des Guarkernmehls in der Haworth-Projektion
307 RÖMPP Online, Stichwort „Guarmehl“ (letzter Zugriff 02.04.2010)
247

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
HO
HO
OH
O
OH
O
O
HO
O
OH
HO
O
OH
O
O
OH
n
Abb.18 Struktur des Guarkernmehls in der Sessel-Projektion
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 eingesetzt
werden. So wird Guarkernmehl Käse zugesetzt, um dadurch das Wasserbindungsvermögen
zu steigern. Des Weiteren wird Guarkernmehl in verschiedenen Eissorten zur Verhinderung
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.
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 Bedeutung
und Verwendung, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen
werden.
Einordnung des Versuchs:
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 Lehrkraft
vorbereitet werden. Des Weiteren sind sowohl Natriumalginat, als auch Guarkernmehl
nicht an jeder Schule vorhanden.
248

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Restrukturierte Paprikastreifen
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 industrielle
Anwendung am Beispiel der Olive mit Paprikapaste gegeben. Das Prinzip der Gelbildung
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 beitragen.
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 Anwendungen
in Schule und Hochschule. Dissertation, Philipps-Universität Marburg-
Fachbereich Chemie.
Sticher, O. & Hänsel, R .(2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Heidelberg:
Springerverlag
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Abb.13: Sticher, O. & Hänsel, R. (2007) S.635
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.
249

Versuchsprotokoll: Alginate-Zahnabdruck
Zeitaufwand:
Aufbau: 15 Minuten
Durchführung: 15 Minuten
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie
Menge
(in g)
R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kieselgur 30,9 68/20 22 SI+SII
Natriumalginat 7,0 - - - SI+SII
Calciumsulfat-
Dihydrat
[CaSO 4 *2H 2 O]
Kaliumhexafluoro-titanat
K 2 [TiF 6 ]
8,75 - - - SI+SII
1,5 20/21/22 26-36 SI+SII
Natriumphosphat
Na 3 PO 4 *12H 2 O
1,65 34
26-
36/37/39-
45
SI+SII
Thymolphthalein
C 28 H 30 O 4
0,015 - 22-24/25 - SI+SII
Phenolphthalein
C 20 H 14 O
0,005 45-62-68 53-45 SI+SII
250

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
Materialien:
- Mörser mit Pistill
- Porzellanschale
- PE-Schraubdeckelgefäß (500 mL, Weithals)
- Pulvertrichter (NS 29)
- Teigschaber
- Gebiss 308
- Messzylinder
- Spatel
- Waage
Versuchsaufbau:
1.Chemkalien
2. +H 2 O
3.Überführen in
Porzellanschale
4.Zahnabdruck
anfertigen
Dentalpulver KMnO 4
Abb.1 Versuchsaufbau
308 Zahnarztpraxen haben oft Gebisse übrig; es geht auch mit „Vampirgebissen“ aus Plastik.
251

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
Durchführung: 309
1. Zunächst wird ein Dentalabdruckpulver aus allen oben aufgeführten Chemikalien
hergestellt. Dazu werden die angegebenen Komponenten in den angegebenen Mengen
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.
252

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
Abb.2,3+4 Versuchsbeobachtung
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.
253

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
2. Allgemeines zu Dentalabdrücken 310
Ein Dentalabdruck ist eine möglichst genaue Abformung des menschlichen Gebisses. Dazu
gehören die Zähne, der Kiefer und das Zahnfleisch. Das möglichst genaue Anfertigen solcher
Abdrücke ist die Voraussetzung zu Herstellung von gut sitzendem Zahnersatz. Der Abdruck
wird hergestellt, indem der Zahnarzt zunächst einen an die Mundverhältnisse angepassten
Abdrucklöffel mit der Abdruckmasse beschickt und dann auf die darzustellenden
Mundregionen drückt. Der durch diesen Vorgang entstehende Negativabdruck wird mit einem
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 Versuchs 311
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 Calciumphosphat-Niederschlags
bindet (3):
(1) CaSO 4(aq) Ca 2+ (aq) + SO 4
2-
(aq)
(2) Na 3 PO 4(aq) 3Na + (aq) + PO 4
3-
(aq)
(3) 3 Ca 2+ (aq) + 2 PO 4
3-
(aq) Ca 3 (PO 4 ) 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
254

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
pH-Indikator Umschlagsbereich Farbumschlag
Phenolphthalein pH = 8,4 – 10,0 farblos rotviolett
Thymolphthalein pH = 8,8 – 10,5 farblos blau
Tab.1 Umschlagspunkte der verwendeten Indikatoren
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) PO 4
3-
(aq) + H 2 O HPO 4
2-
(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 Ca 3+ (aq) + 2 HPO 4
2-
(aq) Ca 3 (PO 4 ) 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. Kaliumhexafluorotitanat
reagiert leicht sauer, da die [TiF 6 ] 2- -Ionen in Wasser langsam hydrolysieren (7):
(6) K 2 [TiF 6 ] (s) 2 K + (aq) + [TiF 6 ] 2- (aq)
(7) [TiF 6 ] 2- (aq) + H 2 O [Ti(OH)F 5 ] + 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 Abdruckmasse
erhöht und das Vermischen des Dentalabdruckpulvers mit Wasser erleichtert
255

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
Zu Dentalabdruckmischungen, die in Arztpraxen Verwendung finden, werden noch Geschmacks-
und Farbstoffe zugesetzt. Durch die Geschmacksstoffe wird die Anfertigung des
Abdrucks für die Patienten angenehmer und durch die Färbung werden Alginat-Abdruckmassen
mit unterschiedlichen Gelbildungseigenschaften optisch besser unterscheidbar.
Didaktische Analyse:
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 die
Bedeutung und Verwendung, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen
werden.
Einordnung des Versuchs:
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 Anwendungen
in Schule und Hochschule. Dissertation, Philipps-Universität Marburg-
Fachbereich Chemie.
Elektronische Quellen:
256

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Aglinate - Zahnabdruck
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
257

7. Nachwachsende Rohstoffe/ modifizierte Naturprodukte
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
Zeitaufwand:
Aufbau: 10 Minuten
Durchführung: 30 Minuten + 1 Tag trocknen
Abbau: 10 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kartoffel- oder
Maisstärke
50 g - - - SI+SII
Glycerin 4 mL - - - SI+SII
Materialien:
- Zweihalsrundkolben mit einem Stopfen (beide NS 29)
- Rückflusskühler
- Kleiner Standzylinder (5-10 mL)
- Magnetrührer mit Heizplatte
- Rührfisch
- Wasserbad oder Heizpilz
- Glasplatte
- Spatel
258

