Cola einfache Experimente rund um ein Kultgetränk

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1 1 von 32 Cola einfache Experimente rund um ein Kultgetränk Sarah Höxter, Hamburg Niveau: Sek. I Dauer: 8 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Redoxreaktionen (Benennen von Oxidations- und Reduktionsmitteln, Aufstellen von Reaktionsmechanismen, Identifizierung von Alltagsprozessen) sowie Säuren und Basen (ph-wert-bestimmung, Titration). Im Weiteren werden Stofftrennverfahren behandelt. Erkenntnisgewinnung: Die Schülerinnen und Schüler untersuchen eine vorgegebene Alltagssubstanz unter verschiedenen Gesichtspunkten. Dabei wiederholen sie bereits Gelerntes, wenden es an und lernen, frei zu experimentieren. Kommunikation/Bewertung: Das selbstständige Durchführen der Versuche in Gruppen fördert die Kommunikations- und Teamfähigkeit. Durch das Bearbeiten der vorliegenden Materialien wenden die Lernenden im Chemieunterricht Gelerntes auf ihre Alltagswelt an. Der Beitrag enthält Materialien für: ü offene Unterrichtsformen ü Schülerversuche ü Lehrerversuche ü aktive Wiederholung ü Hausaufgaben Hinweise zur Didaktik und Methodik Die folgenden Unterrichtsmaterialien befassen sich mit dem Getränk Cola (die Marke spielt keine Rolle). Der Fokus liegt demzufolge nicht auf einem bestimmten Themenbereich. Es werden vielmehr sowohl thematisch als auch praktisch jahrgangsübergreifende Kompetenzen gefördert und/oder gefestigt. Das Material lässt sich am besten im Rahmen eines Projekts und in den Klassen 9 bzw. 10 auch zur Wiederholung der Themen Säuren und Basen sowie Redoxreaktionen einsetzen. Darüber hinaus lassen sich einzelne Themen auch in den jeweils laufenden Unterricht der unterschiedlichen Klassenstufen integrieren. Der komplette Beitrag ist auf eine große Alltagsnähe und starke experimentelle Einbindung der Schüler ausgerichtet. Auf diese Weise soll verdeutlicht werden, dass Chemikalien und chemische Verfahren Bestandteil des normalen Lebens sind. Ebenfalls wird der Zugang zum verantwortungsvollen Experimentieren geöffnet oder gefestigt. Die Versuche können in Gruppen zu 2 4 Personen durchgeführt werden. Als Hausaufgabe empfiehlt es sich, ein Protokoll anfertigen zu lassen. Sie sollten entscheiden, ob jeder Schüler ein Protokoll verfassen soll oder nur einer der Versuchspartner. Letzteres fördert das Verantwortungsbewusstsein in Bezug auf Teamverantwortung. Durchführung M 1 Vom Allheilmittel zum Kultgetränk Die Farbfolie bietet als Einstieg einen Überblick über die Entwicklung und Zutaten der Cola. M 2 M 4 Cola entfärben die Adsorption als Trennverfahren In Versuch M 2 wird mithilfe von Aktivkohle der Zuckerkulör aus der Limonade entfernt. Hier wird die Adsorption als Stofftrennverfahren (in Verbindung mit einer Fil-

