Isolierung von Pflanzenfarbstoffen und Untersuchung auf ihre Verwendung als Säure- Base-Indikatoren

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1 Bodensee-Gymnasium Lindau Januar 2009 Isolierung von Pflanzenfarbstoffen und Untersuchung auf ihre Verwendung als Säure- Base-Indikatoren von Marc Bradenbrink und Florian Gerner Betreuungslehrkraft: StR in S. Zollner Bodensee-Gymnasium Lindau Reutiner Str Lindau 1

2 Gliederung Seite 1 Einleitung Themenwahl Fachliche Informationen Hilfestellungen 3 2 Methoden Gewinnung und Testen des Blaukraut-Indikators Testen des Rote Beetesaft-Indikators Gewinnung und Testen des Orangensaft-Indikators Gewinnung und Testen des Paprikapulver-Indikators Gewinnung und Testen des Curcuma-Indikators Gewinnung und Testen des Rosenblüten-Indikators Testen einer Verdünnungsreihe von Natronlauge mit verschiedenen Indikatoren 6 3 Ergebnisse Blaukraut-Indikator Rote Beetesaft-Indikator Orangensaft-Indikator Paprikapulver-Indikator Curcuma-Indikator Rosenblüten-Indikator Testen einer Verdünnungsreihe von Natronlauge mit verschiedenen Indikatoren 13 4 Diskussion und Ausblick 14 5 Kurzfassung 15 6 Internetquellen 16 2

3 1 Einleitung 1.1 Themenwahl Über einen Aushang an unserer Schule sind wir auf den Wettbewerb Jugend forscht und Schüler experimentieren aufmerksam geworden. Da unser Interesse für Naturwissenschaften schon nach den ersten Stunden im Fach Natur und Technik geweckt worden war, beschlossen wir uns ein geeignetes Thema zu suchen. Wir hatten zunächst die Idee irgendwelche Stoffe aus Pflanzen zu gewinnen. Bei einer Recherche im Internet sind wir auf das Thema Pflanzenfarbstoffe gestoßen und so beschlossen wir diese aus Pflanzen zu extrahieren. Unsere Betreuungslehrerin machte uns schließlich auf die Möglichkeit aufmerksam, Pflanzenfarbstoffe auf ihre unterschiedliche Wirkung gegenüber sauren, neutralen und alkalischen Lösungen hin zu untersuchen. Als wir im Internet noch ein wenig recherchierten, erschien uns dieses Thema sehr farbenfroh und so machten wir uns voller Elan an die Arbeit. 1.2 Fachliche Informationen Viele Pflanzen enthalten Farbstoffe, die sich dazu eignen saure, neutrale und alkalische Lösungen zu identifizieren, da sie je nach ph-wert ihre Farbe wechseln. Dies ist sehr praktisch, da man häufig völlig farblose Lösungen vor sich hat, von denen man nicht weiß, ob es sich um eine Säure oder eine Lauge handelt. Um nicht probieren zu müssen, was in vielen Fällen sehr gefährlich wäre, gibt man einfach den Indikatorfarbstoff hinzu und kann anhand der Farbe sofort erkennen, ob es sich um eine Säure oder Lauge handelt. Diese Farbstoffe kann man aus verschiedenen Teilen der Pflanze gewinnen zum Beispiel aus den Früchten, aus den Blättern oder aus den Wurzeln. Es handelt sich hierbei um verschiedene Arten von Farbstoffen, die bei sauren, neutralen und alkalischen Lösungen zum Teil sehr unterschiedliche Farben zeigen, so dass man diese Indikatoren sehr gut zum Identifizieren von derartigen Lösungen einsetzen kann. Andere Farbstoffe, die wir gewonnen haben, zeigten kaum Farbveränderungen, so dass man sie nur bedingt als Säure-Base-Indikator verwenden kann. Hierbei viel uns auf, dass bei diesen Indikatoren, die kaum eine Farbveränderungen im Sauren gegenüber der neutralen Lösung zeigten, im Alkalischen ein Farbumschlag eintrat. Dies mag Zufall sein, jedoch bei unseren Farbstoffen war dies der Fall. 1.3 Hilfestellungen Wir führten die Versuche unter Aufsicht unserer Betreuungslehrerin in der Schule durch. Die verschiedenen Materialien, die wir auf ihre Eignung als Indikatoren testen wollten, wählten wir selbstständig aus und brachten sie von zu Hause mit. Das Verständnis für die Begriffe saure, alkalische und neutrale Lösung erhielten wir durch Gespräche mit unserer Betreuungslehrerin, die uns auch beim Zusammenschreiben dieser Arbeit geholfen hat, da wir noch nie eine naturwissenschaftliche Arbeit geschrieben haben. Hierbei setzten wir uns zwei Tagen in den Weihnachtsferien zusammen, um gemeinsam unsere Versuche zu beschreiben und diese anhand der Fotos auszuwerten. 3

