Iod-Stärke-Reaktion. Zusammenfassung. Einordnung in den Unterricht 1

Transkript

1 V10 Iod-Stärke-Reaktion Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit Chemie Q2 Kohlenhydrate Stärke 1 h Zusammenfassung Verschiedene Stärkehaltige Produkte und verschiedene Stärken werden auf ihre Reaktion mit Iod-Lösung hin untersucht. Ebenso wird die itzeeinwirkung auf eine Iod- Stärke-Lösung und die Speicheleinwirkung getestet. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch kann in der Qualifikationsphase Q2 zum Thema Kohlenhydrate durchgeführt werden. Die Iod-Stärke-Reaktion sollte jeder Schüler und jede Schülerin einmal selbst durchführen, da es sich um einen wichtigen Nachweis handelt. Der Versuch kann im Anschluss an die erstellung des Stärkekleisters gemacht werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Aufbau von Stärke den SuS bereits bekannt und auch die weiteren Aspekte der Zuckerchemie. Die Struktur der Stärkehelix sollte daher auch bekannt sein. Die restlichen theoretischen intergründe sollen mithilfe des Arbeitsblattes selbst erarbeitet werden. Zudem dürfte der Stärkenachweis den SuS bereits aus dem Fach Biologie bekannt sein, da in der Klasse 7G.3 Fotosynthese und Zellatmung bei den Themen, Bedeutung der Fotosynthese als Voraussetzung für das Wachstum, die Fortpflanzung und Überwinterung und Bedeutung der Fotosynthese für das Leben auf der Erde und unsere Ernährung, die Nachweisreaktionen von Glucose und Stärke durchgeführt wird. Allerdings geschieht dies dort nicht auf dem gleichen theoretischen Niveau. 1 Vgl. irt, A.: Lehrplan Chemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung Abbildung 1: Die für den Versuch benötigten Materialien. erstellung des Nachweisreagenzes Aus Betaisodona oder Braunol-Lösung wird eine wässrige Lösung hergestellt. Dazu wird eine Verdünnung von 1(Betaisodona ):50 (Wasser) hergestellt. a) Iod-Stärke Reaktion von verschiedenen Speisestärken Der Boden eines Schnappdeckelglases wird mit der jeweiligen Speisestärke bedeckt, etwa 5 cm hoch Wasser hinzugefügt und geschüttelt. Dann wird Iod-Lösung mithilfe eines Strohhalms hinzu getropft, bis eine deutlich sichtbare Verfärbung bestehen bleibt. b) Iod-Stärke Reaktion von Nudeln und Reis Die Iod-Stärke Reaktion wird wie in Versuchsteil a) durchgeführt. Dafür werden einige Nudeln (Reis) in einem Glas mit etwas Wasser bedeckt und etwas der Iod-Lösung dazu getropft. Danach werden einige Nudeln in einem Kochtopf in ein wenig Wasser gekocht, genauso wird mit dem Reis vorgegangen. Danach wird etwas des Reis- oder Nudelwassers und einige Reiskörner oder Nudeln in ein Glas gefüllt und die Iod- Stärkereaktion durchgeführt.

3 Anschließend werden die mit Iod und Nudeln behandelten Lösungen erhitzt und es wird beobachtet was geschieht. 2 c) Iod-Stärke Reaktion von anderen Produkten Vorgehensweise genauso wie in a). Die Beobachtung a) Wird zu den verschiedenen mit Wasser überschichteten, Speisestärke enthaltenen Produkten etwas der Iod-Lösung getropft, so bilden sich blaue Schlieren. Wird mehr des Nachweisreagenzes hinzugegeben, so färbt sich allmählich die gesamte Lösung blau. Wird einige Zeit gewartet, so ist ersichtlich, dass sich die Lösung mit Maisstärke rötlich verfärbt, wobei auch der Bodenkörper eine rote Färbung zeigt. Bei Produkten mit Kartoffelstärke und Weizen stärke bleibt die blaue Färbung erhalten. Verfärbung des Puddingpulvers bei Zugabe von Iod-Lösung: Abbildung 2: Links: Verfärbung von Puddingpulver nach Zutropfen von 5 Tropfen Iod-Lösung. Blau-violette Verfärbung von Puddingpulver beim Zutropfen von 10 Tropfen Iod-Lösung. 2 Ein Film über das Erhitzen eines Iod-Stärke-Gemischs kann unter folgendem Link abgerufen werden:

4 Verfärbung der Maisstärke bei Zugabe von Iod-Lösung Abbildung 3: Links: Zutropfen von 5 Tropfen Iod-Lösung. Mitte: Tiefe blau-violette Färbung beim Zutropfen von 10 Tropfen Iod-Lösung. Rechts: Rotfärbung des Bodenkörpers, nachdem die Lösung einige Zeit stehen gelassen wurde. Verfärbung des Backpulvers bei Zugabe von Iod-Lösung Abbildung 4: Links: Verfärbung der Backpulverlösung nach Zugabe von 5 Tropfen Iod-Lösung. Rechts: Intensive Blaufärbung nach Zugabe von 10 Tropfen Iod-Lösung. Abbildung 5: In der Übersicht Proben, nachdem sie einige Zeit stehen gelassen wurden. Rechts: Puddingpulver, Mitte: Backpulver, Links: Maisstärke

5 b) Wird der Nachweis mit den nicht gekochten Proben von Nudeln und Reis durchgeführt, so ist keine Verfärbung der Lösung erkennbar. Abbildung 6: Links: Zutropfen von Iod-Stärke-Lösung zu ungekochtem Reis. Rechts: Zutropfen von Iod-Stärke- Lösung zu ungekochten Nudeln. Bei den gekochten Proben zeigt sich jedoch eine besonders intensive Färbung bei Zugabe von nur zwei Tropfen des Nachweisreagenzes. Abbildung 7: Links: Blaufärbung des gekochten Reis bei Zugabe von wenigen Tropfen Iod-Stärke-Lösung. Rechts: Blaufärbung der gekochten Nudeln nach Zugabe von wenig Iod-Stärke-Lösung. Abbildung 8: Links: Blaufärbung des gekochten Reis bei Zugabe von 6 Tropfen Iod-Stärke-Lösung. Rechts: Blaufärbung der gekochten Nudeln nach Zugabe von 6 Tropfen Iod-Stärke-Lösung. Werden die blauen Lösungen erhitzt, verschwindet die Färbung. Beim Erkalten der Lösung taucht die blaue Färbung allmählich wieder auf.

6 Abbildung 9: Erhitzen der Iod-Stärke-Probe von Nudelwasser. Links Färbung vor dem Erhitzen. Rechts: Blaufärbung nach dem Erhitzen. c) Die Probe mit den aferflocken zeigt eindeutig einen positiven Stärkenachweis. Die Probe erscheint intensiv blau. Beim Nachweis von Stärke in der Banane kann beobachtet werden, dass auch diese Stärke enthält. Dabei zeigen sich zunächst an der Außenseite blauschwarze Punkte. Wird das Stück Banane im Schnappdeckelglas gut geschüttelt so ist eine leichte Blau Verfärbung der gesamten Lösung erkennbar. Der Nachweis ist eindeutig positiv. Abbildung 10: Links: positiver Stärkenachweis bei aferflocken. Rechts: positiver Stärkenachweis bei einer Banane. Entsorgung Die Lösungen können mit viel Wasser in den Abfluss entsorgt werden. Sonstige Reste können in den Bio- oder aushaltsmüll entsorgt werden.

7 Fachlicher intergrund Kohlenhydrate in Form von Stärke stellen einen wichtigen Teil unserer Nahrung dar. Doch was nehmen wir da eigentlich zu uns? Informiere dich über Stärke. Wie ist sie aufgebaut? Stärke ist das Reservekohlenhydrat der Pflanzen. Sie ist ein Polysaccharid, also ein Polymer, dass aus Monosaccharid-Einheiten aufgebaut ist. Sie wird auch als Polyglucose bezeichnet, da sie aus vielen -D-Glucose-Einheiten besteht. Der Präfix bezeichnet die axiale Stellung der ydroxy-gruppe am anomeren Zentrum. Dieses ergibt sich beim Ringschluss der Glucose als ein neues Stereozentrum mit zwei unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der ydroxy-gruppe. Steht die ydroxy-gruppe äquatorial wird sie als gekennzeichnet. anomeres Kohlenstoffatom anomeres Kohlenstoffatom ( -Gruppe steht äquatorial) ( -Gruppe steht ( -Gruppe steht axial) a-d-glucose -D-Glucose auptstärkequellen sind zum Beispiel Kartoffeln, Weizen, Mais und Reis. Stärke lässt sich in ihre zwei auptbestandteile Amylose und Amylopektin unterteilen. Die Glucose- Einheiten der Amylose sind über -1,4-glycosidische Bindungen miteinander verknüpft. Dies bedeutet, dass jedes C1-Atom eines -D-Glucose-Monomers mit einem C4-Atom eines anderen -D-Glucose-Monomers verbunden ist; es bilden sich quasi Maltose- Einheiten. 3 3 Vgl. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.E.: rganische Chemie. S