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
Versuchsaufbau:
1. Zugabe von
Glycerin
2. Erwärmen
mL
Glycerin
3. Gemisch auf
einer Glasplatte
verteilen
den.
Wasser/Stärke-
Suspension
Abb.1 Aufbau des Versuchs
Durchführung:
1. Zunächst werden in dem Rundkolben 5 g Kartoffelstärke in 50 mL Wasser suspendiert.
313
2. Zu dieser Suspension werden 4 mL Glycerin-Lösung gegeben.
3. Diese Mischung wird nun unter Rühren und Rückflusskühlung 15 Minuten lang erhitzt.
313 Dieser Versuch kann auch in einem mit einem Uhrglas abgedeckten Becherglas durchgeführt wer-
259

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
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 hinzugeben
und das Gemisch erneut erhitzen.
5. Das Gemisch wird nun auf einer Glasplatte verteilt und über Nacht trocknen gelassen.
6. Am nächsten Tag kann die Stärke vorsichtig unter Zuhilfenahme des Spatels entfernt
werden.
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
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 vorgehen
muss, damit die Folie nicht einreißt.
Entsorgung:
Alle verwendeten Chemikalien und auch die Stärkefolie können in den Hausmüll/den Ausguss
entsorgt werden.
260

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
Auswertung:
1. Struktur der Stärkekörner 314
Die Ablagerung von Stärke in Pflanzen erfolgt in Form von Stärkekörnern. Das Aussehen
dieser Stärkekörner ist typisch für die jeweilige Stammpflanze (Abb.3).
Abb.3 : Stärkekörner von verschiedenen Pflanzen (200fach vergrößert)
Stärkekörner enthalten nahezu reine Stärke und haben einen Durchmesser von 10 μm
(Reiskorn) bis 100 μm (Kartoffel). Die unterschiedlichen Verhältnisse von Amylose zu Amylopektin
bestimmen die grundlegenden Eigenschaften der Stärken unterschiedlichen pflanzlichen
Ursprungs.
Die Stärkekörner weisen eine konzentrische Schichtung um einen Bildungskern (Hilum) herum
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)
261

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
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 größeren
Wasseraufnahme, deutlich schneller auf. Durch weiteres Erwärmen brechen die kristallinen
Strukturen des Stärkekorns, bei einem für die jeweilige Pflanze typischen Temperaturbereich,
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 irreversibel,
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
262

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
3. Stärkefolie 315
Die Quellungseigenschaften der Stärke macht man sich auch bei der Herstellung von Stärkefolien
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.
Abb.5 Einlagerung des Glycerins
Immer häufiger wird Stärke anstelle von Polystyrol als Verpackungsmaterial eingesetzt. Stärkefolien
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 wasserresistent
sind. Aus diesem Grund überzieht man die industriell gefertigten Stärkefolien mit
einem wasserabweisenden Schutz. Dieser besteht aus Silanen, die in einer Kondensationsreaktion
mit der Stärke reagieren.
315 http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff am 25.04.2010)
263

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
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
nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.
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
verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt 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 Backen
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.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff: 25.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Abb.3 RÖMPP Online, Stichwort „Stärke” (letzter Zugriff: 24.04.2010)
264

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Stärkefolie
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)
265

Versuchsprotokoll: Kupferseide
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 10 Minuten
Durchführung: 20 Minuten (+24 Stunden Wartezeit)
Abbau/Entsorgung: 10 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Kupfersulfat
CuSO 4 *5 H 2 O
13 g
22-36/38-
50/53
22-60-61 SI+SII
Ammoniak-
Lösung
NH 3
40 mL 34-50
26-36/37/39-
45-61
SI+SII
(w=0,25)
Natronlauge
NaOH
(w=0,32)
8,6 mL 35 26-37/39-45 SI+SII
Schwefelsäure
H 2 SO 4
(konz.)
Watte
(aus reiner
Baumwolle)
12 35 26-30-45 SI+SII
2 g - - - SI+SII
266

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
Materialien:
- 250 mL Rundkolben mit Schliff
- Schliffstopfen
- Keck-Klemme
- Becherglas 500 mL
- Becherglas 250 mL
- Plastikspritze
Versuchsaufbau:
1. Watte in Schweizers
Reagenz lösen
2. Nach 24 h in ein
Fällungsbad spritzen
Schweizers Reagenz
Watte
Schwefelsäure
Abb.1 Versuchsaufbau
267

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
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 verschließt
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 gegeben.
Der Rundkolben wird geöffnet und mit einer Einwegspritze wird der entstandene Brei
aufgesogen. Nun kann dieser Brei langsam in das Fällungsbad gedrückt werden.
Beobachtung:
Abb.2 Versuchsbeobachtung
316 http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)
268

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
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 Konsistenz.
Entsorgung:
Die entstandenen Cellulosefäden können getrocknet in die Feststofftonne entsorgt werden.
Die Lösung muss neutral in den anorganischen Lösungsmittelbehälter entsorgt werden.
Auswertung:
1. Erläuterung des Versuchs
Wie bereits beschrieben, ist die Cellulose aufgrund ihres hohen Ordnungs- und Polymerisationsgrades
in Wasser praktisch unlöslich. 317 Der Schweizer Chemiker und Professor Mathias
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 Cu 2+ (aq) + 4 NH 3(aq) + 2 OH - (aq) [Cu(NH 3 ) 4 (OH) 2 ] (aq)
(Schweizers Reagenz)
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
269

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
H 3 N
OH -
Cu 2+
H 3 N
NH 3
Abb.3 Tetraaminkupfer(II)-hydroxid-Komplex
Der Lösungsprozess von Cellulose in Schweizers Reagenz ist so zu erklären, dass die Cellulose
in Kupfer-Chelat-Komplexen in Lösung geht. 320 Dieser zweizähnige Chelatkomplex entsteht,
indem ein Ligandenaustausch des Tetraamin-Kupfer-Komplexes stattfindet. Bei diesem
Austausch werden zwei Ammino-Liganden von deprotonierten Alkoholresten an den
Kohlenstoffatomen C 2 und C 3 eines Glucosemoleküls verdrängt, wobei das zentrale Kupferatom
an diese beiden deprotonierten Alkoholreste koordiniert (Abb.4). 321
320 Nuhn, P. (2006), S.157
321 http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)
270

