Chemische Reaktionen in Bubble Tea-Bällchen
Experimentalvortrag und Workshop von Prof. Dr. Matthias Ducci auf den 18. Stuttgarter Chemietagen
Chemische Reaktionen werden gewöhnlich in Reagenz- und Bechergläsern oder mitunter in recht komplizierten Apparaturen durchgeführt. Prof. Ducci vom Institut für Chemie der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe zeigte in seinem Vortrag, dass es auch ganz einfach und faszinierend zugleich geht: Er platzierte die chemischen Umsetzungen in das Innere von Alginatbällchen.
Vor wenigen Jahren schossen sie wie Pilze aus dem Boden: Asiatische Gastronomiebetriebe, in denen sogenannter Bubble Tea zum Kauf angeboten wurde. Bei diesem Getränk handelt es sich um stark gesüßten grünen oder schwarzen Tee mit verschiedenen Zusätzen, wie z. B. Milch oder Fruchtsäften. Die Besonderheit des Modegetränks sind die zugesetzten farbigen Kügelchen, die sogenannten Popping Bobas, welche im Innern flüssig sind und beim Zerbeißen platzen. Interessant ist allein schon die Frage nach den molekularen Vorgängen bei ihrer Bildung, auf die Prof. Ducci im ersten Teil seines Vortrags im vollbesetzten Hörsaal des Instituts Dr. Flad einging. Hierzu wird das Natriumsalz der Alginsäure, das aus Braunalgen gewonnen wird, benötigt. Verwendung finden Alginsäure und ihre Salze, die Alginate, unter anderem in der Lebensmittelindustrie als Emulgatoren, Gelier-, Überzugs- und Verdickungsmittel sowie in der Medizin als Wundauflage oder Abformmasse. Chemisch gesehen ist Alginsäure ein Biopolymer. Polymere sind Stoffe, die aus Makromolekülen bestehen, welche aus gleichen oder mehreren sich wiederholenden Struktureinheiten aufgebaut sind. Bei der Alginsäure findet man zwei unterschiedliche Bausteine, die beiden Zuckersäuren α-L-Guluronsäure und -D-Mannuronsäure. In einzelnen Alginsäuremolekülen hängen bis zu 3000 von ihnen aneinander.
Zur Herstellung der Bällchen wird Natriumalginat unter Erwärmen in Wasser gelöst. Anschließend muss diese Lösung einfach in eine wässrige Calciumsalzlösung getropft werden. Sobald ein Tropfen in Kontakt mit den Calciumionen kommt, bildet sich eine Hülle aus schwerlöslichem Calciumalginat, die in ihrem Inneren flüssige Natriumalginat-Lösung einschließt – und fertig ist das Alginatbällchen. Dieser Gelierprozess wurde von Prof. Ducci auf molekularer Ebene ausführlich erläutert und mittels zahlreicher Abbildungen verständlich gemacht.
Abb. 1: Alginatbällchen
Im zweiten Teil des Vortrags zeigte Prof. Ducci, wie chemische Reaktionen in das Innere der Alginatbällchen verlagert werden können. Hierzu werden der Natriumalginat-Lösung vor dem Herstellen der Bällchen, also vor dem Zutropfen in die Calciumsalz-Lösung, ein oder mehrere Reaktanden zugefügt. Bei Bildung der Bällchen werden diese somit eingeschlossen. Anschließend werden die Alginatbällchen in eine Lösung überführt, die weitere Reaktionsteilnehmer enthält. Diese können durch den Calciumalginatmantel diffundieren und eine chemische Reaktion mit den zuvor eingeschleusten Stoffen bewirken. Auf diese Weise führte Prof. Ducci in seinem Vortrag viele optisch faszinierende Versuche zu Donator-Akzeptor-Reaktionen durch. Hierbei griff er u. a. auf zahlreiche Haushaltsprodukte, wie Textmarkerfarbstoffe zurück. Schleust man z. B. den gelben Textmarkerfarbstoff Pyranin in die Alginatbällchen ein, so erhält man unter UV-Licht grün fluoreszierende Alginatbällchen. Bei Überführung in eine saure Lösung führt die Protonierung durch eindiffundierende Oxonium-Ionen zur Entfärbung der Bällchen bei Tageslicht, unter UV-Licht lässt sich nun aber eine blaue Fluoreszenz beobachten.
