Facharbeit. Schuljahr 2003/2004

Transkript

1 Berufsbildende Schulen 1 Goslar - Am Stadtgarten Fachgymnasium Wirtschaft Facharbeit im Fach Chemie Schuljahr 2003/2004 Thema : Bestimmung des Vitamin C-Gehaltes einer Brausetablette durch eine maßanalytische Untersuchung Verfasser/-in : Niklas Rappmann Fachlehrer : Herr Pfüller

2 Gliederung 1. Einleitung 2 2. Maßanalytische Untersuchung Versuchaufbau einer maßanalytischen Untersuchung Zu beachtende Faktoren bei der Durchführung Ablauf einer maßanalytischen Untersuchung Spezielle Maßanalyse von Ascorbinsäure 5 3. Vitamin C 6 4. Praktische Durchführungen einer maßanalytischen Untersuchung Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Salzsäure Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Ascorbinsäure Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Vitamin C-Brausetablette aufgelöst in Wasser Analyse des Ergebnisses von Fazit 12

3 1. Einleitung In dieser Facharbeit werde ich mich mit der Bestimmung des Vitamin C- Gehaltes einer Brausetablette mit Hilfe der maßanalytischen Untersuchung auseinandersetzten. Dazu werde ich Versuche selbst durchführen. Hierzu werden Herr Pfüller und ich uns einen Nachmittag treffen, um im Schullabor maßanalytische Untersuchungen (Titration) durchzuführen. Anschließend werde ich das Ergebnis mit Hilfe chemischer Formeln errechnen. 2. Maßanalytische Untersuchung Die ersten Grundlagen einer maßanalytischen Untersuchung (Titration) werden Antoine Laurent Lavoisier ( ) zugesprochen. Justus Freiherr von Liebig verfeinerte die Maßanalyse. Louis Joseph Gay-Lussac untermauerte die Maßanalyse wissenschaftlich. Wie schon Justus Freiherr von Liebig verfeinerte Karl Friedrich Mohr die Maßanalyse weiter. Er entwickelte die Normallösung und die Büretten. Carl Remigius Fresenius führte dann die kompletten Analysegänge ein. Maßanalytische Untersuchungen dienen der quantitativen Bestimmung der Menge einer Substanz in einer Lösung. Das bedeutet, dass man einen bekannten Stoff in einer bekannten Lösung hat und wissen möchte, wie viel von diesem Stoff in der Lösung enthalten ist. Die Lösung mit unbekannter Konzentration nennt man Maßlösung, die Lösung mit bekannter Konzentration nennt man Probelösung. Die Probelösung wird der Maßlösung zugefügt, bis diese PH-neutral ist. Diesen Punkt nennt man Äquivalenzpunkt. (Siehe Grafik grün markierte Fläche) Mit Hilfe der festgestellten Menge an verbrauchter Probelösung kann man

4 die Konzentration der Maßlösung nach folgender Formel errechnen: abgeleitet von Man setzt die bekannten Zahlen ein und hat dann die Konzentration der Maßlösung in Mol errechnet. Um das Ergebnis in Gramm zu bekommen rechnet man einfach mit dieser Formel: Man stellt diese Formel nach m um hat so die Konzentration in Gramm. Es muss darauf geachtet werden, das mit der gleichen Maßeinheit titriert und gerechnet wird. 2.1 Versuchaufbau einer maßanalytischen Untersuchung Um eine maßanalytische Untersuchung durchzuführen, benötigt man einen Titrierkolben oder ein Becherglas, in dem sich die zu bestimmende Maßlösung befindet. Über die Öffnung des Titrierkolbens wird eine Bürette so an einem Ständer befestigt, dass aus ihr die Probelösung in die Maßlösung tröpfeln kann. Um die verbrauchte Menge an

