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„Experimentelle Zugänge zu schulrelevanten Themen der anorganischen, organischen und physikalischen Chemie“ SS 2022 Name des Versuchs : Zuckerkohle Gefährdungsbeurteilung: Name (ggf. Kon- zentration) SuFo Masse/ Volumen
GHS-
Piktogramme [1] H- und P- Sätze [2] Schwefelsäure H 2 SO 4 10 mL Gefahr
H290, H
P280, P301,
P330, P331,
P303, P361,
P353, P305,
P351, P338,
P
Methylblau C 16 H 18 CIN 3 S 1 - 2 mL Achtung
H
P301, P
Gefährdung : Schutzkittel und Schutzbrille tragen. Gegebenenfalls Säurehandschuhe tragen, bei der Entnahme/Hantierung mit der Säure. Entsorgung : Schwefelsäure mit Wasser verdünnen und dann in den Abguss schüt- ten. Die feste Kohle wird in der Feststofftonne entsorgt. Durchführung: In ein 100 mL Becherglas werden ca. 35 g Zucker gegeben und der Zucker wird mit VE-Wasser angefeuchtet. Auf den Zucker werden 10 mL konz. Schwefelsäure gege- ben (im Abzug arbeiten!). Nach Abschluss der Reaktion wird das Produkt gründlich mit Wasser gewaschen, getrocknet und mit dem Mörser zerstoßen. 1 - 2 Spatel der Zuckerkohle werden in einen Erlenmeyerkolben mit Wasser und einigen Tropfen Me- thylenblaulösung gegeben und geschwenkt.
Beobachtung: Das Reaktionsgemisch aus Zucker und der konzentrierten Schwefelsäure verfärbt sich schwarz, steigt säulenartig an und es ist eine Gasentwicklung sichtbar. Durch die Zugabe von „Aktivkohle“, die anschließend gefiltert wurde, entfärbt sich die Lösung aus Wasser und Methylenblau. Fachliche Analyse [3]: In diesem Versuch spielt das Thema der Kohlenhydrate eine zentrale Rolle. Sie stel- len eine wichtige und die häufigste Verbindungskomponente des bioorganischen Le- bens dar. Daher ist es sinnvoll, dieses Thema im Unterricht zu behandeln, auch mit- hilfe eines Versuchs. Für die Kohlenhydrate kann eine allgemeine Summenformel konstruiert werden: !!(#"$)!. Klein & steht für eine beliebige ganze Zahl. „Kohlen- hydrate sind Polyhydroxyaldehyde und Polyhydroxyketone, oder Verbindungen, die sich zu Polyhydroxyaldehyden und - ketonen hydrolysieren lassen.“ [3a] Es gibt daher viele verschiedene Kohlenhydrate. D - Glucose ist das am häufigsten vorkommende Kohlenhydrat in der Natur. Es besitzt, genauso wie die D - Fructose, die Summenfor- mel !##$"$#. Das liegt daran, dass sich beide Moleküle wie Bild und Spiegelbild zuei- nander verhalten, das heißt sie sind chiral und beides Enantiomere. Da Menschen und Tiere Glucose durch die Nahrung aufnehmen, können sie diese als Energieliefe- rant nutzen. Durch die Oxidation mit Sauerstoff kann Glucose zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren: Die Kohlenhydrate werden zwischen den einfachen Kohlenhydraten (Monosaccha- ride) und den komplexen Kohlenhydraten (Disaccharide, Oligosaccharide und Poly- saccharide) unterschieden. Die Monosaccharide werden nach der Anzahl ihrer Koh- lenstoffatome, sowie der Aldehyd- und Ketogruppen klassifiziert. Zum Beispiel ist ein Einfachzucker mit drei Kohlenstoffatomen die Triose oder mit fünf Kohlenstoffatome die Pentose. Die Bezeichnungen Aldose und Ketose verweisen auf ihre funktionellen Gruppen. Viele Monosaccharide, welche als Untereinheit gesehen werden können, ergeben ein Polysaccharid. [3a]
Einordnung in den Bildungsplan [4]: Basisfach/ Leistungsfach Über- thema Unterpunkt Klasse 11/ (zweistündiger Kurs)