4 2 Methode 2.1 Gewinnung und Testen des Blaukraut-Indikators Wir haben einige Blaukrautblätter sehr klein geschnitten und diese in einem Mörser mit Sand und etwas Wasser zerrieben und so einen violetten Saft erhalten. Diesen haben wir durch einen Filter in ein frisches Reagenzglas abfiltriert. Bei jedem unserer Versuche haben wir die gleichen sauren und basischen Lösungen getestet: Salzsäure, neutrales Wasser, Natronlauge, Essig, Kernseifenlösung und Mineralwasser. Von den Lösungen gaben wir jeweils ca. 5 ml in ein Reagenzglas und fügten jeweils einige Tropfen des filtrierten Blaukrautsaftes hinzu. Die Farbveränderungen haben wir durch ein Foto festgehalten (siehe Ergebnisse). Abb. 1: Herstellung des Blaukraut-Indikators 2.2 Testen des Rote Beetesaft-Indikators Nachdem der Blaukraut-Indikator sich als sehr farbenprächtiger Indikator herausgestellt hatte, wollten wir den rötlichen Saft von roten Beeten testen. Wir kauften einfach ein Glas Rote Beete in Scheiben und verwendeten direkt den Saft aus dem Einmachglas, um diesen zu den sauren und alkalischen Lösungen zu tropfen. 4

5 2.3 Gewinnung und Testen des Orangesaft-Indikators Wir haben eine Orange halbiert und den Orangensaft ausgepresst. Da uns der Saft noch sehr trüb erschien, haben wir den frischen Saft noch filtriert und anschließend zu den Testlösungen getropft. Auch hier sind die Farbveränderungen im Ergebnisteil zu sehen. Abb. 2: Filtration des Orangensafts 2.4 Gewinnung und Testen des Paprikapulver-Indikators Zu Hause in der Küche suchten wir nach weiteren farbigen Stoffen, die sich eventuell als Säure-Base- Indikator eignen könnten. Dabei stießen wir auf Paprikapulver und Curry. Bei Curry stellten wir fest, dass es sich um eine Reihe von Substanzen handelte, die im Currypulver vermischt sind. Die wichtige farbgebende Substanz ist jedoch Curcuma. Dieses curryfarbene Pulver wird aus einer gelben Wurzel gewonnen. Wir haben es in unserem nächsten Versuch getestet. Der Versuch Paprikapulver einfach in Wasser zu lösen scheiterte. Das Wasser wurde nur leicht rötlich. Unsere Betreuungslehrerin schlug Alkohol als Lösungsmittel vor,. was auch sehr gut funktionierte. Wir gaben etwas Paprikapulver in ein Reagenzglas und fügten wenige Milliliter Alkohol hinzu und schüttelten kräftig. Der Alkohol färbte sich rot, da sich die Farbstoffe des Paprikapulvers darin lösten. Anschließend filtrierten wir unseren Paprikapulver-Indikator noch, da das Paprikapulver störte. Wiederum versetzten wir unsere sauren und alkalischen Lösungen mit dem Indikator. 5

6 2.5 Gewinnung und Testen des Curcuma-Indikators Im Vergleich zu Paprikapulver konnten wir Curcuma in kochendem Wasser lösen. Aber auch in Alkohol gelöst, erhielten wir eine gelbe Flüssigkeit, so dass wir zwei Testreihen machten einmal Curcuma in Wasser gelöst und einmal Curcuma in Alkohol gelöst. Beides Mal trennten wir die erhaltene Farbstofflösung durch einen Filter vom Pulverrückstand. Die Farbstofflösungen gaben wird anschließend wieder zu unsere sauren und alkalischen Lösungen. 2.6 Gewinnung und Testen des Rosenblüten-Indikators Wir haben die Blätter einer roten Rose in kleine Stücke zerrissen und in ein Becherglas gegeben. Wir gaben ca. 30 ml Wasser zu und erwärmten das Gemisch. Schon nach kurzer Zeit färbte sich das Wasser rot der Farbstoff der Rosen hatte sich also in Wasser gelöst. Erneut testeten wir unsere sauren und alkalischen Lösungen mit der Indikator-Lösung. Abb. 3: Herstellung des Rosenblüten-Indikators 2.7 Testen einer Verdünnungsreihe von Natronlauge mit verschiedenen Indikatoren Nachdem wir die Farbveränderungen bei den von uns hergestellten Indikatoren ausgewertet hatten, stellten wir fest, dass insbesondere bei den von uns eingesetzten alkalischen Lösungen (Natronlauge und Kernseifenlösung), bei einigen Indikatoren eine recht unterschiedliche Färbung auftrat, während die von uns eingesetzten sauren Lösungen (Salzsäure, Essig und Mineralwasser) meist annähernd die gleiche Farbe aufwiesen. Aus diesem Grund haben wir unsere Natronlauge verdünnt. Hierzu haben wir die von uns eingesetzte Natronlauge und Wasser in folgenden Mengen zusammen gegeben, so dass die Konzentration der Natronlauge von Reagenzglas 1 zu Reagenzglas 5 abnimmt. Auf den Fotos ist immer das Verhältnis von Natronlauge zu Wasser angegeben. 6

