Chemie und Physik im Alltag. Kurs 1: Bunte Küchenchemie

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1 Chemie und Physik im Alltag Kurs 1: Bunte Küchenchemie +++ Dieses Experiment stellen wir ausführlich vr, damit Sie sich an diesem Beispiel ein Bild darüber verschaffen können, welches unser Ansatz und unser methdisches Knzept ist. Unsere anderen experimentellen Angebte für die Grundschule verlaufen analg. +++ Didaktischer, methdischer und fachlicher Hintergrund Grundsätze Geeigneter Einstieg in das Thema durch altersbezgene Alltagsbezüge, ungefährliche und sichere Versuchsdurchführung, preiswerte, leicht erhältliche und aus dem Alltag bekannte Materialien, systematische Reihenflge der Experimente, zuverlässiges Gelingen der Experimente mit deutlichen Phänmenen, alle Schülerinnen und Schüler experimentieren selbständig und eigenhändig, einfach vermittelbare und verständliche Deutung der Bebachtungen, Versuchsdauer ca. 45 Minuten. Die Schülerinnen und Schüler lernen ihre Sinne sinnvll und sicher einzusetzen, üben den Umgang mit dem Arbeitsgeräten wie Spritzen, Pipetten etc., lernen, was ein Indikatr ist und wie man diesen einsetzen kann, können eine chemische Reaktin mit Gasentwicklung erkennen, können das entstandene Gas als Sprudelgas (CO 2 ) deuten, können Beispiele benennen, w Farbstffe und Sprudelgas eine Rlle spielen. Themenkreis Stffe und ihre Eigenschaften Säuren und Basen im Alltag Chemische Verbindungen Kurs 1: Bunte Küchenchemie 1 vn 10

2 Vrkenntnisse Es sind keine speziellen Vrkenntnisse nötig. Altersempfehlung Wir empfehlen dieses Experiment für die Klassenstufen 3 bis 6 (= 8 bis 11 Jahre). Inhalte und Schwierigkeitsgrad der Experimente werden an das jeweilige Alter angepasst. Der Experimentierkurs Im Rahmen des Küchenchemiekurses lernen die Schülerinnen und Schüler durch die Arbeit mit einem Pflanzenfarbstff als Indikatr eine wichtige wissenschaftliche Arbeitsmethde zur Bestimmung unbekannter Substanzen kennen. Als Einstieg und um die vlle Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler zu gewinnen, stellen wir ein Prblem aus der Praxis in den Vrdergrund: Eine unbekannte Substanz muss identifiziert werden. Durch angeleitetes und eigenständiges experimentelles Handeln und Bebachten werden im Laufe der Experimentiereinheit flgende Fragen eingehend behandelt: Wie gehen wir mit unbekannten Stffen um? Wie lässt sich herausfinden, um welche Stffe es sich dabei handelt? Welche Sinne helfen das Prblem zu lösen? Darf man seine Sinne unbedenklich einsetzen? Wie kann man sich eventuell helfen lassen? Was ist das für eine blaue Flüssigkeit? Wie finden wir heraus was für eine Flüssigkeit das ist? Rtkraut der Blaukraut zwei Namen für ein und denselben Rtkhl? Auf welche Art wird Rtkhl beziehungsweise Blaukraut in der Küche zubereitet? Was ist ein Indikatr? Was sagt uns der ph-wert? Was für ein Gas entsteht beim Mischen? Was hat das mit Brausepulver zu tun? Wie kann man CO 2 in der Atemluft nachweisen? Kurs 1: Bunte Küchenchemie 2 vn 10