2 2 von 32 tration) wiederholt, sodass sich dieser Versuch separat auch gut für den Anfangsunterricht eignet. Mit den dazugehörigen Arbeitsblättern (M 3 und M 4) sollen die Schüler den Stoff selbstständig vertiefen. Die farblose Cola wird für die Versuche M 5 (Variante 2) und M 12a benötigt. (Tipp: Prüfen Sie hier im Vorfeld, ob die Aktivkohle rein genug ist, sonst kann sich dieser Versuchsteil zeitlich sehr ausdehnen.) M 5 M 8 Zucker Nachweismethoden Versuch M 5 dient zur Überprüfung des Zuckergehalts in Cola bzw. Cola light. Es werden zwei verschiedene Möglichkeiten angeboten: einfaches Eindampfen für den Anfangsunterricht (Variante 1) und der Nachweis mit Fehling-Reagenz für höhere Klassenstufen (Variante 2). Vor der Versuchsdurchführung sollen die Schüler das entsprechende Arbeitsblatt(M 6a bzw. M 6b) nutzen, um sich auf den Versuch vorzubereiten. Das Arbeitsblatt M 7 beschreibt den Weg des Zuckers nach Europa und auch dessen lebensnotwendige Eigenschaften. Es kann genutzt werden, um mit den Schülern einen verantwortungsbewussten Nahrungsmittelkonsum zu diskutieren. Versuch M 8 dient zur Beschreibung und Herstellung von Karamell und Zuckerkulör. M 9 M 11 Putzen mit Cola Redoxreaktionen visualisieren M 9 dient zur Wiederholung und Auffrischung von bereits Gelerntem. Die Versuche M 10a und M 11a zeigen die reinigende Wirkung von Cola: In M 10a wird sie als Rostumwandler und in M 11a als Silberreinigungsmittel eingesetzt. Beide Versuche visualisieren die zugrunde liegenden Redoxvorgänge. Die jeweiligen Versuche werden in den dazugehörigen Arbeitsblättern (M 10b bzw. M 11b) weiter vertieft. M 12 M 13 Wie viel Säure ist drin? Nachweismethode: Titration (Lehrerversuch) Dass in der Limonade tatsächlich eine Säure enthalten ist, wie sie sich auch im Chemielabor findet, lässt sich durch die Titration der Phosphorsäure (M 12a) verdeutlichen. Vor der Durchführung sollen die Schüler die Arbeitsblätter (M 12b und M 13) bearbeiten. M 14 Cola und Mentos eine explosive Mischung? In diesem abschließenden Versuch produzieren die Schüler die berühmte Cola-Mentos-Fontäne und verstehen die dazugehörige Theorie. Literatur Arnold, Dr. Karin, Dietrich, Prof. Dr. Volkmar (Hrsg.): Chemie plus, Cornelsen Verlag Berlin S. 39. Bietet Hinweise rund um den Zucker und zum Titrieren im Unterricht. Eilks, Prof. Dr. Ingo (Hrsg.): Chemie interaktiv, Cornelsen Verlag Berlin S. 115 ff. Enthält Informationen zu den Themen Rost und Rostumwandler. Internet ( ). ( ). Auf beiden Seiten finden sich viele Experimente nicht nur rund um Cola, die sich für den Unterricht aufarbeiten lassen.

3 5 von 32 M 1 Vom Allheilmittel zum Kultgetränk Wasser die Basis der Limonade Zitronen (geben Aroma) Dr. John Stith Pemberton , USA Zucker die Hauptzutat Ich suchte nach einem Mittel gegen Kopfschmerzen, Müdigkeit, Völlegefühl und Abgeschlagenheit. Also braute ich aus Wasser, Zucker, Kola-Nüssen, Koka-Strauchblättern und natürlichen Aromastoffen einen Sirup. picture-alliance/nhpa/photoshot/ Antony Bannister geöffnete Kola-Schließfrucht (mit koffeinhaltiger Nuss) Koka-Strauchblätter (heute ist Kokain verboten) Alle anderen Fotos: Thinkstock/iStockphoto

4 6 von 32 M 2 Hab den Durchblick: Cola entfärben Cola erhält ihre charakteristische Farbe durch Zuckerkulör. Das ist eine Lebensmittelfarbe, die durch das Erhitzen von Zucker hergestellt wird. Mit Aktivkohle lässt sie sich leicht entfernen und ihr erhaltet klare (durchsichtige) Cola. Schülerversuch: Entfärben von Cola mit Aktivkohle V: 5 min D: 20 min Chemikalien r Cola r Cola light r Aktivkohle Geräte r 2 Bechergläser (100 ml) r Magnetrührstäbchen r Magnetrührer r Glastrichter r Filterpapier r ph-papier r Stativ mit Klammer r Löffel Entsorgung: Aktivkohle kann in den Hausmüll. Die entfärbte Cola wird noch für spätere Versuche (M 5 und M 12a) benötigt! Bewahre sie abgedeckt an einem gut gekühlten Ort auf! Versuchsdurchführung Fülle ca. 50 ml Cola in ein Becherglas. Miss den ph-wert. Versetze die Cola danach mit drei Löffeln Aktivkohle. Rühre das Cola-Aktivkohle-Gemisch für ca. 15 Minuten und filtriere es anschließend über einen Glastrichter ab. Bestimme anschließend erneut den ph-wert. Aufgaben 1. Vergleiche die normale Cola mit der entfärbten Cola. Trage deine Ergebnisse in der Tabelle ein. Cola ph-wert Geruch Aussehen Thinkstock/iStockphoto Cola, entfärbt 2. Welche Schlüsse ziehst du aus deinen Beobachtungen?

