Farbstoffe in der Chemiedidaktik

1. Relevanz der Thematik

Dem Thema Farbe kann eine hohe gesellschaftliche Relevanz zugeschrieben werden, da wir tagtäglich mit dem Phänomen der Farbigkeit konfrontiert werden. Bei der Betrachtung von Farbe verbinden die Menschen bestimmte Empfindungen und Eigenschaften, dessen Zuordnung nach einem kollektiven Muster erfolgt (vgl. Welsch 2012, S. 53), wie zum Beispiel mit der Farbe Rot: Zum Einen werden mit dieser Farbe positive Eigenschaften wie Kraft, Mut und Liebe verbunden. Zum Anderen aber auch negative Eigenschaften wie Krieg, Gefahr und Sünde (vgl. ebd. S. 58). Ferner werden Farben in der Tier- und Pflanzenwelt als Warn- oder Locksignal genutzt (vgl. ebd., S. 3).

Für einen alltagsbezogenen Chemieunterricht bietet das Thema Farbstoffe folglich einen hohes Motivationspotenzial, da die Schülerinnen und Schüler (SuS) ihre Alltagserfahrungen in den Unterricht mit einbringen können (vgl. Barke 2015, S. 50). Dabei können sowohl bei Lebensmittelfarbstoffen, Textilfarbstoffen oder funktionellen Farbstoffen Bezüge zum Alltag der SuS hergestellt werden. Ferner liefert die Thematik Farbstoffe auf Grund der visuell anschaulichen Versuchsergebnisse einen wertvollen Beitrag zur Darstellungen chemischer Sachverhalte im Sinne der Primärerfahrung (vgl. Reiners 2017, S. 105).

Folglich bietet das Thema Farbstoffe auch auf Grund der großen Interesse von Schülerinnen an der Thematik (vgl. Barke 2015, S. 267) einen wertvollen Beitrag zu einem alltagsorientierten und motivierenden Chemieunterricht für Mädchen und Jungen. Neben der phänomenologischen Ebene können fachliche relevante Inhalte und Kompetenzen des Chemieunterrichts thematisiert werden, wie das Chemische Gleichgewicht oder der Einfluss von unterschiedlichen Molekülstrukturen oder des PH-Wertes auf die Farbigkeit von Stoffen.

2. Fachliche Betrachtung

2.1 Farbe und Farbigkeit

Werden Lichtquanten einer bestimmten Frequenz aus dem sichtbaren Teil des Spektrums zwischen 380 nm und 760 nm der elektromagnetischen Strahlung absorbiert, entsteht der Sinneseindruck von Farbe. Findet die Absorption von Licht in diesem Bereich statt, erscheint die Komplementärfarbe der absorbierten Spektralfarbe (vgl. Mortimer 2010, S. 616). Die Farbe, die wir dann wahrnehmen setzt sich additiv aus dem nicht absorbierten und damit reflektierten oder transmittierten Anteil des Lichtes zusammen (vgl. Welsch 2012, S. 137).

Die Energie der Lichtquanten steht in direktem Zusammenhang mit der Wellenlänge und somit auch mit der von uns wahrgenommenen Farbe des Lichtes. Bei der Absorption von Licht regen die Lichtquanten Elektronen in einem Molekülorbital an, wodurch diese in ein energetisch nächst höheres halb- oder unbesetztes Molekülorbital angeregt werden. Da die Energiedifferenzen zwischen zwei Molekülorbitalen fest sind, ist für die Anregung eines Elektrons ein bestimmter Energieeintrag bzw. eine bestimmte Wellenlänge von Nöten. Dabei ist die Energiedifferenz zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) entscheidend für die benötigte Energie zur Anregung des Elektrons. Die Absorption von Licht ist folglich nur möglich, wenn die Energie des Lichtquants genau die Energiedifferenz des HOMO's und LUMO's im Atom bzw. im Molekül entspricht (vgl. Brown 2011, S. 374).

