Nachweisreaktionen für funktionelle Gruppen

Umsetzung des PIN-Konzepts

in den Unterricht des bayerischen Gymnasiums

​

Martin Schwab, Fachreferent Chemie, MB-Dienststelle Unterfranken

Wolfgang Proske, Schulchemiezentrum Zahna

Dieses Projekt wurde unterstützt vom

Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt

PIN-Konzept�Phänomenologisch-Integratives Netzwerkkonzept

1. Auflage, 1998

Buch mit 407 Seiten,

davon S. 237 – 355 Experimente

Organische Chemie im Vorfeld der Formelsprache

Chemkon 2 (1995), S. 151-157

Lehrplanbezug�Bayerischer Lehrplan Gymnasium NTG

Lerhrplan 9. Klasse NTG: Kompetenzen

Lerhrplan 9. Klasse NTG: Inhalte

Lerhrplan 10. Klasse NTG:

• Redoxreaktionen
• Säure-Base-Reaktionen

Lehrplan G9 –Gymnasien�https://www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/9/chemie/ch-ntg�

Hydroxy-Gruppe

​

Endständige Carbonylgruppe

​

Carboxy-Gruppe

​

​

Carbonyl-Gruppe

​

Ester-Gruppe

​

Nachweisreaktionen für funktionelle Gruppen

​

Alkohole

Aldehyde

Carbonyle

Carbonsäuren

Ester

Experimentelle Aufgabenstellung

1. Leiten Sie aus den Versuchsergebnissen die Strukturformeln der Moleküle ab.
2. Benennen Sie die funktionellen Gruppen und die Moleküle nach IUPAC-Nomenklatur.
3. Geben Sie an, welche der Moleküle Isomere sind und definieren Sie den Begriff „Isomerie“.

Testaufgabe mit experimentellem Hintergrund

Umsetzung als Experimentierset�auf der Basis des PIN-Konzeptes

• Dichromat-Test entfällt ersatzlos
• Schiff-Reagenz nicht im Set,

dafür Aceton-Reagenz

• Problem: Welcher Aldehyd?
• Ersatzstoffsuche

• Reagenzienset mit Vergleichssubstanzen
• mehr Reagenzien als im LP gefordert
• Arbeit ohne Brenner
• Tropflaschen (auslaufsicher)
• Arbeit auf Tüpfelplatten oder - Raster

Das PIN-Set�Eine Zusammenstellung mit viel Knowhow

Ausstattung der Experimentiersets�Reagenzien

• Cernitrat-Lösung
• 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Lösung
• Aceton-Reagenz
• Fehling ohne Brenner (Kupfersulfat-Zitronensäure-Mischung + festes Natriumhydroxid)
• Iod-Lösung
• Thymolphthalein-Lösung für Rojahn-Test
• Natronlauge, 1 mol/L
• Kupfersulfat-Lösung
• Eisen(III)-chlorid-Lösung

​

​

Ausstattung der Experimentiersets�Vergleichssubstanzen

• Ethanol (Wodka, ca 1:2 mit Wasser verdünnt)
• Ethylenglycol, Glycerin
• Spiritus
• !!! Einfacher Aldehyd fehlt!!!
• Glucose (Festsubstanz)
• Aceton, Butanon
• Ameisensäure, Essigsäure, Milchsäure
• Essigsäure-Natriumacetat-Lösung
• Triacetin, !!! kein Ethylacetat!!!

