Schulversuchspraktikum. Name: Jennifer Kölling. Sommersemester: Klassenstufen: 11/12. Tenside

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1 Schulversuchspraktikum Name: Jennifer Kölling Sommersemester: 2012 Klassenstufen: 11/12 Tenside

2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele 1 Auf einen Blick:. Die Themeneinheit der Tenside in der Oberstufe ermöglicht es, Waschmittel von der chemischen Seite aus zu betrachten. Die SuS können das Gelernte aus der organischen Chemie alltagsbezogen anwenden. Desweiteren werden Grundbegriffe der Naturwissenschaften wiederholt und in den Versuchen wird gezeigt, wie sie sich im Alltag anwenden lassen. Da das Thema "Tenside" sehr umfangreich ist und es viele Bereiche gibt, die durch Experimente abgedeckt werden können, werden sich die hier aufgeführten Versuche nur auf einen kleinen Teil der Thematik beziehen. In den Anmerkungen werden weitere Anregungen für Experimente festgehalten. Inhalt 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Schülerversuche V 1 Herstellung von Seife V 2 Optische Aufheller in Waschmitteln Lehrerversuche V 3 Das Loch im Wasser V 4 Flüssigeres Wasser Reflexion des Arbeitsblattes Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Erwartungshorizont (Inhaltlich) Literaturverzeichnis... 12

3 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Die Tenside werden im Kerncurriculum nicht direkt erwähnt. Dennoch kann man mit dieser Einheit ein paar der angegeben Themen im Kerncurriculum vermitteln. Dazu zählt die fachwissenschaftliche Kompetenz "Die SuS beschreiben die Molekülstruktur und die funktionellen Gruppen folgender Stoffklassen: [...] Alkansäure, [...] Ester, [...]" im Basiskonzept "Stoff-Teilchen". Im Basiskonzept "Struktur-Eigenschaft" werden folgende Kompetenzen im Bereich Fachwissenschaft und Bewertung genannt: "Die SuS erklären Stoffeigenschaften anhand ihrer Kenntnisse über zwischenmolekulare Wechselwirkungen" und " die SuS nutzen ihre Erkenntnisse zu zwischenmolekularen Wechselwirkungen zur Erklärung von Phänomenen in ihrer Lebenswelt." Tenside stehen den SuS im alltäglichen Gebrauch als Seifen und Waschmittel gegenüber. Betrachtet man die Kompetenzanforderungen des Kerncurriculums, wird deutlich, dass die SuS nicht nur das Phänomen des Waschvorgangs kennen lernen, sondern die Tenside von der chemischen Seite her betrachten sollen. Dabei kommen sie nicht umhin, Kenntnisse über physikalische Gesetzmäßigkeiten, wie Oberflächenspannung und Kohäsionskräfte zu besitzen. Mit den Experimenten dieses Protokolls können diese Themen wiederholt und vertieft werden (siehe SV1, LV4). Sie tauchen damit tiefer in die Materie ein und sollen den Waschvorgang anhand der chemischen Strukturen und Reaktionsmöglichkeiten nachvollziehen können. In Folge dessen können sie sich auch mit den umweltrelevanten Themen auseinandersetzen, den Energieverbrauch beim Waschvorgang betreffend oder die dabei eingesetzte Waschmittelmenge (dazu siehe die Anmerkungen über weitere Versuche). Im Schülerversuch 1 lernen die SuS das Herstellen von Seife kennen und können dabei ihr Wissen über die Esterhydrolyse vertiefen.

4 2 Schülerversuche 3 2 Schülerversuche Dieser Versuch bietet den SuS die Möglichkeit, selbst Seife herzustellen. Um den Vorgang zu nachvollziehen zu können, ist Wissen der organischen Chemie (Verseifung) notwendig. 2.1 V 1 Herstellung von Seife Gefahrenstoffe Ethanol H: 225 P: 210 Natriumhydroxid H: P: Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: 400 ml Becherglas, 2x 100 ml Bechergläser, 120 ml Becherglas, saugfähiges Papier Ethanol (C 2H 5OH), 20 %ige Natriumhydroxidlösung (NaOH), 100 ml gesättigte Kochsalzlösung (NaCl), 10 g Speiseöl 10 g Speiseöl werden in einem 400 ml Becherglas mit 10 ml Ethanol versetzt und bei kleiner Flamme unter Rühren zum Sieden gebracht. Danach werden unter Rühren 30 ml Natriumhydroxidlösung in kleinen Portionen dazu gegeben. Für weitere 10 bis 15 Minuten wird das Gemisch erhitzt. Das verdampfende Wasser wird durch Zugabe von weiterem Wasser kompensiert. Nach Erkalten des Gemischs wird dieses in 100 ml gesättigte NaCl- Lösung gegossen. Die ausgeflockte Seife kann abgeschöpft und zwischen saugfähigem Papier getrocknet werden. Nach Zugabe der NaOH-Lösung beginnt ein heller Feststoff auszuflocken.