3 Chemie und Physik im Alltag Kurs 1: Bunte Küchenchemie Pflanzenfarbstffe als Indikatren Durchführung Die Schülerinnen und Schüler bekmmen ausreichend Zeit und Gelegenheit mit den bereit gestellten Materialien und Stffen zu experimentieren. Neben Spritzen, Pipetten und Reagenzgläsern sehen die Schülerinnen und Schüler eine blaue Flüssigkeit vr sich auf dem Tisch. Bevr sie mit den Materialien anfangen zu arbeiten, sllen sie zuerst ihre Sinne einsetzen, um herauszufinden, um was für eine Flüssigkeit es sich handeln könnte. Nachdem erste Vermutungen geäußert wurden und geklärt wrden ist, welche Sinne überhaupt sinnvll einsetzbar sind, wird die eingangs gestellte Frage vn den Schülerinnen und Schülern selbstständig der mit Hilfestellung beantwrtet: Rtkhlsaft. Wzu Pflanzenfarbstffe dienen können, spielt im Weiteren bei der Bestimmung vn unbekannten Substanzen eine Rlle. Die Schülerinnen und Schüler überlegen sich, wie sie dabei systematisch vrgehen. Als erstes ist zu klären, b es sich tatsächlich um verschiedene Stffe handelt. Diese müssen dafür auf ihre Eigenschaften getestet und miteinander verglichen werden. Sinnvllerweise werden diese zuerst in Wasser gelöst und erste Bebachtungen festgehalten: klare und trübe, zum Teil sprudelige Lösungen. Dann werden die angesetzten Lösungen mit dem Indikatr Rtkhlsaft vermischt. Nach Zugabe der Lösungen zum Indikatr können alle Schülerinnen und Schüler einen für den jeweiligen Stff typischen Farbumschlag bebachten. Die verwendeten Substanzen werden benannt und vrgestellt. Danach können die Schülerinnen und Schüler frei mit den bereit gestellten Materialien experimentieren. Beim freien Experimentieren tauschen die Schülerinnen und Schüler ihre Bebachtungen untereinander aus und nehmen eigenständig erste Deutungen vr. S lassen sich die unterschiedlich gefärbten Lösungen in den Reagenzgläsern mit etwas Geschick erkennbar übereinander schichten, weil diese eine jeweils unterschiedliche Dichte aufweisen. Oder es kmmt zu einer Gasentwicklung (Sprudelbläs- Kurs 1: Bunte Küchenchemie 3 vn 10

4 chen), wenn Natrn und Zitrnensäure in Wasser gemischt werden. Das entstehende Sprudelgas wird vrgestellt als das allseits aus sprudeligen Getränken bekannte CO 2. Auf Getränkeflaschen steht als Inhaltsstff Khlensäure. Diese entsteht, wenn sich CO 2 mit Wasser verbindet. In unserer Atemluft befindet sich etwas CO 2. Die Schülerinnen und Schüler blubbern mit Hilfe vn Trinkhalmen Atemluft in das blaue Rtkhlwasser. Ein Farbumschlag ins Rötliche verweist auf die entstehende Khlensäure. Am Ende weisen alle Reagenzgläser die gleiche Färbung auf, weil durch mehrmaliges Vermischen der Inhalte eine Gleichverteilung entsteht. Hintergrundinfrmatinen Es werden bekannte Stffe aus dem Haushalt benutzt, nämlich Zitrnensäure, Backpulver, Natrn und Waschmittelpulver (Sda). S wird für alle zu sehen sein, dass sich der Rtkhlsaft mit der Zitrnensäure rt, mit Backpulver vilett, mit Natrn blaugrün, mit Waschmittel grün verfärbt. Die Schülerinnen und Schüler bebachten, dass Farbstffe aus der Natur unter geeigneten Umständen ihre Farbe wechseln können und wie s ein Farbwechsel zur Bestimmung vn unbekannten Substanzen sinnvll eingesetzt werden kann. Im Umgang mit ungefährlichen Stffen aus dem Haushalt üben sie außerdem ganz nebenbei den feinmtrischen Einsatz der Arbeitsgeräte ein. Sie lernen, dass bestimmte Stffe mit einem Lösungsmittel (Wasser) gelöst werden und miteinander zu etwas Neuem reagieren können. Sie erfahren, dass Khlenstffdixid (CO 2 ) nicht nur als Sprudelgas in der Limnade der für Brausepulver Bedeutung hat. Es spielt eine wichtige Rlle im Khlenstffkreislauf (Ftsynthese) und hat als Treibhausgas grßen Einfluss auf den Klimawandel (Klimaerwärmung durch Verbrennung fssiler Brennstffe). Die Schülerinnen und Schüler wissen am Ende auch, wie in der Küche zwischen Blaukraut und Rtkraut unterschieden wird: Der zunächst blaue Rtkhl wird zu rtvilettem Rtkraut, wenn während der Zubereitung etwas Saures dazu gegeben wird, zum Beispiel Apfel der Essig. Wissenswertes Etymlgie Die Wrtherkunft zu klären, führt ft zu einem Grundverständnis des behandelten Phänmens. Etymlgie leitet sich aus dem griechischen étyms (= wahr) und λόγος lógs (= Wrt) ab und meint s viel wie eine Erklärung der einem Wrt innewhnenden Wahrheit. Die Wrtherkunft zu klären, führt daher ft zu einem Grundverständnis des behandelten Phänmens. Kurs 1: Bunte Küchenchemie 4 vn 10