5 Probelösung bestimmen zu können, muss sich an der Bürette eine Maßskala befinden. Um eine optimale Verteilung der Probelösung zu gewährleisten, benötigt man etwas, um die Maßlösung umzurühren. Dies kann mit einem Magnetrührgerät oder mit einem Glasstab geschehen. Ist beides nicht vorhanden, schwengt man das Gefäß einfach. Das Magnetrührgerät wird so platziert, dass das Becherglas mittig auf ihm steht, damit der Magnet im Becherglas korrekt angebracht werden kann. Zur weiteren Vorbereitung des Versuchs gibt man die Probelösung in die Bürette und die Maßlösung in den Titrierkolben. Um den Äquivalenzpunkt durch Farbumschlag sichtbar zu machen, fügt man der Maßlösung einen flüssigen Indikator zu. Durch den Indikator erkennt man ob sich der Äquivalenzpunkt nähert. Bei jedem Tropfen Probelösung, den man in die Maßlösung hinzugibt verfärbt sich der Indikator. Je länger es dauert bis sich die Verfärbung aufgelöst hat desto näher befindet man sich am Äquivalenzpunkt. 2.2 Zu beachtende Faktoren bei der Durchführung Die Geräte müssen gründlich gesäubert und frei von anderen chemischen Stoffen sein, da das Ergebnis sonst verfälscht sein kann. Um Ungenauigkeiten oder Fehler auszuschließen, muss der Versuch mehrmals durchgeführt werden. Es muss also eine ausreichende Menge beider Lösungen vorhanden sein. Der Ablauf des Titrierens darf nicht zu schnell gehen, da man den genauen Äquivalenzpunkt verpassen könnte und die Berechnungen falsch werden. Beim ersten Versuchsablauf wird der Äquivalenzpunkt ungefähr bestimmt. Beim zweiten Versuchsablauf soll der Äquivalenzpunkt genauer bestimmt werden. Dazu wird kurz vor dem wahrscheinlichen Äquivalenzpunkt die Menge der zugeführten Probelösung reduziert.

6 2.3 Ablauf einer maßanalytischen Untersuchung Hat man die Geräte so aufgestellt wie bei Punkt 2.1 beschrieben, kann man mit dem Titrieren beginnen. Man gibt die Lösung mit bekannter Konzentration (Probelösung) in die Bürette, in das Becherglas bzw. den Titrierkolben gibt man die Lösung mit unbekannter Konzentration (Maßlösung). Außerdem gibt man den Flüssigindikator hinzu. Nun öffnet man das Ventil der Bürette und lässt die Lösung langsam in das Becherglas bzw. den Titrierkolben laufen. Der Indikator färbt sich um. Jetzt wird das Ventil geschlossen und die verbrauchte Menge an Probelösung abgelesen. 2.4 Spezielle Maßanalyse von Ascorbinsäure Zunächst muss man die Geräte so aufbauen wie in Punkt 2.1 beschrieben. Nun muss man die Ascorbinsäure in Wasser auflösen. Da Ascorbinsäure die Molare Masse von 176,1 g/mol hat, löst man 17,61g in 1000 ml Wasser auf, um eine 0,1 Molare Lösung zu bekommen. Als Probelösung wird Natronlauge genommen. Falls nur eine 1 Molare Natronlauge zur Verfügung steht, muss 10 ml von ihr in 100ml Wasser gegeben werden, um eine 0,1 Molare Lösung zu erhalten. Die Natronlauge wird in die Bürette gefüllt. Nun nimmt man 10 ml der Maßlösung und gibt sie in einen Titrierkolben. Zu der Maßlösung gibt man außerdem noch einen flüssigen Indikator. Um den Äquivalenzpunkt besser zu erkennen kann man destilliertes Wasser hinzugeben. Normales Leitungswasser ist hierfür nicht zu verwenden, da dieses im chemischen Sinne nicht rein ist und das Ergebnis verfälschen würde. Nun öffnet man das Ventil der Bürette und lässt die Probelösung langsam in die Maßlösung tropfen. Ist der Äquivalenzpunkt erreicht, schließt man das Ventil sofort. Nun muss man die Menge der verbrauchten Probelösung an der Bürette ablesen. Die nun bekannten Zahlen setzt man