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
O
HO
O
HO
HO
OH
O
H
O
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
H
O
O
O
O
H O
O
H
O
H O
O
O
H
O
OH
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
H
O
O
O
O
O
O
n
+ 8 [Cu(NH 3 ) 4 (OH) 2
-16 H 2 O
-16 NH 3
O
H 3 N
O
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
Cu 2+
Cu 2+
OH
- HO
-
- O
- O
O 3
-
O 2 O
O
-
O 3 2
O
3 2 - O
O
O
3 2 - O
O
O HO
O
HO
Cu 2+ Cu 2+
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
Cu 2+
Cu 2+
OH
- HO
-
- O
- O
O 3
-
O 2 O
O
-
O 3 2
O
3 2 - O
O
O
3 2 - O
O
O HO
O
HO
Cu 2+ Cu 2+
O
O
Abb.4 Lösungsvorgang der Cellulose in Schweizers Reagenz
Durch diese Komplexbildung wird die Ausbildung von sowohl inter- als auch intramolekularen
Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den verschiedenen Cellulosemolekülen verhindert
271

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
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 werden
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).
O
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
H 3 N
NH 3
Cu 2+
Cu 2+
OH
- HO
-
- O
- O
O 3
-
O 2 O
O
-
O 3 2
O
3 2 - O
O
O
3 2 - O
O
O HO
O
HO
Cu 2+ Cu 2+
O
+ 4 H 2 SO 4
- CuSO 4
O
HO
OH
O
H
O
H O
O
H O
H
O
O
H O
O
H
O
O
OH
H O
O
H O
H
O
O
O
Abb.5 Bildung der Regeneratcellulose
Wie an der Reaktionsgleichung zu erkennen, verlassen die Cu 2+ -Ionen den Komplex und
gehen in Lösung. Aufgrund dieser Cu 2+ -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.
272

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
2. Hintergrundwissen: Kupferseide 322
Geschichte
Schon seit Beginn des 17. Jahrhunderts wurden Gedanken dazu geäußert, die von der Seidenraupe
produzierten endlos langen Fäden künstlich herzustellen. Im Laufe der Zeit versuchte
man diese Fäden aus den verschiedensten Materialien, wie Gelatine, Kasin und Albumin
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 hergestellten
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 Reagenz.
Als der eigentliche Begründer der Kunstseidenproduktion gilt der Franzose Graf Chardonnet,
der auf der Weltausstellung in Paris im Jahre 1889 die Herstellung seiner Kunstseide vorstellte.
Zu dieser Zeit wurde auch in England versucht, künstliche „Seide“ herzustellen, wodurch
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 Verfahrens
und dem später entwickelten Acetat-Verfahren in Verbindung mit dem Streckspinnverfahren
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 Fällungsbad
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).
322 http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)
323 Vgl. Versuchsprotokoll: Nitrocellulose
273

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
Abb.6 Streckspinnverfahren
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 halbsynthetischen
Fasern kaum noch konkurrenzfähig. Des Weiteren ist die Verfügbarkeit des Rohstoffes
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.
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 Kohlenhydrate
als nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.
274

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Kupferseide
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. Die Durchführung
des Versuchs dauert nicht sehr lange. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass der
Lösungsprozess einen Tag dauert, weshalb der Versuch nicht in einer Doppelstunde durchgeführt
werden kann. Laut „HessGiss“-Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt
von den Schülern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch
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 Verwendung
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. Auflage).
Stuttgart: S. Hirzel Verlag.
Internetquelle(n):
http://diefoergs.de/start.html (letzter Zugriff:17.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
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.
275

Arbeitsblatt: Kupferseide
Datum:
I. Cellulose ist in Wasser nicht löslich. Sieh dir die Struktur der Cellulose an und erkläre
diese Eigenschaft.
O
HO
O
HO
HO
OH
O H O
O
O H O
H
O
O
H
H O
O
H O
H O H
O H
O
O
H O
H
O
O
O
H
OH
H O
H
O O
O
O H O
H
O
O
O
H
O H O
H
O
O
O
O
O
O
n
Struktur der Cellulose beispielhaft an zwei Celluloseketten
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) Cellulosefasern
gegenüber natürlicher Baumwollfasern?
276

Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Zeitaufwand:
Aufbau:
10 Minuten
Durchführung: 60 Minuten
Entsorgung/Abbau: 20 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Schwefelsäure
H 2 SO 4
280 mL 35 26-30-45 SI+SII
Salpetersäure
HNO 3
140 mL 35 23-26-36-45 SI+SII
Natriumcarbonat
Na 2 CO 3
25,2 g 36 22-26 SI+SII
Watte
(aus 100 %
Baumwolle)
10 g - - - -
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
277

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Versuchsaufbau:
100.4
o C
1. Zugabe H 2 SO 4
3. Zugabe Watte
2. Zugabe HNO 3
600
800 mL
400
200
on
Schwefelsäure
Salpetersäure
Eisbad
Watte (100% Baumwolle)
Abb.1 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 Watte 325 in kleinen Portionen
von etwa 0,5 g. Dabei wird jede Portion einzeln in die Nitriersäure gegeben und mit einem
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.
278

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
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 frisches,
kaltes Wasser in die Kristallisierschale laufen gelassen. Während dieses Waschens
mit Wasser werden die Watteportionen mit den mit Säurehandschuhen geschützten
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. Sollte
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 auseinandergezupft,
auf eine feuerfeste Unterlage gelegt und anschließend mit einem Feuerzeug
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.
279

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
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 gebracht.
Beobachtung:
Abb.2+3 Deflagration der Watte auf der Hand
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 entstehende
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 sauren
pH-Wert. Nachdem die Watteportionen in der Natriumcarbonat-Lösung gewaschen wurden,
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 gelagert.
Für eine weitere Deflagration wird die Nitrocellulose vorher getrocknet.
Verbliebene Nitriersäure wird neutralisiert und in den Ausguss gegeben.
280

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Auswertung:
1. Cellulose
Cellulose ist das wichtigste Gerüstpolysaccharid der höheren Pflanzen und die am weitesten
verbreitete organische Substanz der Erde. So werden jährlich schätzungsweise 10 15 kg Cellulose
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 jedoch
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 Molekül
Glucose im Durchschnitt aus 3000 Glucose-Einheiten und besitzt eine molare Masse
von etwa 5000 g/mol. 328
O
H
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
O
H
H
OH
H
OH
H
O
OH
H
O
H
H
OH
H
OH
O
H
OH
H
O
H
H
OH
H
OH
H
O
OH
H
O
n
O
HO
OH
O
OH
HO
O
H
OH
OH
O
O
HO
OH
O
OH
HO
O
OH
OH
O
O
n
Abb.4 Cellulose in der Haworth- und Sesselschreibweise
326 Nuhn, P. (2006), S.157
327 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E. (1994), S.950
328 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.1292
281

