1 von 22 Eine Interaktionsbox zum Thema Vitamin C Jolanda Hermanns, Potsdam Niveau: Dauer: Sek. II 6 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachkompetenz: Anwendung und Verknüpfung der Inhalte der Themenfelder Säure-Base-Konzept und Redoxreaktionen anhand eines konkreten Beispiels aus dem Alltag: Vitamin C. Erkenntnisgewinnung: Durchführen, Planen und Auswerten chemischer Experimente, Verknüpfung chemischer Inhalte mit biologischen und historischen Inhalten. Kommunikation: Austausch und Diskussion über die Vorgehensweise bei der Erarbeitung, Präsentation von Inhalten sowohl innerhalb der Gruppe als auch vor der gesamten Lerngruppe. Bewertung: Relexion über die Erarbeitung, Diskussion über die Bedeutung von Vitamin C. Der Beitrag enthält Materialien für: ü Offene Unterrichtsformen ü Fachübergreifenden Unterricht Hintergrundinformationen ü Schülerversuche ü Diskussion Das Thema Vitamin C spielt in unserem Alltag eine große Rolle. Vor allem im Winter, wenn uns oft Erkältungen plagen, hört man, dass es günstig ist, Vitamin C zu sich zu nehmen. Die Werbung verspricht uns, dass es dafür nicht unbedingt nötig ist, Obst und Gemüse zu essen. Die einfache Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln wie z.b. Vitamin-C-Brausetabletten soll ausreichen, um unseren Vitamin-C-Haushalt im Gleichgewicht zu halten. Heutzutage treten Erkrankungen, die auf einen Vitamin-C- Mangel zurückzuführen sind, eher selten auf. In früheren Zeiten aber, vor allem im Winter, war es sehr schwierig, genügend Vitamin C zu sich zu nehmen. Ein historisches Beispiel für Vitamin-C-Mangel indet man bei den langen Seereisen der Seefahrer im 16. und 17. Jahrhundert. Skorbut war dort eine Krankheit, die immer mitfuhr. Chemisch ist Vitamin C (Ascorbinsäure) eine interessante Verbindung, da es sowohl Säure-Base-Reaktionen als auch Redoxreaktionen eingehen kann. Letztere Reaktionsart wird auch in der Lebensmittelindustrie ausgenutzt. Vitamin C wird dort als Konservierungsstoff eingesetzt und verhindert die Oxidation bestimmter Inhaltsstoffe, wenn diese in Kontakt mit dem Luftsauerstoff gelangen. Hinweise zur Didaktik und Methodik Das Säure-Base-Konzept und Redoxreaktionen sind zwei große Themenfelder aus der Sekundarstufe II. Das Thema Vitamin C bietet die Möglichkeit, diese zwei Themenfelder zu verknüpfen und die Inhalte dieser Themenfelder an einem konkreten Beispiel aus dem Alltag zu wiederholen. Durch die Erarbeitung der Inhalte mithilfe einer Interaktionsbox können die Schülerinnen und Schüler ihre Vorgehensweise selbstständig planen und festlegen. Die Box bietet die Möglichkeit, Unterrichtsinhalte, die für die Erarbeitung nötig sind, zu wiederholen oder zu festigen. Die verschiedenen Materialien (Experimente, Info-Texte, Gruppenpuzzle usw.) gewährleisten einen abwechslungsreichen und motivierenden Umgang mit der Thematik.
3 von 22 Materialübersicht M 1 Tx So gehen Sie richtig mit der Interaktionsbox um M 2 Tx Der Inhalt der Interaktionsbox M 3 SV Vitamin C in Lebensmitteln wer wird Testsieger? V: 5 min D: 10 min r verschiedene Lebensmittel (Obst, Gemüse) M 4 SV Frisch gepresst oder aus der Packung? V: 10 min D: 30 min r gekaufter Orangensaft r Orange (zum frisch Pressen) r Tillmanns Reagenz r Wasser dest. r Ascorbinsäure (Vitamin C) Teststäbchen r Obstpresse r 10-ml-Pipette r Bürette mit Ständer r Erlenmeyerkolben (250 ml) r Heizplatte M 5 SV Vorher schälen oder später pellen? Vitamin-C-Gehalt in Kartoffeln V: 15 min D: 45 min r rohe Kartoffeln r Becherglas (500 ml) r Wasser r Vitamin-C-Teststäbchen M 6 Tx Säure-Base-Konzept nach Brønsted r Gasbrenner r Dreifuß mit Drahtnetz r Tipps zu M 5 M 7 Tx Redoxreaktionen M 8 Ab Ein Lückentext zu Vitamin C D: 15 min M 9 Tx Ein Gruppenpuzzle zu Vitamin C D: 20 min M 10 Tx Vitamin C was ist das eigentlich? D: 15 min M 11 SV Welche Eigenschaften hat Vitamin C? Experimente V: 5 min D: 20 min r Ascorbinsäure (Vitamin C) r Wasser dest. r Natronlauge verd. r Phenolphthaleinlösung r Silbernitratlösung, r Universalindikatorpapier r Spatel r Pipetten r Reagenzgläser M 12 Tx Vorschläge zur Präsentation Ihrer Ergebnisse M 13 Tx Glossar Die Erläuterungen und Lösungen inden Sie ab Seite 19.
