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Meilensteine der Chemie 2017

Vor 200 Jahren (1817)Entdeckung des Elements CadmiumDer Göttinger Chemieprofessor Friedrich Stromeyer (1776 – 1835) entdeckt bei der Untersuchung von Zinkcarbonat das Element 48, Cadmium. Gleichzeitig und unabhängig von ihm weist der Magdeburger Apotheker Carl Samuel Leberecht Hermann (1765 – 184...

Prof.Dr.

In der Schule fehlen oft die materiellen Voraussetzungen für Experimente zur Photometrie. Mit einem weiterentwickelten Schülerphotometer können Schüler das Themenfeld nun experimentell erkunden.
<h2>Photometrie und Lehrpläne</h2>Lediglich Hessen und Bremen weisen in den Rahmenplänen für die gymnasiale Oberstufe Photometrie explizit als analytische Methode aus. Die anderen Bundesländer verzichten inzwischen auf Photometrie in der Schule. Ein Grund dafür ist sicher, dass Geld und Material für entsprechende Experimente fehlen. Insofern soll das Schülerphotometer, wie wir es entwickelt haben, nicht nur Anregung für zukünftige Rahmenpläne sein: Es soll dazu dienen, einen alltags-, umwelt- und wissenschaftsorientierten Chemieunterricht zu gestalten.1–3)<h2>Aufbau und Funktion</h2>Der Aufbau des weiterentwickelten Schülerphotometer gleicht dem eines in der Wissenschaft verwendeten Photometers: Es besteht aus Lichtquelle, Photoempfänger und Messgerät (Abbildung 1), Streufilter und Monochromator fehlen jedoch. Letzterer ist verzichtbar, weil als Lichtquelle drei Laserpointer dienen, die monochromatisches Licht der Wellenlängen 405 nm, 532 nm und 650 nm aussenden.<figure><img src="https://media.graphcms.com/4P44w2SORQRK43v9vrJx"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Aufbau des fest installierten und modifizierten Schülerphotometers; oben: ohne Abdeckung über der Photodiode, unten: Ausschnitt mit Abdeckung der Photodiode und Aussparung für die Küvette (Bauanleitung siehe Kasten Seite 65).</figcaption></figure>
Der fehlende Streufilter wirkt sich nicht auf die Messergebnisse aus. Das Licht durchdringt die Lösung in der Küvette und fällt auf eine Photodiode. Die Stärke des Stroms aus der Photodiode zeigt ein Ampèremeter an (Abbildung 1). Die Schüler berechnen nach dem Experiment aus der Stromstärke die Extinktion.4)<h2>Zur Arbeit mit dem Schülerphotometer</h2>Die Lernenden sollten zunächst Kenntnisse über den Bau und die Funktion des Photometers und seine Bestandteile erwerben. Hierzu können sie das Photometer gemeinsam und unter Anleitung zusammenbauen (Bauanleitung siehe Kasten S. 65). Dazu werden ihre Vorkenntnisse reaktiviert (Tabelle S. 64), und sie erlernen Grundlagen zum Aufbau des Geräts. Das selbstgebaute Photometer kostet so wenig, dass eine Klasse durchaus mehrere Geräte bauen kann. Aus didaktisch-methodischer Sicht spricht auch nichts dagegen, dass Schüler ein fertiges Schülerphotometer nutzen, um selbstständig zu messen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/iLrWdcsS2StAjlPv7grz"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Vorkenntnisse aus dem Chemie- und Physikunterricht, die erforderlich sind, um ein Photometer aufzubauen und damit zu arbeiten.</figcaption></figure>
