Wenn man an chemische Versuche denkt, stellt man sich normalerweise vor, dass da sofort etwas passiert. Man gibt Essig in Blaukrautsaft und sofort ändert sich die Farbe von Violett nach Rot. Oder man gibt eine Brausepulvermischung ins Wasser und sogleich schäumt sie auf. Es gibt aber auch Versuche, wo scheinbar zunächst einmal gar nichts passiert. Erst nach einer bestimmten Zeit – die der Chemiker bestimmen kann, indem er mehr oder weniger von den Chemikalien nimmt oder die Mischung erwärmt – sieht man plötzlich eine Veränderung. Solche Reaktionen heißen Zeitreaktionen.
Die erste Zeitreaktion entdeckte der Chemiker Hans Heinrich Landolt im Jahre 1886. Deswegen ist der Versuch auch als Landolt’sche Zeitreaktion bekannt. Leider braucht man dafür Chemikalien, die nicht leicht zu beschaffen sind. Es gibt aber eine Möglichkeit, die Landolt’sche Zeitreaktion mit einfachen, in jeder Apotheke erhältlichen, “Zutaten“ zu Hause durchzuführen.
Material/Geräte:
Kleiner Kochtopf, Messbecher, Teelöffel 5 ml, Esslöffel 15 ml, mehrere Trink- oder leere Marmeladengläser, evtl. Uhr mit Sekundenzeiger.
Chemikalien:
Povidon-Iod(PVP-Iod)-Lösung zur Wunddesinfektion aus der Apotheke
- im Folgenden einfach Iodlösung genannt
Vitamin C (Ascorbinsäure)
Stärke
Wasserstoffperoxidlösung 3 %
Sicherheitshinweise:
PVP-Iod-lösung darf man nicht einnehmen und auf Haut und Kleidung hinterlässt sie braune Flecken. Flecken können durch Betupfen mit Vitamin-C-Lösung entfernt werden (danach gleich gut auswaschen!)
Bei Benutzung des Herdes besteht Verbrennungs/Verbrühungsgefahr. Je nach Alter und Geschicklichkeit der experimentierenden Kinder sollte ein Erwachsener ihnen zur Hand gehen, beziehungsweise das Tun der Nachwuchsforscher beaufsichtigen. Dass bei chemischen Experimenten - selbst wenn sie in der Küche stattfinden - nichts nebenher gegessen und getrunken werden darf, sollte man ihnen auf jeden Fall erklären!
Menschen die an einer Schilddrüsenüberfunktion erkrankt sind, sollten den Kontakt mit Iod und Iodverbindungen vermeiden. Bei Kindern kommen solche Erkrankungen aber so gut wie nicht vor.
Versuchsdurchführung:
Hinweis: nicht jeder Teelöffel hält 5 ml Flüssigkeit! Besser vorher ausprobieren! Ein Esslöffel hat normalerweise den dreifachen Rauminhalt eines Teelöffels – auch das sollte man sicherheitshalber überprüfen. Wenn kleine Messbecher oder Medikamentendosierlöffel o.ä. vorhanden sind, können natürlich diese verwendet werden. Chemiker nehmen im Labor normalerweise destilliertes Wasser für ihre Versuche. Dieser Versuch klappt aber auch mit Leitungswasser.
Als erstes benötigen wir eine Stärkelösung, die ungefähr 1 %ig sein soll. Dass heißt, dass in 100 Gramm Wasser 1 Gramm Stärke gelöst sein muss. Stärke löst sich nur in kochendem Wasser. Rührt man das Pulver aber in das heiße Wasser, so verklumpt es. Jeder Koch weiß daher, dass man es anders machen muss! Nämlich so:
In einem kleinen Topf erhitzen wir 1/2 Liter (500 ml) Wasser bis es kocht. In der Zwischenzeit rühren wir in einem Glas oder Schälchen 2 leicht gehäufte Teelöffel (das sind ungefähr 5 Gramm) Stärkepulver mit wenig Wasser zu einem dünnen Brei an. Diesen gießen wir unter Rühren in das kochende Wasser. Die Stärke löst sich auf und es bleibt allenfalls eine leichte Trübung. Wir kochen noch etwa 2 Minuten leicht und lassen dann abkühlen.
