Kohlenhydrate im Kontext: Zucker viel mehr als süß!

1 von 40 Kohlenhydrate im Kontext: Zucker viel mehr als süß! Mathias Ebel, Aachen Mono-, Di- und Polysaccharide, durchgezählte Kohlenstoffatome und Oxidation von Hydroxyl- und Carbonylgruppen das soll interessant sein? Na klar! Die Chemie der Kohlenhydrate ist kompliziert, aber gerade in der Biologie von wirklich großer Bedeutung. Kohlenhydrate sind nicht nur Energieträger, sondern auch Baustoffe und als Teil der DNA sogar Informationsträger. Die vielfältigen biologischen Anknüpfungspunkte erleichtern es Ihren Schülern, sich die chemischen Grundlagen mithilfe der Selbstlernmaterialien anzueignen. Zahlreiche einfach durchzuführende Versuche zur Kohlenhydratchemie machen außerdem Spaß und neugierig auf die chemischen Hintergründe, die so nebenbei und mit viel Freude ergründet werden können. Welches Kind denkt bei Süßigkeiten schon an energiereiche Kohlenhydrate. Foto: Thinkstockphotos Selbstständig Experimentieren und Chemie verstehen! Das Wichtigste auf einen Blick Klasse: 9 Dauer: 10 11 Stunden Kompetenzen: Die Schüler können die Stoffklasse der Kohlenhydrate sinnvoll einteilen, wichtige Vertreter der Zucker nennen und deren Bedeutung, Vorkommen und chemischen Aufbau beschreiben. können chemische Nachweisreaktionen durchführen, auswerten und Reaktionsgleichungen aufstellen. können die Stärkeverdauung beschreiben. Aus dem Inhalt: Welche Bedeutung haben die Kohlenhydrate für den Organismus? Wie unterscheidet sich deren chemische Struktur? Wie kann man Kohlenhydrate chemisch nachweisen? Wie werden Stärke und Cellulose verdaut? Beteiligte Fächer: Chemie Biologie Anteil hoch mittel gering 03_Kohlenhydrate.indd 1 10.10.2012 13:31:28

12 von 40 Kohlenhydrate (Klasse 9) Mensch und Gesundheit Beitrag 3 IV M 4 Lernagenda Kohlenhydrate In dieser Übersicht seht ihr die Inhalte der weiteren Stunden dieser Unterrichtseinheit zum Thema Kohlenhydrate. Schaut euch die Übersicht an. Was machen wir gemeinsam und wo seid ihr gefragt? Experiment Wir untersuchen Limonade Start: Die Welt der Kohlenhydrate wichtige Energieträger Bedeutung für den Organismus Welche Kohlenhydrate gibt es und wie sind sie chemisch aufgebaut? Chemische Grundlagen Auf einem Blick Ziel: Ein kleiner Test zum Schluss Vorkommen und Bedeutung der Kohlenhydrate in der Natur chemische Grundlagen Fotos: Thinkstockphotos Experiment Weiterführende Versuche mit Zuckern Experiment Untersuchung von stärkehaltigen Lebensmitteln WANTED! Der Chemie der Zucker auf der Spur Macht den Brot-Stärke-Test! 03_Kohlenhydrate_FarbfolieM4.indd 12 08.10.2012 11:28:30

