Anwendung und Vergleich verschiedener Nachweisverfahren für Alkanole am Beispiel von alkoholfreiem und alkoholhaltigem Bier

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1 1 von 22 Alkoholfreies Bier alles nur Marketing? Anwendung und Vergleich verschiedener Nachweisverfahren für Alkanole am Beispiel von alkoholfreiem und alkoholhaltigem Bier Adrian Russek, Hattingen Niveau: Dauer: Sek. II 6 8 Unterrichtsstunden (Minimalplan: 3 Unterrichtsstunden) Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: F1: Die Schülerinnen und Schüler* lernen durch eigenständig durchgeführte Experimente die Eigenschaft der Brennbarkeit von Alkoholen sowie die Reaktion von Alkoholen mit Ammoniumcer(IV)-nitrat kennen. F2: Die Schüler lernen, dass die Stoffgruppe der Alkohole mit unterschiedlichen qualitativen Methoden nachgewiesen werden kann. Erkenntnisgewinnung: Die Schüler lernen unterschiedliche qualitative Analysemethoden für den Nachweis von Alkohol kennen (Nachweis mit Ammoniumcer(IV)- nitrat und Brennprobe) und vergleichen sie nach ausgewiesenen Kriterien (Empindlichkeit, Speziität, Selektivität). Kommunikation: Die Schüler führen arbeitsteilig verschiedene Experimente durch und müssen ihre Versuchsergebnisse angemessen darstellen und vortragen. Bewertung: Die Schüler beurteilen auf der Grundlage ihrer qualitativen Analyseergebnisse und von Informationen zu Alkohol-Richtlinien die Bezeichnung alkoholfreies Bier kritisch, indem sie eine eigene Position vertreten. Der Beitrag enthält Materialien für: ü Schülerversuche ü Internetrecherche ü Fließdiagramm ü Binnendifferenzierung ü Kooperative Arbeitsformen (z. B. Partner- und Gruppenarbeiten) Hintergrundinformationen In der Einführungsphase gibt der Lehrplan in Nordrhein-Westfalen das Thema Reaktionsfolgen aus der organischen Chemie vor. Innerhalb dieses Themenfeldes indet man als Vorschlag für eine geeignete Unterrichtsreihe das Thema Vom Alkohol zum Aromastoff. Auch in anderen Bundesländern, wie z. B. in Hessen, Berlin oder Bayern, wird zu Beginn der Einführungsphase bzw. der Jahrgangsstufe 10 das Thema Alkohol behandelt, da es ideal an den Unterricht der Sekundarstufe I (im Rahmen einer integrierten Wiederholung) anknüpft und dieses inhaltlich wie methodisch vertieft. Zu Beginn dieser Reihe wird oft viel Wert auf den molekularen Bau der Alkoholmoleküle, die Nomenklatur der Alkanole sowie ihre lipophilen und hydrophilen Eigenschaften in Gegenwart von Wasser oder Alkanen gelegt. Das Vorkommen und die Herstellung von Alkoholen z. B. in Form von Ethanol in Lebensmitteln** kommt häuig zu kurz. * Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit nur Schüler verwendet. Schülerinnen sind genauso gemeint. ** Im Beitrag wird allgemein von Alkohol gesprochen, wobei Ethanol gemeint ist. zur 50 RAAbits Chemie, Vollversion Februar 2015

