4 Doppelstunden Bezug zu den Einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung

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1 1 von 22 Speisesalz mehr als Natriumchlorid Hubert Giar, Büdingen Niveau: Dauer: Sek. II 4 Doppelstunden Bezug zu den Einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung (EPA) Fachkenntnisse und Fachmethoden: Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften und Verwendung erkennen, Kenntnisse über den Verlauf chemischer Reaktionen anwenden, erworbenes Wissen strukturieren, geeignete Modelle zur Beschreibung und Erklärung chemischer Sachverhalte anwenden, mathematische Verfahren und Hilfsmittel zur chemischer Aufgaben anwenden Kommunikation und Relexion: chemische Sachverhalte mit Symbolen, Formeln und Gleichungen darstellen, chemische Kenntnisse zur Erklärung von Lebensvorgängen nutzen, Aussagen aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten und bewerten Themenbereiche: Strukturen ausgewählter organischer und anorganischer Stoffe, Protonenübergänge, Elektronenübergänge, Gleichgewichtsreaktionen, Nachweisverfahren und quantitative Bestimmungen, chemische Produkte Basiskonzepte: Stoff-Teilchen-Konzept, Struktur-Eigenschafts-Konzept, Donator-Akzeptor-Konzept, Gleichgewichtskonzept Der Beitrag enthält Materialien für: ü Schülerversuche ü Lehrerversuche ü Abiturvorbereitung ü Hausaufgaben Hinweise zur Didaktik und Methodik Natriumchlorid als Hauptbestandteil der Speisesalze ist im Chemieunterricht ständig präsent. Es ist den Schülerinnen und Schülern auch wegen der häuslichen Anwendung bekannt und vertraut. Hier geht es um die Zusatzstoffe in diesen Salzen, die sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht werden. Die sind den Schülerinnen und Schülern aus dem Chemieunterricht und von täglichen Anwendungen zum großen Teil ebenfalls bekannt. So kann hier Bekanntes und Erlerntes zusammengeführt, neu strukturiert und erweitert werden. Bezüge zu den Erfahrungsbereichen werden ständig hergestellt. Der Schwerpunkt ist dabei das Experimentieren. Nur wenige Gefahrstoffe kommen dabei zum Einsatz. In der ersten Versuchsreihe (M 1) werden Nachweisreaktionen für Calcium-Ionen, Carbonat-Ionen, für Iodat-Ionen und Chlorid-Ionen mit einfachen Reagenzglasversuchen durchgeführt. In M 2 erfolgt die Bestimmung der Calcium-Ionen über das Ausfällen als Calciumoxalat und anschließender manganometrischer Titration der Oxalsäure. Es folgt die Bestimmung des Carbonats (M 3) durch Versetzen mit Salzsäure und Rücktitration mit Natronlauge. In einem Lehrerversuch (M 4) wird das Carbonat-Hydrogencarbonat-Gleichgewicht thematisiert. Die quantitative Analyse der Iodat-Ionen erfolgt in M 5 iodometrisch. Die Bestimmung der Fluorid-Ionen erfolgt in M 6 halbquantitativ. Dabei wird die Farbintensität einer, die von der Fluorid-Konzentration abhängig ist, mit einem Fotometer gemessen. Schließlich wird in M 7 gezeigt, dass ein Speisesalz mit Folsäure beim Erhitzen seine typische gelbe Farbe verliert. Die Auswertung der Versuche ist mit Aufgaben strukturiert. Berechnungen und das Formulieren von Reaktionsgleichungen sind immer wesentliche Bestandteile der Auswertungen. Im Einzelfall muss die Lehrkraft entscheiden, inwieweit jede einzelne