7 Reagenzglas 1 Reagenzglas 2 Reagenzglas 3 Reagenzglas 4 Reagenzglas 5 Natronlauge 10 ml 8 ml 5 ml 2 ml 0 ml Wasser 0 ml 2 ml 5 ml 8 ml 10 ml Verhältnis 10 : 0 8 : 2 5 : 5 2 : 8 0 : 10 Die so erhaltenen Lösungen haben wir mit drei verschiedenen Indikatoren getestet dem Blaukraut- Indikator, dem Rote Beetesaft-Indikator und dem Rosenblüten-Indikator. 3 Ergebnisse 3.1 Blaukraut-Indikator Nach Zusatz des Blaukraut-Indikators zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 4: Testergebnis Blaukraut-Indikator Man erkennt, dass bei Zusatz von Säuren der Blaukraut-Indikator seine Farbe ins Rötliche verändert. Das hier eingesetzte Mineralwasser war leider nicht mehr ganz frisch, so dass schon viel Kohlensäure entwichen war, so dass man im Vergleich zum neutralen Wasser, das tief-violett ist, nur eine leichte Farbveränderung ins rot-violette erkennen kann. Jedoch sind Salzsäure und Essigsäure, die im Essig enthalten ist, auch stärkere Säuren als die Kohlensäure. Erstaunlich fanden wir die Farbveränderung bei alkalischen Lösungen. Natronlauge wurde hierbei gelb und Kernseifenlösung färbte sich türkis. Man könnte folglich anhand der unterschiedlichen Färbung nicht 7

8 nur erkennen, dass es sich um eine alkalische Lösung handelt, sondern auch, wie stark alkalisch diese Lösung ist. Fazit: Blaukraut-Saft eignet sich als Säure-Base-Indikator : sauer: rot; neutral: violett, schwach basisch: grün/türkis, stark basisch: gelb 3.2 Rote Beetesaft-Indikator Nach Zusatz des Rote Beetesaft-Indikators zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 5: Testergebnis Rote-Beete-Indikator Im neutralen Wasser ist der Indikator rot. Bei Zusatz von Säure verändert dieser seine Farbe nur leicht nach rot-violett. Bei Zugabe von Natronlauge kommt es zu einer Gelbfärbung und bei Zusatz von Seifenlösung zu einer Violettfärbung. Uns erschien diese Farbabstufung bei sauren und alkalischen Lösungen nicht sehr signifikant, da z.b. Salzsäure und Seifenlösung ähnliche violette Farben haben. Allerdings fällt wieder auf, dass im Alkalischen bei Natronlauge und Seifenlösung eine sehr auffällige Farbveränderung zu erkennen ist, die eventuelle wie beim Blaukraut-Indikator unterschiedliche Konzentrationen an Lauge erkennen lässt. Dies soll unsere letzte Versuchsreihe zeigen. 8

9 3.3 Orangesaft-Indikator Nach Zusatz des extrahierten Orangensafts zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 6: Testergebnis Orangensaft-Indikator Wir haben bei diesem Versuch besonders darauf geachtet, dass wir überall gleich viel Indikator in die vorbereiteten Lösungen gegeben haben, was uns erst beim zweiten Versuch gelungen ist. Jetzt kann man deutlich erkennen, dass es nur bei den alkalischen Lösungen zu einer Intensivierung der Gelbfärbung kommt. Man kann Orangen zwar nicht als Säure-Base-Indikator empfehlen, aber zumindest Natronlauge ließe sich eindeutig von Salzsäure unterscheiden. 9