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Durch die β-glykosidische Anordnung und der damit verbundenen linearen Anordnung der
Glucose-Moleküle in der Cellulose bilden sich sowohl intramolekular als auch zwischen benachbarten
Ketten intermolekular Wasserstoffbrückenbindungen aus.
O
HO
O
HO
HO
OH
O
H
O
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
O
O
H
O
O
H O
O
H
O
H O
O
O
H
O
OH
O
O
H
H O
O
H O
H O
O
H O
H
H
O
O
O
O
H O
O
HO
H O
O
O
H
O
OH
O
OH
O
O
Intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: blau
Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen: rot
n
Abb.5 Darstellung der Inter-und Intramolekularen Wechselwirkungen der Cellulose
Durch diese Zusammenlagerung der Makromoleküle und mittels Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen
ist die Cellulose wasserunlöslich. Des Weiteren verleiht die Bündellung
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 quantitativ
in das Nitryl-Kation über (Mechanismus Abb.6). 330
HNO 3 + 2 H 2 SO 4 NO 2 + + H 3 O + + 2 HSO 4
-
329 Bruice, P.Y.(2007), S.1148
330 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995), S.586
282

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
O
HO
N + O -
H
OSO 3 H
H
O
N + O -
O +
-
+ HSO4
Schwefelsäure
H
H
O
N + O -
O +
H
H 2 O +
O N + O
Nitronium-Ion
331
Abb.6 Mechanismus der Bildung des Nytril-Kations
In diesem Nitronium-Ion ist die Ladung weitestgehend am Stickstoff lokalisiert. Das Nitronium-Ion
ist somit ein sehr gutes Elektrophil, das nach dem Mechanismus einer nucleophilen
Addition mit der Cellulose reagiert (Abb.7).
O
HO
OH
O
OH
O
n
O
+
+ N
O
O
O
HO
N
+
O
O
H
O
OH
O
n
+
- H
O
HO
+
ONO - 2 H
2 + 2 NO 2
O
OH
O
n
O
O 2 NO
ONO 2
O
O
ONO 2
n
Abb.7 Mechanismus der Baumwoll-Nitrierung
331 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.784
283

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Cellulosenitrat verbrennt beim Entzünden auch in Abwesenheit von Sauerstoff, ist reibungs-
und hitzeempfindlich. Die Verbrennung verläuft ohne Rauchentwicklung und ist stark exotherm
(Abb.8).
H
ONO 2
O O
2 H
+ 4 O 2 (g) 12 CO 2 (g) + 3 N 2 (g) + 6 H 2 O (g)
ONO
H 2
H
H ONO 2
Abb.8 Reaktionsgleichung der Verbrennung von Schießbaumwolle
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 Cellulosenitrat
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)
284

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
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 „Schwiegermutterseide“
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.
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
nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.
Einordnung des Versuchs:
Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering. Die Durchführung ist einfach,
jedoch muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, da der Umgang mit den konzentrierten Säuren
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 Säuren
gefährlich, weshalb nur Schüler mit entsprechender Erfahrung diesen Versuch als Schülerversuch
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 Herstellung
von Kunststoffen eingegangen werden. Das Ergebnis dieses Versuchs, die Verbrennung
der Schießbaumwolle, ist spektakulär, weshalb die Schüler für diesen Versuch zu begeistern
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)
285

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Schießbaumwolle
Literaturangaben:
Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education
Deutschland GmbH.
Grosse Austing, J.B. (2008). Sprengstoffe. Wissenschaftliche Hausarbeit, Universität Marburg,
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. Auflage).
Stuttgart: S. Hirzel Verlag.
Streitweiser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower E.M. (1994). Organische Chemie (2. Auflage).
Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH.
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
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt.
286

Arbeitsblatt:Schießbaumwolle/Cellulosenitrat
Datum:
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?
Formuliere eine Reaktionsgleichung!
(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“)
287

Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Zeitaufwand:
Aufbau:
15 Minuten
Durchführung: 80 Minuten + Trockenzeit
Entsorgung/Abbau: 5 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Wasserstoffperoxid
76 mL 22-41
H 2 O 2
17-26-28-
36/37/39-45
SI+SII
Ameisensäure
76 mL 35 23-26-45 SI+SII
Schwefelsäure
(konz.) 7,6 mL 35 26-30-45 SI+SII
H 2 SO 4
Kleintierstreu 10 g - - - SI+SII
Materialien:
- Rückflusskühler - Verlängerungsstück mit Schliff 335
- Dreihalsrundkolben - Stativmaterial
- Stockthermometer mit Quickfit - Saugflasche und Porzellannutsche
- Heizpilz - Korkring
- Magnetrührer - Pulvertrichter
- Rührfisch - Messzylinder (3x)
288

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Versuchsaufbau:
2. Aufschlusslösung
hinzugeben
1.Kleintierstreu
einfüllen
on
on
Abb.1 Versuchsaufbau
Durchführung: 336
1. Die Apparatur wird entsprechend der Abbildung im Versuchsaufbau aufgebaut.
2. Anschließend wird in einem Becherglas eine Aufschlusslösung aus 76 mL Wasserstoffperoxid,
76 mL Ameisensäure und 7,6 mL konzentrierter Schwefelsäure hergestellt.
3. In den Rundkolben werden 10 g Kleintierstreu eingewogen und die Aufschlusslöung zugegeben.
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.
289

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
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:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
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 immer
dunkler, bis sie zum Ende der Reaktion braun ist. Durch das Waschen mit Wasser verliert
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.
290

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Auswertung:
1. Rohstoff Holz 337
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 miteinander
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 verzweigt
und haben einen Polymerisationsgrad von 50 bis 250.
Bei Lignin handelt es sich vereinfacht um eine hochmolekulare aromatische Verbindung aus
verschiedenen Phenylpropaneinheiten (Abb.4).
Abb.4 Ausschnitt aus einem Lignin-Molekül
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
291