2 3 von 22 Beschlüsse der Kultusministerkonferenz: Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Chemie. Beschluss vom i. d. F. vom Luchterhand-Fachverlag. Köln In diesen sogenannten EPAs sind die Rahmenbedingungen für die schriftliche Abiturprüfung festgelegt. Internet Versteckt in Werbung für die eigenen Produkte sind in der Rubrik FAQ Detailinformationen zu inden. Weiterhin werden Lehrmaterialien in Form von Informations- und Arbeitsblättern und kurze Videosequenzen angeboten. Die Materialien sind überwiegend in der Sekundarstufe I einsetzbar. Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch M 1 Ab, SV V: 30 min D: 40 min Zusatzstoffe im Speisesalz r Speisesalz (iodiert) r Salpetersäure verd. r Natronlauge konz. r Silbernitrat- (1%ig), r Ammoniakwasser verd. r Kaliumiodid- (2%ig) r Kaliumiodat- (2%ig), r Stärkelösung (1%ig) r Essigsäure verd. r Ammoniumoxalat- (4%ig) r Reagenzglasständer r 16 Reagenzgläser r Messpipetten (10 ml,1 ml) M 2 Ab, SV V: 20 min D: 40 min M 3 Ab, SV V: 15 min D: 20 min Bestimmung von Calcium r Speisesalz r Essigsäure verd. r Ammoniumoxalat- (4%ig) r Schwefelsäure verd. r Kaliumpermanganat- (0,02 mol/l),, Warum sind Carbonate im Speisesalz? r Speisesalz r Salzsäure (0,01 mol/l) r Natronlauge (0,1 mol/l) r Lackmus- r Heizplatte r 2 Erlenmeyerkolben (300 ml) mit Stopfen r Trichter r Filter r Bürette r Magnetrührer und Rührfisch r Becherglas (150 ml) r Bürette r Pipette (1 ml)

3 4 von Speisesalz mehr als Natriumchlorid M 4 Ab, LV V: 15 min D: 15 min M 5 Ab, SV V: 15 min D: 30 min M 6 Ab, SV V: 20 min D: 30 min M 7 Ab, SV Hydrogencarbonat Bildung und Zerstörung r Speisesalz r CO 2 -Patrone Iodiertes Speisesalz r iodiertes Speisesalz r Salzsäure (0,1 mol/l) r Kaliumiodid- (0,01 mol/l) r Stärkelösung (1%ig) r Natriumthiosulfat- (0,01 mol/l) Fluorid im Speisesalz r vier Speisesalze mit und ohne Fluorid r Calciumcarbonat r Kaliumfluorid- (0,1%ig) r Salzsäure (0,1 mol/l) r Eisen(III)chlorid- (0,1 mol/l) r Kaliumthiocyanat- (0,1 mol/l) Folsäure ein organischer Zusatz r Waschflasche r Verbindungsrohr r Bunsenbrenner r Reagenzglas r Erlenmeyerkolben (300 ml) r Pipetten (10 ml, 5 ml) r Bürette r Messzylinder (250 ml) r 5 Erlenmeyerkolben (50 ml) r Messzylinder (50 ml) r 5 Messkölbchen (25 ml) r Messpipetten (1 ml, 5 ml) r Fotometer V: 5 min D: 5 min r Speisesalz mit Folsäure r Speisesalz ohne Folsäure Die Erläuterungen und en inden Sie ab Seite 15. r Bunsenbrenner r 2 Reagenzgläser

