Rotkohlindikator. Zusammenfassung. Einordnung in den Unterricht 1

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1 V19 Rotkohlindikator Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit Chemie Q4 Farbstoffe ph-indikator 30 Minuten Zusammenfassung Die Blätter eines Rotkohls werden gekocht und das rotgefärbte Kochwasser als Rotkohlindikator gewonnen. Der so hergestellte ph-indikator, wird anschließend mit verschiedenen Substanzen auf seine Indikatorwirkung getestet. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch ist nach dem hessischen Lehrplan G8 der Qualifikationsphase Q4 dem Wahlthema angewandte Chemie zuzuordnen. Dort kann er zum Unterrichtsinhalt Farbstoffe und genauer ph-indikatoren durchgeführt werden. Als Vorwissen benötigen die SuS ihre Kenntnisse aus den Halbjahren 9G.2 und Q1, in denen es um die Säure-Base-Theorien und aromatische Kohlenwasserstoffe geht. Durch den Versuch wird den SuS gezeigt, dass ph-indikatoren Farbstoffe sind, die bei Änderung des ph- Wertes ihre Farbe ändern und so anzeigen, ob es sich um eine Säure oder Base handelt. Den SuS sind solche Indikatoren aus dem Unterrichtsalltag bereits bekannt, jedoch kann die dahinter stehende Theorie erst verstanden werden, nachdem den SuS die Prinzipien der Farbigkeit von Stoffen erläutert wurden. Zudem zeigt der Versuch, dass ph- Indikatoren nicht nur synthetisch hergestellte Stoffe sind, die im Chemieunterricht verwendet werden, sondern dass es natürliche Farbstoffe gibt, die als ph-indikatoren fungieren können. Überdies bietet der Versuch einen guten Einstieg in die unterschiedlichen Farbstoffklassen, indem an ein bereits bekanntes Phänomen aus dem Unterricht angeknüpft wird. 1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung 2 Abbildung 1: Materialien zur Herstellung von Rotkohlsaft. Abbildung 2: Versuchsaufbau zur ph-wert-bestimmung mittels Rotkohlsaft. Ein frischer Rotkohl wird gewaschen und in kleinere Stücke zerkleinert. Danach wird er in einen Topf gegeben und mit so viel Wasser versetzt, dass der Rotkohl vollständig bedeckt ist. Der Rotkohl wird anschließend mindestens eine halbe Stunde gekocht, bis das Wasser eine dunkelrote Färbung angenommen hat. Mithilfe eines Siebs werden nun die Blätter vom Saft getrennt. Ist der Saft auf Zimmertemperatur abgekühlt, wird er in dunkle Flaschen abgefüllt und kann nun zu ph-wert-bestimmungen eingesetzt werden. 2 Vgl. Wiechoczek, D.: Die gepufferte Schönheit des Rotkohlsafts oder Wie man Rotkohlsaft kornblumenlbau färbt. In: Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie. URL: Letzter Zugriff am:

3 Wird der Saft über längere Zeit verwendet, so sollte er im Kühlschrank aufbewahrt oder sogar eingefroren werden. Um den Indikator zu testen, wird Rotkohlsaft auf 6 Schnappdeckelgläschen aufgeteilt und mit folgenden Stoffen versetzt: Essigessenz, Zitronensaft, Wasser, Kaisernatron, Soda, Rohrfrei/Vollwaschmittel. Die Beobachtung Der Rotkohl hat eine dunkelrote Farbe. Wird er gekocht, so färbt er das Kochwasser tiefrot und bleicht selbst aus. Der Rotkohlsaft ist zu Beginn dunkelrot. Mit der Zeit wird der Saft heller. Abbildung 3: Gekochter Rotkohl mit tiefrot gefärbtem Kochwasser. Wird der Saft auf seine Indikatorwirkung getestet, lassen sich bei Zugabe folgender Stoffe folgende Farbveränderungen festellen: Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1: Farbveränderungen bei Zugabe von Haushaltsstoffen zu Rotkohlindikator. Zugabe von: Zitronensaft Essigessenz Wasser Kaisernatron Soda Rohrfrei Farbveränderung nach: dunkelrot rot unverändert grünblau grün gelb

4 Abbildung 4:Darstellung des ph-farbverlauf des Rotkohlindikators bei Zugabe von verschiedenen Substanzen mit unterschiedlichen ph-werten. Gleiche Reihenfolge wie in der Tabelle. Werden die Proben über Nacht stehen gelassen, so ist am nächsten Morgen zu erkennen, dass sich manche Farben über Nacht noch verändert haben. Abbildung 5: Veränderung der Färbung der vorletzten Probe über Nacht. Entsorgung Die Lösungen können in den Abfluss entsorgt werden. Die Stoffreste kommen in den Hausmüll.