15 von 40 Dem Zucker auf der Spur: Wir untersuchen Limonade M 5 Das benötigt ihr Jeder weiß, dass Cola viel Zucker enthält sehr viel Zucker, nämlich in einem Liter ungefähr 100 Gramm Zucker. Genauer gesagt handelt es sich um den Kristall- oder Rohrzucker, der aus Zuckerrüben gewonnen wird. Wie sieht es aber mit Orangen- und Zitronenlimos oder Eistee aus? Die enthalten doch bestimmt nicht so viel Zucker, oder? destilliertes Wasser Rohrzucker (Saccharose) Limonade Gasbrenner Schutzbrille Waage fünf Reagenzgläser 10-ml-Messzylinder Trichter Spatel Reagenzglasklammer Siedesteinchen So führt ihr den Versuch durch 1. Wiegt fünf Portionen Zucker ab: 0,25 g, 0,5 g, 1,0 g, 1,5 g und 2,0 g. 2. Füllt die 0,25 g Zucker in ein Reagenzglas und erhitzt es mit der nicht leuchtenden Flamme des Brenners. Beobachtet genau die stattindende Reaktion. Schreibt eure Beobachtungen genau auf! 3. Löst die restlichen vier Zuckerportionen in jeweils genau 10 ml Wasser und gebt ein Siedesteinchen hinzu. 4. Erhitzt die vier Portionen Zuckerwasser vorsichtig mit der nicht leuchtenden Flamme des Brenners. Haltet dabei das Reagenzglas mit der Reagenzglasklammer schräg und schwenkt es vorsichtig. 5. Erhitzt das Zuckerwasser so lange, bis das Wasser vollständig verdampft ist. 6. Wiederholt den Versuch mit 10 ml Limonade. Gebt hier aber keinen Zucker hinzu! So wertet ihr den Versuch aus Vergleicht die Reaktion der fünf Zuckerwasserproben mit der der Limonade. Was konntet ihr bei allen Proben beobachten? Waren die Reaktionen unterschiedlich heftig? Wie viel Rückstand hat sich im Reagenzglas gebildet? Aufgaben 1. Beschreibt die Reaktion beim Erhitzen von Zuckerlösung und erklärt, welche Stoffe beim Erhitzen freigesetzt werden könnten. 2. Begründet aufgrund der Ergebnisse, aus welchen Elementen die Zuckermoleküle aufgebaut sind. 3. Erklärt, wie hoch in etwa der Zuckergehalt in der Limonade ist. 4. Beurteilt, ob man anstelle von Cola besser Limonade trinken sollte. Fotos: istockphoto 03_Kohlenhydrate.indd 15 10.10.2012 13:31:33

26 von 40 Kohlenhydrate (Klasse 9) Mensch und Gesundheit Beitrag 3 IV M 8 WANTED! Süße Moleküle gesucht! Kohlenhydrate sind nicht nur wichtige Energieträger, sondern auch Baustoffe und sie spielen sogar eine entscheidende Rolle als Speicher genetischer Information in der DNA. Ihr erfahrt hier die wichtigsten Infos, um Kohlenhydrate mit dem Molekülbaukasten zu konstruieren. Und ihr lernt ganz nebenbei vieles über die Grundlagen der organischen Chemie. GLUCOSE FRUCTOSE GALACTOSE LACTOSE SACCHAROSE Hinweis: Ihr benötigt hierzu einen Molekülbaukasten! Keine Idee, wie ihr die Aufgaben lösen sollt? Dann helfen euch sicher die Tippkarten weiter! Aufgaben für Kleingruppen mit drei bis fünf Gruppenmitgliedern 1. Beantwortet mithilfe der Informationen folgende Fragen: Welche Molekülformel hat ein Zucker mit 36 Kohlenstoffatomen? Aus wie vielen Ringen könnte er bestehen? 2. Zeichnet die Strukturformel eines der in Haworth-Projektion dargestellten Zucker a) bis e). Baut diesen Zucker mit dem Molekülbaukasten nach. Tauscht euer Zuckermodell mit dem einer anderen Gruppe und ordnet es den Zuckern a) bis e) zu. 3. Sucht mithilfe der Informationskarten die gesuchten Zucker. Tipp: Ihr müsst aus allen Informationen logisch kombinieren. 4. Baut mit einem Molekülbaukasten Glucose und Galactose und erklärt, wie sich die beiden Moleküle voneinander unterscheiden. Nummeriert auch deren C-Atome und nennt die C- Atome, die die beiden Moleküle miteinander verbinden. Begründet das treppenstufenförmige Aussehen des Lactosemoleküls. a) b) c) d) e) 03_Kohlenhydrate.indd 26 10.10.2012 13:31:35