2 2 von 22 Diese Unterrichtsreihe soll über den Kontext der Bierherstellung die Schüler dazu befähigen, sich mit industriellen Herstellungsverfahren zu befassen. Darüber hinaus lernen sie Nachweisverfahren für Alkohole kennen, die sie im Verlauf der Unterrichtsreihe anwenden und beurteilen. Nachweisverfahren sind grundlegende chemische Arbeitsweisen, die es gilt insbesondere im Rahmen des Anfangsunterrichtes der Oberstufe einzuführen und praktisch umzusetzen. Damit leistet dieser Beitrag einen großen Anteil für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Am Ende der Unterrichtsreihe sollen die Schüler gesellschaftsrelevante Fragen zum Thema Versteckter Alkohol in Lebensmitteln anhand eines Zeitungsberichtes diskutieren. Somit öffnet dieser Beitrag die Tür zu anderen Wissenschaften, wie den Lebens- oder Geisteswissenschaften. Die analytische Chemie öffnet Zugänge zu grundlegenden Fach- und Vernetzungsstrukturen, wie Chemieunterricht wieder in die Lebenswelt der Schüler zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus eröffnet dieser Beitrag auch die Möglichkeit, einen außerschulischen Lern ort, wie den Besuch einer Brauerei, einzubinden. Hinweise zur Didaktik und Methodik Als Einführung in die Unterrichtsreihe dient die Farbfolie (M 1), wobei zunächst der untere Teil der Folie abgedeckt ist. Die Schüler beschreiben die Abbildungen 1 bis 4 und benennen die dargestellten Rohstoffe Gerste (Malz), Wasser, Hopfen und Hefe. Sie können direkt auf der Folie eingetragen werden. Anschließend überlegen die Schüler, welches Lebensmittel aus den dargestellten Ausgangsstoffen hergestellt wird. Durch Aufdeckung des unteren Teils der Folie wird aufgelöst, was man mit den rätselhaften Inhaltsstoffen herstellen kann. Diese Einführung dient als erste Begegnung mit dem neuen Thema und soll neugierig auf den weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe machen. Der Informationstext (M 2a) geht nun speziell auf die Bierherstellung ein. Die Schüler setzen sich intensiv mit dem Herstellungsverfahren von Bier auseinander und müssen ihr erlerntes Wissen auf dem Arbeitsblatt (M 2b) anwenden, indem sie es korrekt ausfüllen. Es lohnt sich hierbei, das Fließdiagramm auf Folie zu kopieren und es im Plenum von den Schülern ausfüllen und in eigenen Worten erklären zu lassen. An diese Phase schließen sich zwei Schülerversuche an, bei denen die Schüler lernen, Alkohole auf verschiedene Arten nachzuweisen. Als Untersuchungsobjekt nutzen die Schüler verschiedene Biersorten. Das Schülerexperiment (M 3) nutzt die Eigenschaft von Alkoholen, in Gegenwart von Ammoniumcer(IV)-nitrat-Ionen einen roten Niederschlag zu bilden, und sie so nachzuweisen. Das Schülerexperiment (M 4) nutzt die Eigenschaft der Brennbarkeit, um Alkohole nachzuweisen. Die Schüler können die Experimente entweder nacheinander oder arbeitsteilig durchführen. Bei der zweiten Variante sollte ein Teil der Lerngruppe (idealerweise in Partnerarbeit) beispielsweise das Schülerexperiment M 3 und der andere Teil der Lerngruppe (ebenfalls idealerweise in Partnerarbeit) den Schülerversuch M 4 durchführen. Anschließend setzen sich zwei Gruppen, die jeweils verschiedene Experimente durchgeführt haben, zusammen und erklären sich gegenseitig den durchgeführten Versuch und die dabei erzielten Ergebnisse. So wird insbesondere das Kommunikationsvermögen innerhalb der Lerngruppe geschult. Nachdem nun die Grundlagen zum Nachweis von Alkoholen gelegt wurden, sollen die erlernten Nachweise auf ein neues Beispiel, nämlich alkoholfreies Bier, übertragen werden. Mithilfe eines Videos (siehe Erläuterungen zu M 5 auf Seite 19) kann zunächst eine Begegnung mit dem Thema erfolgen. Der Informationstext (M 5) enthält die Basisinformationen, damit die Schüler das Herstellungsverfahren für alkoholfreies Bier verstehen und versuchen, selbstständig eine Graik zu entwerfen, mit der man auf Teilchenebene erläutern kann, wie alkoholfreies Bier entsteht.

