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V10 Iod-Stärke-Reaktion
Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit
Chemie Q2 Kohlenhydrate Stärke 1 h
Zusammenfassung
Verschiedene Stärkehaltige Produkte und verschiedene Stärken werden auf ihre
Reaktion mit Iod-Lösung hin untersucht. Ebenso wird die Hitzeeinwirkung auf eine Iod-
Stärke-Lösung und die Speicheleinwirkung getestet.
Einordnung in den Unterricht1
Der Versuch kann in der Qualifikationsphase Q2 zum Thema Kohlenhydrate
durchgeführt werden. Die Iod-Stärke-Reaktion sollte jeder Schüler und jede Schülerin
einmal selbst durchführen, da es sich um einen wichtigen Nachweis handelt. Der
Versuch kann im Anschluss an die Herstellung des Stärkekleisters gemacht werden. Zu
diesem Zeitpunkt ist der Aufbau von Stärke den SuS bereits bekannt und auch die
weiteren Aspekte der Zuckerchemie. Die Struktur der Stärkehelix sollte daher auch
bekannt sein. Die restlichen theoretischen Hintergründe sollen mithilfe des
Arbeitsblattes selbst erarbeitet werden. Zudem dürfte der Stärkenachweis den SuS
bereits aus dem Fach Biologie bekannt sein, da in der Klasse 7G.3 Fotosynthese und
Zellatmung bei den Themen, Bedeutung der Fotosynthese als Voraussetzung für das
Wachstum, die Fortpflanzung und Überwinterung und Bedeutung der Fotosynthese für
das Leben auf der Erde und unsere Ernährung, die Nachweisreaktionen von Glucose und
Stärke durchgeführt wird. Allerdings geschieht dies dort nicht auf dem gleichen
theoretischen Niveau.
1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).
Der Versuch
Die Durchführung
Abbildung 1: Die für den Versuch benötigten Materialien.
Herstellung des Nachweisreagenzes
Aus Betaisodona® oder Braunol-Lösung wird eine wässrige Lösung hergestellt. Dazu
wird eine Verdünnung von 1(Betaisodona®):50 (Wasser) hergestellt.
a) Iod-Stärke Reaktion von verschiedenen Speisestärken
Der Boden eines Schnappdeckelglases wird mit der jeweiligen Speisestärke bedeckt,
etwa 5 cm hoch Wasser hinzugefügt und geschüttelt. Dann wird Iod-Lösung mithilfe
eines Strohhalms hinzu getropft, bis eine deutlich sichtbare Verfärbung bestehen bleibt.
b) Iod-Stärke Reaktion von Nudeln und Reis
Die Iod-Stärke Reaktion wird wie in Versuchsteil a) durchgeführt. Dafür werden einige
Nudeln (Reis) in einem Glas mit etwas Wasser bedeckt und etwas der Iod-Lösung dazu
getropft. Danach werden einige Nudeln in einem Kochtopf in ein wenig Wasser gekocht,
genauso wird mit dem Reis vorgegangen. Danach wird etwas des Reis- oder
Nudelwassers und einige Reiskörner oder Nudeln in ein Glas gefüllt und die Iod-
Stärkereaktion durchgeführt.
Anschließend werden die mit Iod und Nudeln behandelten Lösungen erhitzt und es wird
beobachtet was geschieht.2
c) Iod-Stärke Reaktion von anderen Produkten
Vorgehensweise genauso wie in a).
Die Beobachtung
a) Wird zu den verschiedenen mit Wasser überschichteten, Speisestärke enthaltenen
Produkten etwas der Iod-Lösung getropft, so bilden sich blaue Schlieren. Wird mehr des
Nachweisreagenzes hinzugegeben, so färbt sich allmählich die gesamte Lösung blau.
Wird einige Zeit gewartet, so ist ersichtlich, dass sich die Lösung mit Maisstärke rötlich
verfärbt, wobei auch der Bodenkörper eine rote Färbung zeigt. Bei Produkten mit
Kartoffelstärke und Weizen stärke bleibt die blaue Färbung erhalten.
Verfärbung des Puddingpulvers bei Zugabe von Iod-Lösung:
Abbildung 2: Links: Verfärbung von Puddingpulver nach Zutropfen von 5 Tropfen Iod-Lösung. Blau-violette Verfärbung von Puddingpulver beim Zutropfen von 10 Tropfen Iod-Lösung.