5 von 22 M 2 Der Inhalt der Interaktionsbox Das ist eure Interaktionsbox. Der Inhalt lässt sich in drei Kategorien unterteilen: I. Materialien r M 1 bis M 13 (Texte, Wiederholungen, Experimente, Glossar) auf buntem Papier und laminiert r Tipps zu M 5 (in beschrifteten Umschlägen) r Lösungen (in beschrifteten Umschlägen) II. Chemikalien / Experimentiermaterialien r Versch. Obst und Gemüse r Orange r Wasser dest. r Kartoffeln r Orangensaft r Tillmanns Reagenz r Wasser r Natronlauge verd. r Vitamin-C-Teststäbchen r Silbernitratlösung, r Ascorbinsäure (Vitamin C) r Phenolphthaleinlösung III. Die Interaktionsbox ist mit allen nötigen Materialien und Geräten bestückt Geräte r 10-ml-Pipette r Erlenmeyerkolben (250 ml) r Gasbrenner r Spatel r Reagenzgläser r Obstpresse r Bürette mit Ständer r Heizplatte r Becherglas (500 ml) r Dreifuß mit Drahtnetz r Pipetten
8 von 22 16. Eine Interaktionsbox zum Thema Vitamin C M 5 Vorher schälen oder später pellen? Vitamin-C- Gehalt in Kartoffeln Kartoffeln gehören zu unseren Grundnahrungsmitteln. Auch sie enthalten Vitamin C. Um Kartoffeln zu genießen, gibt es viele Zubereitungsmöglichkeiten: Salzkartoffeln, Pellkartoffeln, Bratkartoffeln oder auch Pommes frites. Würde man sie roh essen, bekäme man pro 100 g Kartoffeln etwa 20 mg Vitamin C. Durchschnittlich 100 mg Vitamin C sollte ein Erwachsener täglich zu sich nehmen. Der Haken ist nur, dass man Kartoffeln nicht roh essen sollte. Also kochen, doch wie? Schülerversuch: Gehalt von Vitamin C in Kartoffeln V: 15 min D: 45 min Chemikalien / Gefahrenhinweise r rohe Kartoffeln r Becherglas (500 ml) r Vitamin-C-Teststäbchen r Wasser Geräte r Gasbrenner r Dreifuß mit Drahtnetz r Tipps zu M 5 (siehe Erläuterungen und Lösungen, Seite 20) Achtung: Schutzbrille tragen! Entsorgung: Die Teststäbchen können über den Hausmüll entsorgt werden. Aufgabe Gourmet International empiehlt Ab jetzt essen wir nur noch Pellkartoffeln! Wussten Sie, dass geschälte Kartoffeln beim Kochen circa 30 % ihres ursprünglichen Vitamin-C-Gehalts verlieren? Bei Pellkartoffeln hingegen beträgt der Verlust nur circa 10 %. Deshalb haben wir für Sie in dieser Ausgabe tolle Rezepte mit Pellkartoffeln Planen Sie ein Experiment, mit dem Sie die Behauptung des obigen Artikels einer Kochzeitschrift überprüfen und erklären können. Meine Versuchsplanung Tipps: Brauchen Sie Hinweise zum Experiment? Dann schauen Sie sich die bereitgestellten Tipps zu M 5 an. Die Tipps sind durchnummeriert. Fangen Sie bitte mit Tipp 1 an. Allerdings: Die Tipps sollen Ihre eigene Planung nicht ersetzen! Sie können sie auch nach der Durchführung des Experiments als Kontrolle lesen.