2.2 Farbstoffe

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird selten zwischen Farbe, Farbmitteln, Farbstoffen oder Pigmenten unterschieden. Im Gegensatz zur Farbe, die wie zuvor besprochen über den Sinneseindruck auf Grund von Absorption von Licht im sichtbaren Bereich definiert wird, bezeichnet der Begriff Farbstoff ein „im Anwendungsmedium lösliches Farbmittel" (Struckmeier, Pietzner, Sieve 2014, S. 2) und Pigmente werden als Farbmittel bezeichnet, die im Anwedungsmedium praktisch unlöslich sind. Dabei werden Farbmittel in der Industrie als allgemein farbgebende Substanzen bezeichnet (vgl. ebd.). Abbildung 1 verdeutlicht die Unterscheidungen zwischen den Begriffen, wobei die Farbmittel noch einmal in organische und

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Eigens erstellte Grafik nach anorganische Farbmittel unterteilt werden. struckmeier, Pietzner, sieve 2014

Organische Farbstoffe können auf Grund von konjugierten Doppelbindungen farbig erscheinen. Die Bereiche eines organischen Moleküls, die für die Farbigkeit verantwortlich sind, werden als Chromophore bezeichnet. Chromophore zeichnen sich dadurch aus, dass ihre delokalisierten Elektronen leicht in höhere Energieniveaus angeregt werden können (vgl. Latscha 2016, S. 540). Die Wellenlänge des Lichtes entspricht dann der Energie, die benötigt wird um ein delokalisiertes ^-Elektron vom HOMO ins LUMO des Chromophors anzuregen (vgl. Mortimer 2010, S. 616). Je nach Art des Chromophors wird auf Grund des jeweiligen Absorptionsmaximums der Farbton bestimmt (vgl. Latscha 2016, S. 540).

Unter anorganische Farbstoffe fallen hauptsächlich Komplexe von Übergangsmetallen. Dabei hängt die Farbe des Komplexes in erster Linie von dem jeweiligen Metall, seiner Oxidationszahl und der gebundenen Liganden ab (vgl. Brown 2011, S. 941). Da in der hier beschriebenen Versuchsreihe jedoch ausschließlich organische Farbstoffe thematisiert werden, wird auf die Farbigkeit von anorganischen Farbstoffen nicht weiter eingegangen.

3. Fachübergreifende Betrachtung

Das Thema Farbstoffe ist an und für sich fachübergreifend, denn es bindet auf vielen verschiedenen Ebenen interdisziplinäre Fachinhalte mit ein. Da elektromagnetische Strahlung ein wesentlicher Aspekt von der Farbigkeit von Farbstoffen ist, ist ein fächerübergreifender Unterricht zum Fach Physik äußerst sinnvoll. Lebensmittelfarbstoffe können ferner biologische und ernährungs­wissenschaftliche Aspekte in den Chemieunterricht mit einbeziehen (vgl. Struckmeier, Pietzner, Sieve 2014, S. 6). Textilfarbstoffe können sowohl Bezüge zur industriellen Färberei und somit einen berufsweltnahen Blick in den Chemieunterricht ermöglichen (ebd.). Sie ermöglichen auch einen Blick auf die Geschichte der Textilfärberei, wie beispielsweise die Küpenfärbung mit Indigo und damit einhergehend auf die Fächer Geschichte und Kunst. Funktionelle Farbstoffe, wie die thermochromen Farbstoffe ermöglichen ebenfalls einen Bezug zur technischen Anwendung und können einen Beitrag zur Berufsorientierung in dem Fach Chemie leisten.

4. Fachliche Aspekte und didaktische Begründung der Experimentauswahl

4.1 Indikatoreigenschaften von Anthocyanen

Fachliche Betrachtung

In der analytischen Chemie werden schon lange Indikatorfarbstoffe genutzt, die beispielsweise eine pH-Wertänderung durch einen Farbumschlag visualisiern. Diese Farbänderung beruht auf einer reversiblen Veränderung der Molekülstruktur der Farbstoffe, womit ein verändertes Absorptionsverhalten einhergeht und der Farbumschlag sichtbar wird (vgl. Piorr 2014, S. 40).

Die roten bis violett-blauen Farben unzähliger Blüten sind auf die wasserlöslichen Anthocyane mit Absorptionsmaxima von 465-560 nm zurückzuführen. Eine pH-Wert-Änderung bedingt eine stetige Veränderung des delokalisierten ^-Elektronen-Systems, da dieses durch Protonierung bzw. Deprotonierung verändert wird. Somit verschiebt sich das Absorptionsmaximum, wodurch die Farbgebung des Anthocyanomoleküls direkt beeinflusst wird (vgl. Burmeister & Fleischmann 2014, 5. 9).

Didaktische Begründung

Die Indikatoreigenschaften von Anthocyanen können sowohl auf phänomenologischer Ebene in der Sekundarstufe I als auch auf fachlicher Ebene in der Sekundarstufe II betrachtet werden. Für die Sekundarstufe I kann der Versuch didaktisch reduziert den Nutzen von pflanzlichen Farbstoffen für Indikatorzwecke veranschaulichen ohne dabei auf den fachlichen Hintergrund einzugehen.

