Title: UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT: Feststellung der Vitamin-C-Konzentration in Fruchtsaft

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1 Plan Title: UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT: Feststellung der Vitamin-C-Konzentration in Fruchtsaft Themen: UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT: Feststellung der Vitamin-C-Konzentration in Fruchtsaft Zeit: 90 Minuten (2 Einheiten) Alter: 10. Schulstufe, Jahre Differenzierung: Richtlinien, IKT Unterstützung etc.: Mit den talentierteren Lernenden wird die Frage diskutiert, in welcher Menge des einen oder anderen Saftes der Tagesbedarf an Vitamin C enthalten ist. Lernende, die die Arbeit schnell fertigstellen, werden aufgefordert, an den bereitgestellten Erweiterungsaufgaben zu arbeiten. Die Lernenden erhalten einen durchgehenden Arbeitsverlauf und eine Liste mit dem benötigten Zubehör für diese Aktivität. Da die Ergebnisse dieser Arbeit unter den Lernenden nicht im Vorhinein bekannt sind, kann die Möglichkeit für Diskussionen in Gruppen entstehen. Die Analyse der Ergebnisse und die Diskussion sind wirkungsvoll, wenn sie in Gruppen von 2-3 Personen erfolgen. Falls der Klassenraum nicht über die nötige Ausstattung und Reagenzien verfügt, führt die Lehrperson die Saft-Titration vor. 1

2 Plan Benötigtes Zubehör für diese Aktivität: Waage; Bürette mit einem Halter; 250 ml Messkolben; Kegelförmiger Kolben für Titration; Schutzbrillen; Pipetten; Behälter mit destilliertem Wasser; Lehrbücher; Arbeitsblätter. Reagenzien: 0,01 M I 3 Lösung (0,63 g I 2 und 1,00 g KJ wird in ungefähr 200ml destilliertem Wasser aufgelöst, in einen 250ml Messkolben geleert und bis zur Markierung verdünnt.) 1 % Stärkelösung. Fruchtsaft, handgepresst oder gekauft. Benötigte Kenntnisse: Konzept von Vitaminen, Stoffmengenkonzentration; Brüche, Verhältnisse, Prozentrechnung. Gesundheit und Sicherheit: Sichere Handhabung der Ausstattung für das Experiment und der Reagenzien. Lernergebnisse für diese Aktivität: Alle Werden die Bedeutung von Vitamin C in der täglichen Ernährung verstehen können. Werden dazu in der Lage sein, die Instrumente für die Arbeit gemäß der Anleitung aufzubauen. Werden die Titrationstechnik anwenden können. Viele Werden die Konzentration einer Lösung berechnen können. Werden die Vitamin C Konzentration in einem Fruchtsaft berechnen können. Einige Werden die mittlere quadratische Abweichungen der Messungen berechnen können. Werden den Titrationsfehler berechnen können. Werden in der Lage sein, die Ergebnisgenauigkeit zu bewerten. 2

3 Plan Beschreibung der Lehreinheit Anfangsaktivität Die Lernenden betreten den Klassenraum und legen ihre Jacken und Taschen ab. Sie werden gebeten, Folgendes aus der Mathematik in Erinnerung zu rufen: Brüche (Verhältnisse), Prozentrechnung und Fehlerberechnung. Die Lernenden werden nach der Bedeutung von Vitaminen für unsere tägliche Ernährung, die Bedeutung von Vitaminen und Mineralien gefragt und welche Vitamin C Quellen sie kennen. Hauptaktivität Die Lernende beginnen an dem Feststellen der Vitamin C-Konzentration in Fruchtsäften - Arbeitsblatt zu arbeiten. Die Lernenden erhalten eine praktische Erklärung Die Lernenden führen in Gruppen aus 2-3 Personen die Fruchtsafttitration durch. Falls es nicht genügend notwendiges Zubehör und Reagenzien im Klassenraum gibt, demonstriert die Lehrperson das Experiment. Die Bürette wird zwei Mal mit einer Iod-Lösung gewaschen und wieder bis zur 25 ml Marke aufgefüllt; 20 ml vorbereiteter Fruchtsaft werden in einen kegelförmigen Kolben gefüllt; 20 ml destilliertes Wasser werden in eine Pipette gefüllt; 3 Tropfen von 3 M HCl; 10 Tropfen Stärkelösung; Die Iod-Lösung wird aus der Bürette getropft bis eine blaue Farbe entsteht, die für mindestens 20 Sekunden nicht verschwindet; Während der Titration wird die Lösung stets per Hand oder magnetisch umgerührt; Die Menge der titrierten Lösung wird gemessen; Die Titration wird dreimal wiederholt; Alle Saftexemplare werden auf diese Weise titriert. Erweiterung Talentiertere Lernende könnten hier gebeten werden, mögliche Streitpunkte bezüglich des Entwurfs des Experiments zu bedenken oder Verbesserungsvorschläge zu machen. Arbeitsblatt-Aktivität Die Lernenden werden gebeten, die Aktivitäts-Arbeitsblätter individuell fertigzustellen. Sie werden aufgefordert, ihre Ergebnisse zu notieren, die Tabelle auszufüllen und mithilfe des Äquivalenzgesetzes die Vitamin C Konzentration zu berechnen, um die Vitamin C Konzentrationen in verschiedenen Fruchtsäften vergleichen zu können. 3