5 Der Rtkhlsaft erhält seine blaue Farbe durch den in ihm steckenden Farbstff. Dieser gehört zu den Anthcyanen, was aus dem Griechischen übersetzt s viel wie blaue Blüte heißt. Der gleiche Farbstff lässt auch andere Pflanzen blau erscheinen: blaue Stiefmütterchen, Blaubeeren usw. Dieser Farbstff reagiert mit einem Farbumschlag, wenn er mit sauren der alkalischen Stffen in Berührung kmmt. Und weil uns der Rtkhlsaft dies anzeigt, nennt man ihn auch Anzeiger der Indikatr - indicare kmmt aus dem Lateinischen und heißt anzeigen. Der Farbumschlag als Nachweis vn Säuren und Laugen Mit Hilfe entsprechender Farbtabellen kann man über den Farbtn den ph-wert der untersuchten Lösung sehr genau feststellen. Er ist ein Maß für den sauren bzw. basischen (seifigen) Charakter einer Substanz bzw. eines in Wasser gelösten Stffes. Ein geübter Experimentatr kann allein durch die Wahl eines geeigneten Indikatrs wichtige Erkenntnisse erhalten und s in einfachen Fällen sehr schnell einen unbekannten Stff bestimmen. Mit Indikatren lassen sich saure, neutrale und alkalische Lösungen unterscheiden. Der ph-wert gibt an, wie stark sauer der seifig eine Lösung ist. Die ph-skala reicht vn 0 bis 14. Der ph-wert 7 kennzeichnet neutrale Lösungen. ph-wert Lösung Farbe Beispiel 2 sehr sauer intensiv rt Zitrnensaft 3 sauer rt Speiseessig 4 schwach sauer lila Apfelsaft 7 neutral blau Wasser 8 schwach alkalisch türkis Natrn 10 alkalisch grün Sda 12 sehr alkalisch gelb Natrnlauge Tabelle: Farbumschlag mit Rtkhlsaft bei unterschiedlichen ph-werten Kurs 1: Bunte Küchenchemie 5 vn 10

