Zeitaufwand: Aufbau: 10 Minuten Durchführung: 20 Minuten Entsorgung: 5 Minuten Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Zur Herstellung der Calciumhydroxid-Lösung wird eine heiß gesättigte Calciumhydroxid- Schuleinsatz Hefe 2 Päckchen - - - SI +S II Haushaltszucker Saccharose C 12 H 22 O 11 1 Löffel - - - SI +S II Calciumhydroxid Ca(OH) 2 ca. 2 g 41 22-24-26-39 SI +S II Herstellung der Ca(OH) 2 -Lösung: Lösung hergestellt, die mit einem Faltenfilter filtriert wird. Materialien: - PE-Flaschen 250 ml (2x) - Gummistopfen (2x) - Löffel - Heizplatte mit Wasserbad - Pulvertrichter - Meßzylinder -
Versuchsdurchführung 1: - Luftballons (2x) - Rückschlagventil (2x) Versuchsdurchführung 2: - Gärröhrchen (2x) Versuchsaufbau: 1. ml Hefe Und: ml Ohne Zucker Zucker Substanz Mit Mit Zucker Wasser Wasser 2. Luftballons Gärröhrchen mit Ca(OH) 2 -Lösung Oder: Mit Ohne Mit Ohne on on on on Abb.1 Aufbau des Versuchs 2
Durchführung: 1. In zwei PE-Flaschen wird jeweils ein Päckchen Hefe gegeben. 2. Einer der beiden Flaschen wird zusätzlich ein Löffel Zucker hinzugefügt. 3. Anschließend werden in beide Flaschen 60 ml Wasser gefüllt und kräftig geschüttelt. 4. a) Versuchsdurchführung 1: Die Flasche wird mit dem Gummistopfen luftdicht verschlossen, in dem ein an ein Rückschlagventil befestigtes Stück Schlauch hängt. An der andern Seite des Ventils befindet sich ein Luftballon. 4. b) Versuchsdurchführung 2: Die Gärröhrchen werden mit Calciumhydroxid-Lösung befüllt. Anschließend werden die mit einem Gummistopfen versehenen Gärröhrchen auf die Flaschen gesteckt, so dass diese luftdicht verschlossen sind. 5. Beide Flaschen werden nun in ein warmes Wasserbad gestellt. Beobachtung: Nach wenigen Minuten im warmen Wasserbad ist ein Aufschäumen der Lösung in der mit Zucker versehenen Flasche zu erkennen. Versuchsdurchführung 1: Abb.2 Versuchsbeobachtung Zu Beginn sieht es so aus, als würden sich beide Luftballons aufblähen. Nach einiger Zeit dehnt sich der Luftballon auf der Flasche, in der sich kein Zucker befindet, jedoch nicht mehr aus. Der Ballon auf der Flasche, in die Zucker gegeben wurde, bläht sich nach wenigen Minuten prall auf. 3
Versuchsdurchführung 2: Abb.3 Versuchsbeobachtung Zu Beginn des Versuchs ist an beiden Gärröhrchen eine Gasentwicklung zu beobachten. Nach wenigen Minuten lässt jedoch die Gasentwicklung an der Flasche, in der sich kein Zucker befindet, etwas nach. Die Lösung in dem Gärröhrchen verändert sich nicht. In dem Gärröhrchen, das auf der mit Zucker gefüllten Flasche steckt, nimmt die Gasentwicklung stetig zu, bis ein gleichmäßiger Gasstrom zu erkennen ist. In der Lösung dieses Gärröhrchens ist eine Trübung zu erkennen, es fällt ein weißer Niederschlag aus. Entsorgung: Die Flaschen können in den Ausguss entleert werden 4
Auswertung: 1. Hefe Als Hefen werden einzellige Pilze bezeichnet, die in Lebensräumen gedeihen, in denen Zucker verfügbar ist. So findet man Hefen z.b. auf Früchten, Blüten und Baumrinden. Die meisten Hefen sind fakultativ aerob. Dies bedeutet, dass sie sowohl zu aeroben Stoffwechsel durch Atmen, als auch zu fermentativen Stoffwechsel, befähigt sind. Die Fähigkeit des fermentativen Stoffwechsels wird schon seit frühgeschichtlicher Zeit zur alkoholischen Gärung benutzt. Die kommerziell wichtigsten Hefen sind die Back- und Brauhefen, die zumeist Angehörige der Gattung Saccharomyces (Zuckerpilz) sind. Diese industriell angewandten Hefen sind vermutlich ziemlich verschieden von den Wildtypstämmen von Früchten und daraus zubereiteten Säften. Diese Wildtypstämme wurden über viele Jahre durch sorgfältige Selektion und (in der heutigen Zeit) durch genetische Veränderungen in Hinblick auf die erwünschte Leistung verbessert. 