In der Sekundarstufe II kann dieser Versuch dann genutzt werden um die Thematik der Indikatoreigenschaften von Pflanzenfarbstoffen erneut aufzugreifen und fachlich zu unterfüttern. So kann verdeutlicht werden, inwiefern sich der pH-Wert auf Grund von De- bzw. Protonierung auf das delokaliserte ^-Elektronen-System eines Farbstoffes auswirkt und demzufolge dessen Farbgebung in Abhängigkeit des PH-Wertes beeinflusst wird. Demzufolge sollten die SuS bei Einbettung in die Sekundarstufe II bereits Grundkenntnisse in der organischen Chemie besitzen.

4.2 Thermochromer Effekt mit Bullrichsalz

Fachliche Betrachtung

Mit Thermochromie wird die reversible Farbänderung von Stoffen in Abhängigkeit der Temperatur beschrieben. Dabei gibt es thermochrome Systeme, die bei Erreichen einer bestimmten Temperatur reversibel ihre Kristallstruktur ändern. Folglich ändert sich die Energielücke zwischen HOMO und LUMO, wodurch sich das Absorptionsmaximum verschiebt und sich die von uns wahrgenommene Farbe ändert. Ferner gibt es thermochrome Systeme, die aus Säuren bzw. Laugen und einem Leukofarbstoff bestehen. Hierbei verändert sich in Abhängigkeit der Temperatur reversibel das Protonierungsgleichgewicht zwischen der schwachen Säure bzw. Base und dem eingesetzten Farbstoff. Bei der Zunahme eines geeigneten Indikators als Farbstoff, wie z.B. Phenolphtalein bedingt die Verschiebung des Gleichgewichts einen Farbumschlag (vgl. Leppin 2008, S. 19f).

Didaktische Begründung

Dieser Versuch ermöglicht es die Temperaturabhängigkeit des Säure-Base-Gleichgewichts anschaulich zu vermitteln. Er weist didaktische Vorzüge auf, da die Verschiebung des Gleichgewichts für die SuS visuell erfahrbar gemacht werden kann und somit das Verständnis des Chemischen Gleichgewichts erleichtert wird (vgl. Leppin 2008, S. 24). Ferner liegt diesem Versuch eine hohe Gegenwartsbedeutung bei den SuS zu Grunde, da die Thermochromie zunehmende Anwendung in der Industrie findet. Beispielsweise bei dem Transport von Lebensrnitteln, bei dem thermochrome Farbstoffe auf den Verpackungen angebracht werden, um die geschlossene Kühlkette zu überwachen (vgl. Piorr 2014, S. 38f). Darüber hinaus kann ein Blick auf die Forensische Chemie geworfen werden, bei der ebenfalls thermochrome Effekte, wie beispielsweise zur Identifizierung von Fingerbadrücken, genutzt werden. Folglich kann mit diesem Versuch ein technik- und berufsbezogener Chemieunterricht umgesetzt werden, wodurch der Erwerb einer Naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy) gefördert wird (vgl. Nds. Kultus­ministerium 2015, S. 5). Um den Versuch fachrichtig auswerten zu können, sollten den SuS bereits Säuren und Basen sowie Elektronenübertragunsreaktionen bekannt sein.

4.3 Bromierung von Lycopen

Fachliche Betrachtung

Als Lycopen wird der rote Farbstoff in Tomaten, Hagebutten oder vielen anderen Pflanzen genannt, dessen chromophores System aus elf konjugierten Doppelbindungen besteht. Es weist ein Absorptionsmaximum von 469 nm auf, welches im grünblauen Bereich liegt und demnach in der Komplementärfarbe rot erscheint. Wird der Tomatensaft nun mit Brom versetzt, erfolgt die elektrophile Addition von Brom an eine Doppelbindung des Lycopens. Folglich bildet sich kurzzeitig ein ^-Komplex aus, der durch die Absorption von Licht in den angeregten Zustand übergeht. Das Absorptionsmaximum dieses Komplexes liegt im roten Bereich, folglich wird die blaue Komplementärfarbe wahrgenommen. Der Regenbogeneffekt bei der Bromierung von Tomatensaft ist auf den Konzentrationsgradienten von Brom zurückzuführen. In dem blauen Bereich liegen die angeregten ^-Komplexe vor, dort ist die Konzentration des Bromwassers am geringsten. Desto höher die Konzentration des Bromwassers, desto weiter verschiebt sich die Farbe über grün zu gelb, da die gelb-orangene Farbe des Bromwassers mit der blauen Farbe, die wahrgenommen wird, vermischt wird (vgl. Schmidkunz 2011, S. 377f.).

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