6 Der Blick über den Tellerrand Hinweise für Querbezüge Bdenkunde Findige Landwirte erfahren anhand vn Farbveränderungen einiger Pflanzen etwas über die Beschaffenheit des Bdens. S genannte Anzeigerpflanzen haben generell eine geringe Tleranz gegenüber Veränderungen und können zum Beispiel die Übersäuerung des Bdens erkennen lassen. Küche Wächst Rtkhl auf übersäuertem Bden, sind Khl und Saft beim Kchen nicht blau, sndern vilett. Der Kch, der sich mit Chemie auskennt, weiß nun, wenn er Blaukraut servieren sll, kann er den viletten Khl mit Natrn (statt mit Kchsalz) salzen. Weil Natrn leicht basisch ist, verschiebt sich die Farbe in Richtung Neutralität, als Blau, denn das schwach basische Natrn neutralisiert den schwach sauren Charakter des Khls. Ernährung Vr etwa 80 Jahren entdeckten Bichemiker, das Pflanzen ein besnderes Gas herstellen, das insbesndere bei der Fruchtreifung eine grße Rlle spielt. Man kann damit den Reifeprzess gezielt beeinflussen. Das Gas wirkt universell. Legt man überreife Bananen zusammen mit unreifen Tmaten in eine Schüssel, reifen die Tmaten schneller, weil die Bananen das Reifegas Ethylen abgeben. Damit ist es möglich Früchte in ihrem weit entfernten Herkunftsland unreif zu ernten und erst kurz vr dem Verkauf durch die Begasung mit Ethylen reifen zu lassen. Ein Beitrag der Chemie zur Versrgung mit Nahrungsmitteln. Btanik Eine bekannte heimische Pflanze mit blauer Blütenfarbe ist die Krnblume. Der Name Krnblume ist seit dem 15. Jahrhundert nachgewiesen und geht einher mit dem frtschreitendem Anbau vn Getreide (= Krn) auf den Feldern. Ackerunkräuter, zu denen zum Beispiel auch Ackermhn, Hirtentäschelkraut der Kamille gehören, verbreiteten sich durch verunreinigtes Saatgut vm Mittelmeerraum der Vrderasien aus in ganz Eurpa und gediehen schn auf den Getreidefeldern der vr- und frühgeschichtlichen Ackerbauern. Hin und wieder wurden dabei die Vrzüge vn einigen dieser Unkräuter entdeckt. Der Senf zum Beispiel entwickelte sich aus einem Acker- Unkraut! Kurs 1: Bunte Küchenchemie 6 vn 10

7 Geschichte Natrn und Sda sind schn seit dem frühen Altertum bekannt. Das Wrt Natrn stammt in dieser Frm aus dem Griechischen, hat aber seinen Ursprung im Ägyptischen. Die bekanntesten Natrn- und Sdaseen findet man vr allem in Ostafrika. Das im Wadi Natrun (aus dem Arabischen übersetzt bedeutet dies: Natrntal) in acht verschiedenen Seen natürlich vrkmmende Gemisch aus Natrn, Sda und Salz verwendeten die alten Ägypter zur rituellen Reinigung und zur Präparatin ihrer Mumien. Wegen des grßen Bedarfs werden Natrn und Sda nicht mehr ausschließlich aus natürlichen Quellen, sndern durch grßchemische Verfahren gewnnen. Kurs 1: Bunte Küchenchemie 7 vn 10

8 Arbeitsblatt Kurs 1: Bunte Küchenchemie Pflanzenfarbstffe als Indikatren A) Wie können saure und seifige Lösungen, hne zu schmecken der zu riechen, unterschieden werden? B) Weißt du nch, welche Farben wir beim Rtkhlsaft bei Zugabe vn Zitrnensäure, Backpulver, Natrn und Waschmittel (Sda) bebachten knnten? C) Kannst du dich nch erinnern, welches Gas beim Zusammenmischen der Lösungen vn Zitrnensäure und Natrn entstanden ist? Was hat das mit Brausepulver zu tun? Kurs 1: Bunte Küchenchemie 8 vn 10