7 in die in Punkt 2 beschriebene Formel ein: Maßlösung (c) = 10ml Probelösung x 0,1g/mol Probelösung / 10ml Maßlösung Das Ergebnis ist 0,1 g/mol. 3. Vitamin C Vitamin C (auch Ascorbinsäure genannt) ist ein Glucosederviat, welches nur über den Glucosestoffwechsel in den menschlichen Körper gelangen kann. Da der Mensch, so wie das Meerschweinchen oder Primaten, das Vitamin nicht selbst im Körper herstellen und nicht lange Speichern kann, muss es täglich eingenommen werden. Vitamin C befindet sich hauptsächlich in Obst und Gemüse und hat mehrere Aufgaben im Körper. Es beteiligt sich an: der Wundheilung, der Bildung der (Stress-) Hormone der Nebenniere Adrenalin und Noradrenalin, der Bildung des Botenstoffs Serotonin, der für Empfindungen wie Müdigkeit und Sättigung verantwortlich ist, antioxidativen Vorgängen im Körper. Es "fängt" freie Radikale ein, und beugt somit bei bestimmten Krebskrankheiten (Mund-, Kehlkopf- und Speiseröhrenkrebs) vor, einer verbesserten Eisenresorption (-aufnahme) im Dünndarm, Abtransport giftiger Schwermetalle wie Blei, Nickel und Cadmium. Es bindet sie an sich und schwemmt sie aus unserem Körper, Bildung von Carnitin zusammen mit den Enzymen Lysin und Methionin, der enzymatischen Umwandlung von Cholesterin in Gallensäure

8 oder Vitamin D, Verbesserung des Immunsystems, indem es vermehrt Abwehrzellen mit erhöhter Aktivität bildet. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) empfiehlt eine Tagesration von 75mg Vitamin C. Bei Rauchern, Alkoholikern, Frauen, die die Pille nehmen, und bei Leuten, die Schmerzmittel mit dem Inhaltsstoff Acetyl nehmen, wird eine höhere Dosierung empfohlen. Mehr als mg pro Tag kann der Körper nicht aufnehmen, es tritt bei dieser Konzentration eine Sättigung des Gewebes ein. Dieses ist allerdings nicht schädlich, im Gegenteil, in letzter Zeit sind immer mehr Wissenschaftler der Meinung, dass sich die Mehreinnahme von Vitamin C positiv auf den Körper auswirkt. Man sagt, dass sich bei den Menschen, die täglich mehr Vitamin C als nötig einnehmen, das Krebsrisiko und die Anfälligkeit für andere Krankheiten wie zum Beispiel reduziert. Skorbut war bis ins 19. Jahrhundert eine Seefahrerkrankheit. Sie machte sich durch Zahn-, und Nägelausfall bemerkbar. Der Grund hierfür war der Mangel an Vitamin C. Die Seefahrer wussten damals nicht, dass diese Krankheit durch diesen Mangel auftritt. Später wurden Sauerkraut und Zitrusfrüchte als hohe Vitamin C Lieferanten entdeckt. Durch ungünstige Lagerung, dass heißt wenn man sie Sonnenstrahlung aussetzt oder nicht Trocken lagert, verringert sich der Vitamin C-Gehalt. Eine leichte Verfärbung beeinträchtigt die Wirkung nicht. Nun zu den chemischen Aspekten von Vitamin C. In der Chemie wird Vitamin C auch Ascorbinsäure (griech. Skorbut) genannt. Sie schmilzt bei einer Temperatur von C. In gelöster Form hält sich Ascorbinsäure nur wenn es nicht in Berührung mit Sauerstoff steht, da es ein starkes Reduktionsmittel ist. Sie reduziert ammoniakalische Lösungen, Jod und andere Oxidationsmittel bereits bei Raumtemperatur.