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Cellulose, Hemicellulosen und Lignin sind im Holz zu einem übermolekularen System verknüpft.
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).
= Cellulose
= Hemicellulose
= Lignin
4 Mikrofibrillen aus 16 Elementarfibrillen, die über Polyosen miteinander
verbunden und in Lignin eingebettet sind.
Abb.5 Modell eines Aufbaus einer Holzzellwand
Dieses Grundprinzip wird auch bei Stahlbeton verwendet, bei dem sich die Druckfestigkeit
des Betons und die Zugfestigkeit des Stahls ergänzen.
2. Zellstoffgewinnung 339
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.
292

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
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 Ausgangsprodukt
eingesetzt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der große Wasserverbrauch,
der auch dazu führt, dass große Mengen an organisch belasteten Abwässern entstehen.
Zusätzlich bilden sich bei diesem Verfahren geruchsbelästigende Schwefelverbindungen,
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 Verfahren
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 restlichen
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
293

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Nur wenige Verfahren wurden daraufhin entwickelt, die eine realistische Chance zur Umsetzung
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-Verfahren 340
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 Feinpapieren.
Vor dem Aufschluss müssen die Holzfasern getrocknet werden, woraufhin sie mit Ameisensäure
und Wasserstoffperoxid besprüht werden. Der Aufschluss erfolgt in drei Stufen bei
einer Reaktionstemperatur von 105 °C. Am Ende des Prozesses wird der Zellstoff mit Wasserstoffperoxid-Lösung
gebleicht.
Bei der Reaktion von Ameisensäure mit Wasserstoffperoxid wird nach dem Mechanismus
einer Veresterung Peroxoameisensäure gebildet (Abb.6).
O
H
H + O +
Wasserstoffperoxid
HO
OH
H
O
OH
H OH
Ameisensäure
H
OH
H O + H
OH
H
O
H
O +
H
H
-H 2 O O +
- H + O
H
O
OH
H
O
OH
H O OH
Peroxoameisensäure
Abb.6 Mechanismus der Bildung von Peroxoameisensäure
340 Bader, H.J. & Melle, I. & Gerlach, S. & Horn, S.(2003) S.476
294

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Für die Aufschlussreaktion sind sowohl Ameisensäure als auch Peroxoameisensäure entscheidend.
Zunächst ist Ameisensäure ein gutes Lösungsmittel für Lignin. Des Weiteren
werden durch die Ameisensäure die Etherbrücken innerhalb des Lignins gespalten (Abb.7).
OH 2 C
HOH 2 C
O
Vereinfachung
R 1
R 2
R 1 R 2
CHOH
O
R 3
OH 2 C
R 3
Ausschnitt aus einem Ligninmolekül
O
R 1
R 2
H O H
Ameisensäure
R1
R 2
O
H
O + R 3
R 3
R 2
OH R 1 OH +
- H +
R 2
H
O + H
H 2 O
R 1 OH
+
R 3
R 3
Abb.7 Spaltung der Etherbrücken des Lignins durch Ameisensäure
295

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Zusätzlich zur Spaltung der Etherbrücken reagiert die Ameisensäure mit freien aliphatischen
und phenolischen Hydroxyl-Gruppen des Lignins zu den entsprechenden Estern (Abb.8).
OH 2 C
O
R 1 R 2
CH 2 OH
Vereinfachung
OH
CHOH
R 1
OH 2 C
R 3
Ausschnitt aus einem Ligninmolekül
O
+ H + O +
H
+
R 1
H
O
H
OH
HO
H
HO
H
HO
O +
H
R 1
HO
H
R 1
O +
O
H
H
- H 2 O
R 1
O +
O
H
H
R 1
O
O
H
Abb.8 Esterbildung von Lignin und Ameisensäure
Die Peroxoameisensäure ist ein starkes Oxidationsmittel und oxidiert das gelöste Lignin,
welches dann in einer wasserlöslichen (hydrophilen) Form vorliegt. Dabei ist die Peroxoameisensäure
hoch selektiv und reagiert nicht mit der Cellulose oder anderen Polysacchariden
des Holzes.
Die Vorteile des MILOX-Verfahrens sind vor allem das Arbeiten bei vergleichsweise niedrigen
Temperaturen und Normaldruck, und die Möglichkeit einer Rückgewinnung der verwendeten
Ameisensäure. Nachteile des Verfahrens sind u.a. die korrosive Wirkung der eingesetzten
Ameisensäure und die Notwendigkeit einer Vortrocknung des Holzes.
296

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Zellstoffgewinnung
Didaktische Auswertung:
Einordnuung 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 dabei auf das
Thema nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden.
Einordnung des Versuchs
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 durchgeführt
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 Zellstoffgewinnung
(Sulfat- und Sulfit- Verfahren) besprochen werden. Dabei kann auch auf
mögliche alternative Verfahren eingegangen werden. Bei den Reaktionsmechanismen handelt
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 Zellstoffgewinnung
im Unterricht – säurekatalytischer Aufschluss mit Wasserstoffperoxid und Ameisensäure.
Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 56(8), S.473-
479
Feckl J. (1992) Lösungsmittelhaltige Verfahren zur Zellstoffherstellung – ein Weg zur Vermeidung
von Emissionen und zur besseren Nutzung nachwachsender Rohstoffe?.
Praxis der Naturwissenschaften-Chemie. 41(7), S.23-27
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
Abbildungsverzeichnis:
Abb.4: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Lignin_structure.svg&filetimestamp=
20070424122513
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.
297

Versuchsprotokoll:
Superabsorber aus Stärke
Zeitaufwand:
Vorbereitung: 10 Minuten
Durchführung: 120 Minuten + Zeit zum trocknen
Abbau/Entsorgung: 10 Minuten
Chemikalien:
Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol
Schuleinsatz
Ethanol
C 2 H 5 OH
(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
C 2 H 3 O 2 Cl
9,4 g
50
Monochloressigsäure
23/24/25-34-
26-
36/37/39-
45-61-63
SI+SII
341
Dichloressigsäure
C 2 H 2 Cl 2 O 2
2,6 g 35-50
(1/2)-26-45-
61
Kartoffelstärke 16,2 g - - - -
341 Exposition für Schwangere und Stillende ausschließen
298

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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
Abb.1 Aufbau des Versuchs
299

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Ethanol
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 Reaktionsgemisch
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 Reagenzglas
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
300

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Beobachtung:
Abb.2+3 Versuchsbeobachtung
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 beobachten,
der mittels Ethanol aus dem Produkt herausgewaschen wird.
Nach dem Trocknen ist ein Feststoff entstanden, der sich nur durch eine elektrische Kaffeemühle
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 modifizierte
Stärke selbst können in den Haushaltsmüll entsorgt werden.
301

