Versuchsprotokoll: Iod-Stärkenachweis

Transkript

1 Zeitaufwand: Vorbereitung: 5 Minuten Durchführung 0 Minuten Abbau/Entsorgung: 5 Minuten (Bei angesetzten Lösungen) Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Iod I 2 2 g 20/ SI + SII Kaliumiodid KI Stärke Eis 2 Zur erstellung von Lugolscher Lösung gibt es verschiedene Angaben in der Literatur. Allen Anleitungen ist jedoch gemein, dass Kaliumiodid und Iod stets im Verhältnis 2: gemischt werden. Iod löst sich wesentlich besser in Kaliumiodidlösungen, weshalb immer erst das Kaliumiodid gelöst werden sollte. Dabei geht man so vor, dass man zunächst das Kaliumiodid in wenig Wasser auflöst und anschließend das Iod hinzugibt und dieses Gemisch so lange rührt, bis sich das gesamte Iod aufgelöst hat. Die bessere Lösung des Iods in Kaliumiodid- Lösungen ist auf die Reaktion des Iods mit Iodid-Ionen zu Polyiodid-Ionen zurückzuführen. Schuleinsatz 4 g SI + SII Spatelspitze SI + SII SI + SII erstellung der I/KI-Lösung: In diesem Versuch wurde eine 2%ige Iod/Kaliumiodid-Lösung verwendet. Zur erstellung dieser Lösung werden ein Massenprozent Kaliumiodid und zwei Massenprozent Iod in 94 Massenprozent Wasser gelöst. Siehe Punkt 2 der Auswertung

2 Materialien: - Stativmaterial - (Demo-) Reagenzglas - Bunsenbrenner - Pasteurpipette mit ut Versuchsaufbau: I. II. Stärke- Lösung. Zugabe I/KI-Lösung 3. Kühlen mit Eisbad I/KI 2. Erwärmen mit Bunsenbrenner Abb. Versuchsaufbau Durchführung:. Zu einer 0,5 prozentiger Stärkelösung werden einige Tropfen der hergestellten Iod- /Kaliumiodid-Lösung gegeben. 2. Nach dem Eintreten einer Farbreaktion wird die Lösung im Reagenzglas mit dem Bunsenbrenner erhitzt. 3. Nach dem Verschwinden der Farbe wird das Reagenzglas mit einem kalten Wasserbad gekühlt. 2

3 Beobachtung: Abb.2+3 Versuchsbeobachtung Nach der Zugabe der Iod-/Kaliumiodid-Lösung zur Stärkelösung färbt sich diese tiefblau. Durch das Erhitzen mit dem Bunsenbrenner verschwindet die tiefblaue Farbe vollständig. Wird das Reagenzglas nun in einem Eisbad gekühlt, so bildet sich die tiefblaue Farbe wieder zurück. Entsorgung: Die mit Iod/Kaliumiodid versetzten Stärkelösungen werden in den anorganischen Abfall entsorgt. 3

4 Auswertung:. Stärke: Stärke ist ein Polysaccharid, das in der Natur durch Pflanzen als ihre wichtigste Nährstoffreserve produziert wird. Die Stärke liegt in Form wasserunlöslicher Stärkekörner, den sogenannten Stärkegranula, vor, deren Form charakteristisch für verschiedene Pflanzenarten sein kann. 2 Pflanzen verknüpfen Monosaccharide zum Polymer Stärke, da dadurch der intrazelluläre osmotische Druck gegenüber der monomeren Form stark verringert werden kann. Dies liegt darin begründet, dass der osmotische Druck proportional zur Anzahl der g lösten Moleküle ist. 3 Chemisch gesehen gehört die Stärke zu der Gruppe der Glycane (Polysaccharide), was bedeutet, dass die Zuckerbausteine, aus denen sie besteht, über glycosidische Bindungen verknüpft sind. Aufgebaut ist die Stärke dabei ausschließlich aus α-d-glucoseeinheiten. In den Pflanzen liegt die Stärke im Cytosol als ein wasserunlösliches Gemisch aus Amylose und Amylopektin vor. Das Verhältnis von Amylose zu Amylopektin beträgt in etwa 20:80, wobei unterschiedliche Pflanzen auch verschiedene Stärken synthetisieren, so dass es auch Stärken gibt, die fast ausschließlich aus Amylose oder Amylopektin bestehen. 4 Die Amylose ist ein lineares Polymer, in dem die α-d-glucoseeinheiten α(,4)-glykosidisch verknüpft sind (Abb. 3+4). C n -(,4)-Verknüpfung Abb.3 Amylose in aworth-projektion 2 Nuhn P. (200) S.0 3 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.292 4