​

​

​

​

Alle Flüssigkeiten als 10 % Lösungen (Ausnahme Triacetin)

Vorteil der wässrigen Lösungen

Geringeres Gefahrenpotential

• z.B. Ethanol ist als 10 %-ige Lösung nicht mehr brennbar
• kostensparend

Höhere Oberflächenspannung

• reiner Ethanol zerfließt auf dem Tüpfelraster, Ethanol, 10 %, bildet Tropfen wie Wasser

​

​

Tropfflasche 18ml�mit Etikett 25 x 50 mm

Flaschenform funktioniert nicht mehr: Etikett ist zu hoch, Tropfen

unterschiedlich groß

Etiketten mit D-GISS auf Rolle�mit dem Epson TM-C3500

Beschriftung - Etikettierung�Grundlagen der Tüpfeltechnik

Anforderung an das Gerät

• Gerät mit Tastatur
• Bänder 24 mm Höhe (36 mm auch möglich)
• Druckausgabe 360 x 720 dpi

Vorteil der Bänder

• Chemikalienfest
• Lichtecht
• Verschiedene Farben

Brother TZe-131 12mm Schriftband P-touch Tape 8 m

Preisbeispiel: Etwa 12 Euro

Materialien für die Tüpfeltechnik�Grundlagen der Tüpfeltechnik

https://www.mbm-lehrmittel.de/

Für die Projektion geeignet!

Tüpfelraster DIN A 4 zum selber Ausdrucken und Laminieren:

https://www.fachreferent-chemie.de/wp-content/uploads/Raster-2.0.pdf

Hinter- bzw. Untergrund �Leuchtplatten lassen Farben leuchten

https://www.planistar.de/leuchtpulte-fuer-grafik-und-foto.html

Leuchtplatten mit Glasoberfläche

Reflecta Slim Light

Cernitrat-Test auf Alkohole

Eine deutliche Rotfärbung weist auf das Vorhandensein von Hydroxy-Gruppen hin. Der Grund für den Farbumschlag ist ein Ligandenaustausch im Cer(IV)-Komplex:

​

[Ce(NO₃)₆]^2- + ROH → [Ce(NO₃)₅ROH]^- + NO₃^-

gelborange rot

Weitere Nitrat-Liganden können durch Alkohol- oder Wasser-Moleküle substituiert sein. Die Oxidationsstufe (+IV) des Zentralatoms ändert sich nicht. Tritt eine Änderung der Oxidationszahl durch oxidierbare Teilchen wie das Propanal-Molekül auf, kommt es zum Bleichen des Farbkomplexes.

Aus Chemie aber sicher

Ce⁴⁺ ist ein starkes Oxidationsmittel, der rote Komplex ist nur eine Zwischenstufe,

die durch Bildung von Ce³⁺ farblos wird.

1 : 1

Tropfenzahl

Alkohole mit mehreren –OH-Gruppen

• Substanzen mit mehreren –OH-Gruppen reagieren mit Kupfer-Sulfat-Lösung im alkalischen Milieu unter Farbvertiefung
• 1:1:1 (Probe, Natronlauge 1 mol/L, Kupfersulfat-Lsg.)
• Es bildet sich kein Niederschlag von Kupferhydroxid
• Bsp. für diese Reaktion: Ethylenglycol, Glycerin und Glucose
• Hydroxid-Bildung bei Ethanol

​

​

Wasser Ethanol Ethylenglycol Glycerin Glucose

Iodoformtest

Positiver Nachweis mit: Ethanol, Propanol, Aceton, Butanon, Milchsäure

(Achtung bei Milchsäure: Nicht zu viel dazugeben, sonst wird alkalisches Milieu aufgehoben)

Hellgelber Niederschlag im Tüpfelmaßstab oft schwer zu erkennen,

besser als Trübung im Mikroreagenzglas

Durchführung:

Braune Iodlösung zu Natronlauge geben (Entfärbung durch Bildung von

Hypoiodit und Iodid), dann Probelösung dazugeben.

​

Auszug aus der Anleitung von Wolfgang Proske

8. Jodoform-Test

Geräte und Chemikalien:

Tüpfelraster,

Natronlauge 1 mol/l, Iod-Lösung 0,05 mol/l, keine Iod-Kaliumiodid-Lösung nach Lugol

Durchführung:

Unterlage: schwarz

1 Tropfen Probe, 2 Tropfen Natronlauge, 2 Tropfen Iod-Lösung

positiv: Bildung eines gelblichen Niederschlages, Geruch nach Jodoform (Apotheke)

ausgetestete Substanzen:

Ethanol, Aceton, Milchsäure, Methylethylketon, Methylisobutylketon

Hinweise:

Natronlauge entfärbt Iod-Lösung, es entsteht Hypoiodit und Iodid

Thema Carbonyle

Aber:

Welche Aldehyde, welche Ketone?