11 von 22 M 8 Ein Lückentext zu Vitamin C Setzen Sie die folgenden Begriffe in den Lückentext und Sie werden viel Wissenswertes über Vitamin C erfahren. ausgeschieden Citrusfrüchte Ernährung Erstisolierung Glucose Handelsschiffe 100 mg / Tag Infektionen Lebensalter und Lebensweise Nebennierenrinden von Rindern Nobelpreis für Chemie Obst und Gemüse Redoxreaktionen Schwäche Therapieerfolge Überschuss Seefahrerkrankheit 60 000 Tonnen Skorbut Stoffwechselprozessen täglich Tiere und Planzen Tod Nahrung Versorgung Vitamine Zahnausfall Zufuhr 20. Jahrhunderts Der menschliche Organismus braucht zur Aufrechterhaltung vieler lebensnotwendiger Körperfunktionen. Da er diese nicht selber herstellen kann, sind wir auf die dieser Vitamine über die angewiesen. Vitaminmangel macht sich am Anfang vor allem durch die Anfälligkeit für bemerkbar. Die bekannteste Vitamin-C-Mangelerkrankung ist. Diese Krankheit plagt die Menschheit schon seit dem Altertum, wurde aber als erst richtig bekannt. Die Entdeckungsreisen der nach Indien, Ostasien und Ostafrika dauerten im 16. bis 18. Jahrhundert oft mehrere Monate bzw. Jahre. Die der Seefahrer war wegen der langen Zeit auf See problematisch. Eine rätselhafte Krankheit, Skorbut, trat hervor. Typische Symptome sind Blutergüsse, Schwellungen, vor allem des Zahnleischs,, Blutarmut, und letztlich der. Der schottische Arzt James Lind stellte während einer Seefahrt fest, dass Seeleute, die zu sich nahmen, nicht erkrankten. Seine publizierten fanden jedoch bei seinen Kollegen nicht die nötige Beachtung. Erst im frühen 19. Jahrhundert schaffte man es, durch die entsprechende, die Krankheit weitgehend zurückzudrängen. Die Entdeckung von Vitamin C als eigenständiges Vitamin fand Anfang des statt. Die von Vitamin C gelang dem ungarischen Biochemiker Szent-Györgyi Nagyrápolt. Er isolierte es aus. Wie wichtig Vitamin C ist, zeigt die Tatsache, dass es für die synthetische Herstellung den gegeben hat. Vitamin C wird heutzutage großtechnisch hergestellt. Über werden jährlich hergestellt. Der Mensch kann Vitamin C nicht herstellen, können dies jedoch. Die biochemische Synthese geht in beiden Fällen von aus. Ausgehend von dieser Verbindung wird Vitamin C auch großtechnisch produziert. Die Bedeutung von Vitamin C für unseren Körper liegt in der Fähigkeit des Vitamins, eingehen zu können. Das Redoxpaar Ascorbinsäure (Vitamin C) / Dehydroascorbinsäure ( oxidiertes Vitamin C ) spielt bei eine wichtige Rolle. Die Frage, wie viel Vitamin C wir zu uns nehmen müssen, lässt sich nicht so einfach beantworten. Sie hängt von den Faktoren ab. So müssen Raucher mehr Vitamin C zu sich nehmen, genau wie schwangere und stillende Frauen. Für Erwachsene wird eine tägliche Dosis von empfohlen. Größere Mengen zu sich zu nehmen, lohnt sich nicht, da ein an Vitamin C über die Niere wird. Eine ausgewogene Ernährung mit genügend reicht jedoch aus, um den Vitamin-C-Haushalt im Gleichgewicht zu halten.
18 von 22 16. Eine Interaktionsbox zum Thema Vitamin C M 13 Glossar Brønstedbase: Chemische Verbindung, die Protonen aufnimmt. Brønstedsäure: Chemische Verbindung, die Protonen abgibt. Bürette: Langes Glasrohr mit Milliliterangabe und Hahn. Wird benutzt, um gezielt eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit abzugeben. Der Verbrauch kann dann direkt an der Bürette abgelesen werden. Wird in einer Titration zur Gehaltsbestimmung bestimmter Stoffe eingesetzt. Dehydroascorbinsäure: Oxidierte Form der Ascorbinsäure (Vitamin C). Elektronenakzeptor: Chemische Verbindung, die Elektronen aufnimmt. Elektronendonator: Chemische Verbindung, die Elektronen abgibt. Glucose: Traubenzucker, Dextrose. Kommt häuig in süßen Früchten vor. Im Organismus tritt Glucose im Blut auf (normaler Blutzuckerspiegel: ca. 0,1 %). Glutathion: Tripeptid, welches in Hefe vorkommt. Es geht leicht in das entsprechende Disulid über und wirkt somit als Überträger bei Redoxprozessen. Indikator: Farbstoff, der seine Farbe abhängig vom ph-wert ändert. Indikatoren werden zur ph-wert-bestimmung, aber vor allem bei der Titration eingesetzt. Den Bereich, wo sich die Farbe ändert, nennt man Umschlagsbereich. Natronlauge: Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) in Wasser. Im Wasser liegen Na + - und OH - - Ionen vor. Nitritpökelsatz: Kochsalz (Natriumchlorid NaCl) mit 0,4 bis 0,5 Prozent Natriumnitrit (NaNO 2 ) Nitrosamine (R 2 N-NO): Entstehen aus sekundären Aminen und salpetriger Säure. Sind krebserregend. Oxidation: Die Abgabe von Elektronen. ph-wert: negativer dekadischer Logarithmus der H + -Ionen-Konzentration. Beindet sich der ph-wert zwischen 0 und 7, ist die Lösung sauer. Zwischen 7 und 14 ist sie basisch. Wenn der ph-wert genau 7 beträgt, ist die Lösung neutral. Phenolphthalein-Lösung: Farbstoff, der als Indikator bei Säure-Base-Reaktionen eingesetzt wird. Ist im sauren Milieu farblos, im stark basischen rosa. Protonenakzeptor: Chemische Verbindung, die Protonen aufnimmt. Protonendonator: Chemische Verbindung, die Protonen abgibt. Redoxreaktion: Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen. Reduktion: Die Aufnahme von Elektronen. Silbernitratlösung: Lösung von Silbernitrat (AgNO 3 ) in Wasser. Im Wasser liegen Ag + - und NO 3 - - Ionen vor. Skorbut: Vitamin-C-Mangelerkrankung, auch als Seefahrerkrankheit bekannt. Symptome sind Blutungen, Schwellungen, Blutergüsse, Zahnleischbluten und Zahnausfall. Führt bei andauerndem Vitamin-C-Mangel zum Tod.
