Herstellung einfacher Farbstoffe und Färbeversuche

Farbige Substanzen haben den Menschen schon immer begleitet. Mineralfarben benutzten die steinzeitlichen Höhlenmaler (Ultramarin, Ocker), Naturfarben wurden zur Textilfärbung im Altertum verwendet (Cochenille, Purpur, Indigo). Allerdings konnten sich solche Textilien nur Könige, Kaiser und Kirchenoberhäupter leisten! Um z.B. 1 Gramm Purpurfarbstoff zu gewinnen, mussten mehr als 8000 Purpurschnecken verarbeitet werden!

Erst im 19. Jahrhundert entwickelte sich eine Farbstoffchemie, die natürliche Farbstoffe in größeren Mengen herstellte oder künstliche Farbstoffe entwickelte.

Dazu gehören:

• Anilinfarbstoffe (z.B. Methylviolett)
• Azofarbstoffe (z.B. ß-Naphtholorange)
• Triphenylmethanfarbstoffe (z.B. Malachitgrün)
• Indanthrenfarbstoffe
• Naphthol-AS-Farbstoffe

Warum sind Farbstoffe überhaupt farbig?

Die Farbstoffmoleküle absorbieren aus dem weißen Tageslicht bestimmte Anteile und strahlen den Rest zurück. Wird z.B. Licht der Wellenlänge 480-500 nm absorbiert, erscheint der Farbstoff orangerot; bei Absorption von Licht der Wellenlänge750-800 nm kommt grün als Farbeindruck heraus.

Farbstoffe müssen aber nicht nur farbig sein, für Textilfarben sind weitere Kriterien wichtig: Lichtechtheit, Säure-, Laugen-, Waschechtheit, usw.

An unserem Schnuppertag wollen wir einige Farbstoffe herstellen und Stoffstücke damit färben. Auch der "Riese" unter den Farbstoffen wird im Labor synthetisiert, das schon in kleinen Mengen äußerst stark gelbgrün färbende Fluorescein. Am Schluß des halben Tages gilt für uns dann der mittelalterliche Spruch: "Er kann hexen und blaufärben!"

Ein weiteres Thema ist LUMINESZENZ: es gibt in der Natur eine Reihe von Lebewesen, die Licht erzeugen können: die "Glühwürmchen" (eigentlich Leuchtkäfer), viele Tiefseefische, verschiedene Einzeller usw. Diese BIOLUMINESZENZ lässt sich in einem Praktikumsversuch nachahmen: Wir stellen eine Substanz her, die beim Zerreiben im Dunkeln orangegelb aufleuchtet!

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Orangen werden bei uns auch als Apfelsinen (Äpfel aus China) bezeichnet. Sie gehören zur Gattung der Citrusfrüchte. Das Fruchtfleisch und der Saft haben als wichtige Vitaminspender schon lange einen festen Platz in unserer Ernährung.

Orangenöl wird als Aromastoff beim Backen eingesetzt und ist darüber hinaus ein vielseitig verwendbares Lösungsmittel. Der Ölgehalt der Schalen liegt etwa bei einem halben Prozent. Aus einer Tonne Orangenschalen lassen sich folglich nur einige Kilogramm Öl gewinnen. In Anbetracht der großen Mengen an Citrusfrüchten, die zur Saftherstellung dienen, ergibt sich hier jedoch ein erhebliches Rohstoffpotential.

Die etherischen Öle in der Schale schützen die Orangen vor Insekten, Pilzen und Bakterien. Diese desinfizierende Wirkung zusammen mit den fettlösenden Eigenschaften machen das Öl zu einem angenehm duftenden Reinigungsmittel im Sanitärbereich.

Im Rahmen des Schnuppertages bestimmen wir den Gehalt an Vitamin C von Orangensäften.

• Wir trennen die Bestandteile des Orangenöles durch Dünnschichtchromatographie und identifizieren den Hauptbestandteil (+)-Limonen.
• Wir testen Orangenöl als Lösungsmittel an unterschiedlichen Stoffen.

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An unserem Schnuppertag untersuchen wir Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren. Dabei behandeln wir folgende Fragestellungen:

Untersuchungen von Mikroorganismen

• Ist der Joghurt etwa lebendig?
• Kann man Schimmel essen?
• Heute back` ich, morgen brau' ich, …
• … was haben Weißbrot und Bier gemeinsam?

Untersuchungen von Pflanzen

• Wie sieht eine Küchenzwiebel von innen aus?
• Wann und warum "weinen" Kartoffeln?
• Wie wird eine weiße Blüte blau?

