Versuchsprotokoll: Stärkefolie Zeitaufwand: Aufbau: 10 Minuten Durchführung: 30 Minuten + 1 Tag trocknen Abbau: 10 Minuten Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schuleinsatz Kartoffel- oder Maisstärke 50 g - - - SI+SII Glycerin 4 ml - - - SI+SII Materialien: - Zweihalsrundkolben mit einem Stopfen (beide NS 29) - Rückflusskühler - Kleiner Standzylinder (5-10 ml) - Magnetrührer mit Heizplatte - Rührfisch - Wasserbad oder Heizpilz - Glasplatte - Spatel
Versuchsaufbau: 1. Zugabe von Glycerin 2. Erwärmen ml Glycerin 3. Gemisch auf einer Glasplatte verteilen den. Wasser/Stärke- Suspension Abb.1 Aufbau des Versuchs Durchführung: 1. Zunächst werden in dem Rundkolben 5 g Kartoffelstärke in 50 ml Wasser suspendiert. 1 2. Zu dieser Suspension werden 4 ml Glycerin-Lösung gegeben. 3. Diese Mischung wird nun unter Rühren und Rückflusskühlung 15 Minuten lang erhitzt. 1 Dieser Versuch kann auch in einem mit einem Uhrglas abgedeckten Becherglas durchgeführt wer- 2
4. Das Gemisch sollte so viskos sein, dass es gerade so aus dem Kolben herauslaufen kann. Sollte das Gemisch zu fest geworden sein, kann man etwas Wasser hinzugeben und das Gemisch erneut erhitzen. 5. Das Gemisch wird nun auf einer Glasplatte verteilt und über Nacht trocknen gelassen. 6. Am nächsten Tag kann die Stärke vorsichtig unter Zuhilfenahme des Spatels entfernt werden. Beobachtung: Abb.2 Versuchsbeobachtung Die Stärke löst sich zunächst nicht im Wasser. Durch das Erhitzen im Wasserbad entsteht nach einiger Zeit eine zähflüssige Lösung, die sich gut auf der Glasplatte verteilen lässt. Am nächsten Tag kann man die Folie von der Glasplatte lösen, wobei man vorsichtig vorgehen muss, damit die Folie nicht einreißt. Entsorgung: Alle verwendeten Chemikalien und auch die Stärkefolie können in den Hausmüll/den Ausguss entsorgt werden. 3
Auswertung: 1. Struktur der Stärkekörner 2 Die Ablagerung von Stärke in Pflanzen erfolgt in Form von Stärkekörnern. Das Aussehen dieser Stärkekörner ist typisch für die jeweilige Stammpflanze (Abb.3). Abb.3 : Stärkekörner von verschiedenen Pflanzen (200fach vergrößert) Stärkekörner enthalten nahezu reine Stärke und haben einen Durchmesser von 10 μm (Reiskorn) bis 100 μm (Kartoffel). Die unterschiedlichen Verhältnisse von Amylose zu Amylopektin bestimmen die grundlegenden Eigenschaften der Stärken unterschiedlichen pflanzlichen Ursprungs. Die Stärkekörner weisen eine konzentrische Schichtung um einen Bildungskern (Hilum) herum auf. Die Schichtung der Stärkekörner ist dabei auf eine wechselnde Folge von Amylose und Amylopektin zurückzuführen. Stärke ist somit kristallähnlich (semikristallin) konstruiert. 2 RÖMPP Online, Stichwort Stärke (letzter Zugriff: 24.04.2010) 4
2. Quellung von Stärke/Bildung von Stärkekleister Wird Stärke in Wasser gegeben, so löst sich diese zunächst nicht. Wird das Wasser jedoch erwärmt, brechen zunächst die äußeren kristallinen Bereiche des Stärkekorns auf und das Stärkekorn nimmt langsam Wasser auf. Dies macht sich bereits durch ein leichtes Aufquellen bemerkbar. Bei weiterem Erhitzen quellen die Stärkekörner, auch aufgrund der immer größeren Wasseraufnahme, deutlich schneller auf. Durch weiteres Erwärmen brechen die kristallinen Strukturen des Stärkekorns, bei einem für die jeweilige Pflanze typischen Temperaturbereich, vollständig auf. Die Stärkekörner gehen in eine formlose, aufgedunsene Masse über, den sogenannten Stärkekleister. Die Quellung beruht dabei größtenteils auf der Aufnahme von Wasser in die molekularen Strukturen des Amylopektins. Der Quellvorgang ist irreversibel, so dass auch beim Erkalten der Flüssigkeit der Stärkekleister erhalten bleibt. Dieser Stärkekleister bildet auch beim Backen von Brot und ist damit dafür verantwortlich, dass das Brot die gewünschte Konsistenz erhält.. Abb.4 Quellen des Stärkekorns beim Erhitzen 5