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Auswertung:
1. Ethersynthese nach Williamson 344
Die Entstehung des Superabsorbers ist mechanistisch mit der Ether-Synthese nach Williamson
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 Natriumhydrid
(NaH) erzeugt, wobei in einer Redoxreaktion dem Alkohol ein Proton entzogen
wird:
ROH + Na RO - + Na + + ½ H 2
ROH + NaH RO - + Na + + H 2
1.2 Nucleophile Substitution
In der Ethersynthese nach Williamson reagiert das nucleophile Alkoholatanion nach dem
Mechanismus einer nucleophilen Substitution (S N 2 ) mit einem Halogenalkan zu einem Ether
(Abb.4).
R 1
-
O
+
Na
R
-
+
Cl
R 1 O
R
C
Cl -
H
H
H
H
R
R 1
O
H
+ Cl -
H
Abb.4 Mechanismus der Williamson-Ethersynthese
344 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S. 401 und Bruice, P.Y. (2007) S.485
302

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Diese Grundreaktion kann nun auf die im Versuch verwendete Stärke und die darin enthaltene
α-D-Glucose übertragen werden.
2. Reaktionen des Versuchs
Wie bei der Ethersynthese nach Williamson werden auch in diesem Versuch durch die Zugabe
von hoch konzentrierter Natronlauge zahlreiche Hydroxyl-Gruppen des Stärkepolymers
deprotoniert (Abb.5).
OH
OH
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
+
-
2 OH
H
OH
H
OH
n
OH
O -
O
H
O H
H
OH H
H O -
O
H
H
OH
H
H
OH
O
H
n
O
+
2 H 2 O
Abb.5 Deprotonierung des Stärkepolymers Exemplarisch für zwei Hydroxy-Gruppen
Die durch diese Reaktion entstandenen Alkoholate sind gute Nucleophile und reagieren
leicht mit Elektrophilen.
Die zugegebene Mono- und Dichloressigsäure wird zunächst durch die Natronlauge ebenfalls
zum Carboxylat deprotoniert. Aufgrund der stark elektronenziehenden Wirkung des
Chlors besitzt dieses Carboxylat ein elektrophiles α-Kohlenstoffatom (Abb.6).
303

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
O -
Cl
Cl
O -
O
Cl
-Kohlenstoffatom
C
O
Dichloressigsäure
Monochloressigsäure
Abb.6 Polarisierung der Monochloressigsäure der Mono- und Dichloressigsäure
An diesem α-Kohlenstoffatom greift nun ein Alkoholat des Stärkepolymers nach dem Mechanismus
einer nucleophilen Substitution (S n 2 ) an. Dabei werden Ether gebildet, während
Chlorid-Ionen aus dem Molekül austreten (Abb.7).
OH
O -
O
H
O H
H
OH H
H O -
O
H
H
OH
H
O
H
OH
H
O
n
+
2
Cl
Cl
O -
O
+
Cl
O
O -
O - O
OH
O
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
+ 2 Cl -
H
O
Cl
H
OH
n
HO
O
Abb.7 Mechanismus der Etherblidung
304

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Die Dichloressigsäure ist nun dazu in der Lage, zweimal mit einem Elektrophil zu reagieren.
Dadurch werden die Stärkepolymerketten miteinander verbunden und es entsteht ein dreidimensionales
Netzwerk (Abb.8).
COO -
OH
O
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
O
COO - Cl
H
OH
n
OH
O -
+
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
O
H
OH
n
COO -
COO-
COO-
OH
O
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
O
COO -
H
OH
n
OH
O
O
H
H
OH
H
O
H
O
H
H
OH
H
O
H
O
+ Cl-
H
O
H
OH
n
Abb.8 Bildung eines Dreidimensionalen Netzwerkes
Durch die Zugabe von Salzsäure in der Aufbereitung werden die meisten Carboxylat-Ionen
wieder zu freien Carbonsäure-Gruppen protoniert.
305

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Wasser
auch nicht unter moderatem Druck wieder ab. „Die Wasseraufnahmefähigkeit beruht dabei
auf einer starken Wechselwirkung von Wasser mit hydrophilen Gruppen der Superabsorber,
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 negativ
geladene Carboxylat-Anionen im Molekül zurück. Somit herrscht im Inneren des vernetzten
Makromoleküls eine hohe Ladungsdichte, wodurch ein Konzentrationsgefälle zwischen
dem Inneren und der Umgebung des Makromoleküls entsteht. Ähnlich der Osmose
diffundieren Wasser-Moleküle in Richtung des Konzentrationsgefälles ins Innere des Makromoleküls,
wo sie durch Wasserstoffbrückenbindungen gebunden werden. 346 Dieser Prozess
kommt erst zum Erliegen, wenn die Polymerketten so viel Wasser eingelagert haben,
dass sie sich räumlich nicht mehr weiter voneinander entfernen können. 347
Abb.9 Wirkungsweise eines Superabsorbers
Der Zusatz von Kochsalz zur Lösung würde dazu führen, dass sich Natriumionen in das Innere
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 Zugriff:
14.04.2010)
306

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Lebensmittelindustrie
verwendet werden. 349
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
Reaktionen der Kohlenhydrate, nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte
eingegangen werden.
Einordnung des Versuchs:
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 besprochen
wird. Somit müsste es auch den Schülern möglich sein, diese auf die Herstellung dieses
Superabsorbers zu übertragen. Der Superabsorber ist ein Stoff, der Schüler für den Versuch
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
307

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Literaturangaben:
Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education
Deutschland GmbH.
Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-
VCH GmbH & Co KGaA.
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.
Elektronische Quellen:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 14.03.2010)
http://daten.didaktikchemie.uni+-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm (letzter
Zugriff: 14.04.2010)
Abbildungsverzeichnis:
Abb.9: http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/kunststoffe1/neuere_entwickl.htm
(Letzter Zugriff: 09.05.2010)
Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt.
308