4 Plan Talentiertere Lernende könnten gebeten werden, die mittlere quadratische Abweichung und den Titrationsfehler zu berechnen, die Ergebnisse zu notieren und diese zu erklären. Erweiterungsaktivität Lernende, die die Aufgaben schnell erfüllen, werden gebeten an der Erweiterung (Feststellen der Vitamin C-Konzentration in Fruchtsäften) zu arbeiten. Plenum Die Lernenden werden über die ausgeführte Aktivität befragt; sie werden nach den Gründen für womöglich eigenartig anmutende Ergebnisse gefragt. Sie werden gebeten, eine Schlussfolgerung über die Vitamin C Konzentration in verschiedenen Fruchtsäften zu ziehen. Sie sollen die Vitamin C Konzentrationen in frisch gepressten Fruchtsäften und handelsüblichen Fruchtsäften vergleichen. Mit den talentierteren Lernenden wird darüber diskutiert, wie viel des täglichen Vitamin C Bedarfs in dem einen oder anderen Fruchtsaft enthalten ist. 4

5 Worksheet UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT Feststellung der Vitamin C Konzentration Frucht- und Gemüsesaft wird aus reifen Früchten, Beeren und Gemüse gewonnen, indem diese gepresst werden. Der wichtigste Teil des Saftes ist das Fruchtfleisch, weil darin alle Zellulosefasern enthalten sind, zum Beispiel bei Tomaten, Karotten, Sanddorn, Aprikosen und Pflaumen. Erzeugter Saft wird frisch verwendet, man muss ihn nicht kochen, konservieren oder pasteurisieren, denn sonst würden alle Gärungserreger und ein Teil der Vitamine zerstört werden. Saft, der Zucker enthält, ist weniger wertvoll. In den meisten Säften sind Vitamin C, Kalium, Kalzium-Ionen und in kleinen Mengen Eisen, Kupfer, Mangan, Kobalt, Zink und Nickel-Ionen enthalten, welche der Körper alle benötigt. Fruchtgetränke enthalten bis zu 30 % Fruchtsaft, z.b. in Traubensaft sind 6%, in einem Zitronengetränk ungefähr 10% Fruchtsaft enthalten. Diese Getränke sind weit verbreitet, weil sie billiger sind. Die Zellulosefaser, welche die Hauptstrukturkomponente in Gemüse und Früchten ist, beeinflusst die Fettzirkulation, verringert den Cholesterinwert im Blut und hilft giftige Substanzen aus unserem Körper zu entfernen. Kalium reguliert die Übertragung von Nervenimpulsen, Muskelaktivität und das Wassergleichgewicht in den Zellen. Unser Körper speichert ungefähr 98% Kalium in den menschlichen Zellen, so hilft etwa Kaliumcitrat unsere Knochen zu stärken. Der Tagesbedarf an Kalium beträgt 2000 mg. Kalzium ist der Hauptbestandteil der Knochen und Zähne. Kalzium, welches sich nicht im Knochengewebe befindet, spielt eine große Rolle bei der Übertragung von Nervenimpulsen für die Rippen- und Herzmuskelfasern. Dieser Teil des Kalziums ist wichtig für das Gerinnungssystem und die Regulierung der Gärungsreaktion. Der Tagesbedarf an Kalzium beträgt 800 mg. Vitamin C, auch Ascorbinsäure (C6H8O6), ist eines der instabilsten, wasserlöslichen Vitamine. Reagiert es mit Sauerstoff, oxidiert es sehr schnell. Es ist instabil gegenüber dem Einfluss von Temperatur, daher zersetzt sich der Saft bei einer thermischen Verarbeitung. Die Zellen fast aller Säugetiere können Vitamin C selbst aufbauen, leider besitzen menschliche Zellen diese Fähigkeit nicht, weshalb man den Bedarf durch das Essen von Nahrung pflanzlichen Ursprungs decken muss. Vitamin C befindet sich in allen Flüssigkeiten und Zellen eines Organismus, jedoch wird es dort nicht gespeichert und ein Überschuss wird mit dem Urin ausgeschieden. Vitamin C ist also wichtig als Gärmittel und als Antioxidans, es hat Anteil an der Kollagensynthese, der Nebennierenrinde, Steroidhormonen und anderen Hormonsynthesen. Vitamin C-Mangel führt zu Skorbut, einer Erhöhung der Blutgefäßfragilität, Veränderungen des Knochengewebes, Zahnausfall, der Entwicklung eines Herzfehlers und Blutarmut. Der Tagesbedarf an Vitamin C beträgt mg. Die Konzentration von Vitamin C kann mithilfe der Iodometrie (Titrationsmethode) festgestellt werden, wobei die Oxidation mit einer Iod-Lösung durchgeführt wird. Molekulares Iod löst sich sehr langsam in Wasser auf (nur bei einer Temperatur von 1, M 20 o C). 