10 3.4 Paprikapulver-Indikator Nach Zusatz des Paprikapulver-Indikators zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 7: Testergebnis Paprikapulver-Indikator Der aus dem Paprikapulver extrahierte Farbstoff zeigt gegenüber alkalischen und sauren Lösungen keine Farbveränderungen, so dass man aus Paprikapulver keinen Säure-Base-Indikator gewinnen kann. 10

11 3.5 Curcuma-Indikator Nach Zusatz des in Wasser bzw. Alkohol extrahierten Curcuma-Farbstoffes zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 8: Testergebnis Curcuma-Indikator in Wasser gelöst Abb. 9: Testergebnis Curcuma-Indikator in Alkohol gelöst 11

12 Bei beiden Testreihen ist zu erkennen, dass der Farbstoff, der aus Curcuma extrahiert werden kann, eine deutliche Unterscheidung zwischen alkalischen Lösungen und sauren Lösungen zulässt. Im Alkalischen kommt es zu einer Orangefärbung, während im Sauren die neutrale Gelbfärbung bestehen bleibt. Leider ist uns bei der Versuchsreihe mit Alkohol ein Fehler unterlaufen, da wir in das Reagenzglas 2, das neutrales Wasser enthalten soll, bei der zweiten Zugabe des Indikators etwas Natronlauge verschleppt haben, was an der orangen Farbe in der oberen Hälfte in Reagenzglas 2 zu erkennen ist. Außerdem konnten wir feststellen, dass die Färbung mit dem im Alkohol gelösten Curcuma-Farbstoff intensiver war. 3.6 Rosenblüten-Indikator Nach Zusatz des aus Rosenblüten gewonnenen Indikators zu den vorbereiteten Lösungen erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 10: Testergebnis Rosenblüten-Indikator Der in Wasser gelöste Rosenblüten-Indikator hat eine rote Farbe, der in Reagenzglas 2 durch die Verdünnung nur noch eine rosa Färbung aufweist. In Säuren zeigt dieser Indikator eine Rotfärbung, während stark alkalische Lösungen gelb und schwächer alkalische Lösungen grün erscheinen. Man kann den Rosenblüten-Indikator durchaus zur Unterscheidung von Säuren und Laugen einsetzen. 12

13 3.7 Testen einer Verdünnungsreihe von Natronlauge mit verschiedenen Indikatoren Nach Zusatz des Blaukraut-Indikators zu der Verdünnungsreihe erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 12: Test der Verdünnungsreihe mit Blaukraut-Indikator Nach Zusatz des Rote Beetesaft-Indikators zu der Verdünnungsreihe erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 12: Test der Verdünnungsreihe mit Rote Beetesaft-Indikator Im Vergleich zur Ausgangslösung (linkes Reagenzglas) ist bei den ersten beiden Verdünnungen keine Farbveränderung aufgetreten. Erst als wir die Natronlauge mit Wasser im Verhältnis 8 : 2 mischten, konnte man anhand des hellgrünen Farbtons im Fall des Blaukraut-Indikators und dem orangen Farbton 13

14 beim Rote Beete-Indikator die schwächer alkalische Lösung erkennen. Bei neutralem Wasser hat man schließlich eine Blaufärbung bzw. eine Rotfärbung. Diese Farbveränderungen zeigen, dass man den Blaukraut-Indikator und den Rote Beetesaft-Indikator einsetzen kann, um festzustellen, wie stark alkalisch eine Lösung ist. Nach Zusatz des Rosenblüten-Indikators zu der Verdünnungsreihe erhielten wir folgende Farbveränderungen. Abb. 13: Test der Verdünnungsreihe mit Rosenblüten-Indikator Leider waren alle Lösungen mehr oder weniger gelb gefärbt. Eine wirkliche Unterscheidung war nicht möglich. Vielleicht hätten wir die Natronlauge noch stärker verdünnen müssen, so dass eine Abstufung nach grün, wie sie bei unserer Kernseifenlösung (siehe oben) auftrat, zu erkennen wäre. 4 Diskussion und Ausblick Unsere Experimente haben gezeigt, dass man aus verschiedenen Teilen einer Pflanze Farbstoffe extrahieren kann, die unter Zugabe von sauren oder alkalischen Lösungen unterschiedliche Farben zeigen. Besonders gut erschienen der Blaukraut-Indikator und Rosenblüten-Indikator als Säure-Base- Indikatoren geeignet, da sie bei Zugabe der sauren und alkalischen Lösungen viele unterschiedliche Farben zeigen. Unsere letzten Versuche mit den verschiedenen Verdünnungen der Natronlauge hätten durchaus bessere Ergebnisse liefern können. Aber Natronlauge ist eine sehr starke Base, so dass wir mit einer stärkeren Verdünnung hätten arbeiten müssen. Wir hätten auch eine schwächer alkalischen Lösung, wie z.b. die Kernseifenlösung einsetzen können, um diese zu verdünnen, so dass wir eine Farbabstufung des Indikators erhalten hätten müssen. Außerdem wäre es interessant, wie lange man die hergestellten Indikatorlösungen aufbewahren kann, oder ob diese nur frisch eingesetzt werden können. Dieses Thema birgt also noch einige Fragen und hat uns einen Einblick in die Chemie ermöglicht, den wir ansonsten wahrscheinlich frühestens in der 8. Klasse erhalten hätten. 14