2 Ein Film über das Erhitzen eines Iod-Stärke-Gemischs kann unter folgendem Link abgerufen werden: http://www.chids.de/dachs/filme/ueberblick_filme02.html#F0075.
Verfärbung der Maisstärke bei Zugabe von Iod-Lösung
Abbildung 3: Links: Zutropfen von 5 Tropfen Iod-Lösung. Mitte: Tiefe blau-violette Färbung beim Zutropfen von 10 Tropfen Iod-Lösung. Rechts: Rotfärbung des Bodenkörpers, nachdem die Lösung einige Zeit stehen
gelassen wurde.
Verfärbung des Backpulvers bei Zugabe von Iod-Lösung
Abbildung 4: Links: Verfärbung der Backpulverlösung nach Zugabe von 5 Tropfen Iod-Lösung. Rechts: Intensive Blaufärbung nach Zugabe von 10 Tropfen Iod-Lösung.
Abbildung 5: In der Übersicht Proben, nachdem sie einige Zeit stehen gelassen wurden. Rechts: Puddingpulver, Mitte: Backpulver, Links: Maisstärke
b) Wird der Nachweis mit den nicht gekochten Proben von Nudeln und Reis
durchgeführt, so ist keine Verfärbung der Lösung erkennbar.
Abbildung 6: Links: Zutropfen von Iod-Stärke-Lösung zu ungekochtem Reis. Rechts: Zutropfen von Iod-Stärke-Lösung zu ungekochten Nudeln.
Bei den gekochten Proben zeigt sich jedoch eine besonders intensive Färbung bei
Zugabe von nur zwei Tropfen des Nachweisreagenzes.
Abbildung 7: Links: Blaufärbung des gekochten Reis bei Zugabe von wenigen Tropfen Iod-Stärke-Lösung. Rechts: Blaufärbung der gekochten Nudeln nach Zugabe von wenig Iod-Stärke-Lösung.
Abbildung 8: Links: Blaufärbung des gekochten Reis bei Zugabe von 6 Tropfen Iod-Stärke-Lösung. Rechts: Blaufärbung der gekochten Nudeln nach Zugabe von 6 Tropfen Iod-Stärke-Lösung.
Werden die blauen Lösungen erhitzt, verschwindet die Färbung. Beim Erkalten der
Lösung taucht die blaue Färbung allmählich wieder auf.
Abbildung 9: Erhitzen der Iod-Stärke-Probe von Nudelwasser. Links Färbung vor dem Erhitzen. Rechts: Blaufärbung nach dem Erhitzen.
c) Die Probe mit den Haferflocken zeigt eindeutig einen positiven Stärkenachweis. Die
Probe erscheint intensiv blau. Beim Nachweis von Stärke in der Banane kann beobachtet
werden, dass auch diese Stärke enthält. Dabei zeigen sich zunächst an der Außenseite
blauschwarze Punkte. Wird das Stück Banane im Schnappdeckelglas gut geschüttelt so
ist eine leichte Blau Verfärbung der gesamten Lösung erkennbar. Der Nachweis ist
eindeutig positiv.
Abbildung 10: Links: positiver Stärkenachweis bei Haferflocken. Rechts: positiver Stärkenachweis bei einer Banane.
Entsorgung
Die Lösungen können mit viel Wasser in den Abfluss entsorgt werden. Sonstige Reste
können in den Bio- oder Haushaltsmüll entsorgt werden.
Fachlicher Hintergrund
Kohlenhydrate in Form von Stärke stellen einen wichtigen Teil unserer Nahrung dar.
Doch was nehmen wir da eigentlich zu uns? Informiere dich über Stärke. Wie ist sie
aufgebaut?
Stärke ist das Reservekohlenhydrat der Pflanzen. Sie ist ein Polysaccharid, also ein
Polymer, dass aus Monosaccharid-Einheiten aufgebaut ist. Sie wird auch als Polyglucose
bezeichnet, da sie aus vielen -D-Glucose-Einheiten besteht. Der Präfix bezeichnet die
axiale Stellung der Hydroxy-Gruppe am anomeren Zentrum. Dieses ergibt sich beim
Ringschluss der Glucose als ein neues Stereozentrum mit zwei unterschiedlichen
Anordnungsmöglichkeiten der Hydroxy-Gruppe. Steht die Hydroxy-Gruppe äquatorial
wird sie als gekennzeichnet.
