29. Synthetische Farbstoffe in Getränken4 von 28

58 RAAbits Chemie, Januar 2017

II/H

Materialübersicht

· V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie

Alle Materialien sind als SV pro Gruppe zu sehen.

M 1 Fo/Ab Lichtabsorption und Farbigkeit

· V: 3 min

· D: 45 min

rFarbfolie und Klassensatz (Farb)kopien von M 1

rFarbige Getränke

M 2 Fo/Ab Synthetische Farbstoffe in Getränken (eine Auswahl)

· V: 3 min

· D: 45 min

rFolie und Klassensatz Kopien von M 2

M 3 SV/LV „Blue Curaçao“ – blau und wie?

· V: 15 min

· D: 90 min

+ 45 min

rEine Flasche „Blue Curaçao“ (Marke beliebig)

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 133 (β = 10 mg/l)

rSpektralfotometer

r3 Messkolben (100 ml)

r2 Vollpipetten (25 ml, 50 ml)

r2 Bechergläser (100 ml)

r4 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

M 4 SV/LV Ist ein Liter „Powerade Sports Wild Cherry“ okay?

E 122 im Sportgetränk

· V: 15 min

· D: 90 min

+ 45 min

rFlasche „Powerade Sports Wild Cherry“

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 122 (β = 20 mg/l)

rSpektralfotometer

r3 Messkolben (100 ml)

r2 Vollpipetten (25 ml, 50 ml)

r2 Bechergläser (100 ml)

r4 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

M 5 Ab Ist ein Liter „Powerade Sports Wild Cherry“ okay?

E 122 im Sportgetränk

· V: 3 min

· D: 45 min

rFlasche „Powerade Sports Wild Cherry“

rKlassensatz Kopien Ab

M 6 SV/LV Ist ein Liter „Powerade Sports Mountain Blast“ okay?

E 133 im Sportgetränk

· V: 15 min

· D: 45 min

rFlasche „Powerade Sports Mountain Blast“

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 133 (β = 10 mg/l)

rSpektralfotometer

r3 Messkolben (100 ml)

r2 Vollpipetten (25 ml, 50 ml)

r2 Bechergläser (100 ml)

r4 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

M 7 Ab Ist ein Liter „Powerade Sports Mountain Blast“ okay?

E 133 im Sportgetränk

· V: 3 min

· D: 45 min

rFlasche „Powerade Sports Mountain Blast”

rKlassensatz Kopien Ab

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken 5 von 28

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M 8 SV Sind zwei Liter „Leynau Brause Waldmeister“ okay?

E 102 und E 133 im Erfrischungsgetränk

· V: 20 min

· D: 90 min

+ 45 min

rFlasche „Leynau Brause Waldmeister“

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 102 (β = 25 mg/l)

r1 l Farbstoflösung E 133 (β = 10 mg/l)

rSpektralfotometer

r2 Bechergläser (100 ml)

r3 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

M 9 Ab Sind zwei Liter „Leynau Brause Waldmeister“ okay?

E 102 und E 133 im Erfrischungsgetränk

· V: 3 min

· D: 45 min

+ 15 min

rFlasche „Leynau Brause Waldmeister“

rKlassensatz Kopien Ab

M 10 SV Synthetische Farbstoffe in „Bitter ROSSO“

E 110 und E 122 im alkoholfreien Aperitif

· V: 20 min

· D: 90 min

+ 45 min

rFlasche Aperitif „Bitter ROSSO“ (98 ml)

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 110 (β = 20 mg/l)

r1 l Farbstoflösung E 122 (β = 20 mg/l)

rSpektralfotometer

r1 Messkolben (100 ml)

r2 Vollpipetten (25 ml, 50 ml)

r2 Bechergläser (100 ml)

r3 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

M 11 Ab Synthetische Farbstoffe in „Bitter ROSSO“

E 110 und E 122 im alkoholfreien Aperitif

· V: 3 min

· D: 45 min

+ 15 min

rFlasche Aperitif „Bitter ROSSO“

rKlassensatz Kopien Ab

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken 1 von 28

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II/H

1 Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet. Schülerinnen sind genauso gemeint.