Methanal und Ethanal sind verboten, die höheren Aldehyde stinken!

Aceton W Tätigkeitsverbot für werdende und stillende Mütter

Aromatische Aldehyde sind in der 9. Klasse noch kein Thema

Vergleichssubstanz�Glyoxal als Vertreter der Aldehyde

H341 Kann vermutlich genetische Defekte verursachen

W Tätigkeitsverbot für werdende und stillende Mütter

Reagiert nicht mit Schiff-Reagenz!

Aldehyde�Geeignet für die Schülerübung

Acetaldehyd in starker Verdünnung möglich:

Vorschlag Waltraud Habelitz-Tkotz:

Esbit ist Trockenbrennstoff, wird aus Ammoniak und Formaldehyd gebildet

Urotropin

Zersetzung durch Schwefelsäure in Formaldehyd und Ammoniumsulfat

Reagenz auf Carbonyl-Gruppe� 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Lsg.

EUH001 — „In trockenem Zustand explosiv“

Lösung gebrauchsfertig kaufen!

(salzsaure Lösung, z.B. Windaus)

Reagenz auf die Carbonyl-Gruppe: Aldehyde und Ketone

Reagenzien� 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Lsg.

Niederschlag von gelb – rot, je nach Aldehyd bzw. Keton

Carbonyl-Gruppe + 2,4-Dinitrophenylhydrazin → 2,4-Dinitrophenylhydrazon + Wasser

1 : 1 bis 2

Tropfenzahl

Tüpfelplatte oder Tüpfelraster

Spiritus

Ethanol

Butanon

Gelbe Spuren auf dem Tüpfelraster lassen sich mit Spiritus entfernen

Tüpfelraster besonders geeignet

Interessante Milchsäure

​

Milchsäure Rotfärbung

sofort

Ce(IV)-Komplex

mit der -OH-Gruppe

Entfärbung

Gasentwicklung

langsam

Ce(III)-Komplex

Ethanal

Kohlenstoffdioxid

Nachweis des Ethanals möglich:

• Dinitrophenylhydrazin
• Schiffsches Reagenz

Oxidation der Milchsäure mit anderen Oxidationsmitteln:

• Kaliumpermanganat
• Wasserstoffperoxid

Ammoniumcer(IV) -nitrat

Schiffs-Reagenz�Reagenz auf Aldehyde

Reagiert nicht mit Zuckern

​

Wenn Parafuchsinfrei gilt:

Parafuchsin

Schiffs-Reagenz auf der Basis von

Fuchsin

Reaktionsablauf Schiffsche Probe

Quelle:

https://www.chids.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0028Oxidation_von_Milchsaeure.pdf

Zuckernachweise – unterschiedliche Methoden

Fehling ohne Erhitzen

Reduktion von Cu²⁺-Ionen zu Cu¹⁺ in alkalischer Lösung

unter Zusatz eines Komplexbildners (verhindert Ausfallen von Kupfercarbonat oder Hydroxid)

Fehling ohne Brenner

Plätzchen sicherer als geperltes Natriumhydroxid

Pinzette nötig

Idee: Wolfgang Proske

Kupfersulfat-Zitronensäure-

Mischung

Natriumhydroxid-

Plätzchen

Fehling ohne Brenner�(mein Favorit)

