Qualitative Nachweise von Säuren und Basen

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1 Schulversuchspraktikum Miriam Jarrar Sommersemester 2012 Klassenstufen 9 & 10 Qualitative Nachweise von Säuren und Basen

2 Auf einen Blick: Dieses Protokoll beinhaltet 3 Lehrerversuche und 2 Schülerversuche für die Klassen 9 & 10 zum Thema qualitative Nachweise von Säuren und Basen. Die Lehrerversuche thematisieren die Synthese der ph-reihe von Rotkohlsaft und beinhalten 2 Showversuche. In den Schülerversuchen werden zunächst Indikatoren mit verschiedenen Haushaltsmitteln hergestellt und anschließend auf dessen Funktion untersucht. In dem zweiten Schülerversuch wird ein CO 2-Nachweis mit einem Indikator durchgeführt. Das Arbeitsblatt Versuch: Rotkohlsaft als Indikator kann im Anschluss an Lehrerversuch 1 eingesetzt werden. Inhalt 1 Konzept und Ziele Lehrerversuche LV 1 Rotkohl-Indikator LV 2 Farbe wechsle dich LV 3 Projizierte Indikatoren Schülerversuche SV 1 Indikatoren mit Haushaltsmitteln SV 2 CO 2-Nachweis mit Thymolphthalein Reflexion des Arbeitsblattes Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Erwartungshorizont (Inhaltlich) Literaturverzeichnis... 12

3 1 Konzept und Ziele 1 1 Konzept und Ziele Das Thema qualitative Nachweise von Säuren und Basen beinhaltet hauptsächlich die Funktion und den Einsatz von Säure-Base-Indikatoren. Diese sind schwache organische Säuren und Basen, die in der Lage sind je nach ph-wert ihre Farbe zu ändern. Somit zeigen sie an, ob eine Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist. Indikatoren haben eine intensive Eigenfärbung sodass schon geringe Mengen ausreichen um den Farbumschlag bei Veränderung des ph-werts anzuzeigen. Den SuS sind Säure-Base-Indikatoren aus dem Alltag in der Regel nicht bekannt. Sie kennen aber möglicherweise einige Pflanzen, dessen Farbigkeit vom ph-wert des Bodens abhängt. Beispiele hierfür sind Rotkohl, der auf saurem Boden wächst bzw. Blaukraut, der auf alkalischem Boden wächst. Weiter zeigt die Tellerhortensie (Hydrangea macrophylla) auf saurem Boden eine blaue Blüte und auf alkalischem Boden eine rosa Blüte. Im Kerncurriculum Niedersachen 2007 sind Indikatoren als Fachbegriff nicht vertreten. Man kann sie aber unter den Fachbegriff der Säure-Base-Reaktion fassen, der im Basiskonzept Chemische Reaktion zu finden ist (S.61). Darüber hinaus sollen die SuS im Basiskonzept Stoff- Teilchen Nachweisreaktionen auf das Vorhandensein von bestimmten Teilchen zurückführen (Fachwissen) und qualitative Nachweisreaktionen durchführen (Erkenntnisgewinnung)(S.56). In dem ersten Lehrerversuch wird Rotkohlsaft als Indikator verwendet. Es wird eine Farbreihe von ph 1 bis 14 aufgestellt. Anhand dieser Farbreihe können die SuS im Anschluss Lösungen aus dem Haushalt auf ihre sauren und basischen Eigenschaften testen. Der zweite und dritte Lehrerversuch dient dem spielerischen Kennenlernen und Arbeiten mit Indikatoren und besitzen nebenbei einen Showversuchs-Charakter. Es werden in dem zweiten Lehrerversuch zunächst farblose Flüssigkeiten zusammengegossen, wodurch die Lösung mehrfach ihre Farbe wechselt. Weiter werden in dem dritten Lehrerversuch in einer Petrischale mit Hilfe von Indikatoren, Säuren und Basen schöne Farbspiele erzeugt. In dem ersten Schülerversuch werden noch andere Haushaltsmittel getestet, die als Indikator genutzt werden könnten. Daraufhin werden die Synthesen von schwarzem Tee, Radieschen, Zwiebeln und Brombeermarmelade als Indikator beschrieben. In dem zweiten Schülerversuch wird ein CO 2-Nachweis mit Thymolphthalein durchgeführt. Dieser ist analog zu dem CO 2-Nachweis mit Kalkwasser, allerdings ist er nicht spezifisch.