IV.
Literatur- und Abbildungsverzeichnis
Bücher, Zeitschriften und Dissertationen:
Alsing, I. & Friesecke, H. & Guthy, K. (1992). Lexikon Landwirtschaft - pflanzliche Erzeugung,
tierische Erzeugung , Landtechnik,Betriebslehre, landwirtschaftliches Recht (2.
Auflage). München: BLV Verlagsgesellschaft.
Andersen F. & Sörensen, K.K. (1972). Medien im Unterricht - Ein Handbuch (1. Auflage).
Stuttgart: Ernst Klett Verlag.
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 Zellstoffgewinnung
im Unterricht – säurekatalytischer Aufschluss mit Wasserstoffperoxid und Ameisensäure.
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.
Birkenhauer, J. (1997). Medien - Systematik und Praxis (1. Auflage). München: Oldenburg.
Brandl, H. (2006). Trickkiste Chemie (2. Auflage). Köln: Aulis-Verlag Deubner.
Breitmaier, E. & Jung, G. (2009). Organische Chemie – Grundlagen, Verbindungsklassen,
Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur, Naturstoffe (6. Auflage). Stuttgart: Georg
Thieme Verlag.
Bruice, P.Y. (2007). Organische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education
Deutschland GmbH.
Buckel, W. & Dehnen, S. et al. (2009). Chemikum Marburg – Kurze Broschüre mit Erläuterungen
zu den Experimenten. Skript, Philipps Universität Marburg-Fachbereich Chemie.
Demuth, R. & Nick, S. (1999). Was können die neuen Medien für den Chemieunterricht bieten?.
Praxis der Naturwissenschaften. Chemie 48 (6), S. 2-6.
Ehlers, E. & Hofheim, T. (2009). Chemie II – Kurzlehrbuch der Organischen Chemie
(8.Auflage). Stuttgart: Deutscher Apotheker Verlag.
Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (Hrsg.) (1998). Chemie Heute: Sekundarbereich II
(1. Auflage). Hannover: Schroedel Verlag GmbH.
Feckl, J. (1992) Lösungsmittelhaltige Verfahren zur Zellstoffherstellung – ein Weg zur Vermeidung
von Emissionen und zur besseren Nutzung nachwachsender Rohstoffe?.
Praxis der Naturwissenschaften-Chemie. 41(7), S.23-27.
Gerstner, E. & Marburger, A. (2000). Alginate – Vielseitig verwendbare Polysaccharid-
Derivate aus Braunalgen. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie, 49(6), S.22-30.
Grosse Austing, J.B. (2008). Sprengstoffe. Wissenschaftliche Hausarbeit, Universität Marburg-
Fachbereich Chemie.
Hart, H. & Craine L.E. & Hart D.J. & Hadad C.M. (2007). Organische Chemie (3. Auflage).
Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.
309

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Holfeld, M. (2000). Das Blue-Bottle-Experiment einmal anders. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie,
47(3), S.39-40.
Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage).
Berlin: Walter de Gruyter & Co.
Hubalek, F. (1974). Audio-visuelle Medien im Unterricht. Wien: Österreicher Bundesverlag
für Unterricht, Wissenschaft und Kunst.
Jäckel, M. & Riesch, K.T. (1994). Chemie Heute: Sekundarbereich I (1. Auflage). Hannover:
Schroedel Verlag GmbH.
Koolmann, J. & Röhm, K.-H. (2003). Taschenatlas Biochemie (3.Auflage). Stuttgart: Georg
Thieme Verlag.
Krauss, H. (1972). Der Unterrichtsfilm - Form – Funktion – Methode. Donauwörth: Druckerei
Ludwik Auer.
Lehmann, J.(1996). Kohlenhydrate – Chemie und Biologie (2. Auflage). Stuttgart: Georg
Thieme Verlag.
Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009). Brock Mikrobiologie (11. Auflage). München: Pearson
Education Deutschland GmbH.
Maier, F. (2007). Videounterstützte anorganisch-chemische Experimente mit Halogenen im
Halbmikromaßstab. Wissenschaftliche Hausarbeit für die erste Staatsprüfung, Philipps-
Universität Marburg- Fachbereich Chemie. Unter http://chids.online.unimarburg.de/dachs/wiss_hausarbeiten/videoexperimente_maier/videoexperimente_maier.pdf
(Letzter Zugriff: 10.04.2010).
Marburger, A. (2000). Alginate in der Medizin. Praxis der Naturwissenschaften-Chemie. 51
(5) S.27-35.
Marburger, A. (2003). Alginate und Carrageenane-Eigenschaften, Gewinnung und Anwendungen
in Schule und Hochschule. Dissertation, Philipps-Universität Marburg-
Fachbereich Chemie. Unter http://archiv.ub.unimarburg.de/diss/z2004/0110/pdf/dam.pdf
(Letzter Zugriff: 09.05.2010)
Mortimer, C.E. & Müller, U. (2003). Das Basiswissen der Chemie (8. Auflage). Stuttgart:
Georg Thieme Verlag.
Nelson, D. & Cox, M. (2009). Lehninger Biochemie (4. Auflage). Berlin Heidelberg: Springer-
Verlag.
Nuhn, P. (2006). Naturstoffchemie – Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Auflage).
Stuttgart: S. Hirzel Verlag.
Pfeifer, P. & Sommer, K. (Hrsg.). (2001). Kohlenhydrate [Themenheft]. Naturwissenschaften
im Unterricht-Chemie, 12 (2).
Redlin, K. & Lück, G. (2000). Kunststoffe – Versuche für alle Schularten geeignet. Praxis der
Naturwissenschaften-Chemie, 49(4), S.40-45.
Riedel, E. & Janiak, C. (2007). Anorganische Chemie (7. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter
GmbH & Co. KG.
Riedel, S. (1997). Multimedia im (Chemie)Unterricht. Naturwissenschaften im Unterrich-
Chemie,8(8), S. 34-40.
Schmidkunz, H. (1983). Die Gestaltung chemischer Demonstrationsexperimente nach wahrnehmungs-psychologischen
Erkenntnissen. Naturwissenschaften im Unterricht 31/ 1983;
S. 360-366.
Schwedt, G. (2003). Experimente mit Supermarktprodukten- eine chemische Warenkunde
(2.Auflage). Weinheim: Wiley-VCH GmbH & Co KGaA.
310