5 -(,4)-Verknüpfung 4 n Abb.4 Amylose in der Sessel-Schreibweise Ein Amylose-Molekül besteht aus Glucosemolekülen. Modellbetrachtungen zeigen, dass die α-glykosidischen Bindungen der Glucosemoleküle in der Amylose eine schraubenförmige Anordnung der Glucose zur Folge hat. So war die Amylose das erste Biopolymer, für das durch Bear im Jahre 942 eine elixkonformation postuliert wurde. Eine Windung einer solchen Amylos-elix besteht meistens aus sechs oder weniger häufig aus sieben Glucosemolekülen, die an einer solchen Windung beteiligt sind. 5 2 C C 2 2 C 0,5 nm 2 C C 2 C 2 Abb.5 Grafische Darstellung einer Windung der Amylose-elix 5 Nuhn P. (200) S. 0 5

6 Die spiralförmige Struktur der Amylose ist durch die axial-äquatorial gerichteten α-(,4)- Bindungen zu erklären, die sowohl zu einer links- als auch zu rechtsgängigen elix führen können, die stark gestreckt ist. In das Innere dieser elix ragen die Wasserstoffatome, wodurch das Innere dieser elix einen hydrophoben Charakter erhält. Die ydroxyl-molekülen sind hingegen auf der Außenseite der Windungen angeordnet und stabilisieren die elix durch die Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen. Der durch die elix umschlossene ohlraum hat eine Größe von ca. 0,5 nm, in dem Verbindungen eingelagert werden können. Amylose ist in kaltem Wasser kaum löslich, da die Wasserstoffbrückenbindungen die kristallinen Strukturen der helikalen Moleküle stabilisieren. 7 In warmem Wasser löst sich Amylose kolloidal, fällt jedoch ab einer Konzentration von 2 mg/l allmählich unter Bildung von irreversiblen Doppelhelices aus. Dieser Vorgang wird als Retrogradation bezeichnet. 8 Amylopektin besteht zwar hauptsächlich, wie die Amylose, aus α(,4)-glykosidisch verknüpften α-d-glucoseeinheiten, zusätzlich weist das Amylopektion jedoch im Durchschnitt alle 24 bis 30 Glucoseeinheiten eine α(,) Quervernetzung auf (,)-Verknüpfung n -(,4)-Verknüpfung Abb. Amylopektin in der aworth-schreibweise Sticher,. & änsel, R.(2007) S RÖMPP nline, Stichwort Amylose (letzter Zugriff ) 8 Sticher,. & änsel, R.(2007) S.54 9 Voet, D. & Voet, J.G. & Pratt C.W. (2002) S.222

7 -(,4)-Verknüpfung 4 4 -(,)-Verknüpfung n Abb. Amylopektin in der Sessel-Schreibweise Durch diese 4-% α-(,)-bindungen in dem Amylopektin-Molekül ist eine baumartige Verzweigung am wahrscheinlichsten. 2 Das Amylopektin-Molekül weist dabei viele relativ kurze, lineare α-(,4)-glykosidische verknüpfte Glucoseketten (ca Glucoseeinheiten) auf, die durch α-(,)-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft und in Clustern angeordnet sind. Die Cluster sind wiederum durch etwas längere Ketten verknüpft. Liegt eine ausreichende Länge dieser Ketten vor, so kann das Amylopektin eine Doppelhelix ausbilden, die durch inter-und intramolekulare Wechselwirkungen kristalline Strukturen ausbilden können. 0 Die Amylopektionmoleküle gehören mit bis zu 0 Glucoseeinheiten zu den größten in der Natur vorkommenden Makromolekülen. In kaltem Wasser ist Amylopektin nicht löslich und bildet beim Kontakt mit heißem Wasser eine kolloidale, viskose Lösung, den sogenannten Stärkekleister. 2. Iod-Stärkenachweis 0 Sticher,. & änsel, R.(2007) S. 542 Vgl. Versuchsprotokoll: Stärkefolie 7