4 2 Lehrerversuche 2 2 Lehrerversuche 2.1 LV 1 Rotkohl-Indikator In diesem Versuch wird Rotkohlsaft als Indikator verwendet. Es wird eine Farbreihe von ph 1 bis 14 aufgestellt. Anhand dieser Farbreihe können die SuS im Anschluss Lösungen aus dem Haushalt auf ihre sauren und basischen Eigenschaften testen. Gefahrenstoffe Natriumhydroxid H: 314 Salzsäure H: P: P: Materialien: Chemikalien: Durchführung: Reagenzgläser, Reagenzglasständer, ph-meter, Bechergläser, Brenner, Dreifuß Rotkohl, Salzsäure, Natriumhydroxid, dem. Wasser Herstellung des Rotkohl-Indikators: Die Rotkohlblätter werden klein geschnitten und in einem Becherglas mit dem. Wasser einige Minuten gekocht (bis das Wasser eine blaue Farbe angenommen hat). Nun wird Saft von den Rotkohlblättern durch Dekantieren getrennt. Herstellung der Farbreihe: Der Rotkohlsaft wird auf 14 Reagenzgläser aufgeteilt. Nun wird jeweils 1 M Salzsäure und 1 M Natronlauge hergestellt. Mit diesen beiden Lösungen können durch Mischen nun jeweils Lösungen der ph-werte 1 bis 14 hergestellt werden, wobei 1 M Salzsäure ph=1 und 1 M Natronlauge ph=14 entspricht. Beobachtung: Der Rotkohlsaft ändert je nach ph-wert seine Farbe. Im sauren Milieu entstehen rötliche und im Basischen grünlich-gelbe Farbtöne.

5 2 Lehrerversuche Abbildung 1 ph-reihe mit Rotkohlsaft Deutung: Entsorgung: Literatur: Rotkohl reagiert auf die sauren und basischen Eigenschaften anderer Stoffe. Es handelt sich um einen Indikator. Die Farbänderung rührt von den im Rotkohl enthaltenen Anthocyanen her, die als Säure-Base-Indikator wirken. Rotkohlsaft kann in den Abfluss gegossen werden. Starke Säuren und Basen müssen vorher neutralisiert werden. [1] R. Blume, Rotkohlsaft kann als Indikator im Chemieunterricht in vielerlei Hinsicht verwendet werden. Neben der Aufstellung der ph-farbreihe kann er als Indikator für jegliche Säure-Base-Reaktion verwendet werden. Die SuS könnten zum Beispiel verschiedene Haushaltsmittel, wie Reiniger, Waschmittel, Essigessenz oder sämtliche Fruchtsäfte, auf saure und basische Eigenschaften testen und mit der Farbreihe vergleichen. Nachteil ist die schnelle Verderblichkeit des Rotkohlsaftes. Eingefroren kann er aber gut aufbewahrt werden. 2.2 LV 2 Farbe wechsle dich Dieser Versuche dient dem spielerischen Kennenlernen und Arbeiten mit Indikatoren und besitzen nebenbei einen Showversuchs-Charakter. Durch Zusammengießen zunächst farbloser Flüssigkeit wechselt die Lösung mehrfach ihre Farbe. Gefahrenstoffe Salzsäure H: Natriumhydroxid H: 314 Thymolblau - P: P:

6 2 Lehrerversuche 4 Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Deutung: Entsorgung: Literatur: 5 Erlenmeyerkolben Salzsäure (c=1 mol/l), Natronlauge (c=1 mol/l), dem. Wasser, Thymolblau (Lösung in Ethanol) Der erste Kolben wird mit 75 ml Wasser gefüllt. In den zweiten Kolben werden einige Milliliter Thymolblau gegeben. In den dritten Kolben werden 60 ml Salzsäure gegeben. In den vierten Kolben werden 40 ml Natronlauge gegeben. In den letzten Kolben gibt man 80 ml Salzsäure. Das Wasser aus dem ersten Glas färbt sich mit dem Indikator gelb. Im zweiten Glas färbt sich das Wasser von gelb nach rot, im dritten blau und im vierten wieder rot. Grund für die Farbumschläge ist der zugegebene Indikator der in der Säure und in der Lauge jeweils seine Farbe ändert. Thymolblau weist folgende Umschlagsbereiche auf: ph 1,2 2,8: Farbänderung von violettrot nach bräunlichgelb ph 8,0 9,6: Farbänderung von gelbgrünlich nach blau Die Lösung wird neutralisiert und in den Ausguss gegeben. [2] LV 3 Projizierte Indikatoren Dieser Versuche dient dem spielerischen Kennenlernen und Arbeiten mit Indikatoren und besitzen nebenbei einen Showversuchs-Charakter. In einer Petrischale werden mit Hilfe von verschiedenen Indikatoren schöne Farbspiele gezeigt. Gefahrenstoffe Salzsäure H: P: Natriumhydroxid H: 314 P: Thymolblau - Natriumhydrogensulfat H: 318 P: Natriumcarbonat H: 319 P:

7 2 Lehrerversuche 5 Materialien: Chemikalien: Durchführung: Petrischalen Thymolblau, Salzsäure (c=0,01 mol/l), Natronlauge (c=0,01 mol/l), Natriumhydrogensulfat, Natriumcarbonat. Variante 1: Zu einer stark verdünnten Natronlauge werden einige Tropfen Thymolblau-Lösung geben und anschließend 2-3 mm hoch in eine Petrischale gefüllt. In die Mitte werden einige Kristalle Natriumhydrogensulfat geben. Variante 2: Die Petrischale wird mit einer schwach salzsauren, mit Thymolblau gefärbten Lösung gefüllt. In das Zentrum werden einige Körnchen Soda geben. Beobachtung: Es entstehen je nach Variante unterschiedliche Farbspiele. Durch die Zugabe des Salzes ändert sich die Farbe langsam über die gesamte Petrischale. Abbildung 2 links: Variante 1, rechts: Variante 2 Deutung: Entsorgung: Literatur: Grund für die Farbumschläge ist der zugegebene Indikator, der im sauren und basischen Milieu unterschiedliche Farben aufzeigt. Durch die Zugabe der Salze ändert sich die Farbe ebenfalls, da diese durch das Lösen leicht saure (Natriumhydrogensulfat), bzw. alkalische (Soda) Eigenschaften aufzeigen. Die Lösungen können mit viel Wasser in den Abfluss gegeben werden. [3] Es gibt bei diesen Versuchen unzählige Variationsmöglichkeiten. Besonders effektvoll sind Indikatoren, die mehrere Umschlagbereiche besitzen (Thymolblau) oder Indikatorgemische (Universalindikator).

8 3 Schülerversuche 6 3 Schülerversuche 3.1 SV 1 Indikatoren mit Haushaltsmitteln In den folgenden Versuchsteilen wird deutlich, dass es neben Rotkohlsaft noch andere Haushaltsmittel gibt, die als Indikator genutzt werden können. Im Folgenden werden die Synthesen von schwarzem Tee, Radieschen, Zwiebeln und Brombeermarmelade als Indikator beschrieben. Gefahrenstoffe Ethanol H: 225 P: 210 Materialien: Chemikalien: Durchführung: Becherglas, Brenner dem. Wasser, schwarzer Tee, Radieschen, Ethanol a) Schwarzer Tee: Ein Beutel schwarzer Tee wird in einem Becherglas mit 200 ml dem. Wasser stark erhitzt bis sich die Lösung dunkelbraun gefärbt hat. b) Radieschen: Die Radieschen werden zunächst geschält. Die Schalen werden in ein Becherglas gegeben und mit Ethanol überschichtet. Nach etwa 10 bis 15 Minuten ist die Extraktion so weit fortgeschritten, dass filtriert werden kann. c) Zwiebeln: Eine Zwiebel wird geschält und in kleinere Stücke geschnitten. Die Zwiebelstücke werden in dem. Wasser 1 min gekocht. Die Lösung wird von den Zwiebelstücken durch dekantieren getrennt. d) Brombeermarmelade: Ein Esslöffel Brombeermarmelade wird in 200 ml Wasser 1 min gekocht. Danach wird der Feststoff abgefiltert. Nach der Synthese der Indikatoren werden diese auf ihre Tauglichkeit geprüft und mit Lösungen mit jeweils verschiedenen ph-werten versetzt. Beobachtung: a) Abbildung 3 schwarzer Tee als Indikator (ph 1,4, 7, 10 und 14)