9 Bei der Oxidation entsteh bei der Zugabe von 2 H + und e - die antiskorbutische Dehydor-L-Ascorbinsäure. Die Strukturformel ähnelt Strukturformel eines Kohlehydrates, da es von ihm abstammt. Grund für den festen Aggregatzustand sind vielen OH-Gruppen und Ringstruktur. Diese Konstellation ermöglicht die Bildung mehrerer Wasserstoffbrücken. Zwischen Wasserstoffbrücken herrschen die stärksten Anziehungskräfte. Dadurch bildet sich auch die kristallisierte Form der Ascorbinsäure. der die die Wenn man Ascorbinsäure längere Zeit ungünstig lagert, dass heißt wenn man sie Sonnenstrahlung aussetzt oder nicht trocken lagert, dann verfärbt sie sich. Im früheren Stadium färbt sie sich gelblich. Nach längerer Zeit bräunlich. Eine leichte Verfärbung beeinträchtigt die Wirkung aber nicht. 4. Praktische Durchführungen einer maßanalytischen Untersuchung Am habe ich mich mit meinem Chemielehrer, Herrn Pfüller, in unserem Schullabor getroffen, um unterschiedliche Versuche zur der maßanalytischen Untersuchung durchzuführen. Herr Pfüller hatte alle Geräte und Lösungen vorbereitet. Zuerst habe ich Natronlauge gegen Salzsäure, danach gegen Ascorbinsäure und zum Schluss gegen eine in einem Liter aufgelöste Brausetablette titriert. In den folgenden Punkten werde ich die Versuche und ihre Ergebnisse näher erläutern. 4.1 Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Salzsäure

10 Der erste Versuch war lediglich dafür bestimmt, Erfahrungen im Umgang mit den Geräten und dem Ablauf zu sammeln. Mir standen eine 1 Molare Natronlauge, sowie eine 1 Molare Salzsäure zur Verfügung. Ich habe diese Lösungen je zu einer 0,1 Molaren Lösung verdünnt. Die Natronlauge habe ich in die Bürette gefüllt. Die Salzsäure (10 ml) habe ich mit fünf Tropfen Flüssigindikator in einen Titrierkolben gegeben und mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Dann habe ich die Probelösung in die Maßlösung tropfen lassen. Dabei habe ich den Titrierkolben mit meiner rechten Hand geschwenkt und die linke Hand immer am Ventil der Bürette gelassen, um den Äquivalenzpunkt nicht zu verpassen. Als dieser erreicht war, habe ich das Ventil geschlossen und die verbrauchte Menge an Probelösung abgelesen. Es waren 9,9 ml. Die bekannten Zahlen habe ich dann in die bekannte Formel eingesetzt. (siehe Punkt 2) Mit meinen Zahlen bekam ich eine Konzentration von 0,099 g/mol. Es ist eine leichte Abweichung von der korrekten Konzentration. Mögliche Gründe ergeben sich aus unter Punkt 2.2 genannten Faktoren. 4.2 Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Ascorbinsäure Der zweite Versuch war dafür gedacht, dass ich mich schon einmal mit Ascorbinsäure im Versuch auseinandergesetzt habe. Hierzu standen mir eine 1 Molare Natronlauge zur Verfügung und Ascorbinsäure (Pulver). Ich habe 17,6 g der Ascorbinsäure in einem Liter Wasser aufgelöst, um eine 0,1 Molare Lösung zu bekommen. Die Natronlauge habe ich wieder wie im vorherigen Versuch zu einer 0,1 Molaren Lösung verdünnt. Ich gab die Natronlauge in die Bürette und 10 ml der Ascorbinsäure mit fünf Tropfen Flüssigindikator in einen Titrierkolben. Dann habe ich die Natronlauge in die Maßlösung tropfen lassen. Dabei habe ich den