Naturstoffe 3.3.2.2 die Molekülstruktur von Monosacchariden und Aminosäuren erklären (Chiralität, Fischer und Haworth-Projektionsformeln) 3.3.2.4 Kohlenhydrate und Proteine mit Nachweis- methoden untersuchen (GOD-Test, Benedict- Probe, Biuret- und Ninhydrin-Reaktion) 3.3.2.5 Biomoleküle anhand ihrer Struktur den Stoffklassen der Fette, Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren zuordnen 3.3.2.6 Funktion der Fette, Kohlenhydrate, Prote- ine und Nukleinsäuren für den menschlichen Orga- nismus beschreiben Klasse 11/ (vierstündiger Kurs)
Naturstoffe 3.4.4.1 die Chiralität eines Moleküls mit dem Vor- handensein eines asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms erklären 3.4.4.7 Vorkommen von Mono-, Di- und Polysac- chariden nennen und ihre Eigenschaften erklären 3.4.4.9 die Verwendung von Kohlenhydratarten als nachwachsende Rohstoffe bewerten Fachdidaktische Reflexion: Wie eingangs erklärt, stellen die Kohlenhydrate und somit der Kohlenstoff eine wich- tige Komponente unseres täglichen Lebens dar. Zucker ist jeder Schülerin/jedem Schüler bekannt, was einen Alltags- und Gegenwartsbezug darstellt. Das Experiment „Zuckerkohle“ könnte bei einigen Schülerinnen und Schülern für Verwunderung sor- gen, weil sie mit dem Ergebnis, dass auch dort der Kohlenstoff enthalten ist, nicht ge- rechnet haben. Zwar kann das Vorhandensein des Kohlenstoffs in der Theorie klar sein, jedoch eventuell nicht sofort in der Praxis. Des Weiteren wird mit der Aktivkohle ein gegenwärtiges Thema angesprochen, da diese in der Medizin, Trinkwasseraufbe- reitung oder in der Kosmetik ein wichtiger Bestandteil darstellt.
Hier in diesem Experiment kann der Adsorptionseffekt der Aktivkohle anschaulich ge- zeigt werden. Der Versuch eignet sich besonders als Schülerversuch oder Schüler- gruppenversuch, da er nicht sonderlich zeit- und materialaufwändig ist. Bevor der Versuch detailliert besprochen wird, können Schülerinnen und Schüler selbstständig Hypothesen aufstellen und anschließend den Versuch durchführen. Die Allgegenwärtigkeit des Kohlenstoffs in organischen Molekülen oder die Eigenschaf- ten der Schwefelsäure können dadurch behandelt werden. Der Versuch eignet sich als Einführungsexperiment zum Thema Kohlenhydrate, da er den Schülerinnen und Schülern die beiden Teile des Begriffes vorführt. Zum einen „Kohlen“ durch die schwarze Kohle und zum anderen „Hydrate“ durch den Wasserdampf. Zuvor muss den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht werden, dass der Wasserdampf nicht al- leinig von dem VE-Wasser stammt, sondern auch von dem Zucker. Um Fehlvorstel- lungen zu vermeiden, kann auch ein Versuch ohne VE-Wasser durchgeführt werden. Bevor die Schülerinnen und Schüler den Versuch durchführen, sollten die wichtigsten Sicherheitsaspekte besprochen werden, um sie auf die möglichen Gefahren aufmerk- sam zu machen. Literatur: [1] GHS-Piktogramme https://www.reach-compliance.ch/ghsclp/neuegefahrenpikto- gramme/ (aufgerufen am 21.06.2022) [2] H- und P-Sätze https://gestis.dguv.de/ (aufgerufen am 21.06.2022) [3] ChemDraw Professional https://uni-tuebingen.de/einrichtungen/zentrum-fuer-da- tenverarbeitung/dienstleistungen/clientdienste/software/chemdraw-professional/ (auf- gerufen am 21.06.2022) [3a] Bruice, Paula Yurkanis (2011): Organische Chemie. Studieren kompakt.5., aktu- alisierte Auflage. Hg. v. Oliver Reiser. München: Pearson Studium (Studium Che- mie). Online verfügbar unter https://elibrary.pear- son.de/book/99.150005/9783863266073. S. 883. [4] Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg (2016). Bildungs- plan des Gymnasiums Chemie.