Für die photometrischen Messungen müssen die Lernenden zunächst eine Kalibrierreihe aus einer Stammlösung herstellen. Für Kalibrierreihe und Messung der Proben ist ein Laserpointer mit passender Wellenlänge auszuwählen und im Photometer zu fixieren (Abbildung 1). Die Schüler nehmen ihn dann in Betrieb, indem sie ein Klettband befestigen.Kurz nach dem Einschalten des Laserpointers sinkt erstmal die Stromstärke am Ampèremeter, was an den zu Beginn schnell schwächer werdenden Batterien liegt. Nach zwei bis drei Minuten hat sich die Stromstärke stabilisiert, und die Messung kann beginnen. Die Schüler überführen die Lösungen der Kalibrierreihe und der Probe in Küvetten, stellen sie nacheinander in den Probenraum und lesen die Stromstärke auf dem Ampèremeter ab. Die Extinktion lässt sich als negativer dekadischer Logarithmus der Stromstärke bei einer Konzentration, dividiert durch die Stromstärke beim Reagenzienblindwert berechnen.4,5)Aus der Auftragung der Extinktionen gegen die Konzentrationen ergibt sich die Regressionsgerade. Aus der Geradengleichung ermitteln die Schüler die Konzentration aus der Extinktion der Probe.4,6)Wenn die Lernenden diese wesentlichen Arbeitsschritte erfasst und verinnerlicht haben, sollten sie selbstständig Probleme für photometrische Untersuchungen finden und lösen.Ein Lernziel ist, dass die Schüler den Bau und die Funktionsweise eines Photometers und seiner Bestandteile erläutern und das Gerät für photometrische Untersuchungen von Alltagsprodukten nutzen können. Sie sollen in die Lage versetzt werden, Lösungsstrategien zu entwickeln, experimentell zu prüfen und zu validieren. Hierfür haben wir Experimente mit dem Schülerphotometer entwickelt oder modifiziert und erprobt. Auf Grundlage der Messergebnisse ergeben sich auch Möglichkeiten für Praktika in der Lehramtsausbildung.<h2>Beispielexperimente</h2>Die Photometrieexperimente für den Chemieunterricht aus der Literatur setzen ein handelsübliches Photometer mit einstellbarer Wellenlänge voraus, was unser Schülerphotometer nicht leistet. Die Wellenlänge lässt sich nur durch Wechsel der Laserpointer verändern. Zwei Experimente, bei denen die notwendigen Wellenlängen nahezu mit den Wellenlängen der Laserpointer übereinstimmen, sind die Bestimmungen der Patentblau-V-Konzentration in einer Mundspülung und der Cochenillerot-A-Konzentration in Badesalz.<h2>Patentblau V in Mundspülung</h2>Patentblau V (Abbildung 2) ist ein Lebensmittelfarbstoff, der häufig in Kosmetika eingesetzt wird. Gekennzeichnet wird der Zusatz von Patentblau V durch die CI-Nummer 42051 oder die E-Nummer 131; der Farbstoff ist kein Gefahrstoff nach GHS. Vom Menschen wird er im Darm nur geringfügig resorbiert und zum Großteil ausgeschieden. Chemisch betrachtet handelt es sich um einen Triphenylmethanfarbstoff, der in Wasser und Ethanol gut löslich ist. Patenblau V absorbiert bei pH 7 Licht der Wellenlänge 538 nm.10,11) Daher funktioniert die photometrische Messung mit einem Laserpointer einer Wellenlänge von 650 nm. Die Probe ist eine Mundspülung von Meridol.<figure><img src="https://media.graphcms.com/3RcEHAY0Q1SOKSW1hrXz"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Strukturformel von Patentblau V.</figcaption></figure>
Zunächst stellen die Schüler mit Patentblau V und deionisiertem Wasser mit Maßkolben eine Kalibrierreihe her. Dann verdünnen sie die Probe, bestimmen photometrisch die Extinktionen und nach graphischer Auswertung über die Regeressionsgerade die Konzentration. Über die molare Masse des Patentblau V von 582,66 g·mol–1 lässt sich die Masse von Patentblau V in g oder mg pro 1000 mL Mundspülung berechnen. 