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PD Dr.rer.nat.habil.

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Preprints in der Chemie

Physiker und Mathematiker publizieren ihre Manuskripte häufig als Preprint, bevor diese in wissenschaftlichen Zeitschriften erscheinen. Für Chemiker ist diese Vorgehensweise eher ungewöhnlich; doch seit letztem Jahr gibt es zwei Preprintserver für chemische Literatur. Preprintserver in der Chemie...

Prof.Dr.

<p>Die Farbstoffe aus Tinten oder Textmarkern eignen sich als pH-Indikatoren. Bei einem bewährten Experiment aus der Schulchemie erzeugen solche Moleküle zusammen mit einer UV-Lampe grün oder blau leuchtende Fontänen.</p>
<p>Ein beliebter Versuch in der Schulchemie ist der Springbrunnenversuch.<sup>1)</sup> Hierbei füllt der Lehrer einen Rundkolben mit Chlorwasserstoff und verschließt ihn anschließend mit einem durchbohrten Stopfen, in dem ein zur Spitze verengtes Glasröhrchen steckt. Das Röhrchen ist so in den Stopfen einzuführen, dass es mit der Spitze in das Innere des Rundkolbens ragt und mit der anderen Seite zirka 5 cm herausschaut. Dieses Ende des Glasrohres wird in eine Glaswanne mit Wasser, das mit einem Indikator versetzt wurde, getaucht, sodass der Kolben kopfüber steht.</p><p>Das Wasser steigt langsam im Glasrohr hoch. Sobald die ersten Tropfen in den Kolben gelangen, löst sich in ihnen ein großer Teil der Chlorwasserstoffportion und reagiert zu Oxonium- und Chloridionen. So entsteht Unterdruck, durch den weiteres Wasser wie ein Springbrunnen in das Innere des Kolbens schießt. Dabei ändert sich die Farbe der Lösung, da der pH-Wert sinkt. Wenn die Lösung einen Universalindikator enthält, wechselt ihre Farbe von Grün nach Rot.</p><p>Dieses Experiment kommt im Chemieunterricht häufig in der Unterrichtseinheit über saure und alkalische Lösungen zum Einsatz. Es zeigt, dass beim Lösen von Chlorwasserstoff in Wasser eine saure Lösung – Salzsäure – entsteht. Darüber hinaus macht es deutlich, dass Wasser eine enorme Menge Chlorwasserstoff aufnehmen kann. So lösen sich in 1 L Wasser bei Normalbedingungen etwa 440 L Chlorwasserstoff.</p><p>Der Springbrunneneffekt tritt auch auf, wenn der Kolben nicht mit Chlorwasserstoff, sondern mit Ammoniak gefüllt wird. Nur die Farbänderung ist anders, da der pH-Wert steigt. Relativ trockenes Ammoniak entsteht, wenn eine konzentrierte Ammoniaklösung auf festes Natriumhydroxid tropft.</p><p>Inzwischen gibt es eine Reihe von Variationen des Springbrunnenversuchs, zum Beispiel mit Lötstein und Rohrfrei.<sup>2) </sup>Im Folgenden sind einige neue, spektakuläre Varianten dieses Versuches beschrieben, bei denen Fluoreszenzfarbstoffe aus Alltagsprodukten als pH-Indikatoren dienen.</p><h2>Mit Korrekturtinte</h2><p>Der Farbstoff Eosin Y ist ein Triphenylmethanfarbstoff, der durch die Sauerstoffbrücke in seiner Struktur ein Xanthengerüst aufweist. Chemisch gesehen leitet er sich von Fluorescein ab, bei dem Bromatome vier Wasserstoffatome ersetzen (Tetrabromofluorescein). Die Lösungen beider Farbstoffe fluoreszieren stark. Eine neutrale, wässrige Eosin-Y-Lösung ist bei Tageslicht rot, bei Bestrahlung mit UV-Licht fluoresziert sie grün. Zudem ist Eosin Y ein pH-Indikator und schlägt bei zirka pH 2 von Gelb (&lt; pH 2) auf Rot (&gt; pH 2) um. Die Fluoreszenz seiner wässrigen Lösung erlischt unter pH 2. Ursache der Farbänderung und des Fluoreszenzverhaltens ist ein Lacton, ein innermolekularer, ringförmiger Ester, der sich im Sauren spontan bildet (Abbildung 1).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/aCuzSv6GTw6iQSFGS4vp"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Strukturformeln von Eosin Y im sauren (links) und alkalischen Milieu (rechts). Im Sauren ist Eosin Y gelb, im Alkalischen ist es rot und fluoresziert grün.</figcaption></figure>