5 Fachlicher Hintergrund Schlage nach, welcher Farbstoff im Rotkohl enthalten ist. Zu welcher Farbstoffklasse gehört der Farbstoff? Wie bei dem Versuch beobachtet werden kann, verfärbt sich der im Rotkohl enthaltene Farbstoff in Abhängigkeit des ph-werts. Dieser Farbstoff zählt zu der Gruppe der Anthocyane, eine Untergruppe der Flavonoide. Die meisten Blütenfarbstoffe gehören dieser Gruppe natürlicher Farbstoffe an. Die Untersuchung der Blütenfarbstoffe begann 1913 mit Willstätter, der die Struktur der blauen Blütenfarbe in der Kornblume, Centaurea cyanus, das Cyanin, aufklärte. Weiterhin befasste er sich mit den Strukturen aller wichtigen Anthocyane und klärte diese auf. 3 Der Begriff Anthocyan setzt sich aus dem griechischen Wort anthos, das Blüte bedeutet und dem griechischen Begriff kyanos, was übersetzt blau heißt, zusammen. 4 Chemisch gesehen sind die Anthocyane Glykoside, bei denen in 3- oder 5- Stellung vorkommende Zuckerreste durch Säurekatalyse leicht abgespalten werden können, wobei es zur Bildung der dazugehörigen Aglycone, den sogenannten Anthocyanidinen, kommt. Die so gebildeten Anthocyanidine unterscheiden sich in ihren Substituenten. Sie zählen zu den Flavyliumsalzen und werden im stark Basischen gespalten. 5 Die Anthocyanidine stellen die chromophore Gruppe dar, also die Gruppe, die durch Lichtabsorption, -reflexion, oder streuung, zum Farbeindruck führt. 6 Die Grundstruktur der Anthocyane und Anthocyanidine ist ein Flavyliumkation, wobei je nachdem, um welches Anthocyan, bzw. Anthocyanidin es sich handelt, die Reste verschieden sind. 3 Vgl. Gotot, T., Kondo, T.: Struktur und molekulare Stapelung von Anthocyanen - Variation der Blütenfarben. In: Angewandte Chemie. Volume 103/Issue 1. S Vgl. Baum, M., Schantz, M., Richling, E.: Rote Farbpigmente mit gesundheitlicher Wirkung. In: Gesellschaft Deutscher Chemiker GDCh. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Nuhn, P.: Naturstoffchemie- Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. 4. Auflage Stuttgart S Vgl. Hülsenberg, D., Welsch, N.: Anthocyane. In: Thieme RÖMP nline. URL: Letzter Zugriff am

6 R R 1 R A C R 3 B R 2 R 4 Die Anthocyanidine unterscheiden sich in ihren Substituenten R und R2 im B-Ring Alle Anthocyanidine weisen als R1 und R3 Hydroxy-Gruppen auf. Sind R3 und R4 Zuckerreste, so handelt es sich um die Anthocyanformen. Vorkommende Zuckerreste sind Glucose, Galaktose, Arabinose und Rhamnose. In den Pflanzen liegen meist die glykosidierte Form der Anthocyanidine vor, da diese wasserlöslich und besser stabilisiert sind und so in Pflanzen leichter transportierbar. Es sind bereits mehrere hundert solcher glykosidierter Formen in Pflanzen gefunden worden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Glykoside der Anthocyanidine. Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-2: Übersicht über die wichtigsten Glykoside der Anthocyanidine. 7 R R 1 R 6 + B H H H R 5 A 5 C 3 R 2 H Anthocyan Aglycon R R2 Pelargonin Pelargonidin H H Cyanin Cyanidin H Päonin Päonidin CH3 H Delphin Delphinidin Petunin Petunidin CH3 H Malvin Malvinidin CH3 CH3 7 Vgl. Gotot, T., Kondo, T.: Struktur und molekulare Stapelung von Anthocyanen - Variation der Blütenfarben. In: Angewandte Chemie. Volume 103/Issue 1. S