Untersuchungen von Tieren

• Tot oder lebendig? Totstellreflex bei Stabheuschrecken
• Fressverhalten und Fortbewegung bei Regenwürmern
• Einzeller im Wassertropfen

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Hier kommen Winzlinge ganz groß raus!

Eine Entdeckungsreise mit dem Mikroskop und Stereomikroskop durch

• Haare,
• Textilfasern,
• Kristalle,
• Lebensmittel,
• Blüten,
• Pflanzenzellen,
• Insekten,
• Bakterien und
• Mikrochips

Das verschafft neue Einblicke und bringt Durchblick!

Verschiedene mikroskopische Darstellungsmöglichkeiten werden demonstriert. Wer eine Digitalkamera besitzt, kann diese mitbringen. Vielleicht gelingen besondere Aufnahmen.

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Was heißt hier "bärenstark"?

Fast alle organischen Stoffe können verbrannt werden und liefern dabei Energie. Dies gilt insbesondere für Lebensmittel. Am Schnuppertag soll mit Hilfe eines Kalorimeters der Brennwert von Gummibärchen bestimmt werden.

Helfer ja, aber nicht zu viel!

Tenside sind in vielen Bereichen der Industrie wichtige Hilfsstoffe. Auch zu Hause helfen sie beim Reinigen. Nun messen wir wie viel Tenside wir brauchen, denn zu viele Helfer behindern sich in ihrer Arbeit.

Wie schwer sind Gase?

Als Grundlage wird die Dichte von Flüssigkeiten bestimmt und die dabei gewonnen Erfahrungen auf Gase übrtragen: die Bestimmung der Dichte von Gasen ist einfach und genial, einfach genial!

U-Boote aus Kunststoff

Beim Schweben verändert ein U-Boot nicht die Position. Schwebt ein Kunststoffteilchen in einer Lösung, dann lässt sich die Dichte ganz einfach bestimmen.

Wie still ist stilles Wasser?

Fast alle Mineralwässer enthalten Kohlensäure. Die Bestimmung der Kohlensäure ist wichtig für die Einteilung der verschiedenen Mineralwässer.

Trotz moderner Messverfahren gilt jedoch immer noch der Spruch eines alten Praktikers, der die Ergebnisse einst so zusammengefasst hat:

Wer viel misst, misst viel Mist.

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Chromatografische Trennungen

Die einzelnen Bestandteile eines Stoffgemisches können in vielen Fällen erst dann qualitativ nachgewiesen und quantitativ bestimmt werden, wenn sie getrennt vorliegen. Das Trennen von Stoffgemischen ist ein wesentlicher Bestandteil der instrumentellen Analytik. Es gibt hierfür zahlreiche Möglichkeiten, z.B. die Papier-, Dünnschicht-, Gas-, oder Ionenchromatografie und viele mehr. Unter dem Begriff Chromatografie werden heute viele analytische Trennmethoden zusammengefasst.

Am Schnuppertag wird das Prinzip der chromatografischen Trennung gezeigt. Mit Hilfe der Papier- und Dünnschichtchromatografie trennnen Sie die Farben von Faserschreibern. Ein Gemisch von Bestandteilen, die im Benzin enthalten sind, wird mit Hilfe des Gaschromatografen getrennt.

Bestimmung der Härte von Wasser

Das in der Natur vorkommende Wasser enthält neben gelösten Gasen eine Reihe von Salzen und anderen Verbindungen, die aus Böden und Gesteinen herausgelöst wurden. Ursache der Wasserhärte, die sich z.B. in der Bildung von Kesselstein äußert, sind die im Wasser gelösten Salze des Calciums und Magnesiums.

Die Gesamthärte des Wassers (die Summe der Calcium- und Magnesiumionen) kann durch eine einfache Titration bestimmt werden.

Am Schnuppertag bestimmen Sie die Härte des Münchener Leitungswassers und des Wassers der Isar. Oder möchten Sie die Wasserhärte Ihres Leitungswassers überprüfen? Kein Problem, bringen Sie etwa  0,2 Liter  Wasser  mit und bestimmen Sie die Härte.

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Die Grundlage allen Lebens ist die Weitergabe der Erbinformation. Diese ist in Form der so genannten DNA gespeichert. Die auf der DNA gespeicherten Gene bestimmen auch zum größten Teil, wie ein Lebewesen aussieht.

Hätten Sie geglaubt, dass etwa die Hälfte aller Gene bei Mensch und Banane identisch sind? Soll das jetzt heißen, dass wir zur Hälfte Bananen sind? Und wo stecken die entscheidenden Unterschiede?