27 von 40 Informationskarten zu M 8 Steckbrief Zucker Zucker sind Moleküle aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Alle Zucker schmecken süß. Zuckermoleküle enthalten für jedes Kohlenstoffatom zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Da ein Wassermolekül auch aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht, nennt man sie Kohlenhydrate (von hydros, griechisch: Wasser). Sie besitzen daher die allgemeine Molekülformel C n (H 2 O) n. Das n ist ein Platzhalter für die Anzahl der Kohlenstoffatome im Zuckermolekül. Der Traubenzucker Glucose hat beispielsweise sechs Kohlenstoffatome und daher die Molekülformel C 6 (H 2 O) 6. Üblicherweise schreibt man aber: C 6. Zucker besitzen zahlreiche Hydroxylgruppen ( OH). Glucose hat fünf Hydroxylgruppen. Die Zucker bestehen aus mindestens einem ringförmigen Molekül. Zucker aus einem Ring wie Glucose nennt man Monosaccharide. Zwei Monosaccharide werden zu einem Disaccharid verknüpft. Saccharose ist ein Disaccharid aus Glucose und Fructose. Daneben gibt es auch noch Trisaccharide usw. Von besonderer Bedeutung sind die Polysaccharide. Sie schmecken nicht süß und bestehen aus vielen miteinander verbundenen Zuckermolekülen, wie Stärke oder Cellulose. WANTED! Glucose Das gesuchte Molekül besteht aus einem Ring mit fünf Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Seine Molekülformel ist C 6. Man nennt ihn auch Traubenzucker, weil er als erstes in Weintrauben entdeckt worden ist. Er ist auch Bestandteil der Disaccharide Laktose (Milchzucker) und Saccharose (Rohrzucker). WANTED! Galactose Man nennt ihn auch Schleimzucker, weil er in den Schleimhäuten vorkommt. Auch Säuglinge schätzen ihn, weil er in der Muttermilch enthalten ist. Er sieht der Glucose zum Verwechseln ähnlich und hat die gleiche Molekülformel. Beide unterscheiden sich nur durch die Stellung einer Hydroxylgruppe. Im Unterschied zur Glucose, stehen in der Galactose genau so viele Hydroxylgruppen über dem Ring wie darunter. WANTED! Fructose Er kommt in der Natur vor allem in Früchten vor und heißt deswegen auch Fruchtzucker. Seine Molekülformel ist C 6. Ihn kann man ihn leicht von der Glucose unterscheiden. Seine Ringmoleküle haben im Gegensatz zur Glucose nur fünf Ecken. WANTED! Lactose Der Milchzucker Lactose indet sich in der Milch der Säugetiere. Er ist ein Disaccharid aus Galactose und Glucose. WANTED! Saccharose Der Rohrzucker Saccharose ist ein Disaccharid. Er besteht aus Fructose und Glucose, die miteinander verbunden sind. Man nennt ihn auch Rübenzucker. Fotos: Thinkstockphotos 03_Kohlenhydrate.indd 27 10.10.2012 13:31:37

37 von 40 Test: Prüfe dein Wissen zum Thema Kohlenhydrate M 11 Name: Klasse: Bearbeitungszeit: 20 Minuten Hinweis: Mehrere Antworten können richtig sein! Hinweis zu Bewertung: Fragen, in denen eine falsche Antwort oder eine richtige Antwort nicht angekreuzt wird, werden mit der Hälfte der Punktezahl bewertet. Sollten alle Antworten markiert werden, wird die Frage mit 0 Punkten bewertet. Frage 1: Man unterteilt die Kohlenhydrate (10 Pkt.) nach der Anzahl ihrer Hydroxylgruppen in beispielsweise Mono- und Dihydroxylide. in Polysaccharide und Zucker, die süß schmecken. in ketten- und ringförmige Moleküle, wie Stärke und Cellulose. nach der Anzahl der enthaltenen Moleküle, beispielsweise in Mono- und Disaccharide. Frage 2: In welchen Nahrungsmitteln kommt Fructose vor? In Honig und süßen Früchten. In Limonaden. In Brot. Frage 3: Was ist ein Kohlenhydrat? Ein Lebensmittel, das Zucker enthält, wie zum Beispiel Brot. Eine organische Verbindung mit der allgemeinen Molekülformel C n (H 2 O) n. Saccharose Frage 4: Welche funktionellen Gruppen enthält ringförmige Glucose? eine Carboxylgruppe ( COOH) Hydroxylgruppen ( OH) eine Carbonylgruppe ( CO) eine Ethergruppe (R O R) Frage 5: Das ringförmige Zuckermolekül mit der Molekülformel C 6... könnte Glucose sein. könnte als Zucker sechs Hydroxylgruppen enthalten. könnte als Zucker fünf Hydroxylgruppen enthalten. ist ein Disaccharid. (5 Pkt.) (5 Pkt.) (10 Pkt.) (10 Pkt.) 03_Kohlenhydrate.indd 37 10.10.2012 13:31:39