5 11 von 32 M 6a Verdampft: Was wirklich in Cola steckt Ist in Cola und Cola light eigentlich Zucker enthalten? Dazu sollt ihr euch zunächst überlegen, woraus Cola und Cola light bestehen. Füllt dazu den folgenden Lückentext aus und frischt euer Wissen über Stoffgemische auf! 2 Cola besteht hauptsächlich aus Wasser, in dem noch eine Menge anderer Stoffe gelöst sind. Lösungen oder Feststoffe, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen, bezeichnet man als. Dagegen bezeichnet man Stoffe, die 4 nur aus einer einzigen Komponente bestehen, als. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Stoffgemischen: Es gibt Gemische, bei denen man die einzelnen Bestandteile erkennen kann; solche Gemische bezeichnet man als. Außerdem gibt es Gemische, die aussehen, als würden sie nur aus einem Stoff bestehen; diese nennt man. Bei Cola handelt es sich um ein Stoffgemisch, weil die einzelnen Komponenten zu erkennen sind. Plane einen Zuckernachweis! Finde experimentell heraus, ob in Cola und Cola light Zucker enthalten ist oder nicht. Entwickle mithilfe der Informationen aus dem Lückentext und der folgenden Hinweise einen Nachweis dafür. Arbeite dazu mit deiner Gruppe zusammen. Thinkstock/Zoonar Hinweis 1 Cola besteht hauptsächlich aus zwei Inhaltsstoffen: Wasser und Zucker. Hinweis 2 In Cola light wird der Zucker durch Zuckeraustauschstoffe ersetzt. Diese süßen sehr viel stärker als Zucker, sodass davon nur eine geringe Menge benötigt wird.

6 14 von 32 M 8 Karamell eine süße Versuchung Wenn man Zucker sehr stark erhitzt, schmilzt er. Ist die Temperatur hoch genug, verfärbt sich der Zucker beim Schmelzen von farblos nach braun. Es entsteht Karamell. Dabei gilt: Je höher die Temperatur ist, desto dunkler verfärbt sich der Karamell und desto bitterer wird er im Geschmack. Möchte man Karamell herstellen, muss man den Zucker trocken, also pur, in einer Pfanne bei hohen Temperaturen erhitzen. Dabei ist es wichtig, ständig umzurühren, denn wenn der Zucker erst einmal zu schmelzen beginnt, nimmt er auch sehr schnell eine dunkle Farbe an. Das Schmelzen selbst beginnt bei Temperaturen von etwa 135 C. Farbe und Geschmack verändern sich ab ca. 150 C. Goldbraunen Karamell erhält man bei Temperaturen von C. Überschreitet man diese Temperaturen, entsteht schließlich eine sehr dunkel gefärbte Masse, der Zuckerkulör. Dieser wird als Lebensmittelfarbe verwendet und ist auch für die typische Färbung der Cola verantwortlich. Schülerversuch: Herstellen von Karamell und Zuckerkulör V: 5 min D: 10 min Ihr braucht: r 30 g Zucker r heißes Wasser r Topf r Heizplatte r Kochlöffel r 2 Porzellanschalen r Becherglas r Tiegelzange/Handtuch Versuchsdurchführung (Schutzbrille!) Geschmolzener Zucker Gib den Zucker in den Topf und erhitze ihn. Rühre dabei ständig um. Warte, bis sich der Zucker goldbraun gefärbt hat, und gieße einen Teil in eine Porzellanschale. Erhitze den Rest im Topf weiter, bis der Zucker dunkelbraun ist. Gib einen Teil dieser Masse ebenfalls in eine Porzellanschale. Löse den Rest im Topf vollständig in heißem Wasser auf. Photos: Thinkstock/iStockphoto Aufgaben 1. Erkläre, welche Zuckersorte du jeweils hergestellt hast. 2. Informiere dich über die Bedeutung dieser Zuckersorten.