9 3 Schülerversuche 7 Durch Zugabe der Säure und Base zeigt sich die ph-abhängigkeit durch Farbintensität der Lösung b) Es kann beobachtet werden, wie sich der rote Farbstoff der Schalen zügig im Alkohol löst. Im Trichter bleiben blassrosa gefärbte Radieschenschalen zurück Abbildung 4 Radieschenschalen als Indikator (ph 1, 4, 7, 10, 14) Durch die Zugabe von Säure färbt sich die Lösung orange. Durch die Zugabe von Natronlauge färbt sie sich gelb. Bei den ph-werten 4-10 ist keine Farbänderung zu erkennen. c) Abbildung 5 Zwiebellösung als Indikator (ph 1, 4, 7, 10, 14) Bei den ph-werten 1 bis 10 sind keine Farbumschläge zu erkennen. Durch Zugabe von starker Lauge färbt sich die Lösung gelb. d) 1 14 Abbildung 6 Brombeermarmelade als Indikator links: ph 1, rechts: ph 14

10 3 Schülerversuche 8 Durch die Zugabe von Säure färbt sich die Lösung hellrot. Durch die Zugabe von Natronlauge färbt sie sich grün. In Abbildung 6 sind die Farbumschläge jeweils in dem oberen Bereich de Reagenzglases deutlich zu erkennen. Deutung: Entsorgung: Literatur: Grund für die Farbumschläge sind die Indikator-Eigenschaften der hier verwendeten Lösungen. Sie zeigen im sauren und basischen Milieu unterschiedliche Farben auf. Stark saure und stark alkalische Lösungen werden neutralisiert und in den Ausguss gegeben. [4] [5] Alternative: Rotwein und Roséwein sollen ebenfalls als Indikator fungieren. Im alkalischen soll eine deutliche Grünfärbung zu erkennen sein. 3.2 SV 2 CO 2-Nachweis mit Thymolphthalein In diesem Versuch wird ein CO 2-Nachweis mit Thymolphthalein durchgeführt. Dieser ist analog zu dem CO 2-Nachweis mit Kalkwasser, allerdings ist er nicht spezifisch. Gefahrenstoffe Thymolphthalein - Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Erlenmeyerkolben, Gärröhrchen mit durchbohrtem Stopfen Mineralwasser, Thymolphthalein Der Erlenmeyerkolben wird zu 2/3 mit Mineralwasser und das Gärröhrchen mit Thymolphthalein gefüllt. Nachdem das Gärröhrchen mit dem Stopfen auf den Erlenmeyerkolben gesetzt wird, wird kräftig geschüttelt. Das Thymolphthalein hat zu Beginn des Versuchs eine dunkelblaue Farbe. Während des Schüttelns des Erlenmeyerkolbens wird die Lösung nach kurzer Zeit farblos.

11 3 Schülerversuche 9 Abbildung 7 CO2-Nachweis mit Thymolphthalein. Links: vor dem Schütteln, Rechts: nach dem Schütteln Deutung: Thymolphthalein ist bei den ph-werten 1-7 farblos und bei ph 8 14 dunkelblau. Die dunkelblaue Farbe des Thymolphthalein vor Versuchsbeginn weist also auf einen alkalischen Charakter der Lösung hin. Durch das Schütteln gelangt das CO 2 aus dem Mineralwasser in das Gärröhrchen und sorgt für den Farbumschlag aufgrund seiner sauren Eigenschaft in Lösung. Entsorgung: Stark saure und stark alkalische Lösungen werden neutralisiert und in den Ausguss gegeben. Anmerkung: Das Thymolphthalein wird in Ethanol angesetzt und wird durch Zugabe einiger Tropfen Natronlauge dunkelblau.