Abb. 2: Herstellung von Alginatbällchen, die den Fluoreszenzfarbstoff Pyranin enthalten, unter UV-Licht
Abb. 3: Dieselben Alginatbällchen aus Abb. 2 unter UV-Licht nach Behandlung mit Salzsäure
Doch nicht nur Säure-Base-Reaktionen, sondern auch Redoxreaktionen, bei denen Elektronen zwischen den Reaktionspartnern übertragen werden, hat Prof. Ducci so eindrucksvoll in Szene gesetzt. Hierzu schloss er Kaliumiodid und Natriumnitrat sowie Stärke in die Alginatbällchen ein. Diese blieben farblos, obwohl die Nitrat-Ionen unter bestimmten Bedingungen die Iodid-Ionen zu Iod oxidieren können. In dem annähernd neutralen Inneren der Alginatbällchen läuft diese Reaktion jedoch nicht ab. Erst als Prof. Ducci die so präparierten Alginatbällchen in Säure überführte, konnte beobachtet werden, dass mit dem Eindiffundieren der Oxonium-Ionen durch den Calciumalginatmantel langsam von außen nach innen eine Blaufärbung (Bildung des Iod-Stärke-Komplexes) einsetzte.
Ein weiteres, im Vortrag präsentiertes Beispiel für Redoxreaktionen betraf die verschiedenen Oxidationsstufen des Mangans. Mit Hilfe von violetten Kaliumpermanganat-Alginatbällchen in Natriumsulfit-Lösungen, die einen unterschiedlichen pH-Wert aufwiesen, erhielt Prof. Ducci farblose (Reduktion von MnO4--Ionen zu Mn2+-Ionen), braune (Reduktion von MnO4--Ionen zu Braunstein) und grüne (Reduktion von MnO4--Ionen zu MnO42--Ionen) Kügelchen.
Im Anschluss an den Vortrag folgte ein Workshop, an dem 20 Lehrkräfte aus ganz Deutschland teilnahmen. Hierbei wurde Prof. Ducci von seinen beiden Mitarbeiterinnen Frau Dr. Kirstin Brezesinski, die für die gesamte Koordination sowie Geschäftsführung des GDCh-Chemielehrkräftefortbildungszentrums Karlsruhe verantwortlich ist, sowie Frau Sabrina Syskowski, Doktorandin im Institut für Chemie der PH Karlsruhe, unterstützt. Im Rahmen des Workshops konnten die Lehrkräfte alle Experimente aus dem Vortrag selbst durchführen. Darüber hinaus lernten sie noch weitere Experimente, wie z. B. die Herstellung von Brombällchen, welche zur elektrophilen Addition genutzt werden können, kennen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich die von Prof. Ducci entwickelten und präsentierten Experimente durch ihre besondere Ästhetik, der leichten Durchführbarkeit und ihrem ressourcenschonenden und damit nachhaltigen Charakter auszeichnen. Der Vortrag hat dem Auditorium viel Freude bereitet und der Workshop den Lehrkräften viele Anregungen für ihren Chemieunterricht gegeben.
Donnerstag, 5. Oktober 2017, 14.00 Uhr
Vortrag am Institut Dr. Flad
Prof. Dr. Matthias Ducci
Donator-Akzeptor-Reaktionen in Bubble Tea-Bällchen
Das Donator-Akzeptor-Prinzip gehört zu den Basiskonzepten, die als Systematisierungshilfen
im Chemieunterricht vermittelt werden. So lässt sich mit Hilfe des
Donator-Akzeptor-Konzepts ein großer Teil der chemischen Reaktionen in Säure-Base- sowie in Redoxreaktionen einteilen.
Inspiriert vom Modegetränk "Bubble Tea" hat der Referent Experimente entwickelt,
bei denen derartige Umsetzungen im Inneren von Alginatbällchen ablaufen. Die
Steuerung erfolgt durch Diffusionsprozesse, wobei u. a. die pH-Abhängigkeit einiger
Redoxsysteme ausgenutzt wird. Neben der beeindruckenden Sichtbarmachung des
Zusammenhangs zwischen dem Redoxpotential bestimmter Redoxsysteme und
dem pH-Wert zeichnen sich die Experimente auch durch ihre besondere Ästhetik,
der leichten Durchführbarkeit und ihrem ressourcenschonenden und damit nachhaltigen
Charakter aus.
Professor für Chemie und ihre Didaktik an der PH Karlsruhe, Geschäftsführender Direktor des GDCh-Lehrerfortbildungszentrums Karlsruhe, Autor bei Spektrum der Wissenschaft, Manfred und Wolfgang Flad-Preis 1999.
Prof. Dr. Matthias Ducci