3 4 von 22 Materialübersicht (die Angabe der Geräte bezieht sich auf eine Gruppe) V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch AB = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit Fo = Folie FoVo = Folienvorlage M 1 Fo Rätselhafte Rohstoffe M 2a Ab M 2b Ab, FoVo Wie wird Bier hergestellt? Schema der Bierherstellung M 3 SV Wir weisen Alkohol nach Gruppe A V: 5 min D: 15 min r dest. Wasser r Ethanol r verschiedene Biere (z. B. Krombacher und König Pilsener) r salpetersaure Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung r 4 Reagenzgläser r Reagenzglasständer r wasserfester Stift r Pipetten (5 ml) M 4 SV Wir weisen Alkohol nach Gruppe B V: 5 min D: 15 min r Bier (z. B. Krombacher oder König Pilsener) r Erlenmeyerkolben (250 ml) r Siedesteine r Magnetheizrührer r Hebebühne r Klemme, Muffe und Stativ r Stopfen mit gewinkeltem Glasrohr r Pipette (25 ml) r Streichhölzer und Schaschlikspieß r schwarze Pappe M 5 Ab Wie wird alkoholfreies Bier hergestellt? M 6 FoVo Mit der 2-4-Alle-Methode forschen M 7 SV Enthält alkoholfreies Bier tatsächlich keinen Alkohol? (Gruppe A) V: 5 min D: 15 min r dest. Wasser r Ethanol r Bier (z. B. Clausthaler alkoholfrei) r salpetersaure Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung r 4 Reagenzgläser r Reagenzglasständer r wasserfester Stift r Pipetten (5 ml)

4 5 von 22 M 8 SV Enthält alkoholfreies Bier tatsächlich keinen Alkohol? (Gruppe B) V: 5 min D: 15 min r Bier (z. B. Clausthaler alkoholfrei) r Erlenmeyerkolben (250 ml) r Siedesteine r Magnetheizrührer r Hebebühne r Klemme, Muffe und Stativ r Stopfen mit gewinkeltem Glasrohr r Pipette (25 ml) r Streichhölzer und Schaschlikspieß r schwarze Pappe M 9 Hilfekarten Beurteilung der durchgeführten Nachweisverfahren M 10 Ab Alkoholfreies Bier- alles nur Marketing? Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 18. Die Gefährdungsbeurteilungen inden Sie auf CD 50. Minimalplan Ihnen steht nur wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf drei Stunden kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus: 1. Stunde (M 5) 2./3. Stunde (M 6, M 7, M 8 und M 10) Sie konzentrieren sich allein auf das Unterrichtsthema Alkoholfreies Bier und beginnen mit dem Video ( watch?v=iqmok9n8zx4) und dem Arbeitsblatt zum Herstellungsverfahren (M 5). Sie wiederholen kurz die Inhalte der letzten Stunde und erklären den Schülern die Nachweismöglichkeiten für Alkohole am Beispiel der Schülerversuche M 7 und M 8. Die Schüler führen die Versuche durch und arbeiten anhand des Schemas M 6. Die Versuchsergebnisse können besprochen und das Arbeitsblatt M 10 als Hausaufgabe aufgegeben werden. zur 50 RAAbits Chemie, Vollversion Februar 2015

5 6 von 22 M 1 Rätselhafte Rohstoffe 1) U A 2) H C Nach dem deutschen Reinheitsgebot dürfen zur Bereitung von Bier nur Hopfen, Malz (aus Gerstenkörnern), Hefe und Wasser verwendet werden. 4) Bier: colourbox.com, alle anderen Fotos: Thinkstock/iStock S R O V 3)

6 9 von 22 M 2b Schema der Bierherstellung Weiche Darre Schrotmühle Läuterbottich Kühler Hopfensieb Keimtrommel Maischkessel Siedepfanne Lagertank Gärbottich zur 50 RAAbits Chemie, Vollversion Februar 2015

7 10 von 22 M 3 Wir weisen Alkohol nach Der Genuss von alkoholischen Getränken äußert sich bei Menschen recht schnell durch Veränderungen des Beindens und Verhaltens. Dabei werden die menschlichen Nervenzellen schnell und nachhaltig in ihrer Funktion gestört, was sich durch die Minderung des logischen Denkvermögens, der Selbstkontrolle sowie den Abbau von Hemmungen zeigt. Da Geschmacksproben im Chemieunterricht grundsätzlich verboten sind, müssen andere Verfahren zum Nachweis von Alkohol genutzt werden. Mit diesem Schülerexperiment lernen Sie eine Variante kennen. Schülerversuch: Alkoholnachweis mittels Ammoniumcer(IV)-nitrat Chemikalien / Gefahrenhinweise r dest. Wasser r Ethanol r verschiedene Biere (z. B. Krombacher und König Pilsener) r salpetersaure Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Geräte r 4 Reagenzgläser r Reagenzglasständer r wasserfester Stift r Pipetten (5 ml) Achtung: Es dürfen grundsätzlich keine Geschmacksproben durchgeführt werden! Schutzbrille tragen! Entsorgung: Die Lösungen werden in das Becherglas mit der Aufschrift Schwermetalllösungen (Lehrerpult) entsorgt. Versuchsdurchführung Beschriften Sie die Reagenzgläser mit den Zahlen 1 bis 4. Befüllen Sie die Reagenzgläser nun mit jeweils 5 ml der folgenden Substanzen: Reagenzglas 1: Wasser Reagenzglas 2: Ethanol Reagenzglas 3: Biersorte 1 (z. B. Krombacher) Reagenzglas 4: Biersorte 2 (z. B. König Pilsener) Geben Sie nun in die Reagenzgläser 1 bis 4 jeweils zwölf Tropfen Ammoniumcer(IV)- nitrat-lösung. Aufgabe Notieren Sie Ihre Versuchsbeobachtungen und formulieren Sie eine Versuchsauswertung.