9 Lösungszettel für das Arbeitsblatt zum Experimentierkurs Kurs 1: Bunte Küchenchemie Pflanzenfarbstffe als Indikatren A) Wie können saure und seifige Lösungen, hne zu schmecken der zu riechen, unterschieden werden? Indem wir nicht selbst ksten, sndern ein geeignetes Nachweismittel benutzen (z.b. Rtkhlsaft). Indikatren (lateinisch indicare = anzeigen) sind allgemein Hilfsmittel, die gewisse Infrmatinen anzeigen sllen. Sie gestatten die Verflgung vn Abläufen, indem sie das Erreichen der Verlassen bestimmter Zustände anzeigen. In der Chemie versteht man unter einem Indikatr einen Stff der auch ein Gerät, das zur Überwachung einer chemischen Reaktin beziehungsweise eines Zustandes dient. Häufig wird die Änderung durch eine Farbveränderung angezeigt. Teetrinker kennen auch Tee als Indikatr: Wird dem Schwarztee Zitrnensaft zugegeben, dann wechselt die Farbe vn dunkelbraun auf hell rötlichbraun. Auch dieser Farbumschlag ist auf Farbstffe im Tee zurückzuführen, die als Indikatr wirken. Der im Rtkhlsaft enthaltene Anthcyan-Farbstff kann dabei Farben vn Rt (= sauer), über Blau (= neutral) bis Grün der sgar Gelb (= alkalisch, basisch, seifig) anzeigen. Die stärker alkalischen Lösungen färben sich mit der Zeit über Grün bis tief Gelb. Gelb ist übrigens eine Farbe, die die unumkehrbare Zerstörung des Farbstffs anzeigt. Bei Zugabe vn Säure wird er dann nicht wieder rt. B) Weißt du nch, welche Farben wir beim Rtkhlsaft bei Zugabe vn Zitrnensäure, Backpulver, Natrn und Waschmittel (Sda) bebachten knnten? Die blaue Farbe des Rtkhlsaftes schlägt bei Säuren nach Rt um. Die Zitrnensäure ist sehr sauer, weswegen ein intensives Rt entsteht. Das Backpulver ist schwach sauer, weswegen ein schwacher Übergang ins Rte erkennbar ist: Vilett. Seifige (alkalische, basische) Lösungen färben den blauen Saft grün. Das Natrn ist nur schwach seifig, was zu einer schwachen Grünfärbung führt: türkis. Sda ist seifiger: grün. Lässt man die grüne Seifenlauge länger stehen, dann wird sie nach und nach sgar gelb. Kurs 1: Bunte Küchenchemie 9 vn 10

10 C) Kannst du dich nch erinnern, welches Gas beim Zusammenmischen der Lösungen vn Zitrnensäure und Natrn entstanden ist? Was hat das mit Brausepulver zu tun? In Wasser gelöstes Zitrnensäurepulver mit Natriumhydrgencarbnat (Natrn) lässt Khlenstffdixid (CO 2 ) entstehen. Zucker, Zitrnensäurepulver und Natrn sind die Hauptbestandteile vn Brausepulver. Hinzu kämen eigentlich nur nch Geschmacks- und Farbstffe. Bei Zugabe vn Wasser löst die Zitrnensäure das CO 2 aus dem Natrn und es fängt an zu sprudeln. Das Brausen wird durch das Gas Khlenstffdixid (CO 2 ) hervrgerufen, welches sich beim Ansäuern aus dem Hydrgencarbnat (NaCO 3 ) herauslöst. Carbn bedeutet auf Englisch Khle. Carbnate bilden zudem eine wichtige Mineralklasse, zu der unter anderem auch die Calcite der Kalkspate zählen. Viele histrisch bedeutsame Skulpturen und Bauwerke aus Kalkstein lösen sich daher bei saurem Regen (Ja, den gibt es nch!) langsam auf. Zum Beispiel leiden die vielen Figuren des Kölner Dms darunter, langsam ihre Knturen zu verlieren, weswegen weil man die Figuren nämlich erhalten möchte der Kölner Dm eine ewige Baustelle ist. Wher stammt der saure Regen? Verbrennt man fssile Brennstffe (Khle, Erdgas, Erdöl), gelangen CO 2 und Schwefelanteile in die höheren Luftschichten, w sie mit dem Wasser in den Wlken Khlensäure und schweflige Säure erzeugen. Zwar stark verdünnt, dafür kntinuierlich regnet dieses leicht saure Wasser ab und schädigt alles, was sich dem Regen nicht entziehen kann (Bäume, Sandsteinskulpturen etc.). Kurs 1: Bunte Küchenchemie 10 vn 10

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