1000 mL Mundspülung enthalten demnach 2,9 mg Patentblau V. Bei den Messungen traten bisher Abweichungen von maximal 5 Prozent auf.12)<h2>Cochenillerot A in Badesalz</h2>Cochenillerot A (Abbildung 3) ist ein in Wasser gut löslicher Lebensmittelfarbstoff. Der Farbstoff mit der E-Nummer 124 ist scharlachrot, hitze-, säure- und alkalibeständig sowie lichtecht. Lebensmittel, die mit diesem Farbstoff versetzt sind, müssen mit dem Hinweis „Cochenillerot A kann die Aktivität und Aufmerksamkeit von Kindern beeinträchtigen“ gekennzeichnet sein. Der Farbstoff wird über Urin und Stuhlgang vollständig ausgeschieden. Chemisch betrachtet handelt es sich um einen Azofarbstoff, der in wässriger Lösung ein Absorptionsmaximum bei 505 nm hat.10,11) Daher eignet sich für photometrische Experimente ein Laserpointer mit einer Wellenlänge von 532 nm. Untersucht haben wir das Badesalz „Red Love“ von Balea.<figure><img src="https://media.graphcms.com/HXQ5eOrS1uOpE5VEBtsy"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Strukturformel von Cochenillerot A.</figcaption></figure>
Anders als bei der Untersuchung des Mundwassers müssen die Schüler hier das Badesalz noch im Mörser zu einem feinen Pulver homogenisieren. Mit der Funktionsgleichung für die Regressionsgerade lässt sich die Konzentration von Cochenillerot A wie die von Patentblau V berechnen. 100 g Badesalz enthalten demnach 0,27 mg Cochenillerot A.<h2>Bauanleitung für ein Schülerphotometer</h2>Für die Fixierung der Bauelemente dient eine Grundplatte aus Holz<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Ein Laserpointer ist zwischen zwei Holzklötze zu legen, die noch nicht fixiert sind.<list-item>An beide Holzklötze ist an der Außenseite mittig jeweils die Hakenseite eines Klettbands zu fixieren.</list-item><list-item>Auf die Schlaufenseite des Klettbands ist mittig ein halber, querdurchtrennter Makro-RG-Stopfen zu kleben. Durch Überkletten dieser Schlaufenseite über den Laserpointer ist dieser in Betrieb zu nehmen.</list-item><list-item>Die Photodiode (Conrad 154069 mit einer Belichtungsfläche von 7 mm2, 7 µA bei 1000 lm) ist in einer Lüsterklemme auf einem Holzstück zu fixieren. An der anderen Seite der Lüsterklemme ist ein Multimeter (Voltcraft VC-11), zu installieren.</list-item><list-item>Das Holzstück mit der Photodiode ist so auf der Grundplatte zu fixieren, dass der Laserstrahl des Laserpointers direkt auf die Belichtungsfläche der Photodiode trifft.</list-item><list-item>Aus zwei Holzklötzen ist vor der Photodiode ein Kanal zu bauen.</list-item><list-item>15 mm vom Kanalanfang entfernt ist eine Lochblende zu fixieren. Hierfür ist ein Tonkarton auszuschneiden und so zu falten, dass dieser in den Kanal geklebt werden kann. Mit einer Nadel ist ein Loch in die Mitte des Laserpunkts zu stechen.</list-item><list-item>Hinter der Lochblende bedarf es einer Aussparung in der Grundplatte für die Küvette</list-item><list-item>Alle Holzteile sind nun auf die Grundplatte zu schrauben oder zu kleben. Der Laserpointer muss sich danach noch herausnehmen lassen.</list-item><list-item>Im Anschluss ist ein Holzabdeckung für die Photodiode mit einem Loch für die Küvetten zu bauen. Das Loch muss dabei genau über der Aussparung auf der Grundplatte liegen. Es dient als Steckplatz für die Küvetten und ist mit Filzgleitern zu polstern. Der Holzkasten ist nicht auf der Grundplatte zu fixieren, damit es den Schüler sich den Aufbau ansehen können (Abbildungen 1 und 2).</list-item><list-item>Eventuell ist eine Feinjustierung durch vorsichtige Korrekturen an der Position der Photodiode erforderlich.</list-item><list-item>Zwei Holzleisten sind auf der Grundplatte zu fixieren, sodass die Küvetten zwischen diesen sicher abzustellen sind.</list-item><list-item>Unterhalb der Grundplatte sind als Füße vier Holzklötze anzubringen.