Lösungswärme von Natriumhydroxid-Plätzchen nutzen

Kupfersulfat-

Zitronensäure

Kupfersulfat-

Zitronensäure

+

Alkalisches Milieu

Kupfersulfat-

Zitronensäure

+

Alkalisches Milieu

+

Zucker

​

Teststäbchen Glucose Quantofix�Hersteller z.B. Macherey-Nagel

Probelösung verdünnen: 1 : 100

• Keine Störeffekte durch andere Inhaltsstoffe
• Bei verdünnter Lösung genauerer Messbereich

​

​

Aber:

• Nur auf Glucose empfindlich
• Teststäbchen für Glucose und Fructose

verfügbar, sehr teuer

Anwendung

• Fruchtsaft oder Softdrinkanalyse auf Zucker
• Überprüfung des Stärkeabbaus mit Amylase

(Speichel) als Langzeitversuch

https://www.mn-net.com/de/halbquantitative-teststaebchen-quantofix-glucose-91348

Aceton-Reagenz

Natrium-Nitroprussid 

Verreibung mit

Natriumcarbonat und

Ammoniumsulfat.

​

Gehalt an Nitrorpussid:

0,24 %

Nicht spezifisch für Aceton (allg. für C-H-acide Verbindungen)

- H₂O

Acetonreagenz

Wasser

Aceton

Butanon

Das Natrium-Nitroprussid ist in der Verreibung kaum zu erkennen!

Bromthymolblau-Reagenz�Säure-Base-Indikator

Bromthymolblau (BTB) als Indikator der Wahl

• Deutlicher Farbumschlag
• Im Set als schwach alkalische Lösung

​

​

Säuren werden angezeigt beim Umschlag von Blau nach Gelb

Triacetin�Vergleichssubstanz für Ester

Ester aus Glycerin und Essigsäure

Lebensmittelzustatzstoff: �E 1518 – Glycerintriacetat

Feuchthaltemittel in

Kaugummi und Aromen

Papayabaum und Frucht, Illustration aus 

Köhler’s Medizinal-Pflanzen, 1887

Rojahn-Test

2 -2 -2

Triacetin + Thymolphthalein + Natronlauge

Tropfenzahl

Verseifung des Esters unter Verbrauch der Hydroxid-Ionen

Achtung:

Reihenfolge einhalten

Langsame Entfärbung bei Rojahn



schlagartiges Entfärbung bei Neutralisation

Rojahn-Test

2 -2 -2

Triacetin + Tymolphtalein + Natronlauge

Tropfenzahl

Verseifung des Esters unter OH^--Verbrauch

Zum Starten des Films auf die Filmklappe klicken

Übersicht� (ohne Spezialtests)

Bezugsquellen�Chemikalien

• 2,4 Dinitrophenylhydrazin 12 x 25 ml
• Ammonium-Cer-IV-nitratlösung 12 x 25 ml
• Schiffs-Reagenz 10 x 50 ml
• Bromtymolblau-Lsg. 0,1% 12 x 25 ml
• Thymolphtaleinlösung 0,1% 10 x 50 ml
• Aceton-Reagenz
• Fehling-Test (Zitronensäure-

Kupfersulfat-Verreibung)

• Natronlauge 1 molar, 12 x 25 ml

​

Bei den Spezialreagenzien (DNPH, Cer-nitrat) gibt es noch keine Nachfüllpackungen

https://www.winlab.de/

Bezugsquellen�Materialien

https://www.herenz.de/Kataloge/HERENZ_Katalog_2022_DE_Web_.pdf

​

Löffel nicht dabei!

Bezugsquellen�Materialien

https://alp.dillingen.de/akademie/akademieberichte/

Bezugsquellen�Dosierhilfe für feste Substanzen

https://www.stevia-pura.de/Dosierloeffel_1

Literatur

https://alp.dillingen.de/akademie/akademieberichte/

Enthält Versuchsanleitungen und Gefährdungsbeurteilungen zu den im Lehrplan vorgeschlagenen Versuchen

Materialien�Online

Auf der Webseite

​

www.fachreferent-chemie.de

​

finden sich alle Materialien des Vortrags

​

Kontakt: bcschwab@web.de