An unserem Schnuppertag werden wir all diese Fragen beantworten und die DNA aus Bananen isolieren.

Außerdem gehen wir noch einer weiteren spannenden Frage nach: „Sind Grünpflanzen tatsächlich nur grün?“.

Dazu werden wir die Pflanzenfarbstoffe aus einigen Grünpflanzen isolieren und die einzelnen Farbstoffe auftrennen. Sie werden staunen, welche Farben alle in grünen Pflanzen zu finden sind.

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Isolierung von Blüten- und Blattfarbstoffen, ihre Verkapselung und ihr Nutzen als Indikatorfarbstoffe

Die prächtig gefärbten Blüten vieler Pflanzen, aber auch die bunten Farben verschiedener Gemüsearten beruhen auf einer Reihe von natürlichen Farbstoffen, deren wichtigste Vertreter die ANTHOCYANE sind. Leider lassen sich nur wenige Farbstoffe aus der Natur für das Färben von Textilien verwenden, weil sie einerseits nicht stabil auf der Wäschefaser bleiben andererseits ihre Farbe leicht verändern.

Ausnutzen kann man diesen Effekt jedoch bei INDIKATOREN: Farbstoffe aus der Natur, deren Farbe abhängig ist vom Säure- oder Laugengehalt der Lösung. Das Blau einer Glockenblume wird durch Säurezugabe rot; Lackmus, ein Farbstoff aus einer Flechtenart, wird als Indikator auf Papierstreifen eingesetzt.

Ein weiteres Thema, auch der Natur abgeschaut, ist die Verkapselung, d.h. das Einschließen von Stoffen. Angenehm daran wird man erinnert, wenn man über die Blätter von Duftpflanzen streicht: die "verkapselten" Duftstoffe werden freigesetzt. Unangenehm ist die Erfahrung allerdings bei der Brennnessel: "verkapselte" Ameisensäure wird unter die Haut injiziert.

An unserem Schnuppertag werden wir die Blütenfarbstoffe von Rosen isolieren und chromatografisch trennen. Dabei können typische Labormethoden der Isolierung und Reinigung selbst erprobt werden. Mit der Farbstofflösung testen wir den Grad des Säure- bzw. Laugenzusatzes. Gut eignet sich dafür auch Blaukrautsaft: die enthaltenen Anthocyane werden in winzig kleine Alginatkapseln eingebettet und somit färbt sich der ganze Inhalt der Kapsel bei Säure- oder Lauge-Zusatz.

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Untersuchung der Luft- und Wasserbelastung mit Hilfe von Bioindikatoren

Als Bioindikatoren bezeichnet man Lebewesen (Pflanzen oder Tiere), die ein charakteristisches Verhalten bei Einwirkung bestimmter Schadstoffe zeigen. So überwachen z.B. in Wasserwerken Goldorfen (kleine, goldfischähnliche Süßwasserfische) die Trinkwasserqualität: lange bevor chemische Analysen merkliche Schadstoffkonzentrationen feststellen können, "fühlen" sich Goldorfen nicht mehr "wohl" und zeigen dies durch ein verändertes Schwimmverhalten an. Das läßt sich automatisch überwachen, ein Alarm wird ausgelöst und eine chemische Analyse zeigt dann, um welchen Schadstoff es sich handelt.

Die Gewässergüte von Fließgewässern (Bäche, Flüsse) oder stehenden Gewässern (Teiche, Seen) läßt sich mit der Bestimmung der darin lebenden Kleinlebewesen feststellen. Stehenden Gewässern entnimmt man eine Planktonprobe; hier deuten Art und Menge der winzigen Einzeller bzw. Algen auf die Wasserqualität.

Planktonproben werden im Labor mikroskopiert; sie wurden im Rahmen des Ökologischen Praktikums bei einer Exkursion zum Wörthsee gewonnen.

Auch für Schadstoffe in der Luft existieren Bioindikatoren. Hier sind vor allem Pflanzen gut geeignet. So entstehen z.B. bei einer bestimmten Tabakpflanzensorte innerhalb von 24 Stunden beigebraune Blattflecken, wenn die Ozonkonzentration einen gewissen Wert überschreitet. Genauer und vor allem schneller mißt man die Ozonkonzentration natürlich mittels eines Ozonmeßgeräts;  die Geräte sind aber sehr teuer. Die Tabakpflanzen kann jeder jedoch selbst anziehen und damit eine "Ozonmessung" bei sich zuhause machen (das wird im Rahmen des Ökologischen Praktikums bei uns in der Schule durchgeführt).