8 1 4 Maltose-Einheit -D-Glucopyranose Amylose Aus dieser Konfiguration des anomeren C-Atoms ergibt sich eine lineare, spiralförmige elixstruktur für die Amylose. Eine Windung der elix wird aus 6-8 Glucose-Molekülen gebildet. eine Windung der Spirale in Amylose elixstruktur der Amylose Im Gegensatz dazu besitzt Amylopektin Verzweigungen, die hauptsächlich vom C6 jeder fünfundzwanzigsten Glucose-Einheit abgehen. 4 4 Vgl. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.E.: rganische Chemie. S

9 Verzweigungspunkt -1,6-glycosidisch-verbunden Ausschnitt aus der Struktur von Amylopektin Dies bedeutet, dass die Glucose-Einheiten der Grundketten von Amylopektin wie bei Amylose -1,4-glycosidisch verknüpft sind, woraus sich auch hier eine elixstruktur ergibt. Diese werden jedoch von -1,6-glycosidischen Verzweigungsstellen unterbrochen. 5 1,6-Verzweigung eine Windung aus der Amylopektinspirale Da der Mensch in der Lage ist, Stärke zu verdauen, gehört sie zu den wichtigsten Bestandteilen unserer Nahrung. Als Zutat in Lebensmitteln, wird Stärke als Bindemittel sowie als Füll- und Trägerstoff verwendet. Überdies spielt sie in der Chemie-, Papierund Verpackungsindustrie als biologisch abbaubarer, nachwachsender Rohstoff eine bedeutende Rolle. Zunehmend werden aus unterschiedlichen Stärken Kleister, 5 Vgl. Ebermann, R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S

10 abbaubare Kunststoffe, abbaubare Verpackungen, Kleb- und Schmierstoffe sowie sonstige Baumaterialien entwickelt. 6 In der Industrie werden sogar sogenannte transgene Pflanzen kreiert, bei denen durch Einklonieren von bestimmten Genen zum einen der Stärkegehalt an sich gesteigert wird und zum anderen der Anteil von Amylopektin zu Amylose verändert wird. Dadurch erhält die Stärke unterschiedliche Beschaffenheit, je nachdem für was sie verwendet werden soll. 7 Zum Beispiel werden spezielle Züchtungen von Maisstärken hergestellt, bei denen der Amylopektingehalt um 90 % oder aber der Amylosegehalt um 80 % gesteigert wird. 8 Amylopektin wird vor allem industriell für die erstellung von Stärkekleistern benötigt, wohingegen Amylose eher zu gelierartigen Produkten führt, was nicht erwünscht ist. Da die Trennung der beiden Bestandteile von Stärke chemisch und energetisch aufwändig ist, wurde eine Industriekartoffel entwickelt, deren Stärke fast amylosefrei ist. Die sogenannte Amflora sorgte als erste gentechnisch veränderte Nutzpflanze für viele politische Grundsatzkonflikte, sodass sie erst am durch die EU-Kommission zugelassen wurde dreizehn Jahre nach dem ersten Zulassungsantrag. 9 Was geschieht bei dem Nachweis von Stärke mit dem Reagenz aus Iod- Kaliumiodid? Elementares Iod ist kaum in Wasser löslich. Daher wird es normalerweise mit Kalium- Iodid-Lösung vermischt, sodass Iod-Iodid-Komplexe, Polyiodid-Ionen, entstehen, die sich im Wasser lösen. Eine solche Lösung wird auch Lugolsche Lösung genannt: 10 6 Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung: Lexikon, Stärke, das in der menschlichen Nahrung vorherrschende Kohlenhydrat. In: Biosicherheit Gentechnik-Pflanzen-Umwelt. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Schmid, R.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. S Vgl. Ebermann R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung: Gv-Stärkekartoffel als Nachwachsender Rohstoff Amflora- eine Kartoffel für die Industrie. In: Biosicherheit Gentechnik-Pflanzen-Umwelt. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Wiechoczek, D.: Der Iod-Stärke-Komplex. In: Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie. URL: Letzter Zugriff am:

11 I - - (aq) + I 2(aq/s) I 3 (aq) I - - (aq) + 2 I 2(aq/s) I 5 (aq) I - - (aq) + 3 I 2(aq/s) I 7 (aq) In Betaisodona kommt Iod in Form eines wasserlöslichen Komplexes, Providon, vor. Darin liegt das Triiodid-Anion, I3 - (aq), bereits ionisch an ein Kation gebunden vor, wodurch die Löslichkeit in Wasser gegeben wird. 11 Die braune Farbe im Wasser kann aufgrund der Bildung von sogenannten Charge- Transfer-Komplexen beobachtet werden. Diese entstehen zum einen, indem eine Elektronenübertragung vom jeweiligen Lösungsmittel ausgehend auf die I2-Moleküle erfolgt. Zum Beispiel können freie Elektronenpaare der -Atome Elektronendonatoren sein. Zum anderen können auch die Iodid-Ionen im Iod-Iodid-Komplex als solche fungieren. Folgendes Gleichgewichtsschema liegt der Bildung dieses Komplexes allgemein zugrunde: I 2(aq/s) D I 2 - (aq) D + D = Elektronendonor Die Elektronen in diesen Charge-Transfer-Komplexen sind leicht durch Absorption von Lichtquanten anzuregen. Im Polyiodid-Ion sind drei Charge-Transfer- Elektronenübergänge möglich, die alle im blauen Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes absorbieren. Die noch verbleibenden roten und gelben Wellenlängenanteile des Lichtes erzeugen den braunen Farbeindruck der Lösung. 12 Wird die wässrige Lösung von Polyiodid-Ionen nun mit Stärke vermischt, so bildet sich ebenfalls ein Komplex, der Iod-Stärke-Komplex. 11 Vgl. Strecker, W.: Science, intergrundwissen, Desinfektionswirkstoffe, Povidon-Iod (PVP-Iod). In: BDE Chemie Gmb. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Riedel, E.: Anorganische Chemie. 6. Auflage. Berlin S.400,

12 Iod + Stärke Iod-Stärke-Komplex Dabei werden die Polyiodid-Ionen in die Spiralen der Stärkehelices eingelagert. Diese Einschlussverbindung ist ebenfalls ein Charge-Transfer-Komplex, wobei die Stärkemoleküle die Elektronendonatoren darstellen. Durch die dadurch entstehenden Wechselwirkungen und die damit verbundene Elektronenanregung wird die beobachtete blaue Farbe der Lösung hervorgerufen. Der auftretende Farbton wird durch das Absorptionsmaximum beeinflusst, welches mit der Länge der elix zusammenhängt. Wird diese durch viele 1,6-Verzweigungen immer wieder unterbrochen, so wird das Absorptionsmaximum verändert und die Lösung erscheint in einem anderen Blauton. Bei Absorption von langwelligerem Licht, wie dies bei Amylose der Fall ist, wird eine dunkelblaue Lösung erzeugt. Amylopektin hingegen absorbiert im kürzeren Wellenlängenbereich, was zu einem roten Farbeindruck führt. Die Mischfarbe von diesen zwei Anteilen ergibt dann den Gesamtfarbeindruck der Lösung. Dies erklärt auch, warum bei dem Versuch der Farbnachweis mit Iod-Kaliumiodid zu unterschiedlichen Blautönen führt. Je nachdem, in welchem Verhältnis die beiden Bestandteile der Stärke vorliegen, erscheint die Lösung dem Betrachter eher dunkelblauviolett oder rotblau. Daher kann so indirekt auf die Zusammensetzung der Stärken in den verschiedenen Produkten geschlossen werden. 13 Ein weiterer Punkt, der bei der Färbung mitschwingt, ist die unterschiedliche Löslichkeit von Amylopektin und Amylose in Wasser. Beide Bestandteile der Stärke lösen sich in heißem Wasser gut, allerdings löst sich Amylose schlechter in kaltem Wasser. Dies konnte bei dem Versuch bei den Proben von Reis und Nudeln festgestellt werden. Die Nudeln bzw. der Reis müssen zuerst gekocht werden, damit zum einen die Stäke aus den Reiskörnern bzw. den Nudeln freigesetzt werden kann und sich zum anderen diese gut im Kochwasser löst. Dies wird eindeutig durch die tiefblaue Farbänderung bei der Zugabe von nur wenigen Tropfen Nachweisreagenz gezeigt. Bei der Probe von Puddingpulver ist eine Mischfarbe zwischen rot und blau nach Schütteln des Schnappdeckelgläschens zu erkennen, was darauf hinweist, dass beide Anteile, Amylose und Amylopektin, in der Lösung vorliegen. Sobald das Gläschen jedoch einige Zeit stehen gelassen wird, setzt sich ein eher rötlicher Bodenkörper ab. Dies 13 Vgl. Ebermann, R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S

13 bedeutet, dass die im Puddingpulver enthaltene Stärke zu einem großen Anteil aus Amylopektin besteht. Bei den Proben von Maisstärke und Weizenstärke, die im Backpulver enthalten sind, konnte festgestellt werden, dass sich in der Weizenstärke ein großer Anteil an Amylose befindet, da die Lösung einen tiefblauen Farbton aufweist. Der nach einiger Zeit entstehende Bodenkörper zeigt allerdings keine Färbung, sondern erscheint weiß. Maisstäke ergibt mit Iod-Kaliumiodid-Lösung eher einen rötlichen Farbton, was auf einen hohen Anteil an Amylopektin schließen lässt. Auch der Bodenkörper, der sich nach einiger Zeit bildet, ist rot.