5 2 Schülerversuche 4 Abb. 1 - Selbst hergestellte Seife Deutung: Wird Natriumhydroxidlösung zum Öl gegeben, findet eine Verseifung (alkalische Hydrolyse) statt. Bei der Verseifung wird der Carbonsäureester in Carbonsäure und Alkoholat gespalten. Im Fall von Fetten entstehen nach der Hydrolyse Glycerin und die Fettsäuren. Entsorgung: Literatur: Die Reste können mit viel Wasser über den Abfluss entsorgt werden. (W.Amann, 2009), Seite 402. Anmerkung: Die SuS müssen im Umgang mit Bunsenbrenner und Ethanol vorsichtig sein, da die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass sich der Ethanol im Gemisch entzündet. Um hierbei die Sicherheit zu gewährleisten, sollten die SuS darauf aufmerksam gemacht werden, um ihnen die entsprechende Löschmethode mit einem Uhrglas zu zeigen. Anmerkung 2: Die Ausbeute ist sehr gering. Man sollte sich nach einer alternativen Methode umsehen.

6 2 Schülerversuche V 2 Optische Aufheller in Waschmitteln Mit diesem Versuch können die SuS testen, ob in ihren selbst mitgebrachten Waschmitteln optische Aufheller enthalten sind. Gefahrenstoffe Keine Materialien: 2 Bechergläser (250 ml), Taschentücher, Waschpulver, Spatel Chemikalien: - Durchführung: Ein Spatel voll Waschpulver wird in ein Becherglas gegeben, das bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist, gegeben. Ein Stück eines Papiertaschentuchs wird in das Waschmittel getaucht, herausgeholt und etwas ausgewrungen. Danach wird das Papier unter einer UV-Lampe betrachtet. Als Blindprobe wird ein weiteres Stück eines Papiertaschentuchs in Wasser getränkt. Beobachtung: Das Papier, das ins Waschmittel getaucht wurde, fluoresziert unter der UVLampe blau. Das in Wasser getränkte Papier fluoresziert nicht. Abb. 2 - Nachweis von optischen Aufhellern in Persil aus den 1960er Jahren. Deutung: Sind optische Aufheller in Waschmitteln enthalten, dann fluoresziert das Papiertaschentuch blau. Um die Wäsche weißer zu machen, benötigen die optischen Aufheller UV-Licht. Die Aufnahme von diesem kurzwelligen Licht führt zu einer blauen Fluoreszenz. Durch die Emission des blauen Lichts er-

7 3 Lehrerversuche 6 scheint die weiße Kleidung noch "weißer als weiß". Der Grauschleier wird dadurch verdeckt. Entsorgung: Das Waschmittel kann über den Abfluss entsorgt werden. Literatur: (Schmidkunz, 2011), Seite 375. Anmerkung: Mit der UV-Lampe muss vorsichtig umgegangen werden. Hineinschauen kann zu Verletzungen der Augen führen. Anmerkung 2: Es kann ein großer Alltagsbezug hergestellt werden, wenn man die SuS vorher bittet, von zu Hause eigenes Waschmittel mitzubringen. 3 Lehrerversuche 3.1 V 3 Das Loch im Wasser Dieser Versuch demonstriert den SuS, dass Flüssigkeiten unterschiedliche Oberflächenspannungen haben können. Das Wissen über Oberflächenspannung sollte vorhanden sein. Gefahrenstoffe Ethanol H: P: Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Petrischale, Pasteupipette, evtl. Tinte Wasser, Ethanol, Spülmittel Es wird etwas Wasser in die Petrischale gegeben, sodass der Boden bedeckt ist. Danach wird mit der Pasteurpipette etwas Ethanol in die Mitte getropft. Der Versuch wird mit in Wasser gelöstem Spülmittel wiederholt. Sobald das Ethanol das reine Wasser berührt, wird dieses verdrängt. Wird Ethanol zu der Wasser-Spülmittellösung gegeben passiert nichts.