Ein anderer Bioindikator für Luftverunreinigungen sind Flechten: man findet sie z.B. als gelbgrüne oder gelbe Beläge auf Baumrinden. Einige Flechtenarten sind sehr empfindlich gegenüber erhöhten Schwefeldioxidkonzentrationen in der Luft: ihr Gehalt an Blattgün (Chlorophyll) sinkt bei steigender Schwefeldioxid-Belastung; sie können schließlich nicht mehr überleben.

An unserem Schnuppertag werden wir uns Flechtenproben holen, die Blattfarbstoffe isolieren, trennen und den Chlorophyllgehalt bestimmen. Hierbei können die Teilnehmer typische Laborverfahren im Bereich Umweltanalyik kennenlernen.

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Macht das dick?

Fett ist ein wesentlicher und oft auch wertbestimmender Bestandteil von vielen Lebensmitteln. Besonders die versteckten, "unsichtbaren" Fette konsumieren wir oft unbewußt in erheblichen Mengen.
Am Schnuppertag werden wir den Fettanteil von Kakaopulver durch kontinuierliche Extraktion herauslösen und seine Menge bestimmen.

Ist das ein saurer oder ein trockener Wein?

Je nach Reife, Klima (Sonne) und Rebsorte enthalten Weintrauben unterschiedliche Mengen an Zucker und Fruchtsäuren. Während die Zucker durch die Gärhefe ganz oder teilweise in Alkohol umgewandelt werden, bleiben die Säuren weitgehend erhalten.
In Rotwein ist eine Säurebestimmung mit einem Indikatorfarbstoff nicht möglich, deshalb wird die Konzentration der Säuren mit Hilfe einer "pH-Elektrode" bestimmt. Der Gehalt an Zucker läßt sich einfach mit Kupfersalzlösungen abschätzen.

Muntermacher Milch

Die Werbung lobt oft die Vorteile von Milch als Getränk. Untersuchen wir verschiedene Bestandteile, von Enzymen bis zur Lactose.

Wie kommt der Geist in die Flasche?

Lebende Hefezellen, die sich durch die Flaschengärung noch im Weißbier befinden, sorgen für den "Geist" des Getränks. Diese Zellen werden wir unter dem Mikroskop direkt und nach Anfärbung beobachten.

Wie süß ist Coca Cola?

Zucker können, da sie unsymmetrisch gebaute Moleküle besitzen, polarisiertes Licht "drehen". Wir wollen den Drehwinkel von Zuckerlösungen messen und so auf den Zuckergehalt schließen.

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An unserem Schnuppertag untersuchen wir Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren. Dabei behandeln wir folgende Fragestellungen:

Untersuchungen von Mikroorganismen

• Ist der Joghurt etwa lebendig?
• Kann man Schimmel essen?
• Heute back` ich, morgen brau' ich, …
• … was haben Weißbrot und Bier gemeinsam?

Untersuchungen von Pflanzen

• Wie sieht eine Küchenzwiebel von innen aus?
• Wann und warum "weinen" Kartoffeln?
• Wie wird eine weiße Blüte blau?

Untersuchungen von Tieren

• Tot oder lebendig? Totstellreflex bei Stabheuschrecken
• Fressverhalten und Fortbewegung bei Regenwürmern
• Einzeller im Wassertropfen

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Wasser

• bedeckt 70% der Erdoberfläche
• ist die Grundlage für das Leben auf unserem Planeten.
• ist der wichtigste Baustein aller lebenden Organismen.
• ist ein Hauptbestandteil aller lebenden Organismen
• löst Salze und kann damit unserem Körper Mineralstoffe und Spurenelemente zuführen
• ist das grundlegende Lebensmittel.

An unserem Schnuppertag testen wir den Geschmack von verschiedenen Mineralwässern und werden feststellen, dass Wasser nicht gleich Wasser ist. Verantwortlich dafür sind die im Wasser gelösten Stoffe, die wir näher untersuchen wollen. Nach der Abtrennung der Salze weisen wir einige Bestandteile chemisch nach und finden heraus welche Stoffe für den unterschiedlichen Geschmack verantwortlich sind. Außerdem messen wir den pH-Wert, der darüber Auskunft gibt, wie viel Kohlendioxid im Wasser gelöst ist. Die Kohlensäure ist dafür verantwortlich, ob das Wasser erfrischend (sauer) oder abgestanden (weniger sauer) schmeckt.

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