<p>Bei der ersten Variante des Springbrunnenversuchs sollen die besonderen Eigenschaften, Farbe und Fluoreszenz zu ändern, eingesetzt werden: Dazu eignet sich reines Eosin Y. Eine Alternative ist rote Tinte, also die Korrekturtinte der Chemielehrkraft, zum Beispiel von Lamy, die unter anderem Eosin Y enthält.</p><p>Für das Experiment wird 1 mL rote Tinte von Lamy mit 600 mL Wasser in einer Kristallisierschale vermischt. Diese Lösung ist orange, da die Lamy-Tinte noch einen orange-gelben Farbstoff enthält. Anschließend tropft der Experimentator unter UV-Licht gerade so viel 4-molare Salzsäure hinzu, dass die Fluoreszenz verschwindet.</p><p>Ein 250-mL-Rundkolben wird mit Ammoniak gefüllt. Der Rundkolben wird dann wie beschrieben mit einem durchbohrten Stopfen mit durchgeführtem Glasrohr verschlossen. Der Rundkolben wird umgedreht und das Steigrohr in die saure Eosin-Y-Lösung getaucht. Die Apparatur wird nun mit einer UV-Handlampe (λ = 365 nm) bestrahlt. Die Lösung steigt im Glasrohr langsam nach oben und fängt schon zu diesem Zeitpunkt an, grün zu fluoreszieren. Sobald der erste Tropfen in den Rundkolben gelangt ist, steigt schlagartig eine grün-fluoreszierende Fontäne auf, die immer kräftiger wird (Abbildung 2). Zum Schluss ist der Kolben fast vollständig gefüllt.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/4VHVBJKtRBqkwNZGbiRp"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Fluoreszenzspringbrunnen mit Eosin-Y-Lösung aus roter Tinte; rechts: zu Versuchsbeginn bei Tageslicht; links: im abgedunkelten Raum unter UV-Licht, Lösung strömt in den Rundkolben .</figcaption></figure>
<h2>Mit Textmarkerfarbstoff</h2><p>Textmarker enthalten Fluoreszenzfarbstoffe der unterschiedlichsten Stoffklassen. So verwendet der Hersteller in der gelben Tinte von Stabilo-Boss aktuell einen Cumarin- und einen Stilbenfarbstoff. Häufig werden auch Xanthenfarbstoffe genutzt, etwa im pinkfarbenen Leuchtmarker von Stabilo, der einen roten und einen violetten Farbstoff dieser Klasse enthält. Im gelben Textmarker von Herlitz zeigen Absorptionsspektren Pyranin als Inhaltsstoff an (Abbildung 3). Weitere Untersuchungen wiesen in den gelben Textmarkern Pelikan 490 sowie Faber-Castell-Textliner 48 ebenfalls Pyranin nach.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/3yEDFH9uR4CjFxzDeQPZ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Absorptionsspektren einer wässrigen Pyraninlösung sowie einer wässrigen Lösung des Farbstoffs aus dem gelben Herlitz-Textmarker (beide Lösungen haben einen pH-Wert von 9; Spektrophotometer: Genesys 10S UV-Vis, Thermo Scientific).</figcaption></figure>
<p>Pyranin ist ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff mit dem systematischen Namen Trinatrium-8-hydroxypyren-1,3,6-trisulfonat. Sein chemisches Verhalten ist auf die Hydroxygruppe zurückzuführen, von der sich reversibel ein Proton abspaltet (Abbildung 4, S. 435). In der alkalischen Textmarkerflüssigkeit liegt das Gleichgewicht auf der deprotonierten Seite: Die Farbstofflösung ist bei Tageslicht gelb, und unter UV-Licht tritt intensive grüne Fluoreszenz auf. Ansäuern verschiebt das Gleichgewicht auf die protonierte Seite, und die Lösung entfärbt sich. Bei Bestrahlung mit UV-Licht fluoresziert die Lösung nun grünblau und bei pH unter 1 tiefblau.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/zq1tTDyQWSCZGU2qdxqw"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Die Strukturformeln von Pyranin im sauren (links) und alkalischen Milieu (rechts). Im Sauren fluoresziert Pyranin blau, im Alkalischen ist es gelb und fluoresziert grün.</figcaption></figure>