8 3 Lehrerversuche 7 Abb. 3 - Durch Ethanol verdrängtes Wasser Deutung: Entsorgung: Wasser und Ethanol haben unterschiedliche Oberflächenspannungen. Sobald das Ethanol mit seiner geringeren Oberflächenspannung auf das Wasser trifft, verdrängt es dieses, um eine größere Fläche einzunehmen. Mit der Zeit entsteht durch Diffusion eine Lösung mit anderer Oberflächenspannung. Wird aber Spülmittel im Wasser gelöst, verändert sich die Oberflächenspannung des Wassers, sodass sie sich derer des Ethanols annähert. Die Lösung kann über das Abwasser entsorgt werden. Literatur: Verändert nach (Cornelsen Schulverlage GmbH, 2012) Anmerkung: Um das Verdrängen des Wassers besser sehen zu können, kann das Wasser (z.b. mit Tinte) angefärbt werden. 3.2 V 4 Flüssigeres Wasser Dieser Demonstrationsversuch beschäftigt sich mit der Oberflächenspannung von reinem Wasser und Wasser, in dem Spülmittel gelöst ist. In diesem Experiment wird zusätzlich die Kohäsion des Wassers thematisiert. Gefahrenstoffe Keine Materialien: 2 Reagenzgläser, 2 durchbohrte Stopfen mit passenden Glasrohren

9 3 Lehrerversuche 8 Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Wasser, Spülmittel In eines der Reagenzgläser wird reines Leitungswasser eingefüllt und in das andere die Spülmittellösung. Beide Reagenzgläser werden mit den vorbereiteten Stopfen versehen. Danach wird das Reagenzglas mit dem reinen Wasser über einem Waschbecken um 180 gedreht. Dieser Vorgang wird mit dem zweiten Reagenzglas wiederholt, in dem sich die Spülmittellösung befindet. Das reine Wasser verbleibt im Reagenzglas ohne herauszulaufen, die Spülmittellösung dagegen fließt aus dem Reagenzglas heraus. Abb. 4: Reines Wasser (links) und Spülmittellösung (rechts) Deutung: Entsorgung: Das reine Wasser hat eine hohe Oberflächenspannung. Durch diese und die Kohäsionskraft der Wassermoleküle bildet sich eine Oberfläche, gegen welche die Außenluft einen Druck ausüben kann, sodass das Wasser im Reagenzglas verbleibt. Sobald Spülmittel in Wasser gelöst wird, verändert sich die Oberflächenspannung auf Grund der Tenside, die eine oberflächenaktive Eigenschaft besitzen. Die Oberflächenspannung wird geringer und auch die Kohäsionskraft lässt nach, sodass das Wasser aus dem Reagenzglas herausfließt. Die Spülmittellösung kann über das Abwasser entsorgt werden. Literatur: (Schmidkunz, 2011), Seite 372

10 3 Lehrerversuche 9 Anmerkungen: Mit dem Versuch bietet es sich an, Grundbegriffe der Naturwissenschaften (Oberflächenspannung, Kohäsion) zu wiederholen und diese auf molekularer Ebene zu betrachten. Allgemeine Anmerkungen: Weitere Versuche: Emulsionswirkung von Tensiden: Um die Emulsionsfähigkeit von Tensiden zu untersuchen, kann man das Verhalten von Öl in reinem Wasser und in einer Spülmittellösung testen. In reinem Wasser bilden sich zwei Phasen, wohingegen sich in der Spülmittellösung nicht nur zwei Phasen bilden. In der Ölphase befinden sich viele kleine emulgierte Tröpfchen. Um das Öl anzufärben, kann man anstelle von Sudan(III) auch Paprikapulver verwenden. Nachweis von Inhaltsstoffen in Waschmitteln: Perboratnachweis: Früher wurden den Waschmitteln Perborate zugesetzt, die als Bleichmittel wirken sollten. Heutzutage sollen sie in Waschmitteln nicht mehr enthalten sein. Mit Kurkuma lassen sich Perborate nachweisen. Dazu muss ein Curcuminpapier hergestellt werden: Kurkuma wird in Ethanol gelöst und ein Filterpapier darin eingelegt. Nach dem Trocknen kann man es als Indikator für Perborate verwenden. Wichtig ist hierbei, dass das Waschmittelgemisch angesäuert wird, da basische Stoffe mit Kurkuma einen farblichen Nachweis zeigen. Nachweis von Natriumsalzen in Waschmitteln: Über den Flammenfarbennachweis lassen sich Natriumsalze in Waschmitteln nachweisen, in dem man eine Spatelspitze des Waschmittels in die Brennerflamme hält. Waschwirkung von Tensiden: Die Waschwirkung von Tensiden ist von verschiedenen Faktoren wie dem Kalkgehalt und der Temperatur abhängig. Diese Faktoren können experimentell untersucht und anschließend über den Hintergrund des Umweltschutzes diskutiert werden.