0,05 M I 3 Lösung wird normalerweise hergestellt, indem 0,12 mol KI und 0,05 mol I 2 in einem Liter Wasser aufgelöst werden. Für die Durchführung der Titration mit einer Iod-Lösung wird Stärke als Indikator eingesetzt. Wenn es keine anderen Farbkombinationen in der Iod-Lösung gibt, kann man die Iod-Farbe bei einer Konzentration von wenigstens ~ 5 μm immer noch sehen. Durch die Titration mit Stärke weitet sich die Bestimmungsgrenze fast auf das Zehnfache aus. Bei der Durchführung der Titration mit I 3 wird die Stärke gleich zu Beginn hinzugefügt. Wurde der Äquivalenzpunkt erreicht, so färbt der erste überschüssige I 3 Tropfen die Lösung dunkelblau. Die komplexe Formationsrückreaktion von Iod und Stärke hängt von der Temperatur ab. Erhöht man die Temperatur der Lösung von 25 o C auf 50 o C, so steigt die Farbintensität um ein Zehnfaches. Um die höchste Sensitivität zu erreichen, wird empfohlen, die titrierte Lösung in Eiswasser abzukühlen. Eine Standard-I 3 Lösung wird hergestellt, indem festes I 2. in einer eindeutig stärker konzentrierten KI-Lösung (für einen I Überschuss) aufgelöst wird. Um eine Standard-Lösung 5

6 Worksheet herzustellen ist sublimes I 2 das Passende. Wenn das Iod im Wiegeprozess etwas verdampft, muss es mit einer Na 2S 2O 3 Lösung standardisiert werden. Die Lösung besteht aus einem Lösungsmittel und einer aufgelösten Substanz (gelöster Stoff). Eine der Haupteigenschaften einer Lösung ist ihre Konzentration. Diese gibt die Masse und Menge der aufgelösten Substanz an, welche in einer bestimmten Masse oder Kapazität einer Lösung oder eines Lösungsmittels existiert. Die molare Konzentration gibt an, wie viel Mol der gelösten Substanz in 1 Liter der Lösung aufgelöst sind: C M = V n, mol/l; wobei n die Anzahl an Mol in der gelösten Substanz darstellt; V gelöste Menge in Liter. Oder C M m1, mol/l; M V wobei m 1 gelöste Masse ist; M ist gelöste Molmasse; V ist gelöste Menge in Liter. Anstatt der Messeinheit mol/l wird oft der Buchstabe M geschrieben. Lösungen, bei denen sich in 1 Liter 0,1 bzw. 0,01 Mol an Substanz befinden, werden Dezimol und Zentimol genannt. Um die Konzentration von Lösungen zu beschreiben, werden ppm-einheiten verwendet, also parts per million. 1 ppm = 1 mg/l. Oft muss man aus konzentrierten Lösungen mit kleinerer Konzentration herstellen. In solchen Fällen ist es sehr angenehm, die Verdünnungsregel zu verwenden: C1 V1 C2 V2, wobei C 1 und V 1 molare Konzentration und Menge einer konzentrierten Lösung; C 2 und V 2 molare Konzentration und Menge einer verdünnten Lösung; Wenn Konzentrationen von Lösungen in parts per mass ( Teile einer Masse ) ausgedrückt sind, dann gilt: C 1 V1 1 C2 V2 2, wobei C 1, V 1, 1 Konzentration, Menge und Dichte einer konzentrierten Lösung; C 2, V 2, 2 Konzentration, Menge und Dichte einer verdünnten Lösung. Fragen Antworten 1. Welche Substanzen, die für den menschlichen Körper wichtig sind, kann man in Fruchtsäften finden? 2. Warum ist Kalium K unerlässlich für den menschlichen Körper?. 3. Warum ist Kalzium Ca lebensnotwendig für den menschlichen Körper? 6