4 5 von 22 M 1 Zusatzstoffe im Speisesalz Schon auf den Verpackungen ist deutlich zu erkennen, dass Speisesalz Zusätze enthält. Diese Zusätze können Sie hier nachweisen. Schülerversuch: qualitative Analysen Vorbereitung: 30 min Durchführung: 40 min Chemikalien/Gefahrenhinweise r Speisesalz (iodiert) r Salpetersäure verd. r Natronlauge konz. r Silbernitrat- (1%ig), r Ammoniakwasser verd. r Kaliumiodid- (2%ig) r Kaliumiodat- (2%ig), r Stärkelösung (1%ig) r Essigsäure verd. r Ammoniumoxalat- (4%ig) Geräte r Reagenzglasständer r 16 Reagenzgläser r Messpipetten (10 ml,1 ml) Achtung: Schutzbrille tragen! Mit kleinen Mengen arbeiten! Entsorgung: Die silberhaltige kommt zu den Schwermetalllösungen (B1). Iod wird mit Thiosulfat reduziert und kommt dann wie die anderen en in den Abfluss (E1). Versuchsdurchführung Führen Sie die folgenden Versuche jeweils in Reagenzgläsern durch. Die Reaktionsgemische müssen stets kräftig geschüttelt werden. Die Mengenangaben sind nur Richtwerte. Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 a b 1 g Speisesalz in 10 ml Wasser + 2 ml Salpetersäure 1 g Natriumchlorid in 10 ml Wasser + 2 ml Salpetersäure 0,5 g Speisesalz + einige Tropfen Salpetersäure 0,5 g Natriumchlorid + einige Tropfen Salpetersäure 2 ml der von 1a + 1 ml Natronlauge 2 ml der von 1b + 1 ml Natronlauge 0,3 g Speisesalz in 5 ml Wasser + 1 ml Essigsäure + 1 ml Ammoniumoxalat-Lsg. 0,3 g Natriumchlorid in 5 ml Wasser + 1 ml Essigsäure + 1 ml Ammoniumoxalat-Lsg. a b Versuch 5 Versuch 6 Versuch 7 Versuch 8 1 ml der von 1a + 2 Tropfen Silbernitrat- 1 ml der von 1b + 2 Tropfen Silbernitrat- Ergebnis von 5a + 1 ml Ammoniakwasser Ergebnis von 5b + 1 ml Ammoniakwasser 1 ml der von 1a + 1 ml Kaliumiodid- 1 ml der von 1b + 1 ml Kaliumiodid- 1 ml der von 1a + 1 ml Kaliumiodat- 1 ml der von 1b + 1 ml Kaliumiodat- Aufgaben 1. Beschreiben Sie die Ergebnisse der Versuche 1 bis 8. Vergleichen Sie dabei jeweils auch die Teile a) und b). 2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen zu den Reaktionen, die bei den Versuchen 1 bis 8 ablaufen. 3. Fassen Sie zusammen, welche Ionen nachgewiesen sind.

5 11 von 22 M 6 Fluorid im Speisesalz gesunde Knochen und Zähne Für den Nachweis der Fluorid-Ionen wird zunächst aus Eisen(III)-Ionen und Thiocyanat-Ionen eine farbige, komplexe Verbindung hergestellt. Kommen zu dieser Verbindung Fluorid-Ionen, wird die Farbe blasser. Je mehr Fluorid-Ionen also dazukommen, desto blasser wird die. So können Sie nachweisen, ob eine Speisesalzlösung Fluorid-Ionen enthält und ob das eher eine große oder eine kleine Menge ist. Schülerversuch: Qualitativer Nachweis von Fluorid Vorbereitung: 20 min Durchführung: 30 min Chemikalien/Gefahrenhinweise r vier Speisesalze mit und ohne Fluorid r Calciumcarbonat r Kaliumfluorid- (0,1%ig) r Salzsäure (0,1 mol/l) r Eisen(III)chlorid- (0,1 mol/l) r Kaliumthiocyanat- (0,1 mol/l) Geräte r 5 Erlenmeyerkolben (50 ml) r Messzylinder (50 ml) r 5 Messkölbchen (25 ml) r Messpipetten (1 ml, 5 ml) r Fotometer Achtung: Schutzbrille tragen! Gebrauchsanweisung zum Fotometer beachten! Entsorgung: Die en kommen in den Abfluss (E1). Versuchsdurchführung 1. Zunächst wird die farbige, komplexe Verbindung hergestellt. Dazu kommen in einen Erlenmeyerkolben zu 20 ml Wasser erst 0,2 ml Eisen(III)chlorid- und dann 4 ml Kaliumthiocyanat-. è Jetzt soll gezeigt werden, dass sowohl Calciumcarbonat als auch Fluorid-Ionen die farbige Verbindung zerstören. Daher wird die Hälfte der farbigen mit einer Spatelspitze Calciumcarbonat versetzt und intensiv geschüttelt. Die andere Hälfte wird mit 1 ml Kaliumluorid- versetzt und ebenfalls intensiv geschüttelt. 