</list-item><list-item>Das Schülerphotometer ist so stapelbar und kann platzsparend in die Sammlung aufgenommen werden.</list-item><h2>Quergelesen</h2>Ein vereinfachtes Photometer macht photometrische Untersuchungen in der Schule möglich. So lassen sich damit Farbstoffkonzentrationen in Kosmetika bestimmen.Das Photometer können Schüler und Lehrer einfach und preisgünstig in der Schule aufbauen. Es erzielt ähnlich gute Messungen wie handelsübliche Geräte.Der einfache Aufbau des Schülerphotometers erleichert es Schülern, die Funktionsweise eines Photometers nachzuvollziehen.<h2>Vitakasten</h2>Brigitte Duvinage schloss im Jahr 1974 das Studium Biologie und Chemie für das Lehramt an der PH Potsdam ab. Sie arbeitete danach fünf Jahre als Lehrerin in Potsdam. Im Jahr 1982 promovierte sie über die Methodik des Biologieunterrichts und habilitierte sich 1990 in Didaktik der Chemie. Danach war sie als Privatdozentin tätig und leitet seit 2001 als außerplanmäßige Professorin die Didaktik der Chemie an der Universität Potsdam. <a href="mailto:duvinage@uni-potsdam.de">duvinage@uni-potsdam.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/cFfILIfZSHibAEJmXK31">

</div>Marc Homeyer schloss im Jahr 2016 das Studium Chemie und Biologie für das Lehramt an der Universität Potsdam mit dem Master of Education ab. Seit September 2016 ist er akademischer Mitarbeiter und Doktorand im Fachgebiet Didaktik der Chemie an der Universität Potsdam. Thema seiner Doktorarbeit ist die Photometrie im Chemieunterricht. <a href="mailto:mhomeyer@uni-potsdam.de">mhomeyer@uni-potsdam.de</a>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 H. Barthel, „Methodik des Chemieunterrichts Teil: Das Experiment im Chemieunterricht“, Potsdam, 1976.</li><li>
2 Chemie-Bildungsplan für die Gymnasiale Oberstufe des Landes Bremen, Hrsg.: Senatorin für Bildung und Wissenschaft; Bremen, 2008.</li><li>
3 Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hrsg.: Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden, 2002.</li><li>
4 G. P. Püschel, A. Pucher, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2013, 64, 6.</li><li>
5 U. Tietze, C. Schenk, „Halbleiter-Schaltungstechnik“, Springer-Verlag, Berlin, 2002.</li><li>
6 B. Lange, „Photometrische Analyse“, VCH Verlagsgesellschaf, Weinheim, 1987.</li><li>
7 M. Schallis, „Kunststoffe Farbstoffe Waschmittel“, C. C. Buchners Verlag, Bamberg, 1993.</li><li>
8 W. Bechmann, J. Schmidt, „Einstieg in die physikalische Chemie für Nebenfächler“, Vieweg+Teubner GWV Fachverlage, Wiesbaden, 2010.</li><li>
9 G. Otterstätter, „Färbung von Lebensmitteln, Arzneimitteln, Kosmetika“, 3., überarbeitete Auflage, B. Behrs Verlag, Hamburg, 2007.</li><li>
10 P. Kuhnert, B. Muermann, „Handbuch Lebensmittelzusatzstoffe, Technologische, geschacksgebende, nahrungsergänzende Stoffe“, B. Behrs Verlag, Hamburg, 1991.</li><li>
11 G. S. Eisenbrand, P. Schreier, „Römpp Lexikon Lebensmittelchemie“, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 2006.</li><li>
12 M. S. Homeyer, „Entwicklung und Erprobung von Experimenten für photometrische Messungen mit einem Schülerphotometer“, Masterarbeit an der Universität Potsdam, Potsdam, 2016.</li>Die genauen Versuchsbeschreibungen stehen zum Herunterladen unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a></ext-link>Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, denn sie werden die Generation sein, die diese Entwicklungen mitgestalten und vorantreiben wird. In loser Folge stellen Forscher dazu in den Nachrichten aus der Chemie ihre Ergebnisse vor.</ul>

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