8 In wässrigen Lösungen von Kaliumiodid wird elementares Iod zu Kaliumtriiodid, bei höheren Konzentrationen auch unter Bildung von Polyiodiodionen gelöst: 2 n I 2 (s/aq) + n I - (aq) I - 3(aq), I 5 - (aq), I - 7(aq) Die durch die helikale Anordnung entstandene röhrenartige Struktur der Amylose führt dazu, dass sich Moleküle passender Größe in der hydrophoben Amylosehelix (Durchmesser 0,5 nm) einlagern können. Zu solchen Molekülen gehören z.b. Iod/Iodid, Butanol, oder Fettsäuren (Abb.7). Abb.7 Darstellung einer Iod-Stärke Einschlussverbindung Die Farbe dieser Iodeinschlussverbindung entsteht durch die starre Einlagerung der linearen Polyiodid-Anionen, die zu Charge-Transfer-Komplexen zwischen der Elektronenhülle des Iods mit den ydroxyl-gruppen der Amylose führen. Das Absorptionsmaximum und somit die Farbe dieser Komplexe hängt nun von der Kettenlänge und somit der Anzahl der an der Reaktion teilnehmenden Glucosemoleküle ab (vgl. Tab). 2 RÖMPP nline, Stichwort Iod-Kaliumiodidionen (letzter Zugriff ) 8

9 Anzahl der Glucosereste λ max (nm) Farbeindruck gelb-orange rot >80 0 blau Tab. Verhältnis von Kettenlänge zu Absorptionsmaximum und Farbeindruck Der Amylose-Iodid-Komplex enthält etwa 9,5 % Iodidanionen und ist mit einem Absorptionsmaximum von λ max = 0 nm tiefblau gefärbt. Auch das Amylopektin bildet mit Iodidanionen Charge-Transfer-Komplexe. Da jedoch nur kurze lineare Abschnitte vorhanden sind, die elices ausbilden können, ist die Neigung zu solchen Komplexen sehr viel geringer, als die der Amylose. 3 Der Amylopektin-Polyiodid- Komplex hat ein Absorptionsmaximum von λ max = 549 nm, was zu einer Rotfärbung führt, wobei dieser Komplex etwa 0,5-0,8 & Iodidanionen enthält Erläuterung des Versuchs: Wie beschrieben, ist für die Einlagerung von Polyiodid-Anionen das Vorhandensein einer Stärkehelix die Voraussetzung. Diese Abhängigkeit von helikalen Strukturen zeigt sich darin, dass die Blaufärbung durch das Erhitzen der Stärkelösung verschwindet. 5 Durch das Erhitzen werden zwar keine Bindungen der Amylose gebrochen, jedoch geht die geordnete Tertiärstruktur (die elix) verloren. Beim Abkühlen der Lösung hingegen wird die elix zurückgebildet und die Polyiodid-Anionen können sich wieder in dieser elix einlagern, weshalb die Lösung wieder eine blaue Farbe annimmt. Didaktische Betrachtung: Einordnung in den Lehrplan: Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen einzuordnen. In diesem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem sollen auch die Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate behandelt werden. 3 Sticher,. & änsel, R. (2007) S Nuhn P. (200) S. 5 Sticher,. & änsel, R. (2007) S.543 9

10 Einordnung des Versuchs: Die für den Versuch verwendeten Chemikalien sollten an der Schule vorhanden sein. Der apparative Aufwand ist gering. Der Nachweis mittels Iod ist der typische Nachweis für Stärke. Durch diesen Versuch können die Schüler etwas über die Struktur der Stärke (elix) erfahren und welche Eigenschaften diese Struktur auf das chemische Verhalten hat. Durch das Erwärmen und Kühlen der Lösung wird gezeigt, dass keine Bindungen gespalten werden, jedoch die räumliche Struktur verändert wird, was zu den Farbeindrücken führt. Dies kann, auch in Verbindung mit dem Versuch Stärkespaltung, zur Aufklärung der Stärkestruktur führen. Laut essgiss -Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien von Schülern der Sekundarstufe I+II uneingeschränkt verwendet werden, weshalb dieser Versuch auch als Schülerversuch geeignet ist. Literaturangabe: Nuhn P. (200). Naturstoffchemie: Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe (4. Auflage). Stuttgart: S. irzel Verlag. Sticher,. & änsel, R. (2007). Pharmakognosie-Phytopharmazie (8.Auflage). Berlin eidelberg: Springerverlag Voet, D. & Voet J.G. & Pratt C.W. (2002). Lehrbuch der Biochemie (. Auflage). Weinheim: WILEY-VC Verlag Gmb & Co. KGaA. Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E. (2005). rganische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley- VC Gmb & Co KGaA. Elektronische Quellen: essisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule essgiss /2009, Version 3.0 RÖMPP nline, Version 3.2, verfügbar unter (lizenzpflichtig, zuletzt abgerufen am ) Abbildungsverzeichnis: Abb.7: (letzter Zugriff: ) Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt. S. Protokoll : Stärkespaltung 0