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Shriver, D.F. & Atkins, P.W. & Langford, C.H. (1992). Anorganische Chemie (1. Auflage).
Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH.
Sticher, O. & Hänsel, R. (2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin Heidelberg:
Springerverlag.
Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994). Organische Chemie (2. Auflage).
Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH.
Toman, H. (2006). Historische Belange und Funktionen von Medien im Unterricht. Grundlagen
und Erfahrungen. Baltmannsweiler: Schneider Verlag Hohengehren.
Tulodziecki, G. (1997). Medien in Erziehung und Bildung. Grundlagen und Beispiele einer
handlungs- und entwicklungsorientierten Medienpädagogik (3. Auflage). Bad Heilbrunn:
Verlag Julius Klinkhardt.
Von Martial, I. & Ladenthin, V. (2005). Medien im Unterricht. Grundlagen und Praxis der Mediendidaktik
(2. Auflage). Baltmannsweiler: Schneider Verlag Hohengehren.
Voet, D. & Voet J. G. & Pratt C. W. (2002). Lehrbuch der Biochemie (1. Auflage). Weinheim:
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
Vollhardt, K. P. C. & Schore N. E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley-
VCH GmbH & Co KGaA.
Walter, W. & Franck, W. (1998). Lehrbuch der Organischen Chemie (23.Auflage). Stuttgart
Heidelberg: S.Hirzel Verlag
Wenschkewitz, G. & Menge, J.-J. (2008). Didaktik und Methodik des Filmeinsatzes im allgemeinbildenden
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.
Elektronische Quellen:
Digitale Datenbanken:
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule „HessGISS“- 2008/2009, Version 13.0
„RÖMPP Online“, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig,
zuletzt abgerufen am 09.05.2010)
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)
311

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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)
Abbildungsverzeichnis:
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.
312

V. Anhang
1. Bedeutung der R- und S-Sätze
R-Sätze (Risiko-Sätze – Besondere Gefahren):
R 1
R 2
R 3
R 4
R 5
R 6
R 7
R 8
R 9
R 10
R 11
R 12
R 14
R 15
R 16
R 17
R 18
R 19
R 20
R 21
R 22
R 23
R 24
R 25
R 26
R 27
R 28
R 29
R 30
In trockenem Zustand explosionsgefährlich
Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen explosionsgefährlich
Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen besonders explosionsgefährlich
Bildet hochempfindliche explosionsgefährliche Metallverbindungen
Beim Erwärmen explosionsfähig
Mit und ohne Luft explosionsfähig
Kann Brand verursachen
Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen
Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen
Entzündlich
Leichtentzündlich
Hochentzündlich
Reagiert heftig mit Wasser
Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase
Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Stoffen
Selbstentzündlich an der Luft
Bei Gebrauch Bildung explosionsfähiger / leichtentzündlicher Dampf-Luftgemische
möglich
Kann explosionsfähige Peroxide bilden
Gesundheitsschädlich beim Einatmen
Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut
Gesundheitsschädlich beim Verschlucken
Giftig beim Einatmen
Giftig bei Berührung mit der Haut
Giftig beim Verschlucken
Sehr giftig beim Einatmen
Sehr giftig bei Berührung mit der Haut
Sehr giftig beim Verschlucken
Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase
Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden
313

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
R 31
R 32
R 33
R 34
R 35
R 36
R 37
R 38
R 39
R 40
R 41
R 42
R 43
R 44
R 45
R 46
R 48
R 49
R 50
R 51
R 52
R 53
R 54
R 55
R 56
R 57
R 58
R 59
R 60
R 61
R 62
R 63
R 64
R 65
R 66
R 67
R 68
Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase
Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase
Gefahr kumulativer Wirkung
Verursacht Verätzungen
Verursacht schwere Verätzungen
Reizt die Augen
Reizt die Atmungsorgane
Reizt die Haut
Ernste Gefahr irreversiblen Schadens
Verdacht auf krebserzeugende Wirkung
Gefahr ernster Augenschäden
Sensibilisierung durch Einatmen möglich
Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich
Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss
Kann Krebs erzeugen
Kann vererbbare Schäden verursachen
Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
Kann Krebs erzeugen beim Einatmen
Sehr giftig für Wasserorganismen
Giftig für Wasserorganismen
Schädlich für Wasserorganismen
Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben
Giftig für Pflanzen
Giftig für Tiere
Giftig für Bodenorganismen
Giftig für Bienen
Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben
Gefährlich für die Ozonschicht
Kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen
Kann das Kind im Mutterleib schädigen
Kann möglicherweise die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen
Kann das Kind im Mutterleib möglicherweise schädigen
Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen
Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen.
Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen.
Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit erzeugen.
Irreversibler Schaden möglich
314

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Berührung
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 Berührung
mit der Haut
R 39/26/28 Sehr giftig: ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen und durch
Verschlucken
315

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Exposition
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 Exposition
durch Einatmen und durch Berührung mit der Haut
R 48/20/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Einatmen und durch Verschlucken
R 48/21/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
durch Berührung
R 48/20/21/22 Gesundheitsschädlich: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
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 Berührung
mit der Haut
R 48/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Verschlucken
R 48/23/24 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Einatmen
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 Berührung
mit der Haut und durch Verschlucken
R 48/23/24/25 Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Einatmen,
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 Wirkungen
haben
316

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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 Verschlucken
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 Hersteller
anzugeben)
317

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
Berührung mit der Haut vermeiden
Berührung mit den Augen vermeiden
Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsul-
Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen
Bei Berührung mit der Haut sofort mit viel ...... abwaschen (vom Hersteller anzuge-
Nicht in die Kanalisation gelangen lassen
Niemals Wasser hinzugießen
Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen
Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden
Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen
Geeignete Schutzhandschuhe tragen
Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät anlegen
Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit ...... reinigen (Material vom Hersteller
anzugeben).
Explosions- und Brandgase nicht einatmen
Bei Räuchern/Versprühen geeignetes Atemschutzgerät anlegen u. (geeignete Bezeichnung(en)
vom Hersteller anzugeben)
Zum Löschen ........(vom Hersteller anzugeben) verwenden (wenn Wasser die Gefahr
erhöht, anfügen: "Kein Wasser verwenden")
Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich dieses Etikett vorzeigen)
Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen
Nicht bei Temperaturen über ..... °C aufbewahren (vom Hersteller anzugeben)
Feucht halten mit ..... (geeignetes Mittel vom Hersteller anzugeben)
Nur im Originalbehälter aufbewahren
Nicht mischen mit ..... (vom Hersteller anzugeben)
Nur in gut gelüfteten Bereichen verwenden
Nicht großflächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden
Exposition vermeiden - vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen
Diesen Stoff und seinen Behälter der Problemabfallentsorgung zuführen
Zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt geeigneten Behälter verwenden
Information zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller/Lieferanten
erfragen
Dieser Stoff und sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen
S 24
S 25
S 26
tieren
S 27
S 28
ben)
S 29
S 30
S 33
S 35
S 36
S 37
S 38
S 40
S 41
S 42
S 43
S 45
S 46
S 47
S 48
S 49
S 50
S 51
S 52
S 53
S 56
S 57
S 59
S 60
318

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
S 61 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/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 Bewusstsein
ist)
2. DVD
319

III. Experimenteller Teil
Versuchsprotokoll: Superabsorber aus Stärke
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
320