Als zweites setzen wir eine Vitamin C-Lösung an, die 1,66 %ig sein soll (also 1,66 g in 100 ml - was dasselbe ist wie 1 g in 60 ml Wasser). Wenn keine Waage zur Verfügung steht nehmen wir den Teelöffel. Einen gestrichenen (!) Teelöffel voll Vitamin C-Pulver (ca. 3600 mg) geben wir in ein großes Glas und gießen mit dem Messbecher 200 ml Wasser dazu. Umrühren, bis sich das Vitamin C gelöst hat!
Dann machen wir einen Vorversuch:
Wir füllen ein Trinkglas zur Hälfte mit Wasser und rühren einen Teelöffel unserer Stärkelösung hinein. Von der Stärke ist nichts zu sehen – die Mischung sieht aus wie reines Wasser. Wenn wir jetzt ein paar Tropfen Iodlösung zugeben, färbt sich das Wasser im Glas dunkel blauschwarz. Gegenprobe: ein paar Tropfen Iodlösung in Wasser ohne Stärkelösung geben nur eine blass gelbe Mischung! Wenn wir jetzt zu dem blauschwarzen “Wasser“ einen Teelöffel Vitamin C-Lösung geben und umrühren, wird die Flüssigkeit wieder wasserklar.
Jetzt kommt der eigentliche Versuch!
In einem Glas passender Größe mischen wir 1 Esslöffel (15 ml) Wasserstoffperoxid 3% mit 1 Esslöffel und 2 Teelöffeln (25 ml) Wasser.
In ein zweites Glas geben wir zwei Teelöffel der dunkelbraunen PVP-Iod-Lösung (10 ml) und einen Teelöffel Vitamin-C-Lösung (5 ml) und rühren um. Und siehe da: die Mischung entfärbt sich und sieht fast aus wie reines Wasser. Wenn das nicht passiert war die Vitamin C-lösung nicht stark genug. In diesem Fall müssen wir vorsichtig - Tropfen für Tropfen – mehr Vitamin C-Lösung zufügen, bis die braune Farbe verschwunden ist (es bisschen hellgelb darf es noch aussehen). Dann rühren wir einen knappen Teelöffel (3 ml, aber die genaue Menge ist nicht so wichtig) Stärkelösung dazu. Die Farbe verändert sich nicht.
Nun geben wir die verdünnte Wasserstoffperoxidlösung aus dem zweiten Glas dazu, rühren um und beobachten. Zunächst passiert gar nichts. Nach etwa 20 Sekunden bemerken wir eine gelbliche Färbung in der Flüssigkeit und kurz darauf färbt sich die Mischung plötzlich schlagartig schwarz. Wer will, kann die genaue Zeit mit einer Uhr stoppen!
Entsorgung:
Wir geben zu der schwarzen Brühe soviel Vitamin-C-Lösung, bis sie sich wieder entfärbt hat. Anschließend können wir sie in den Ausguss schütten. Benutzte Trinkgläser danach gut mit Wasser und Spülmittel ausspülen!
Erklärungen:
Der Vorversuch zeigt, dass Iod mit Stärke eine blauschwarze Farbe ergibt. Während man dem Glas Wasser nicht ansieht, ob es Stärke enthält oder nicht, kann man sich mit der Iodlösung schnell Klarheit verschaffen: wenn das Wasser blauschwarz wird, war Stärke drin! Anders gesagt: mit Iodlösung kann man Stärke nachweisen. Stärke ist ein wichtiger Bestandteil vieler Lebensmittel. Mit der Iodlösung könnt ihr in der Küche Lebensmittel auf Stärke untersuchen! Verdünnt einen Teelöffel Iodlösung mit 2-3 Esslöffeln Wasser und tropft die Mischung auf eine Kartoffelscheibe, auf ein Stück Weißbrot, eine gekochte Nudel, ein paar (gekochte) Reiskörner oder auf Mehl. Überall bildet sich die blauschwarze Farbe: alle diese Lebensmittel enthalten Stärke! Probiert es mit einem Apfelschnitz, einem Stückchen gekochten Schinken, einem Löffel Quark: nur braungelb - keine Stärke enthalten. Ein Stoff, mit dem man einen anderen Stoff nachweisen kann nennt man in der Chemie ein Reagenz. Iodlösung ist ein Reagenz auf Stärke.
Jetzt wissen wir auch, warum die Flüssigkeit bei unserer Zeitreaktion plötzlich blauschwarz wird: Iod hat mit Stärke reagiert. Aber wieso nicht schon vorher? Und warum wird das braune Iod durch die Vitamin-C-lösung entfärbt?