2. Von den vier Speisesalzen und Natriumchlorid werden jeweils 4-g-Proben in einen kleinen Erlenmeyerkolben eingewogen, mit 18 ml Wasser versetzt und intensiv geschüttelt. Anschließend werden diese Ansätze jeweils in 25-ml-Messkölbchen iltriert. Es werden nacheinander jeweils 1 ml Salzsäure, 0,2 ml Eisen(III)chlorid- und 4 ml Kaliumthiocyanat- zugefügt. Dann wird mit Wasser bis zu den Markierungen aufgefüllt. è Jetzt können Sie die Färbungen der einzelnen en feststellen: Mit einem Fotometer messen Sie die Transmissionen der en bei 460 nm. Verschiedene Speisesalze MS MS-I MS-IFFo MS-IF In dem Markensalz (MS) sind als Zusatzstoffe nur Carbonate enthalten. Im linken Jodsalz (MS-I) zusätzlich noch Kaliumiodat, im mittleren (MS-IFFo) Kalumiodat, Kaliumfluorid und Folsäure und im rechten (MS-IF) Kaliumiodat und Kaliumfluorid. Warum ist Fluorid im Salz? Südsalz GmbH Fluorid ist als Spurenelement für den Aufbau von Knochen und Zähnen notwendig. Es ist in den Zähnen eingelagert, härtet den Zahnschmelz und schützt ihn vor schädlichen Einwirkungen von Bakterien und Säuren. Fluorid wirkt damit der Zahnkaries entgegen.

6 13 von 22 M 7 Folsäure ein organischer Zusatz nicht nur für Schwangere Das Vitamin Folsäure spielt im Körper eine wichtige Rolle bei allen Wachstums- und Entwicklungsprozessen. Es ist von besonderer Bedeutung in der Schwangerschaft, da es Fehlbildungen bei Neugeborenen verhindern kann (Abb. 1). Abb. 1: Embryo im 3. Schwangerschaftsmonat Datenblatt Folsäure Abb. 2 Quelle: obs/arbeitskreis Folsäure und Gesundheit Summenformel: C 19 H 19 N 7 O 6 andere Namen: Vitamin B 9, Folat, Pteroyl-mono-glutaminsäure, Schmelztemperatur: 250 C (Zers.) Löslichkeit in Wasser: schlecht: 1,6 mg/l bei 25 C Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung schlägt eine tägliche Zufuhr an Folsäure von 400 µg bis 600 µg vor. Allerdings nehmen zwei Drittel der Erwachsenen in Deutschland durchschnittlich weniger als 300 µg täglich zu sich. Daher wird einigen Lebensmitteln wie Mehl und Speisesalz Folsäure zugesetzt. Ob Nahrungsmittel mit Folsäure angereichert sind, kann man künftig sogar an einem Logo erkennen (Abb. 2). Das Siegel wird nur für angemessen mit Folsäure angereichertes Mehl oder an Salz, gegebenenfalls noch an Brot vergeben. Anders als beispielsweise in den USA und in Kanada wird es in Deutschland keine gesetzlich verplichtende, sondern nur eine freiwillige Anreicherung solcher Lebensmittel mit Folsäure geben. Somit kann der Verbraucher hierzulande selbst für seinen Gesundheitsschutz aktiv werden und sich über ein Lebensmittel mit Folsäurezusatz versorgen. Am besten ist allerdings die Verwendung von Produkten mit einem ausreichend natürlichen Gehalt an Folsäure. Das sind z. B. grünes Blattgemüse, Tomaten, Vollkornprodukte, Nüsse und besonders