Synthetische Farbstoffe in Getränken – ein Beitrag

zur fotometrischen Farbstoffbestimmung

Dr. Herbert Sommerfeld, Bielefeld

Niveau: Sek. II

Dauer: 8 Unterrichtsstunden (GK), 12 Unterrichtsstunden (LK)

Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler1 können …

– die Farbigkeit von Farbstoffen (Azofarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe bzw. Triarylmethanfarbstoffe) durch Lichtabsorption erklären

– Absorptionsspektren fotometrischer Messungen auswerten und die Ergebnisse interpretieren

– Zusammenhänge zwischen Lichtabsorption und Farbigkeit fachsprachlich ange-messen erläutern

– Nutzen und Risiken ausgewählter Produkte der organischen Chemie (synthe-tischer Lebensmittelfarbstoffe) unter vorgegebenen Fragestellungen beurteilen

– aus Messwerten die Konzentration von Farbstoffen mit dem Lambert-Beer’schen Gesetz berechnen

Der Beitrag enthält Materialien für:

ü Schülerversuche ü Fachübergreifenden Unterricht

ü Lehrerversuche mit Schülerbeteiligung ü Hausaufgaben

ü Differenzierungsmöglichkeiten ü Klausuraufgaben

Hintergrundinformationen

Das vorgestellte Material ermöglicht die kompetenz- und kontextorientierte

Erarbeitung des Zusammenhangs von Lichtabsorption und Farbigkeit sowie die Anwendung des analytischen Verfahrens der Fotometrie zur quantitativen Farbstoff-bestimmung. Die behandelten Inhalte sind in den Bildungsplänen für die gymnasi-ale Oberstufe im Themenfeld „Farbstoffe“ oder auch unter „Analytische Verfahren“ verortet.

Hinweise zur Didaktik und Methodik

Das Material ermöglicht im Sinne einer methodischen Differenzierung, dass die Themen wahlweise experimentell und/oder materialgebunden erarbeitet wer-den können.

Der Einstieg erfolgt mit einer Farbfolie (M 1), die den Zusammenhang von Lichtab-sorption und Farbe verdeutlicht. Anschließend werden häuig verwendete Lebensmit-telfarbstoffe und deren Gesundheitsrisiken dargestellt (M 2). Auf dieser Grundlage werden farbige Getränke analysiert. Zunächst werden Getränkeproben mit einem Einzelfarbstoff analysiert (M  3–M 7). Anschließend wird das Verfahren auf binäre Farbstoffgemische ausgedehnt (M 8–M 11), sodass sich eine Lernprogression mit der Möglichkeit einer Leistungsdifferenzierung ergibt.

Das Material (ab M 3) ist so aufgebaut, dass jedes Thema in den Schritten 1. Erar-

beitung, 2. Einübung, 3. Lernzielüberprüfung behandelt werden kann.

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken2 von 28

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II/H

Erste Stunde: Zum Einstieg sollten einige farbstoffhaltige Getränke mitgebracht werden. M 1 macht den Zusammenhang von Lichtabsorption und Farbigkeit deutlich und führt die Komplementärfarbenregel ein.

Zweite Stunde: In M 2 werden Lebensmittelfarbstoffe als Azo- oder Triarylmethan-farbstoffe klassiiziert. Die gesundheitliche Relevanz wird durch die Einführung der ADI-Werte deutlich.

Dritte bis vierte Stunde: Der Gesundheitskontext wirft die Frage nach der Farb-stoffkonzentration in Getränken auf. Dazu kann experimentell und inhaltlich gleich-wertig mit M 3, M 4 oder M 6 gearbeitet werden. Es handelt sich hierbei immer um Getränke mit nur einem Farbstoff. Da eine Verdünnungsreihe angefertigt und fotometrisch bestimmt wird, wird auch das Lambert-Beer’sche Gesetz empirisch bestätigt. Wenn nicht experimentell gearbeitet werden soll, kann inhaltlich gleich-wertig auch mit den Arbeitsblättern M 5 oder M 7 gearbeitet werden. Hier werden alle Messdaten bereitgestellt.

Fünfte Stunde: Falls in der dritten und vierten Stunde der experimentelle Ansatz gewählt wurde, wird diese Stunde für die quantitative Auswertung von M 3, M 4

oder M 6 benötigt (Eichgerade zeichnen, Farbstoffkonzentration graisch bestim-men). Die graische Auswertung (Eichgerade) ist für den Bezug zum Lambert-Beer’schen Gesetz erforderlich. Im Prinzip kann man die Konzentration auch mithilfe eines einzigen Eichwertes berechnen. Das soll aber erst später erfolgen.