7 Worksheet 4. Warum ist Vitamin C unverzichtbar für den menschlichen Körper? mol Carbamat (27 g) wird in 1 Liter destilliertem Wasser aufgelöst. Was ist die molare Konzentration dieser Lösung? 7

8 Answer sheet UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT Feststellung der Vitamin C Konzentration Antwortbogen Fülle die Fruchtsaft-Titrationsdaten in Tabelle 1 ein. Fruchtsaft Name Menge der titrierten Iod-Lösung I Titration, II Titration, III V I, ml V II, ml Titration, V III, ml Durchschnittswert, V, ml Tabelle 1 Berechne die Vitamin C Konzentration in Fruchtsäften. Vitamin C Konzentration wird mithilfe des Äquivalenzgesetzes ausgedrückt in mol/l berechnet. V 1 C 1 = V 2 C 2; wobei: V 1 Menge der titrierten Iod-Lösung, V 2 Fruchtsaftmenge, die für die Titration verwendet wurde, C 1 Konzentration der Iod-Lösung, C 2 Vitamin C Konzentration im Fruchtsaft. V1 C1 C2. V2 Vitamin C Konzentration, berechnet mithilfe des Äquivalenzgesetzes ausgedrückt in mol/l. Die in der Lebensmittelindustrie verwendete Einheit ist mg/100 ml. Wandle die Vitamin C Konzentration in die Einheit mg/100 ml Fruchtsaft um. Fülle die Ergebnisse in Tabelle 2 ein. Tabelle 2 Vitamin C Konzentration in Fruchtsäften Fruchtsaft Name Vitamin C Konzentration, mol/l Vitamin C Konzentration, mg/100 ml 8

9 Answer sheet Schlussfolgerung: Vergleiche die Vitamin C Konzentration verschiedener Fruchtsäfte.... Vergleiche die Vitamin C Konzentration in frisch gepressten und handelsüblichen Fruchtsäften.... Stelle fest, welche Menge jedes Fruchtsaftes benötigt wird, um den Tagesbedarf abzudecken.... Wie hängen die experimentellen Ergebnisse mit den erwähnten Ergebnissen in der Literatur (Marken) zusammen?... 9

10 Extension UNTERSUCHUNG DER EIGENSCHAFTEN VON FRUCHTSAFT Die Lernenden haben im Chemie-Unterricht die Konzentration des Kalzium-Ions Ca 2+ in verschiedenen Fruchtsäften untersucht. Die Konzentration des Ions in der Lösung wurde in ppm (parts per million, Teile von einer Million ) berechnet. Die Ergebnisse dieses Experiments sind in Tabelle 1 ersichtlich. Es ist üblich, die Konzentration in Nährstoffen in mg/100ml anzugeben. Vervollständige die Tabelle, indem du die Ca 2+ Konzentration in mg/100 ml Fruchtsaft berechnest. Es ist bekannt, dass 1 ppm = 1 mg/l. Tabelle 1 Fruchtsaft Name Ca 2+ Konzentration im Fruchtsaft, ppm Ca 2+ Konzentration im Fruchtsaft, mg/100 ml Frisch gepresste Orange 44 CIDO Orangensaft 34,8 Frisch gepresster Apfel 23,6 ELMENHORSTER Apfelsaft 25,6 Vergleiche die Kalzium-Ion-Konzentration in frisch gepresstem Saft mit der in handelsüblichen Fruchtsäften. Schätze, wie viel man von dem einen oder anderen Saft trinken muss, um den Tagesbedarf an Ca 2+. zu erreichen. 10