Kurze Fragen - Kurze Antworten
Aus dem E-Mail-Korb von Professor Blume

E-Mail-Gruppe 354
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1926
F: Für meine Wissenschaftliche Arbeit zum Thema "Batterien und Akkumulatoren in Technik und Unterricht" bin ich auf Ihrer Seite auf eine tolle Idee für die NaS-Batterie gestoßen, die ich sogleich ausprobieren werde. Leider habe ich für den Lithium-Ionen-Akku noch keinen einfachen Schülerversuch gefunden. Haben Sie eine Idee oder einen Tipp, wo ich fündig werden könnte?


A: Leider ist mir dazu kein Versuch bekannt. Ich kann mir wegen der ausgefallenen Chemikalien und des (vor allem auch stofflich) komplexen Aufbaus des Lithium-Ionen-Akkus sowieso keinen einfachen Schulversuch vorstellen.

Man kann vielleicht Bausätze erwerben - aber das sind meistens hinsichtlich der Erkenntnisbildung bei Schülern wertlose Black Boxes.


1927
F: Im Zusammenhang mit dem Austesten eines Halbmikro-Experimentiersystems habe ich folgenden Versuch durchgeführt:
In ein schwer schmelzbares Glasrohr (SIMAX, 8 mm Durchmesser) habe ich zwischen zwei Glaswolle-Bäuschen Magnesiumspäne (ca. 60 mg) eingebracht. Über eine Kanüle habe ich das Glasrohr mit Kohlenstoffdioxid gespült und danach von außen mit einem kleinen Lötbrenner erhitzt. Bei Beginn der Reaktion habe ich weiteres Kohlenstoffdioxid über eine Spritze zugeführt. Wie erwartet glühte das Magnesium auf, was durch die Zufuhr von Kohlenstoffdioxid noch deutlicher wurde.
Es ergab sich ein schwarzer Rückstand, der zum Teil fest am blasig aufgeschmolzenen Glas haftete (vermutlich Silizium am Glas, Kohlenstoff in der Mitte des Rohrs). Was ich allerdings nicht verstehe, ist, dass im Produkt keine Hinweise auf gebildetes Magnesiumoxid zu erkennen sind. Selbst unter dem Mikroskop sind - abgesehen von Bruchstücken der Glaswolle - keine weißen Produktanteile sichtbar, während sich teilweise auf den noch in der Form erkennbaren Magnesiumspänen "dicke", plattige Kristalle von schwarzer Farbe gebildet haben (Graphit?).
Haben Sie vielleicht eine Idee, warum bei dieser Versuchsführung das Magnesiumoxid nicht erkennbar ist?


A: Es ist für mich immer schwer, solche Versuchsbeschreibungen zu deuten, vor allem, wenn sie noch im kleinen Maßstab ausgeführt werden. Ich will es aber versuchen: Unter den Versuchsbedingungen ist zu erwarten, dass sich nur wenig MgO bildet, das sich dazu noch mit dem farblich wesentlich auffälligerem, abgeschiedenen Ruß vermischt. Der plattige Überzug kann Graphit sein. (Silicium ist eher braun.) Ob sich tatsächlich MgO gebildet hat, kann man nur mit einem Elektronenmikroskop erkennen: MgO bildet µm-große Kristallwürfel.


1928
F: Ich besuche die Technikerschule und bilde mich dort zum Chemotechniker weiter. Zum Ostwald-Verfahren zur Salpetersäure Herstellung kamen wir auf das Phosphan.

P4 + 6 H2O -> PH3 + 3 H3PO2

Es kam die Frage auf, warum Phosphan in Wasser nicht löslich, Ammoniak aber schon löslich ist. Ich weiß: Ammoniak bildet über die Wasserstoffatome Wasserstoffbrückenbindungen zum Wasser. Somit löslich. Warum aber das Phosphan nicht? Liegt das an der Elektronegativität?

Für eine Antwort wäre ich Ihnen dankbar, den unserer Lehrer (kann, oder will diese Frage ) nicht beantworten.


A: Sie haben richtig vermutet: Auch wenn N und P zusammen in der „Pentele-Gruppe“ stehen, weisen sie und ihre Verbindungen doch größere chemische und physikalische Unterschiede auf.

PH3 ähnelt mit seiner trigonal-pyramidalen Struktur zwar dem NH3. Aber der Bindungswinkel zwischen H-P-H ist mit 93,6 ° wesentlich geringer als der zwischen H-N-H: 106,8 °.

Sie können durchaus mit der EN (Elektronegativität) und der damit verbundenen Verschiebung der Ladungsschwerpunkte der Bindungen argumentieren, die zu einer geringeren Abstoßung der P-H-Bindungen sowie des nichtbindenden Elektronenpaars führt.

Besser ist es jedoch, wenn man die Orbitale einbezieht: Der Hauptgrund für die Unterschiede liegt in der unterschiedlichen Hybridisierung der s- und p-Orbitale bei N und P. Mit Zunahme der Größe der Zentralatome N bzw. P nimmt der s-Charakter ab, die Orbitale nähern sich immer mehr dem Wert 90 ° an, also dem der reinen p-Orbitale.

Die Folge ist: PH3 ist weniger polar als NH3 und bildet deshalb schlechter H-Brücken. Damit wechselwirkt es weniger mit Wasser und löst sich deutlich schlechter als NH3 im Dipolmedium Wasser. Es reagiert vor allem auch nicht unter Protonenaustausch, die Lösung bleibt also neutral.