Optionen für weitere Stunden:

Sechste Stunde: Hier kann eine Übungsstunde eingesetzt werden. Wurde das Thema mit M 3 („Blue Curaçao“) eingeführt, kann mit M 5 geübt werden. M 9 kann je nach Leistungsfähigkeit der Schüler als Differenzierungsaufgabe gestellt werden. Hier wird ein binäres Farbstoffgemisch untersucht. Die Lösung ist mit den bisher behandelten Verfahren möglich, weil die Überlappung der Farbstoffspektren sehr gering ist.

Siebte bis zehnte Stunde: In M 8 oder M 10 wird ein binäres Farbstoffgemisch experimentell untersucht. Man kann hier bis zu 2 Schulstunden Zeit einsparen, wenn arbeitsteilig fotometrisch bestimmt wird (Gruppe A: Getränk, Gruppe B: Farbstoff 1, Gruppe C: Farbstoff 2) oder mit M 9 oder M 11 auf Datenbasis mit einem Arbeits-blatt gearbeitet wird.

Klausur/Hausaufgabe/Vertiefungsaufgabe (optional):

Elfte bis zwölfte Stunde: Entweder Untersuchung eines weiteren Beispiels oder Klausuraufgabe mit einem Einzelfarbstoff: M 3, M 4 oder M 6. Mögliche Klausur-aufgabe mit einem binären Farbstoffgemisch: M 9 oder M 11.

Hinweise zum fachübergreifenden Unterricht

Fachübergreifend kann in Physik die spektrale Zusammensetzung von Licht und des-sen Zerlegung thematisiert werden. Ebenso ist das Farbensehen des Auges in der Biologie ein weiterer Aspekt, der im Unterricht mit behandelt werden kann.

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken 7 von 28

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II/H B

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Aufgaben

1. Beschriften Sie in Abb. 1 die beiden Textfelder sinnvoll. Benennen Sie den

wesentlichen Unterschied der Strahlung „vor“ und „nach“ dem Gummibären.

2. Erklären Sie mithilfe von Abb. 2 den Farbeindruck des gelben Gummibären.

Erläutern Sie die Vorgänge entsprechend für einen Gummibären, der orange

aussieht.

M 1 Lichtabsorption und Farbigkeit

1: _____ ________ 2: _____ ________

Abb. 1: Gelber „Gummibär“

Abb. 2: Farbrad

+

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken 9 von 28

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M 3 „Blue Curaçao“ – blau und wie?

Curaçao ist eine Insel in der Karibik. Das abgebildete Getränk erinnert an das Urlaubsparadies. Was könnte uns chemisch daran interessieren?

Mit einer gewiss sehr geringen Wahrscheinlichkeit beindet sich konzentriertes Karibikwasser in der Flasche und verur-sacht die schöne, intensiv blaue Farbe. Mit einer größeren Wahrscheinlichkeit ist das Getränk gefärbt und zwar mit dem Lebensmittelfarbstoff E  133 oder E  131. Hinweis: Alkohol ist gesundheitsschädlich. Wie verhält sich der Farbstoff E 133?

Schülerversuch oder Lehrerversuch mit Schülerbeteili-gung: Spektralfotometrie von „Blue Curaçao“-Likör

· Vorbereitung: 15 min Durchführung: 90 + 45 min (Doppel- + Einzelstunde)

Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte

rEine Flasche „Blue Curaçao“ (Marke beliebig)

rWasser dest.

r1 l Farbstoflösung E 133 (β = 10 mg/l)

rSpektralfotometer

r3 Messkolben (100 ml)

r2 Vollpipetten (25 ml, 50 ml)

r2 Bechergläser (100 ml)

r4 Einwegpipetten (ca. 3 ml)

Achtung: Beim Experimentieren immer eine Schutzbrille tragen (Labor-standard)!

Entsorgung: Die Lösungen können im Ausguss entsorgt werden.

Versuchsdurchführung

• Verdünnen Sie 25 ml Likör in einem 100-ml-Messkolben mit destilliertem Wasser auf 100 ml.

• Messen Sie die Extinktion der verdünnten Lösung im Bereich λ = 380 nm bis 700 nm in Schritten von 20 nm und für die quantitative Bestimmung auch bei λ = 630 nm.