3. Stärkefolie 3 Die Quellungseigenschaften der Stärke macht man sich auch bei der Herstellung von Stärkefolien zunutze. So bildet der Stärkekleister beim Erkalten einen spröden Film. Damit dieser Film nicht zu spröde wird, wird dem Stärkekleister Glycerin hinzugegeben, um dadurch die Ausbildung von kristallinen Bereichen zu verhindern. Dabei lagern sich die Glycerin-Moleküle zwischen den Stärkemolekülen an und bilden mit diesen Wasserstoffbrückenbindungen aus (Abb.5). Des Weiteren bindet Glycerin Wasser, wodurch ein Austrocknen und damit das Sprödewerden der Folie ausbleiben. Abb.5 Einlagerung des Glycerins Immer häufiger wird Stärke anstelle von Polystyrol als Verpackungsmaterial eingesetzt. Stärkefolien haben die den Vorteil, dass sie schneller verrotten. Dabei werden großtechnisch die Stärkefolien aus partiell oxidierter Stärke hergestellt, der sogenannten Aldehyd-Stärke. Die Aldehyd-Gruppen können sich mit Hydroxyl-Gruppen, der Glucose-Einheiten eines anderen Stärkemoleküls reagieren, wodurch es zu Quervernetzungen kommt. Diese Folien sind nicht mehr so leicht biologisch abbaubar. Ein Nachteil der Stärkefolien ist, dass sie nicht wasserresistent sind. Aus diesem Grund überzieht man die industriell gefertigten Stärkefolien mit einem wasserabweisenden Schutz. Dieser besteht aus Silanen, die in einer Kondensationsreaktion mit der Stärke reagieren. 3 http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff am 25.04.2010) 6
Didaktische Auswertung: Einordnung in den Lehrplan: Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen einzuordnen. In diesem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf nachwachsende Rohstoffe und modifizierte Naturprodukte eingegangen werden. Einordnung des Versuchs Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, die Durchführung ist einfach und auch die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Laut Hess- Giss -Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schülern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann. Wenn der Versuch durch die Lehrkraft gut vorbereitet wird, ist er in einer Einzelstunde durchführbar, wobei das Produkt (die getrocknete Folie) dann erst in der nächsten Stunde fertig ist. Anhand dieses Versuchs kann die Quelleigenschaft von Stärke besprochen werden. Diese Eigenschaft der Stärke ist allen Schülern bekannt, da sie die Grundvoraussetzung zum Backen von Brot ist. Des Weiteren werden auch alle Schüler bereits einmal (wissentlich oder unwissentlich) eine Stärkefolie in der Hand gehalten haben. Aus diesem Grund ist dieses Experiment nahe an der Wirklichkeit der Schüler. Das Ergebnis des Versuchs, die Folie, ist ein schönes Ergebnis, was die Schüler für diesen Versuch begeisterungsfähig macht. Literaturangaben: Walter, W. & Franck, W. (1998). Lehrbuch der Organischen Chemie (23.Auflage). Stuttgart Heidelberg: S.Hirzel Verlag. Elektronische Quellen: 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) http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm (letzter Zugriff: 25.04.2010) Abbildungsverzeichnis: Abb.3 RÖMPP Online, Stichwort Stärke (letzter Zugriff: 24.04.2010) 7
Abb.4 http://www.wissensforum-backwaren.de/files/lernreihe/kap_ii-2.pdf (letzter Zugriff: 08.05.2010) Abb.5 http://www.chids.de/dachs/expvortr/739kartoffel_kuhn.pdf (letzter Zugriff: 08.05.2010) 8