11 Arbeitsblatt Herstellung von Seife Seife ist ein wichtiger Bestandteil des alltäglichen Lebens. Das folgende Arbeitsblatt soll Ihnen die Möglichkeit geben, selbst Seife herzustellen und sich über die chemischen Reaktionen bei der Entstehung der Seife bewusst zu werden. Materialien: Chemikalien: Durchführung: 400 ml Becherglas, 2x 100 ml Bechergläser, 120 ml Becherglas, saugfähiges Papier Ethanol (C 2H 5OH), 20%ige Natriumhydroxid (NaOH), 100 ml gesättigte Kochsalzlösung (NaCl), 10 g Speiseöl Zuerst werden 10 g Speiseöl in einem 400 ml Becherglas mit 10 ml Ethanol versetzt und bei kleiner Flamme unter Rühren zum Sieden gebracht. Danach werden unter Rühren 30 ml der Natriumhydroxidlösung in kleinen Portionen dazu gegeben. Für weitere 10 bis 15 Minuten wird das Gemisch erhitzt. Das verdampfende Wasser wird durch Zugabe von weiterem Wasser kompensiert. Nach Erkalten des Gemischs wird dieses in 100 ml gesättigte NaCl-Lösung gegossen. Die ausgeflockte Seife kann abgeschöpft und zwischen saugfähigem Papier getrocknet werden. Beobachtung: Auswertung: Aufgabe 1: Stellen Sie die Strukturformel eines Esters auf und benennen Sie diesen. Aufgabe 2: Führen Sie, mit Ihrem ausgewählten Ester, eine alkalische Hydrolyse durch und stellen Sie den Reaktionsmechanismus auf. Aufgabe 3: Erklären Sie, was Aufgabe 1 und 2 mit der Entstehung von Seife zu tun haben. (Hinweis: Wie kann die alkalische Hydrolyse noch genannt werden?)

12 4Reflexion des Arbeitsblattes 11 4 Reflexion des Arbeitsblattes Wie bereits auf dem Arbeitsblatt erwähnt, soll es den SuS ermöglicht werden, Seife selbstständig herzustellen und den chemischen Hintergrund kennen zu lernen. Dieses Experiment dient dazu die organische Chemie anschaulicher darzustellen. Mit der Seifenherstellung soll veranschaulicht werden, was durch die Verseifung eines Esters nützliches für unser Leben hergestellt werden kann. Die Organische Chemie wird häufig nur mit Reaktionsmechanismen auf dem Papier behandelt, ohne dass die SuS sich richtig vorstellen können, dass diese Reaktionsmechanismen tatsächlich zu materiellen Dingen wie Seife führen können. Den SuS sollte für diesen Versuch die Esterverseifung bereits bekannt sein und dient somit dazu, das Thema zu vertiefen und zu veranschaulichen, sodass sie ihr gelerntes Wissen anwenden können. 4.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Fachwissen: Die SuS beschreiben die Molekülstruktur und die funktionellen Gruppen folgender Stoffklassen: [...]Ester, [...]. (Aufgabe 1) Erkenntnisgewinnung: Die SuS wenden die IUPAC-Nomenklatur zur Benennung organischer Verbindungen an. (Aufgabe 1) Kommunikation: - Bewertung: Erwartungshorizont (Inhaltlich) Beobachtung: siehe SV1 Aufgabe 1: Aufgabe 2: I. (Essigsäureethylester (als Beispiel)) II. III. Aufgabe 3: Fette sind Ester aus Glycerin (ein dreiwertiger Alkohol) und Fettsäuren. Wird eine alkalische Hydrolyse (Verseifung) durchgeführt, wird der Ester gespalten, sodass Glycerin und Fettsäuren getrennt vorliegen. Es entsteht Seife.

13 5 Literaturverzeichnis 12 5 Literaturverzeichnis Cornelsen Schulverlage GmbH. (2012). Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie. Abgerufen am von Schmidkunz, H. (2011). Chemische Freihandversuche Band 2. Aulis Verlag. W.Amann, W. E.-H.-B. (2009). Elemente Chemie II. Stuttgart: Ernst Klett Verlag GmbH.