7 Anthocyane kommen in rot bis violetten Früchten und in manchen Gemüsearten, wie dem Rotkohl, vor. Auch Hülsenfrüchte enthalten in ihren Schalen Anthocyane. Die charakteristischen Färbungen sind durch Absorption in einem Wellenlängenbereich von nm gegeben. Das jeweilige Absorptionsmaximum wird durch die spezifische Struktur und den ph-wert beeinflusst. 8 Der Rotkohlindikator: Chemische Hintergründe zu den Farbänderungen der Anthocyane in Abhängigkeit vom ph-wert Im Rotkohl ist das Anthocyan Cyanin enthalten. H A + C 3 B H H H H Cyanidin Cyanin A + C 3 B H In Abhängigkeit vom ph-wert weist Cyanin verschiedene Farbigkeit auf. Prinzipiell besitzen alle Anthocyane eine Indikatorwirkung, allerdings sind die auftretenden Farbschattierungen im Sauren oder Basischen je nachdem, um welches spezielle Anthocyan es sich handelt, verschieden. Das gesamte Elektronensystem ist für die auftretende Farbigkeit verantwortlich. Je größer das konjugierte -Elektronensystem, desto stärker ist seine energieärmste Absorptionsbande in den langwelligen Bereich verschoben. Dieser Effekt wird als bathochrome Verschiebung bezeichnet. Die Größe des Elektronensystems ändert sich durch die jeweiligen Säure-Base-Reaktionen, wodurch ebenfalls die Absorptionsbande verändert wird, was sich im Farbeindruck auswirkt. Im sauren Milieu liegen die Anthocyane als Kationen vor, die rot erscheinen. 9 8 Vgl. Watzl, B., Briviba, K., Rechkemmer, G.: Basiswissen aktualisiert - Anthocyane. In: Ernährungs- Umschau 49/Heft 4. Karlsruhe S URL: Letzter Zugriff am: Das Anthocyan Pelargoninchlorid zeigt eine eher gelbrote Färbung auf, Cyaninchlorid hingegen ist im Sauren eher rotviolett.

8 H + +H 2, - H + H H farblos Flavyliumkation ph-wert < 3 Carbinol Pseudobase ph-wert 4-5 max = 510 nm Im Neutralen liegt überwiegend ein Flavenol mit einer violetten Färbung vor, welches im Gleichgewicht mit der farblosen Pseudobase steht. Eine farblose Lösung kann daher zu keinem Zeitpunkt beobachtet werden. Die zu beobachtende Farbvertiefung ist auf die Bildung eines sogenannten chinoiden Systems zurückzuführen. Im alkalischen Milieu liegt ein Farbanion vor, welches eine blaue Farbe besitzt. In diesem ist die Delokalisierung der -Elektronen über die drei Sechsringe und die Sauerstoffatome der Phenolat-Gruppen möglich. H - - H 2 + -, -H 2 Flavenol ph-wert 6-7 (max)= 575 nm Flavenolatanion ph-wert > 8 (max) = 600 nm Im stark Basischen erfolgt die Zerstörung des Farbstoffs, durch Öffnung des konjugierten, mesomeriestabilisierten Grundgerüsts. Es liegt demnach kein großes delokalisiertes -Elektronensystem mehr vor, sondern zwei kleine. Dies bewirkt, dass