<p>Dieses besondere Fluoreszenzverhalten macht den Springbrunnenversuch eindrucksvoll, allerdings ist die bisherige Versuchsdurchführung dazu abzuändern: Zunächst ist eine wässrige Pyraninlösung herzustellen. Das funktioniert am besten, wenn ein Filterpapier mit 10 cm Durchmesser beidseitig mit dem Textmarker bemalt und dann in 600 mL Wasser hin und her bewegt wird.</p><p>25 mL konzentrierte Salzsäure in dem wie beschrieben verschlossenen Rundkolben werden mit der Bunsenbrennerflamme erhitzt, bis deutlich sichtbar Chlorwasserstoffdämpfe aus dem Glasrohr im Stopfen austreten. Dann wird die Apparatur im abgedunkelten Raum mit UV-Licht bestrahlt. Der Experimentator dreht den Rundkolben zügig um und taucht das Glasrohr im Stopfen in die Pyraninlösung. Die Lösung, die zunächst grün fluoresziert, steigt im Glasrohr und schießt dann springbrunnenartig in den Rundkolben. Dabei ändert sich die Fluoreszenz von grün nach blau (Abbildung 5).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/dcp0VShRQqODHK2ICanr"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Der Fluoreszenzspringbrunnen mit Pyraninlösung aus einem Textmarker.</figcaption></figure>
<p>Der Unterdruck, der den Springbrunneneffekt verursacht, basiert bei dieser Variante nicht nur auf der Wasserlöslichkeit von Chlorwasserstoff, sondern auch auf der Abkühlung des Kolbens und der Kondensation von Wasserdampf.</p><p>Die vergleichsweise große Menge an konzentrierter Salzsäure ist notwendig, um den pH-Wert der Lösung möglichst gering zu halten. Im Verlauf des Versuchs würde sonst die blaue Fluoreszenz der Lösung im Kolben mit zunehmender Verdünnung wieder nach Grün umschlagen, da die einströmende neutrale Pyraninlösung die Salzsäure verdünnt. Der Versuch ist auch im Reagenzglas durchführbar.<sup>3)</sup></p><p>Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, Die Forscher stellen dazu in den Nachrichten aus der Chemie Beispiele vor.</p><h2>Vitakasten</h2><p>Matthias Ducci studierte Chemie und Mathematik für das Lehramt an Gymnasien an der Universität Oldenburg und promovierte dort im Jahr 2000 im Arbeitskreis von Walter Jansen. Nach dem Zweiten Staatsexamen war er zunächst als Studienrat an der Kooperativen Gesamtschule Rastede und als Lehrbeauftragter an der Universität Oldenburg tätig. Im Jahre 2004 wurde er als Professor für Chemie und ihre Didaktik an die Pädagogische Hochschule Karlsruhe berufen. Er ist zudem geschäftsführender Direktor des Chemielehrerfortbildungszentrums der GDCh in Karlsruhe. Mit seiner Forschung erschließt er experimentell und konzeptionell neue Themen für einen problemorientierten und alltagsbezogenen Chemieunterricht.</p><div><img src="https://media.graphcms.com/hTw71KjjQ2KLFdy9qHJH">

</div><p></p><h2>Quergelesen</h2><p>Beim Thema saure und alkalische Lösungen setzen Chemielehrer oft den Springbrunnenversuch ein, bei dem sich HCl in Wasser löst und so eine Fontäne sowie den Farbumschlag eines Indikators auslöst.</p><p>Spektakulärer wird der Versuch, wenn anstelle eines Universalindikators ein Fluoreszenzfarbstoff eingesetzt wird.</p><p>Fluoreszenzfarbstoffe finden sich in schulüblichen Büromaterialien wie Tinte oder Textmarker.</p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt, Experimente für den Chemieunterricht, 2. Aufl., Oldenbourg, München, 1995.</li><li>
<sup>2 </sup>J. Freienberg, A. Flint, CHEMKON 2001, 8, 91.</li><li>
<sup>3 </sup>S. Zajonc, S. Pilarski, M. Ducci, CHEMKON 2014, 21, 189.</li></ul>


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