11 Titrierkolben mit meiner rechten Hand geschwenkt und die linke Hand immer am Ventil der Bürette gelassen, um den Äquivalenzpunkt nicht zu verpassen. Als dieser erreicht war, habe ich das Ventil geschlossen und die verbrauchte Menge an Probelösung abgelesen. Es waren 9,8 ml. Die bekannten Zahlen habe ich dann in die bekannte Formel eingesetzt. (siehe Punkt 2) Mit meinen Zahlen habe ich eine Konzentration von 0,098 g/mol errechnet. Es gab eine leichte Abweichung von der korrekten Konzentration. Mögliche Gründe ergeben sich aus unter Punkt 2.2 genannten Faktoren. 4.3 Säure-Base Titration von Natronlauge gegen Vitamin C-Brausetablette aufgelöst in Wasser In dem dritten Versuch sollte ich dann den Vitamin C-Gehalt einer Brausetablette herausfinden. Hierzu habe ich eine Brausetablette (4,55 Gramm) in einem Liter Wasser gelöst. Als Probelösung nahm ich wie schon in den vorherigen Versuchen Natronlauge (1 Molar). Die Natronlauge habe ich zu einer 0,1 Molaren Lösung verdünnt und in die Bürette gegeben. Von dem Liter Vitamin C-Brause habe ich 10 ml genommen und als Maßlösung mit fünf Tropfen Indikator in einen Titrierkolben gegeben. Dann habe ich die Natronlauge in die Maßlösung tropfen lassen. Dabei habe ich den Titrierkolben mit meiner rechten Hand geschwenkt und die linke Hand immer am Ventil der Bürette gelassen, um den Äquivalenzpunkt nicht zu verpassen. Als dieser erreicht war, habe ich Versuch 1 Versuch 2 Mittelwert Volumen der Maßlösung in ml Konzentration der Probelösung 0,1 0,1 0,1 Volumen der verbrauchten Probelösung in ml 1,95 1,9 1,925 Konzentration in mol 0,0195 0,019 0,01925 in gramm 3, , ,35181 das Ventil geschlossen und die verbrauchte Menge an Probelösung abgelesen. Diesen Ablauf habe ich zweimal durchgeführt und die Ergebnisse in folgende Tabelle eingefügt:

12 4.4 Analyse des Ergebnisses von 4.3 In dem ersten Versuch habe ich eine Konzentration von 0,0195 g/mol errechnet. Das wären 3,395 Gramm. Bei dem zweiten Versuch habe ich eine Konzentration von 0,019 g/mol errechnet. Das wären 3,308 Gramm. Aufgrund dieser Angaben habe ich mich entschlossen, keinen dritten Versuch durchzuführen, da die Ergebnisse sehr nah beieinander liegen. Aus den Versuchen habe ich den Mittelwert gebildet und dieses als Ergebnis meiner Untersuchung festgelegt. Daraus folgt, dass sich laut meiner Untersuchung 3,352 Gramm Ascorbinsäure in der untersuchten Brausetablette befand. Dieses Ergebnis hat mich allerdings nicht überzeugt. Ich habe mir überlegt, dass 3,352 Gramm Ascorbinsäure in einer Brausetablette mit einem Gewicht von 4,55 Gramm sehr hoch sei. Ich denke, dass sich in der Brausetablette noch eine zweite Säure befindet. Da die untersuchte Tablette einen Zitronegeschmack hat, habe ich auf die Verpackung geschaut und mir die Zusammensetzung der Brausetablette durchgelesen. Aufgrund der Angaben auf der Verpackung haben sich meine Vermutungen bestätigt. Neben der Ascorbinsäure befindet sich auch noch Zitronensäure in der untersuchten Tablette. Dies ist dann auch die Erklärung, dass ich so eine hohe Konzentration an Säuregehalt heraus bekommen habe. 5. Fazit Ich habe mit der Untersuchung einer Brausetablette auf ihren Vitamin C- Gehalt nur den Gehalt an Säure ermitteln können. Dies liegt daran, dass die Säure-Base Titration nur den Gehalt an Säure in einer Lösung bestimmen kann. Sie kann nicht bestimmen, wie viel von verschiedenen Säuren in einer Lösung vorhanden ist. Ich denke, dass ich trotz ungenauem Ergebnis viel über die Maßanalytik gelernt habe. Aufgrund der praktischen Durchführungen im Schullabor habe ich erfahren, dass die Chemie sehr vielfältig ist und immer genaue Angaben benötigt. Die Maßanalytik ist eine sehr interessante Wissenschaft, die, denke ich, eine große Zukunft hat. Denn je weiter die Menschen ins Weltall vordringen

13 werden, desto öfter werden sie auf Stoffe stoßen, die sie vielleicht noch gar nicht kennen. In Verbindung mit Biologie und Physik können sich immer neue Möglichkeiten an Wissenschaft und Forschung ergeben.