7 16 von 32 M 10a Aus Alt mach Neu Cola als Rostumwandler Jedes Jahr verrosten unzählige Werkstoffe und gehen damit für die Wirtschaft verloren. Dieser Versuch soll zeigen, ob Cola geeignet ist, Rost zu entfernen. Schülerversuch: Entrosten mit Cola V: 5 min D: 5 min (+ 60 min Wartezeit) Chemikalien r Cola Geräte r Reagenzglas r Reagenzglasständer r 1 neuer Nagel r 1 rostiger Nagel r Pipette r Pinzette Entsorgung: Die Lösungen können in den Abfluss gegeben werden. Versuchsdurchführung Vergleiche zunächst den rostigen Nagel mit dem neuen Nagel. Nimm anschließend den rostigen Nagel und leg ihn in ein Reagenzglas. Gib anschließend so viel Cola hinzu, dass der Nagel zu 3 / 4 bedeckt ist. Notiere, was unmittelbar nach dem Einfüllen der Cola passiert. Lass das Reagenzglas anschließend eine Stunde stehen. Entnimm den Nagel nach einer Stunde und beschreibe sein Aussehen. Vergleiche ihn auch mit einem neuen Eisennagel. Aufgabe: Trage deine Beobachtungen in die Tabelle ein. Cola: vor Nagelzugabe Cola: kurz nach Nagelzugabe Aussehen Rostige Nägel Geruch Thinkstock/iStockphoto Cola: nach Nagelentnahme Nagel: neu Nagel: rostig Nagel: aus Cola

8 21 von 32 M 12b Versuchsaufbau: Phosphorsäurebestimmung mit dem ph-meter Benenne die einzelnen Bestandteile des Versuchsaufbaus. Zeichne auch die Maßlösung und die Probelösung ein.

9 24 von 32 Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Mithilfe der Farbfolie können die Schüler auf das Thema eingestimmt werden. Dargestellt werden das Anliegen des Coca-Cola-Erfinders Pemberton und die Inhaltsstoffe der ursprünglichen Cola. Es kann beispielsweise der Einsatz der Cola als Heilmittel diskutiert und dabei Bezug auf die einzelnen Inhaltsstoffe genommen werden (z. B. Koffein gegen Abgeschlagenheit und Müdigkeit etc.). Erläuterung (M 2) Dieser Versuch lässt sich gut mit Schülern verschiedener Klassenstufen durchführen, da aufgrund des eindeutigen Ergebnisses die Wirkung der Aktivkohle gut nachvollziehbar ist. Es ist ausreichend, wenn jeweils nur eine Colasorte entfärbt wird. Falls sehr reine Aktivkohle (Apotheke) und Behälter von zu Hause verwendet werden, kann die entstandene Cola gegebenenfalls probiert werden. Sie wird nicht so gut schmecken, da die Aktivkohle nicht nur den Zuckerkulör, sondern auch andere Aromastoffe entfernt. Lösungen (M 2) Zu 1.: ph-wert Geruch Aussehen Cola 2 3 süßlich dunkelbraun, undurchsichtig Cola, entfärbt 5 6 annähernd geruchsneutral farblos Zu 2.: Der Farbstoff ist durch Adsorption an die Aktivkohle aus der Cola entfernt worden. Da außerdem der ph-wert angestiegen ist, muss auch ein Teil der Säure entfernt worden sein. (Anm.: Es handelt sich um die Citronensäure, die ebenfalls an die Aktivkohle adsorbiert.) Erläuterung (M 3) Das Zahlenrätsel kann gelöst werden, während die Cola entfärbt und filtriert wird. Es liefert Informationen zur Aktivkohle, insbesondere zu ihrer großen Oberfläche. Im Anschluss sollte im Unterrichtsgespräch auf die Schwammstruktur und die Adsorptionsfähigkeit der Aktivkohle eingegangen werden. Hier kann ebenfalls erarbeitet werden, dass auch Zucker und Aromastoffe entfernt werden (Rückschlüsse auf den Geschmack).