1929
F: In meiner Seminararbeit möchte ich verschiedene Proteasen in den Früchten Papaya, Ananas und Kiwi miteinander vergleichen. Kann ich diese mithilfe der PE Einheit quantifizieren, da sie ja alle scheinbar gleich funktionieren (alle sind ja Cysteinproteasen)?


A: Zunächst hier eine Definition: Eine PE-Einheit entspricht der Menge Enzym, die pro Minute unter den gewählten Bedingungen 1 µmol Carboxylgruppen freisetzt.

Sie können es versuchen. Ich erinnere Sie aber daran, dass man für die Aktivitätsbestimmung von Proteasen aber nicht Proteine, sondern künstliche Substrate mit Peptidcharakter verwendet. Diese erleichtern die Quantifizierung. Man kann die Hydrolyseprodukte entweder titrieren oder besser noch fotometrisch bestimmen, da viele dieser Substrate auch Nitroverbindungen sind, die während der Spaltung eine Farbänderung erfahren.


1930
F: Ich habe mich schon des öfteren an Sie gewandt, wenn ich in fachlichen Nöten steckte, und so wage ich es auch dieses Mal mit folgendem Problem: Wir haben im Chemie-Unterricht (Grundkurs 12. Klasse, Thema Farbstoffe) den Rotkohlsaft-Indikator behandelt und sollten anhand der Strukturformeln bei verschiedenen Protolyse-Stufen die Farbigkeit erklären. Dazu gaben wir einige Tropfen frisch hergestellten Rotkohl-Extrakt in Reagenzgläser, die mit verschiedenen Puffer-Lösungen gefüllt waren - von pH 1 bis pH 11 in ganzen pH-Schritten.
Nun ist es ja laut Theorie und auch auf Ihren Bildern so, dass es zwei Umschlagspunkte gibt: einen im Sauren von Rot nach Violett und einen im Neutralen von Violett nach Blau; im stark Basischen erscheint dann aufgrund einer Strukturveränderung ein Umschlag von blau nach gelb - so wie sie es auf Ihrer Seite ja auch beschrieben haben.

In unserem Experiment gab es nun (übereinstimmend bei allen Experimentiergruppen) den blauen Farbstoff lediglich bei pH 7. Bei pH 8 bis pH 11 erschien (wieder ?) die violette Färbung wie auch schon bei pH 6. Hätten Sie eine Erklärung dafür? Die Pufferlösungen waren in Ordnung (Frisch geöffnet, später auch noch einmal mit dem pH-Meter nachgemessen), es handelt sich bei pH 8 um einen Borat/Salzsäure- und bei pH 9 um einen Borsäure/Kaliumchlorid-Natronlauge-Puffer.

In der Hoffnung, Sie können mir weiterhelfen, und diesen an sich ja wunderschönen und auch theoretisch sehr ergiebigen Versuch "retten", verbleibe ich mit den besten Grüßen (…)


A: Da gibt es viele Gründe…

Erst einmal würde ich nicht von Falschfarben sprechen. Dieser Begriff ist fachlich belegt, zum Beispiel durch die Astronomie.

Man muss sich klar machen, dass bei solchen komplexen Gemischen wie dem Rotkohlsaft ein eindeutiges Farbverhalten des Indikators nicht zu erwarten ist. Denken Sie z. B. daran, dass der eigentliche phenolische Farbstoff Cyanidin ja als Glykosid („Cyanin“) vorliegt - mit allen Bindungsmischungen, die denkbar sind.

Hinzu kommt, dass sich um pH 5 bei längerem Stehen in der Pufferlösung eine Entfärbungsreaktion bemerkbar macht. Grund: Addition von Wassermolekülen im Chromanring am C-Atom neben dem positiv polarisierten O-Atom.

Weiter neigt Cyanin / -idin in manchen pH-Bereichen zur Fluoreszenz, was den Rotstich oberhalb pH 7 bewirken kann.

Außerdem dauert die Reaktion Blau -> Gelb etwas; die Reaktionszeit hängt vom pH-Wert ab.

Wenn Sie den Farbstoff genau untersuchen wollen, müssen Sie reines Cyanidin (also nicht das Glykosid) nehmen und am Besten mit einem Spektralfotometer arbeiten.

Achten müssen Sie dabei auch darauf, möglichst nur eine Pufferart zu verwenden. Es ist durchaus denkbar, dass Bor als Element der Triele (Elemente der Borgruppe) mit Cyanidin Komplexe bilden kann, was Farbverschiebungen zur Folge hat. Denken Sie an die Kornblume, deren Farbe bei schwach saurem pH durch Komplexierung mit Aluminium-Ionen in der Pflanze bewirkt wird. Oder an die "Zucht" blauer Hortensien, indem man Salzlösungen mit dreiwertigen Ionen zugibt.

Zum Schluss: Es gibt auch nicht den Rotkohl... Da kann es bei manchen Sorten im Saft durchaus noch weitere Anthocyane oder andere Farbstoffe geben.

Gehen Sie am Besten so vor, wie wir es in dieser Webseite beschreiben.

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Letzte Überarbeitung: 10. November 2012, Dagmar Wiechoczek