15 5 Kurzfassung In unserer Arbeit konnten wir zeigen, dass man aus verschiedenen Teilen einer Pflanze Farbstoffe extrahieren kann, die bei Zugabe von sauren und alkalischen Lösungen unterschiedliche Farben zeigen. Wir haben die Farbstoffe aus Blaukraut, Rote Beete, Orangen, Paprikapulver, Curcuma und Rosenblüten gewonnen und diese jeweils zu den folgenden Lösungen gegeben: Salzsäure, Wasser, Natronlauge, Essig, Kernseifenlösung und Mineralwasser. Wir konnten feststellen, dass manche unserer Farbstofflösungen sich besonders gut zur Unterscheidung von Säuren und Laugen eignen, andere weniger gut. Der Blaukraut-Indikator und der Rosenblüten-Indikator zeigten bei den zu testenden Lösungen viele unterschiedliche Farben, so dass man sie sehr gut als Säure-Base-Indikatoren einsetzen kann. Der Blaukraut-Indikator erscheint im neutralen Wasser gelöst blau/violett. Saure Lösungen weisen eine rosarote Farbe auf, schwach basische Lösungen erscheinen grün/türkis und stark alkalische Lösungen gelb. Der in Wasser gelöste Rosenblüten-Indikator hat eine rote bis rosa Farbe. In Säuren zeigt dieser Indikator eine intensive Rotfärbung, während stark alkalische Lösungen gelb und schwächer alkalische Lösungen grün erscheinen. Andere Indikatorlösungen waren nur bedingt geeignet saure und alkalische Lösungen voneinander zu unterscheiden. So zeigte der Rote Beetesaft-Indikator keine eindeutige Farbabstufung zwischen sauren und schwach alkalischen Lösungen. Beide erschienen violett. Allerdings konnte man eine stark alkalische Lösung eindeutig durch ihre auffällige Gelbfärbung von der schwach alkalischen Lösung (Violettfärbung) unterscheiden. Der Orangensaft-Indikator und der Curcuma-Indikator zeigte nur bei alkalischen Lösungen eine Farbveränderung nach tiefgelb bzw. orange. Neutrale und saure Lösungen waren nicht voneinander zu unterscheiden. Der Paprikapulver-Indikator erschien trotz seiner intensiv roten Farbe völlig ungeeignet als Säure-Base- Indikator, da in sauren, neutralen und alkalischen Lösungen keine Farbveränderungen auftraten. Abschließend wollten wir durch eine Verdünnungsreihe mit Natronlauge, die wir in unterschiedlichen Verhältnissen mit Wasser mischten, noch Farbabstufungen bei Zusatz verschiedener von uns hergestellter Indikatoren erzielen. Grundsätzlich konnten wir feststellen, dass dies mit dem Blaukraut-Indikator und dem Rote Beete-Indikator und dem Rosenblüten-Indikator möglich wäre, jedoch wählten wir die Verdünnungen ungünstig aus, so dass die meisten unserer verdünnten Natronlauge-Lösungen noch zu konzentriert waren, als dass eine Farbabstufung eingetreten wäre. 15

16 6 Literatur und Internetquellen Literatur: Abel-Wildemann, Alexandra: Mit der Kinderakademie Pfiffikus die Welt entdecken erleben erfahren. Drei-Zwei-Eins Peng! Chemische Experimente für Kinder. Tei 2: Säuren, Laugen und Seifen, Wellhorn- Verlag, Bad Herrenalb, 2007 Internetquellen: , Rüdiger Blume, Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie, Prof. Blumes Tipp des Monats September 2006: Bunte Blumenfarben , Thomas Seilnachts, Seilnachts Didaktik der Naturwissenschaften: ph-indikatoren , Institut Dr. Flad Berufskolleg für Chemie, Pharmazie und Umwelt: Naturstoffe als Indikatoren 16