O
OHOH
HH
H
H
HOHOH
OH
O
OH
OH
HH
H
H H
OHOH
OH
( OH-Gruppe steht axial)
( OH-Gruppe steht äquatorial) ( OH-Gruppe steht äquatorial) ( OH-Gruppe steht äquatorial)
anomeres Kohlenstoffatom
anomeres Kohlenstoffatom
a-D-Glucose -D-Glucose
Hauptstärkequellen sind zum Beispiel Kartoffeln, Weizen, Mais und Reis. Stärke lässt
sich in ihre zwei Hauptbestandteile Amylose und Amylopektin unterteilen. Die Glucose-
Einheiten der Amylose sind über -1,4-glycosidische Bindungen miteinander verknüpft.
Dies bedeutet, dass jedes C1-Atom eines -D-Glucose-Monomers mit einem C4-Atom
eines anderen -D-Glucose-Monomers verbunden ist; es bilden sich quasi Maltose-
Einheiten.3
3 Vgl. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.E.: Organische Chemie. S. 1292.
Amylose
O
OOH
HH
H
H
HOHO
OH
O
OOH
HH
H
H
HOH
OH
O
OOH
HH
H
H
HOH
OH
Maltose-Einheit
1
4
-D-Glucopyranose
Aus dieser Konfiguration des anomeren C-Atoms ergibt sich eine lineare, spiralförmige
Helixstruktur für die Amylose. Eine Windung der Helix wird aus 6-8 Glucose-Molekülen
gebildet.
eine Windung der Spirale in Amylose
OH
O
O
OH
OHO
OH
OO
OH
OH
OHO
O
OH
OH
O
OOH
OH OH
OO
OH
OH
OH
O
OOH OH
OH
O
O OH OHOH
OH
O
OOH
OHOH
O OH
OH
OH
OO
OH
OHO
OOH
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
O
O
OH
OHOH
OH
OO
OH
OH
OHO
OOH
OH
OH
O
O
OH
OH OH
OO
OH
OH
OH
O
OOH OH
OH
Helixstruktur der Amylose
Im Gegensatz dazu besitzt Amylopektin Verzweigungen, die hauptsächlich vom C6 jeder
fünfundzwanzigsten Glucose-Einheit abgehen.4
4 Vgl. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.E.: Organische Chemie. S. 1292.
O
O
OOH
HH
H
H
HOHO
OH
O
OOH
HH
H
H
HOH
O
O
OOH
HH
H
H
HOH
OH
O
OH
HH
H
H
HOH
OH
Verzweigungspunkt
Ausschnitt aus der Struktur von Amylopektin
-1,6-glycosidisch-verbunden
Dies bedeutet, dass die Glucose-Einheiten der Grundketten von Amylopektin wie bei
Amylose -1,4-glycosidisch verknüpft sind, woraus sich auch hier eine Helixstruktur
ergibt. Diese werden jedoch von -1,6-glycosidischen Verzweigungsstellen
unterbrochen.5
OH
O
O
OH
OHO
O
OO
OH
OH
OHO
O
OH
OH
O
OOH
OH OH
OO
OH
OH
OH
O
OOH OH
OH
O
OH
OHO
OH
O
OH
OHOH
OH
1,6-Verzweigung
eine Windung aus der Amylopektinspirale
Da der Mensch in der Lage ist, Stärke zu verdauen, gehört sie zu den wichtigsten
Bestandteilen unserer Nahrung. Als Zutat in Lebensmitteln, wird Stärke als Bindemittel
sowie als Füll- und Trägerstoff verwendet. Überdies spielt sie in der Chemie-, Papier-