Iod gehört zu einer Gruppe von Stoffen, die der Chemiker Elemente nennt. Elemente sind Stoffe, die nicht aus anderen Stoffen aufgebaut sind. Moment Mal! Schon wieder Stoffe? Sind wir jetzt in einem chemischen Labor oder ein einem Kleidergeschäft? Mit einem Stoff meint der Chemiker keinen Kleidungsstoff sondern eine beliebige Substanz. Du hast sicher schon mit Klebstoffen oder Farbstoffen zu tun gehabt.
Das Gegenstück zu einem Element ist eine Verbindung, also ein Stoff der aus mehreren Elementen zusammengesetzt ist. Die meisten Stoffe in unserer Umwelt sind Verbindungen: der Zucker, das Salz und das Mehl, das Holz aus dem der Küchentisch gemacht ist und sogar das Wasser bestehen alle aus zwei oder mehreren Elementen.
Verbindungen sehen oft ganz anders aus als die Elemente, aus denen sie zusammengesetzt sind. Wenn wir Iodlösung mit Vitamin C-Lösung mischen, passiert eine chemische Reaktion und das Iod wird in eine Verbindung übergeführt, die Iodwasserstoffsäure heißt. Iodwasserstoffsäure ist farblos und gibt mit Stärke keine blaue Farbe – obwohl sie Iod chemisch gebunden enthält. Diese Reaktion kann mit Hilfe von Wasserstoffperoxid rückgängig gemacht werden: das Wasserstoffperoxid setzt aus der Iodwasserstoffsäure wieder Iod frei (daher kommt die Gelbfärbung, die sich bei unserer Zeitreaktion zuerst zeigt!) und dieses bildet mit der Stärke in der Lösung die blauschwarze Farbe. Bevor das Iod aber frei werden kann, muss vorher das zugesetzte Vitamin C chemisch zerstört werden, was ebenfalls durch das Wasserstoffperoxid geschieht. Diese Reaktion sieht man nicht und sie braucht ein bisschen Zeit. Erst wenn das Vitamin C verbraucht ist, kann sich freies Iod und damit die schwarze Farbe ausbilden.
Erklärung für Eltern:
Ascorbinsäure ist ein kräftiges Reduktionsmittel und reduziert Iod zu Iodid resp. Iodwasserstoffsäure:
2 HI + H2O2 ---> 2 H2O + I2
Diese Reaktion wird zur quantitativen Bestimmung von Ascorbinsäure, z.B. in der Pharmazie, benutzt.
Polyvinylpyrrolidon (PVP) ist ein weißer Feststoff, der sich in Wasser, aber auch in zahlreichen organischen Lösungsmitteln gut löst und physiologisch inert ist. Er bildet mit Iod eine Komplexverbindung, die gut wasserlöslich ist.
Die wässrigen PVP-Iodlösungen haben die früher verwendete alkoholische Iodtinktur in der medizinischen Anwendung verdrängt, weil sie viel weniger Haut- und Schleimhaut-reizend wirken als die letztere. Kleine Mengen Iod werden von PVP so fest gebunden, dass sie nicht mit Stärke reagieren. Erst größere Mengen stehen in einem Diffusionsgleichgewicht mit der wässrigen Umgebung und könne chemisch (oder antimikrobiell) wirksam werden. Daher sind wässrige PVP-Iod-Lösungen milde Antiseptika. Bei der Zeitreaktion werden die zunächst gebildeten Anteile Iod wieder von PVP gebunden und der Ansatz färbt sich gelblich. Erst wenn eine kritische Menge Iod entstanden ist, tritt die Iod-Stärke-Reaktion ein.
Wenn die Sprösslinge ausreichend neugierig sind, kann man die hier geschilderte Zeitreaktion variieren, z.B. indem man die Lösungen kurz in heißem Wasser erwärmt (nicht zu warm, sonst tritt die Iod-Stärke-Reaktion nicht ein!) oder indem man sie verdünnt. So kann daran die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen erklärt werden.
Bilder:
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Die Landolt’sche Zeitreaktion mit Vitamin C im Video. Die kleinen Messzylinder enthalten Iodlösung und Vitamin C-Lösung. Mit der Pipette wird Stärkelösung zugesetzt. Der große Messzylinder links enthält die mit Wasser vedünnte Wasserstoffperoxidlösung.
Literatur:
Wright S C: The Vitamin C Clock Reaction; Journal of chemical Education 79 (2002): 41-43
Eine „Ascorbinsäure-Uhr“ ....