12 Versuch: Rotkohlsaft als Indikator Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: 6 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Pipetten, ph-papier Rotkohlsaft, Zitronensaft, Essigessenz, Leitungswasser, Kernseife, Vollwaschmittel-Lösung, Sodalösung Gib jeweils 5 ml Rotkohlsaft in die 6 Reagenzgläser. Tropfe nun jeweils in ein Reagenzglas einige Tropfen folgender Lösungen mit einer Tropfpipette bis zur ausreichenden Färbung hinzu: Zitronensaft, Sodalösung, Leitungswasser, Kernseife, Essigessenz und Vollwaschmittel-Lösung. Lösung Farbe mit Rotkohlsaft ph-wert Auswertung: 1) Ordne die Reagenzgläser mit den hergestellten Lösungen in eine sinnvolle Reihenfolge. Notiere sie dir. 2) Beurteile die Funktionsweise von Rotkohlsaft als Indikator, indem du die Vor- und Nachteile diskutierst. 3) Nenne 3 weitere Lösungen aus dem Haushalt, die du mit Rotkohlsaft untersuchen kannst und gib den theoretischen Farbton in Rotkohlsaft an.

13 4 Reflexion des Arbeitsblattes 11 4 Reflexion des Arbeitsblattes Das Arbeitsblatt kann zu dem Versuch Rotkohl-Indikator eingesetzt werden. Voraussetzung ist, dass die Lehrperson die ph-reihe des Rotkohlsaftes bereits eingeführt oder vorbereitet hat, sodass die SuS ihre Lösungen mit der Reihe vergleichen können um diese einem entsprechenden ph-wert zuordnen zu können. Die Lernvoraussetzungen für diesen Versuch sind die Fachbegriffe ph-wert, Säure und Base, sowie die Funktion von Indikatoren. Die SuS sollen sich eigenständig mit dem Rotkohl-Indikator auseinandersetzten und verschiedene Säuren und Basen nach der Farbigkeit in Rotkohlsaft und nach dem ph-wert untersuchen. 4.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Erkenntnisgewinnung: Kommunikation: Die SuS führen qualitative Nachweisreaktionen durch. (Versuchsdurchführung) Die SuS argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig. (Aufgabe 2) Ergänzende Differenzierung (Fachwissen): ph-skala (Aufgabe 1 und 3) 4.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich) Beobachtung: Lösung Farbe mit Rotkohlsaft ph-wert Zitronensaft rot 2 Sodalösung gelb 12 Leitungswasser violett-blau 6-7 Kernseife blau-grün 9 Essigessenz pink 3-4 Vollwaschmittel-Lösung grün-gelb 11 Aufgabe 1 Zitronensaft Essigessenz Leitungswasser Kernseife Vollwaschmittel rot pink violett-blau blau-grün grün-gelb gelb Sodalösung Aufgabe 2 Der Rotkohlsaft als Indikator bietet eine große Farbvielfalt. Die ph-werte können den Farben deutlich zugeordnet werden. Er ist umweltfreundlich und kostengünstig. Ein Nachteil ist die schnelle Verderblichkeit.

14 5 Literaturverzeichnis 12 Aufgabe 3 Es gibt jede Menge Säuren und Basen aus dem Haushalt, die bei dieser Aufgabe genannt werden können. Einige Beispiele für Säuren sind Cola, Fruchtsäfte und allgemein verschiedene Obstsorten. Beispiele für Basen sind: Abflussreiniger, Duschgel und Spülmittel 5 Literaturverzeichnis [1] R. Blume, (Zuletzt abgerufen am um 19:35Uhr) [2] (Zuletzt abgerufen am um 19:45Uhr) [3] (Zuletzt abgerufen am um 19:48Uhr) [4] (Zuletzt abgerufen am um 19:53Uhr) [5] (Zuletzt abgerufen am um 19:58Uhr)