und Verpackungsindustrie als biologisch abbaubarer, nachwachsender Rohstoff eine
bedeutende Rolle. Zunehmend werden aus unterschiedlichen Stärken Kleister,
5 Vgl. Ebermann, R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S. 43-45.
abbaubare Kunststoffe, abbaubare Verpackungen, Kleb- und Schmierstoffe sowie
sonstige Baumaterialien entwickelt.6
In der Industrie werden sogar sogenannte transgene Pflanzen kreiert, bei denen durch
Einklonieren von bestimmten Genen zum einen der Stärkegehalt an sich gesteigert wird
und zum anderen der Anteil von Amylopektin zu Amylose verändert wird. Dadurch
erhält die Stärke unterschiedliche Beschaffenheit, je nachdem für was sie verwendet
werden soll.7 Zum Beispiel werden spezielle Züchtungen von Maisstärken hergestellt,
bei denen der Amylopektingehalt um 90 % oder aber der Amylosegehalt um 80 %
gesteigert wird.8
Amylopektin wird vor allem industriell für die Herstellung von Stärkekleistern benötigt,
wohingegen Amylose eher zu gelierartigen Produkten führt, was nicht erwünscht ist. Da
die Trennung der beiden Bestandteile von Stärke chemisch und energetisch aufwändig
ist, wurde eine Industriekartoffel entwickelt, deren Stärke fast amylosefrei ist. Die
sogenannte Amflora sorgte als erste gentechnisch veränderte Nutzpflanze für viele
politische Grundsatzkonflikte, sodass sie erst am 02.03.2010 durch die EU-Kommission
zugelassen wurde – dreizehn Jahre nach dem ersten Zulassungsantrag.9
Was geschieht bei dem Nachweis von Stärke mit dem Reagenz aus Iod-
Kaliumiodid?
Elementares Iod ist kaum in Wasser löslich. Daher wird es normalerweise mit Kalium-
Iodid-Lösung vermischt, sodass Iod-Iodid-Komplexe, Polyiodid-Ionen, entstehen, die
sich im Wasser lösen. Eine solche Lösung wird auch Lugolsche Lösung genannt:10
6 Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung: Lexikon, Stärke, das in der menschlichen Nahrung vorherrschende Kohlenhydrat. In: Biosicherheit Gentechnik-Pflanzen-Umwelt. URL: http://www.biosicherheit.de/lexikon/751.staerke.html. Letzter Zugriff am: 26.08.2011. 7 Vgl. Schmid, R.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. S.176. 8 Vgl. Ebermann R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S. 43-45. 9 Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung: Gv-Stärkekartoffel als Nachwachsender Rohstoff Amflora- eine Kartoffel für die Industrie. In: Biosicherheit Gentechnik-Pflanzen-Umwelt. URL: http://www.biosicherheit.de/forschung/kartoffel/263.amflora-kartoffel-industrie.html. Letzter Zugriff am: 26.08.2011. 10 Vgl. Wiechoczek, D.: Der Iod-Stärke-Komplex. In: Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie. URL: http://www.chemieunterricht.de/dc2/mwg/g-iodsta.htm. Letzter Zugriff am: 26.08.2011.
+ I2(aq/s)I-
(aq) I3-
(aq)
+ 2 I2(aq/s)I-
(aq) I5-
(aq)
+ 3 I2(aq/s)I-
(aq) I7-
(aq)
In Betaisodona® kommt Iod in Form eines wasserlöslichen Komplexes, Providon, vor.
Darin liegt das Triiodid-Anion, I3-(aq), bereits ionisch an ein Kation gebunden vor,
wodurch die Löslichkeit in Wasser gegeben wird.11
Die braune Farbe im Wasser kann aufgrund der Bildung von sogenannten Charge-
Transfer-Komplexen beobachtet werden. Diese entstehen zum einen, indem eine
Elektronenübertragung vom jeweiligen Lösungsmittel ausgehend auf die I2-Moleküle
erfolgt. Zum Beispiel können freie Elektronenpaare der O-Atome Elektronendonatoren
sein. Zum anderen können auch die Iodid-Ionen im Iod-Iodid-Komplex als solche
fungieren. Folgendes Gleichgewichtsschema liegt der Bildung dieses Komplexes
allgemein zugrunde:
I2(aq/s) D I2-
(aq) D+
D = Elektronendonor
Die Elektronen in diesen Charge-Transfer-Komplexen sind leicht durch Absorption von
Lichtquanten anzuregen. Im Polyiodid-Ion sind drei Charge-Transfer-
Elektronenübergänge möglich, die alle im blauen Wellenlängenbereich des sichtbaren
Lichtes absorbieren. Die noch verbleibenden roten und gelben Wellenlängenanteile des
Lichtes erzeugen den braunen Farbeindruck der Lösung.12
Wird die wässrige Lösung von Polyiodid-Ionen nun mit Stärke vermischt, so bildet sich
ebenfalls ein Komplex, der Iod-Stärke-Komplex.