• Stellen Sie von der Farbstoflösung mit der bekannten Konzentration (β = 10 mg/l) zwei Verdünnungen her: Pipettieren Sie dazu 50 ml bzw. 25 ml in je einen Mess-kolben (100 ml) und füllen Sie mit Wasser auf.

• Messen Sie die Extinktion der bekannten Farbstoflösungen (β = 10 mg/l, 5 mg/l, 2,5 mg/l) und des verdünnten Likörs bei λ = 630 nm.

Aufgaben

1. Geben Sie den im Getränk laut Etikett enthaltenen Farbstoff an. Erklären Sie, wel-cher Farbstoffklasse der Farbstoff zuzuordnen ist.

2. Skizzieren Sie das Absorptionsspektrum des Getränkes. Tragen Sie dazu die Extinktion gegen die Wellenlänge auf. Erläutern Sie den Farbeindruck des Geträn-kes.

3. Stellen Sie die Messwerte der Verdünnungsreihe graisch dar (E bei λ = 630 nm gegen  β). Welcher mathematische Zusammenhang ist erkennbar? Zeichnen Sie eine Eichgerade ein und bestimmen Sie graisch die Massenkonzentration des Farbstoffes im unverdünnten Likör. Nehmen Sie Stellung, ob für Erwachsene (70 kg) beim angemessenen Konsum des Getränkes gesundheitliche Risiken durch den Farbstoff entstehen können.

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29. Synthetische Farbstoffe in Getränken 15 von 28

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M 9 Sind zwei Liter „Leynau Brause Waldmeister“ okay?

E 102 und E 133 im Erfrischungsgetränk

Die Brause wird in 2-l-Flaschen verkauft. Erfrischungsgetränke werden von Erwach-senen und besonders von Kindern reichlich konsumiert. Das Getränk ist unter einem Euro pro Flasche im Handel erhältlich, so dass die Brause als günstiger täglicher Durstlöscher getrunken werden kann. Hier stellt sich die Frage, ob das gesundheit-lich bedenklich ist - insbesondere weil synthetische Farbstoffe enthalten sind. Mit diesem Material soll der Zusammenhang von Farbigkeit und Absorption erarbeitet und der Farbstoffgehalt im Getränk bestimmt werden. Auf Basis der ADI-Werte kann somit eine Einschätzung getroffen werden. Bei dieser Analyse liegt ein Farbstoff-gemisch vor. Es sind Überlegungen notwendig, wie beide Farbstoffe im Gemisch bestimmt werden können.

Die Inhaltsstoffe der Brause sind der Rückseite des Etiketts (Abb. 1) zu entnehmen.

Abb. 1: Inhaltsstoffe „Leynau Brause Waldmeister“

Die folgende Tabelle enthält die spektroskopischen Daten für Tartrazin (E  102) mit β = 25 mg/l, für Brillantblau (E 133) mit β = 10 mg/l und der unverdünnten Brause:

λ in m E 102 E 133 Brause λ in nm E 102 E 133 Brause

380 0,601 0,044 0,557 540 0,000 0,055 0,035

400 0,832 0,090 0,789 560 0,000 0,135 0,086

420 0,943 0,056 0,866 580 0,000 0,285 0,182

425 0,950 0,040 0,861 600 0,000 0,453 0,289

440 0,908 0,003 0,801 620 0,000 0,923 0,588

460 0,667 0,000 0,587 630 0,000 1,010 0,643

480 0,332 0,000 0,292 640 0,000 0,913 0,582

500 0,059 0,003 0,054 660 0,000 0,231 0,147

520 0,020 0,018 0,029 680 0,000 0,032 0,020

(DE/AT/CH) Kalorienarme Brause mit Wald meister-

geschmack, mit Süßungsmitteln.

Zutaten: Wasser, Kohlensäure, Aroma, Säuerungsmittel: Citronensäure, Süßungsmittel: Natriumcyclamat, Natrium-saccharin, Acesulfam K und Aspartam*, Konservierungs-stoff: Natrium benzoat, Farbstoffe: E102** und E133*. * Enthält eine Phenyl alaninquelle. ** Kann die Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen. Trocken und vor Wärme geschützt lagern. Nach dem Öffnen im Kühlschrank aufbewahren und inner-halb von 48 Stunden verbrauchen. Schmeckt gekühlt am besten!

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