20 von 22 16. Eine Interaktionsbox zum Thema Vitamin C Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Das Material M 1 soll den Schülern eine Einführung in die Methodik Interaktionsbox geben. Als Variante ist es möglich, diese Einführung zentral durchzuführen. Es ist sicherlich sinnvoll, kurz auf die Experimente und zu verwendenden Chemikalien einzugehen. Statt einer Präsentation am Ende der Erarbeitungsphase kann auch ein Protokoll angefertigt werden. Auch dieses Protokoll sollte die Vorgehensweise bei der Erarbeitung beinhalten. Erläuterung (M 3) Vitamin-C-Teststäbchen können über den Laborhandel bezogen werden und kosten etwa 20 Euro für 100 Stück. Die Farbreaktion, die bei Teststäbchen abläuft, beruht auf der Reduktion des gelb gefärbten Phosphormolybdatokomplexes durch Ascorbinsäure zu Molybdänblau. Erläuterung (M 4) Frisch gepresster Orangensaft und gekaufter zeigen oft große Unterschiede im Vitamin-C-Gehalt. Oftmals ist gekaufter Saft mit Vitamin C angereichert. Der Vergleich bietet eine gute Diskussionsgrundlage. Die Lösung von Tillmanns Reagenz ist möglichst frisch herzustellen und dunkel aufzubewahren. Hierzu werden 3,2941 g 2,6-Dichlorindophenol-Natrium-Salz-Hydrat in einem Liter destilliertem Wasser gelöst. Die Konzentration beträgt bei der Angabe 0,01 mol/l. Ein Verbrauch von 1 ml Tillmanns Reagenz entspricht 1 mg Vitamin C. Wenn man den genauen Gehalt an Tillmanns Reagenz bestimmen möchte, ist eine Eichtitration mit einer Ascorbinsäure-Lösung zu empfehlen. Es empiehlt sich, den Schülern mitzuteilen, welcher Verbrauch an Tillmanns Reagenz welchem Ascorbinsäure-Gehalt entspricht. Tillmanns Reagenz und Ascorbinsäure reagieren im Verhältnis 1:1. Wenn genügend Zeit zur Verfügung steht oder man diese Zeit investieren möchte, kann man die Eichung und anschließende Berechnung auch durch die Schüler durchführen lassen. Lösung (M 4) Der Vitamin-C-Gehalt in gekauftem Saft ist meistens höher als der Gehalt in frisch gepresstem Orangensaft. Der Gehalt bei dem frischen Saft ist natürlich stark abhängig von der Qualität bzw. der Frische der Orangen. Zusatz-Experimente: 2. Der Vitamin C-Gehalt nimmt beim Erhitzen ca. 20 % ab. 3. Nach 3 Tagen an der Luft ist die Abnahme ca. 15 %. Erläuterung (M 5) Die folgenden Tipps sollen in getrennte und entsprechend beschriftete Umschläge (z.b. M 5 Tipp 1) in die Interaktionsbox gegeben werden. Tipp 1: Bestimmen Sie mithilfe eines Teststäbchens den Vitamin-C-Gehalt einer rohen Kartoffel, nachdem Sie diese mit dem Messer durchgeschnitten haben. Um sicherzustellen, dass im Wasser kein Vitamin C enthalten ist, sollten Sie den Vitamin-C-Gehalt im Wasser ebenfalls bestimmen Tipp 2: Messen Sie eine genau deinierte Menge Wasser ab und suchen Sie zwei möglichst gleich große Kartoffeln aus. Schälen Sie eine der beiden Kartoffeln.