Weizenkeime. weitere Eigenschaften: fest, gelb, kristallin Nahrungsmittel Weizenkeime 500 Spinat 145 Grünkohl 60 Vollkornbrot 55 Nüsse Folsäuregehalt in µg pro 100 g Folsäuregehalt ausgewählter Lebensmittel Chemisch betrachtet ist Folsäure eine Verbindung aus der Pteroinsäure und der Glutaminsäure (Abb. 3). Die Verknüpfung erfolgt mit der Ausbildung einer Peptidbindung unter Abspaltung von Wasser. Die Pteroinsäure entsteht formal aus p-aminobenzoesäure und einem Pterinderivat. Pteroinsäure Glutaminsäure Abb. 3: Bausteine der Folsäure

7 15 von 22 Erläuterungen und en Erläuterung (M 1) Auf einem Reagenzglas werden Markierungen für 1 ml, 5 ml und 10 ml angebracht und dienen als Vergleich. Die entsprechenden Volumina der en können so mit Blick auf das markierte Reagenzglas freihändig in andere Reagenzgläser gefüllt werden. Da die angegebenen Mengen nur Richtwerte sind, kann so effektiv und ausreichend genau gearbeitet werden. en (M 1) Zu 1.: Versuch 1: Während Natriumchlorid sich in Wasser löst, ergibt das Speisesalz in Wasser keine klare. Das Speisesalz enthält also einen oder mehrere Zusätze, die in Wasser schwer löslich sind. Nach Zugabe von Salpetersäure entsteht auch mit Speisesalz eine klare. Versuch 2: Nur in dem Reagenzglas mit dem Speisesalz ist nach Zugabe der Salpetersäure eine deutliche Gasentwicklung festzustellen. Versuch 3: Mit Natronlauge bildet sich nur in der Speisesalzlösung ein voluminöser weißer Niederschlag. Versuch 4: Nach Zugabe der Essigsäure entsteht auch mit dem Speisesalz eine klare. Mit Ammoniumoxalat- bildet sich nur im Reagenzglas mit dem Speisesalz ein weißer Niederschlag. Versuch 5: Sowohl in der salpetersauren Speisesalzlösung als auch in der salpetersauren Natriumchlorid- entsteht mit Silbernitrat- ein weißer Niederschlag. Versuch 6: Die Niederschläge aus Versuch 5 lösen sich mit Ammoniakwasser auf. Versuch 7: Nur in dem Reagenzglas mit dem Speisesalz ist nach Zugabe der Kaliumiodid- und der Stärkelösung eine blaue Färbung festzustellen. Versuch 8: In keinem der beiden Reagenzgläser ist eine Veränderung festzustellen. Zu 2.: Versuch 1 und 2: Bei dem im Wasser schwerlöslichen Zusatz handelt es sich im Wesentlichen um Calciumcarbonat. Das wird mit verdünnten Säuren umgesetzt. Dabei entwickelt sich Kohlenstoffdioxid. CaCO H NO (aq) 3 -(aq) Ca NO + CO + H O (aq) 3 (aq) 2 2 Versuch 3: In dem Reagenzglas mit dem Speisesalz sind neben den Natrium-Kationen auch noch Calcium-Kationen enthalten. Die bilden mit Hydroxid-Ionen einen schwerlöslichen Niederschlag. Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Ca(OH) 2 (Calciumhydroxid) Versuch 4: Auch mit Oxalat-Anionen bilden die Calcium-Kationen in wässeriger und sogar in essigsaurer einen schwerlöslichen Niederschlag. Mit Salpetersäure oder Schwefelsäure könnte dieser Niederschlag wieder aufgelöst werden. Ca 2+ (aq) + C 2 O 4 2-(aq) CaC 2 O 4 (Calciumoxalat) Versuch 5 und 6: Chlorid-Anionen bilden mit Silber-Kationen auch in salpetersaurer einen Niederschlag. Der löst sich mit Ammoniakwasser wieder auf.