11 Vgl. Strecker, W.: Science, Hintergrundwissen, Desinfektionswirkstoffe, Povidon-Iod (PVP-Iod). In: BODE Chemie GmbH. URL: http://bode-chemie.de/science/hintergrundwissen/desinfektionswirkstoffe_povidon.php. Letzter Zugriff am: 26.08.2011. 12 Vgl. Riedel, E.: Anorganische Chemie. 6. Auflage. Berlin 2004. S.400, 702-703.
Iod + Stärke Iod-Stärke-Komplex
Dabei werden die Polyiodid-Ionen in die Spiralen der Stärkehelices eingelagert. Diese
Einschlussverbindung ist ebenfalls ein Charge-Transfer-Komplex, wobei die
Stärkemoleküle die Elektronendonatoren darstellen. Durch die dadurch entstehenden
Wechselwirkungen und die damit verbundene Elektronenanregung wird die
beobachtete blaue Farbe der Lösung hervorgerufen. Der auftretende Farbton wird durch
das Absorptionsmaximum beeinflusst, welches mit der Länge der Helix zusammenhängt.
Wird diese durch viele 1,6-Verzweigungen immer wieder unterbrochen, so wird das
Absorptionsmaximum verändert und die Lösung erscheint in einem anderen Blauton.
Bei Absorption von langwelligerem Licht, wie dies bei Amylose der Fall ist, wird eine
dunkelblaue Lösung erzeugt. Amylopektin hingegen absorbiert im kürzeren
Wellenlängenbereich, was zu einem roten Farbeindruck führt. Die Mischfarbe von
diesen zwei Anteilen ergibt dann den Gesamtfarbeindruck der Lösung. Dies erklärt auch,
warum bei dem Versuch der Farbnachweis mit Iod-Kaliumiodid zu unterschiedlichen
Blautönen führt. Je nachdem, in welchem Verhältnis die beiden Bestandteile der Stärke
vorliegen, erscheint die Lösung dem Betrachter eher dunkelblauviolett oder rotblau.
Daher kann so indirekt auf die Zusammensetzung der Stärken in den verschiedenen
Produkten geschlossen werden.13
Ein weiterer Punkt, der bei der Färbung mitschwingt, ist die unterschiedliche Löslichkeit
von Amylopektin und Amylose in Wasser. Beide Bestandteile der Stärke lösen sich in
heißem Wasser gut, allerdings löst sich Amylose schlechter in kaltem Wasser. Dies
konnte bei dem Versuch bei den Proben von Reis und Nudeln festgestellt werden. Die
Nudeln bzw. der Reis müssen zuerst gekocht werden, damit zum einen die Stäke aus den
Reiskörnern bzw. den Nudeln freigesetzt werden kann und sich zum anderen diese gut
im Kochwasser löst. Dies wird eindeutig durch die tiefblaue Farbänderung bei der
Zugabe von nur wenigen Tropfen Nachweisreagenz gezeigt.
Bei der Probe von Puddingpulver ist eine Mischfarbe zwischen rot und blau nach
Schütteln des Schnappdeckelgläschens zu erkennen, was darauf hinweist, dass beide
Anteile, Amylose und Amylopektin, in der Lösung vorliegen. Sobald das Gläschen jedoch
einige Zeit stehen gelassen wird, setzt sich ein eher rötlicher Bodenkörper ab. Dies
13 Vgl. Ebermann, R., Elmadfa, I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. S. 43-45.
bedeutet, dass die im Puddingpulver enthaltene Stärke zu einem großen Anteil aus
Amylopektin besteht. Bei den Proben von Maisstärke und Weizenstärke, die im
Backpulver enthalten sind, konnte festgestellt werden, dass sich in der Weizenstärke ein
großer Anteil an Amylose befindet, da die Lösung einen tiefblauen Farbton aufweist. Der
nach einiger Zeit entstehende Bodenkörper zeigt allerdings keine Färbung, sondern
erscheint weiß. Maisstäke ergibt mit Iod-Kaliumiodid-Lösung eher einen rötlichen
Farbton, was auf einen hohen Anteil an Amylopektin schließen lässt. Auch der
Bodenkörper, der sich nach einiger Zeit bildet, ist rot.
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