8 14 von 22 M 7 Enthält alkoholfreies Bier tatsächlich keinen Alkohol? Durch das Herstellungsverfahren (vgl. M 5) bzw. die Werbung wird suggeriert, dass alkoholfreies Bier keinen Alkohol enthält. Überprüfen Sie mithilfe des Experimentes den Wahrheitsgehalt dieser Aussage. Schülerversuch: Alkoholnachweis mittels Ammoniumcer(IV)-nitrat Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Chemikalien / Gefahrenhinweise r dest. Wasser r Ethanol r Bier (z. B. Clausthaler alkoholfrei) r salpetersaure Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung Geräte r 4 Reagenzgläser r Reagenzglasständer r wasserfester Stift r Pipetten (5 ml) Achtung: Es dürfen grundsätzlich keine Geschmacksproben durchgeführt werden! Schutzbrille aufsetzen! Entsorgung: Die Lösungen werden in das Becherglas mit der Aufschrift Schwermetalllösungen (Lehrerpult) entsorgt. Versuchsdurchführung Beschriften Sie die Reagenzgläser mit den Zahlen 1 bis 4. Befüllen Sie die Reagenzgläser nun folgendermaßen: Reagenzglas 1: 3 ml dest. Wasser Reagenzglas 2: 3 ml Ethanol Reagenzglas 3: 3 ml Clausthaler alkoholfrei Reagenzglas 4: 3 ml Clausthaler alkoholfrei Geben Sie nun in die Reagenzgläser 1 bis 3 jeweils zwölf Tropfen Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung und notieren Sie Ihre Beobachtungen. Falls Ihnen die Versuchsauswertung schwerfällt, wiederholen Sie den Versuch mit normalem (alkoholhaltigem) Bier. Versuchsbeobachtung Reagenzglas 1: Reagenzglas 2: Reagenzglas 3: Reagenzglas 4: Aufgaben 1. Welche Schlussfolgerung lässt sich aus der Versuchsbeobachtung ziehen? 2. Setzen Sie sich nun mit einer Gruppe zusammen, die den Versuch M 8 durchgeführt hat, und vergleichen Sie Ihre Versuchsergebnisse. 3. Beurteilen Sie gemeinsam Ihr Versuchsergebnis hinsichtlich der Kriterien auf den Hilfekarten (M 9) und beantworten Sie die Ausgangsfrage: Enthält alkoholfreies Bier tatsächlich keinen Alkohol?