1 Hefezellen für die Back- und Nahrungsmittelindustrie werden kommerziell in so genannten Fermentern gezüchtet. Dies sind große belüftete Tanks, die mit Melasse gefüllt sind. Diese Melasse besteht aus Zucker, Mineralien, Vitaminen und Aminosäuren, welche die Hefen benötigen. Durch Zentrifugation werden dann die Hefezellen gewonnen und entweder zu komprimierten Hefewürfeln oder zur Trockenhefe weiterverarbeitet. Die Hefewürfel haben einen Wasseranteil von etwa 70 %, weshalb sie im Kühlschrank gelagert werden müssen. Durch das Mischen mit Zusatzstoffen und dem Trocknen im Vakuum auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 8 % wird die Trockenhefe hergestellt. Diese wird in luftdichten Behältern verpackt und ist somit auch ohne Kühlung längere Zeit haltbar. 2 2. Stoffwechsel der Hefe Bei der Herstellung von Brot und alkoholischen Getränken macht man sich meistens die Hefe Saccharomyces cervisiae zunutze, um CO 2 oder Alkohol zu gewinnen. Wie bereits beschrieben, ist diese Art von Hefen dazu in der Lage zwei verschiedene Metabolismen durchzuführen, die Fermentation und die Atmung. So wachsen Hefen bei der Anwesenheit von Zuckern, wobei weitere Hefezellen und CO 2 (aus dem Citronensäurezyklus) entstehen: 3 Hefe (1) C 12 H 22 O 11 x CO 2 + y H 2 O (+weitere Hefezellen) 1 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.532 2 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.1109 3 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.135 5
Unter anaeroben Bedingungen (sauerstofffrei) geht die Hefe dann zum fermentativen Metabolismus über, wobei Alkohol und Kohlenstoffdioxid entstehen: (2) C 12 H 22 O 11 Hefe x C 2 H 5 OH + y CO 2 Ethanol Bei diesem fermentativen Metabolismus, in dem Alkohol entsteht, spricht man auch von der alkoholischen Gärung. Auf diese Weise wird auch Wein oder Bier gewonnen: Bei der Weintraubenlese gelangen kleine Mengen von Hefezellen, die sich auf den Trauben befinden, in den Most. Während der ersten Tage wachsen die Hefezellen und durch ihre Atmung verbrauchen sie den Sauerstoff. Sobald der Sauerstoff verbraucht ist, setzt die Fermentation ein und es wird Alkohol gebildet. Dieser Übergang vom aeroben zum anaeroben Metabolismus ist sehr wichtig und es muss dafür gesorgt werden, dass keine Luft mehr an den Fermenter (das Innere des Weinfasses) gelangt, damit auch weiterhin Alkohol gebildet wird. 4 In manchen Teilen der Welt, in denen es viel Zucker, jedoch wenig Öl gibt (z.b. Brasilien), wird der Alkohol für Benzin aus Zucker und Hefe gewonnen. Des Weiteren wird die Hefe als Treibmittel genutzt. Hierbei ist jedoch nicht die Produktion von Alkohol entscheidend, da dieser sich beim Backen verflüchtigt. Der entscheidende Stoff beim Backen ist das Gas CO 2, das dem Teig Volumen verleiht. 3. Auswertung des Versuchs Zu Beginn des Versuchs scheint sich in beiden Flaschen ein Gas zu entwickeln, da eine leichte Gasentwicklung an den Gärröhrchen zu erkennen ist bzw. beide Luftballons sich etwas aufblasen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich durch das warme Wasserbad auch die vorhandene Luft in der Flasche erwärmt. Durch diese Erwärmung dehnt sich die Luft aus und es kommt zu dem beschriebenen Effekt. Im Laufe des Versuchs entsteht dann in der Flasche, in die ein Löffel Zucker gegeben wurde, ein Gas, das den Luftballon aufbläht, bzw. am Gärröhrchen als Luftblasen zu erkennen ist. Dies ist durch die Reaktion der Hefe mit dem Zucker zu erklären (vgl. Reaktionsgleichung (1) und (2)). So wird zunächst mit dem vorhandenen Sauerstoff ein aerober Stoffwechsel stattfinden (1), bis dieser verbraucht ist und der Metabolismus zum anaeroben Stoffwechsel übergeht (2). Bei beiden Reaktionsgleichungen entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid, das für das Aufblähen des Luftballons verantwortlich ist. 4 Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009) S.135 6