9 das Absorptionsmaximum in den kurzwelligen Bereich verschoben wird, was einen gelben Farbeindruck mit sich bringt Chalkon ph-wert >10 (max) = UV-Bereich Die grünen Farben der Proben ergeben sich aus den Mischfarben des Gleichgewichts von Flavenolatanion (blau) und Chalkon (gelb). 10,11 Abbildung 6: Übersicht über den Farbverlauf des Rotkohlindikators in Abhängigkeit vom ph-wert. Was ist ein ph-indikator? Welche ph-indikatoren kennst du bereits aus dem Unterricht? Wie funktionieren sie? Durch den Versuch wird weiterhin gezeigt, wie ph-indikatoren funktionieren. Indikatoren sind Stoffe, die es ermöglichen, Prozessen zu folgen. Dies bedeutet, dass zum Beispiel der Verlauf einer chemischen Reaktion oder der Zustand, in dem sich ein 10 Vgl. Korhammer, K., Pfeifer, P.: Experimente mit Anthocyanen eine Grundlage für Schülerübungen. In : Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. Nr. 52/ S Vgl. Schikor, H.: Blütenzauber dem Geheimnis des Cyanidins auf der Spur: eine Unterrichtsanregung für den Chemiekurs der berstufe. In: Praxis der Naturwissenschaften. 8/47, S

10 chemisches System befindet, sichtbar gemacht wird. 12 Dadurch, dass der Farbstoff seine Farbe in Abhängigkeit des ph-werts ändert, wird dadurch indirekt gezeigt, welcher ph- Wert in der Lösung vorliegt. Durch die unterschiedlichen Farbnuancen kann sogar abgeschätzt werden, ob es sich um eine stark saure oder schwach saure Lösung, bzw. eine schwach basische oder stark basische Lösung, handelt. Allerdings kann durch Cyanin nicht exakt bestimmt werden, welcher ph-wert in der Lösung vorliegt. Dies bedeutet, dass nicht bei jeder ph-stufe ein deutlicher Farbumschlag erfolgt. Daher werden im Labor sogenannte Universalindikatoren eingesetzt. Diese sind Mischungen aus mehreren ph-indikatoren, sodass für weitere ph-bereiche definierte Farbumschläge erkennbar sind und so genauere Angaben über den ph-wert gemacht werden können. 13 Welche Farbigkeit nimmt der Rotkohlsaft bei Zugabe der verschiedenen Substanzen an und was sagt dies über den ph-wert aus? Im Versuch zeigt der ph-indikator Cyanin, dass es sich bei Zitronensaft und Essigessenz um saure Lösungen handelt, Wasser neutral, Kaisernatron bereits schwach basisch, Soda basisch und Rohrfrei sehr basisch ist. Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-3: Farbveränderungen bei Zugabe von Haushaltsstoffen zu Rotkohlindikator Zugabe von: Farbveränderung nach: Eigenschaft der Lösung Zitronensaft Intensiv rot sauer Essigessenz hellrot sauer Wasser unverändert violett neutral Kaisernatron grünblau schwach basisch Soda grün basisch Rohrfrei gelb stark basisch 12 Vgl. Neupert, M.: Indikatoren. In: Thieme RÖMPP nline. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Neupert, M.: Indikatoren. In: Thieme RÖMPP nline. URL: Letzter Zugriff am:

11 Die Farbigkeit und die Farbtiefe werden zusätzlich durch weitere Pflanzeninhaltsstoffe beeinflusst, welche mit den Anthocyanen wechselwirken. Rotkohl enthält etwa 1,2 mg Gesamt-Anthocyane/g Frischmasse. Anthocyane wirken wie andere Flavonoide als Antioxidantien, indem sie als Radikalfänger reagieren. Allerdings muss dazu eine sehr hohe Konzentration vorliegen, die im menschlichen Körper schwer zu erreichen ist. Daher ist diese Wirkung in Frage zu stellen. 14 In der Lebensmittelindustrie werden die Anthocyane als Lebensmittelfarbstoffe, E163, verwendet. So lässt sich zum Beispiel mit roten Gummibärchen oder Brausepulver ebenfalls eine Verfärbungsreihe bei unterschiedlichen ph-werten herstellen. Kannst du nun erläutern warum man in Süddeutschland von Blaukraut, in Norddeutschland von Rotkohl redet? Es gibt verschiedene Arten, Rotkohl zuzubereiten. Wird er mit Essig oder Apfel zubereitet, so ist er rot gefärbt. hne Zugabe von Säure bleibt die ursprünglich dunkelviolette bis blaue Farbe erhalten. Daher rühren die unterschiedlichen Bezeichnungen Rotkraut oder Blaukraut. 14 Vgl. Dräger, tteneder, Stintzing. Anthocyane. In: Thieme RÖMP nline. URL: Letzter Zugriff am