9 16 von 22 M 9 Beurteilung der durchgeführten Nachweisverfahren Nachweisverfahren dienen in der Chemie dazu, chemische Elemente, funktionelle Gruppen oder Verbindungen eindeutig zu identifizieren. Da hierbei keine Mengenverhältnisse berücksichtigt werden, spricht man auch von einer qualitativen Analyse. Bereits im 17. Jahrhundert entwickelte Archimedes ein Prinzip, das echtes von unechtem Gold unterscheiden konnte. Hierfür nutzte er die Stoffeigenschaft der Dichte und seine Methode ist auch noch heute als archimedisches Prinzip bekannt. Leider sind nicht alle Nachweisverfahren eindeutig und man muss spezielle Kriterien verwenden, um sie zu beurteilen. Die unten aufgeführten Informationen sollen Ihnen helfen, Ihre Versuchsergebnisse zu beurteilen. Em pfindlichkeit Die Empfindlichkeit beschreibt in der analytischen Chemie den Messbereich und die Genauigkeit eines Gerätes oder Nachweises. Je weniger Menge eines Stoffes bei einem Messgerät einen Messwert ergibt bzw. bei einer Nachweisreaktion ein positives Ergebnis, umso höher ist die Empfindlichkeit. Überlegen Sie nun, welcher der beiden Schülerversuche empfindlich auf Alkohole reagiert. Sp ezifität Werden Nachweismittel oder Nachweismethoden eingesetzt, sollten sie möglichst nur mit der gesuchten Substanz reagieren bzw. nachweisbar sein. Je eindeutiger sie einen Stoff nachweisen, desto spezifischer sind sie. Man spricht auch von der Spezifität eines Nachweises. Weist eine bestimmte Substanz eine ganze Gruppe an Stoffen nach, ist sie nicht sehr spezifisch. Überlegen Sie nun, welcher der beiden Schülerversuche spezifischer auf Alkohole reagiert. Se lektivität Liegt, beispielsweise in einer Lösung, ein Stoffgemisch vor und die Analyse soll nur einen ganz speziellen Stoff erfassen, dann sollte durch die Zugabe eines Nachweismittels bzw. durch die Anwendung einer Nachweismethode ausschließlich der gesuchte Stoff positiv reagieren. Reaktionen und Reagenzien, mit denen einzelne Stoffe in einem Stoffgemisch eindeutig nachgewiesen werden können, sind selektiv (Selektivität). Durch eine selektive Nachweismethode kann eine einzelne Komponente in Gegenwart anderer, potenziell störender Komponenten nachgewiesen werden. Überlegen Sie nun, wie selektiv die beiden Nachweismethoden für Alkohole sind. Lupe: Thinkstock/iStock

10 18 von 22 Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Sie sollten beim Einsatz der Farbfolie M 1 darauf achten, den unteren Teil mit dem Bier sowie dem Informationstext zunächst abzudecken, um den Spannungs- und Motivationsfaktor bewusst hochzuhalten. Nachdem alle Bilder erkannt und beschriftet wurden, kann man die Frage an die Schüler stellen, welches Lebensmittel aus den benannten Inhaltsstoffen hergestellt wird. Erst dann sollte der untere Teil der Folie aufgedeckt werden. Dargestellt ist folgendes: Abb.1: Gerste (zur Malzherstellung), Abb. 2: Wasser, Abb. 3: Hopfen, Abb. 4: Hefe Erläuterung (M 2) Das Arbeitsblatt M 2a enthält die wesentlichen Informationen zur Bierherstellung. Man kann die Unterrichtseinheit auch ohne das Arbeitsblatt M 2b durchführen. Die Schüler können alternativ auch das Fließdiagramm selbstständig erstellen. Dann kann die unten aufgeführte Lösung als Orientierung bei der Bewertung der erstellten Grafiken dienen. Lösungen (M 2a und M 2b) Zu 1.: Individuelle Lösungen der Schüler möglich. Zu 2.: (siehe nebenstehende Grafik) Erläuterung (M 3 und M 4) Aufgrund der hohen Schaumbildung des Bieres müssen die verwendeten Biersorten zunächst durch die Lehrkraft vorbereitet werden. Sie sollten in ein Becherglas umgefüllt und anschließend für ca. 15 min in ein Ultraschallbad gestellt werden. Um den Motivationsfaktor für die Schüler hochzuhalten, bietet es sich an, das Bier wieder zurück in die Bierflaschen zu füllen und die Schüler damit arbeiten zu lassen. Ansetzen der Ammoniumcer(IV)- nitrat-lösung: 3 g Ammoniumcer(IV)-nitrat werden in 30 ml 10%iger Salpetersäure gelöst und in ein Tropffläschchen gefüllt. Ein Tropffläschchen reicht pro Zweiergruppe aus. GÄREN SIEDEN MAISCHEN MÄLZEN Darre Schrotmühle Läuterbottich Kühler Malz Wasser Weiche Hopfensieb Gärbottich Gerste Grünmalz Keimtrommel Treber Hefe CO 2 Würze Maischkessel Siedepfanne Lagertank Wasser Hopfen