Der weiße Niederschlag, der in dem Gärröhrchen entstanden ist, kann anhand des Kalkkreislaufes 5 erläutert werden (Abb.4). Abb.4 Der Kalkkreislauf Wie man sieht, reagiert das durch die Hefepilze produzierte Kohlenstoffdioxid mit dem Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat: Ca(OH) 2 (aq) + CO 2 (g) CaCO 3 Calciumcarbonat ist mit 14 mg/l bei 20 C 6 ein in Wasser kaum lösliches Salz, das nach der Bildung im Gärröhrchen für den weißen Niederschlag verantwortlich ist. So dienen Calciumhydroxidlösungen dem Nachweis des Gases Kohlenstoffdioxid. In der Flasche, der kein Zucker zugegeben wurde, fällt der Kohlenstoffdioxidnachweis im Gärröhrchen negativ aus bzw. der Luftballon bläht sich nicht auf. Dies liegt daran, dass den Hefepilzen in dieser Flasche das Nahrungsmittel (der Zucker) fehlt. Aufgrund dieser Diät kann die Hefe auch nichts verstoffwechseln und produziert somit auch kein Kohlenstoffdioxid. 5 Elborn W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.222 6 RÖMPP Online, Stichwort Calciumcarbonat (letzter Zugriff: 08.04.2010) 7
Didaktische Auswertung: Einordnung in den Lehrplan: Dieser Versuch kann zu verschiedenen Themen des Lehrplans seine Anwendung finden. So kann dieser Versuch bereits in der Sekundarstufe I beim Thema Ethanole und Alkohole in der Einführungsphase E2 Einführung in die Kohlenstoffchemie durchgeführt werden. Des Weiteren passt dieser Versuch auch in die Qualifikationsphase Q1 Kohlenstoffchemie I: Kohlenstoffverbindungen und ihre funktionellen Gruppen. In diesem Themenbereich werden unter anderem die Alkanole behandelt. Eine dritte Möglichkeit zur Durchführung des Versuchs ergibt sich in der Qualifikationsphase Q 2 Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen. Hierbei ist das Thema Kohlenhydrate genannt, zu welchem dieser Versuch wichtige Prinzipien veranschaulicht. Einordnung des Versuchs: Die Verwendung von Hefe und Haushaltszucker macht den Versuch für die Schüler interessant, da beide Produkte aus dem Alltag bekannt sind. Die verwendeten Chemikalien dürften die meisten Schüler zu Hause haben oder sie sind zumindest leicht zu beschaffen. Auch den Aufbau kann man leicht improvisieren. 7 Aus diesem Grund eignet sich dieser Versuch auch sehr gut als chemische Hausaufgabe. In diesem Versuch wird ein Alkohol (Ethanol) dargestellt, wodurch der Versuch auch zum Einstieg in dieses Thema geeignet ist. Des Weiteren könnte man auch den Abbau der Kohlenhydrate durch Hefe besprechen. Dies ermöglicht auch einen fächerübergreifenden Unterricht, da das Thema Hefe/Stoffwechsel auch in der Biologie thematisiert wird. Anhand dieses Versuches kann auch der unter Umständen in der Mittelstufe behandelte Kalkkreislauf nochmals thematisiert und wiederholt werden. Literaturangaben: Elborn W. & Jäckel, M. & Risch, K.T. (Hrsg.). (1998). Chemie Heute: Sekundarbereich II (1. Auflage). Hannover: Schroedel Verlag GmbH. Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009). Brock Mikrobiologie (11. Auflage). München: Pearson Education Deutschland GmbH. Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (2009). Brock Mikrobiologie (11. Auflage). München: Pearson Education Deutschland GmbH. Elektronische Quellen: 7 Der Versuch kann auch mit einer kleinen Flasche auf den ein Luftballon gestülpt wird durchgeführt werden. 8
Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule HessGISS - 2008/2009, Version 13.0 RÖMPP Online, Version 3.2, verfügbar unter http://www.roempp.com/prod/index1.html (lizenzpflichtig, zuletzt abgerufen am 14.03.2010) Abbildungsverzeichnis: Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt. 9