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Schulversuchspraktikum Philie Kiecksee Sommersemester 2012 Klassenstufen 11& 12 Farbstoffe
Schulversuchspraktikum
Philie Kiecksee
Sommersemester 2012
Klassenstufen 11& 12
Farbstoffe
1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele....................................................................................3
2 Relevanz des Themas für SuS......................................................................................................................................3
3 Lehrerversuche.................................................................................................................................................................4
3.1 V1 die Tomatenampel.................................................................................................................................................4
3.2 V2 die blaue Rose.........................................................................................................................................................6
4 Schülerversuche...............................................................................................................................................................8
4.1 V3 Synthese von Fluorescein...................................................................................................................................8
4.2 V4 Synthese von Thymolphthalein.....................................................................................................................11
4.3 V5 Indigo.......................................................................................................................................................................13
5 Reflexion des Arbeitsblattes.....................................................................................................................................17
5.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum)...........................................................................................................17
5.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich).........................................................................................................................18
6 Literaturverzeichnis.....................................................................................................................................................19
Auf einen Blick:
Das Protokoll beinhaltet 2 Lehrerversuche und 3 Schülerversuche. Diese befassen sich sowohl mit
der Synthese von verschiedenen Farbstoffen (V3, V4, V5a) als auch mit der Untersuchung von
natürlichen Farbstoffen (V1, V2). Außerdem wird das Färben mit Farbstoffen am Beispiel des
Küpenfarbstoffs Indigos thematisiert (V5b).
Das Arbeitsblatt kann unterstützend zu V5 eingesetzt werden und vertieft den Färbevorgang mit
Indigo.
1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele
Während Farbmittel alle farbgebenden Stoffe sind, versteht man unter Farbstoffen nur färbende
organische Moleküle, die in Lösungsmitteln gelöst werden können. Ihnen gegenübergestellt sind
anorganische und organische Pigmente, welche unlöslich sind. Die Farbigkeit der Farbstoffe
beruht auf dem Chromophor, einem konjugiertem Doppelbindungssystem. Im Zusammenwirken
mit einem Elektronendonor- (Auxochrom) und einem Elektronenakzeptorsubstituenten
(Antiauxochrom) können formal mesomere elektronische Grenzstrukturen formuliert werden,
die eine stärkere Delokalisierung der pi-Elektronen über das gesamte Molekülgerüst andeuten
sollen. Dabei entscheidet sowohl die Länge des konjugierten Doppelbindungssystems als auch
die Substituenten über die absorbierte Wellenlänge des Lichts und somit die Farberscheinung
des Moleküls. Unterteilt werden die Farbstoffe in natürliche und synthetische Moleküle. Weitere
Einordnungen können nach dem chemischen Grundgerüst (Azzo-, Triphenylmethanfarbstoffe,
etc.) oder dem Färbevorgang (Küpen- Direktfärben, etc.) getroffen werden.
Wichtige Lernziele stellen das Beschreiben verschiedener Farbstoffklassen dar, so wie der
Grundlagen von Farbigkeit. Die SuS sollten darüber hinaus in der Lage sein, den industriellen
Einsatz verschiedener Farbstoff mit ihrer Struktur zu begründen. Obwohl das Thema nicht
direkt im Kerncurriculum erwähnt wird, bietet es vielseitige Möglichkeiten Kompetenzen aus
den verschiedensten Basiskonzepten zu vermitteln. So können die SuS anhand von
Farbstoffsynthesen verschieden Reaktionstypen unterscheiden und Synthesewege beschreiben.
Diese Kompetenzen werden im Basiskonzept „Struktur-Eigenschaft“ gefordert. Außerdem
können sie den Einfluss von Doppelbindungen und mesomeren Effekten beschreiben. Sowohl
Redoxreaktionen (Küpenfärbung von Indigo) als auch Säure-Basereaktionen (Cyanin als pH-
Indikator) können an dem Thema vertieft werden (Basiskonzept „Donator-Akzeptor“). Da bei
den meisten Synthesen Katalysatoren verwendet werden, kann in dem Rahmen auch auf diese
eingegangen werden. Das Färben beruht auf intermolekulare Wechselwirkungen, sodass auch
dies thematisiert werden kann.
2 Relevanz des Themas für SuS
Farbstoffe begegnen den SuS im Alltag sehr häufig. Viele Gebrauchsgegenstände (Textilien,
Kunststoffe, etc.) sind in den unterschiedlichsten Farben erhältlich. Aus der Natur und von
Lebensmitteln ist ihnen die Farbigkeit von Pflanzen und auch von Tieren (diese beruht jedoch
meist auf Pigmente) bekannt. Auch die Veränderung von Farben ist für die SuS aus dem Alltag
erfahrbar (blondieren, bleichen im Tageslicht). Das Färben (Haare färben, Textilien färben,
Flecken auf der Kleidung) haben viele SuS auch bereits erlebt.
3 Lehrerversuche
3.1 V 1 – (die Tomatenampel)
Gefahrenstoffe
Bromwasser H: 330-314-400P:210-273-304+340-305+351+338-309-
310- 403+ 233
Vorkenntnisse: Addition von Brom an Alkene, σ- und π-Komplexe, Farbigkeit,
konjugierte Doppelbindungssysteme.
Materialien: Standzylinder, Glasscheibe, Glasstab, Pipette, Pileusball, Handschuhe
Chemikalien: Tomatensaft, Bromwasser
Durchführung: In den Standzylinder füllt man 150 mL leicht angewärmten Tomatensaft
und lässt mit der Pipette vorsichtig 10-15 mL gesättigtes Bromwasser
zufließen. Mit dem Glasstab rührt man das Bromwasser langsam in die
obere Schicht des Saftes ein.
Beobachtung: Der Tomatensaft verfärbt sich an der Oberfläche von rot nach gelb. Beim
Verrühren des Bromwassers treten die Farben Grün und Blau, sowie
verschiedene Mischfarben von oben nach unten hin auf. In der untersten
Schicht ist der Tomatensaft immer noch rot. Nach 3-4 Stunden entfärben
sich die oberen Schichten komplett.
In diesem Versuch wird mittels Bromwasser das konjugierte Doppelbindungssystem des roten
Tomatenfarbstoffs Lycopen verkürzt, sodass der Tomatensaft nicht mehr rot erscheint. Anstelle
dessen sorgen die Absorbtionsbanden der langlebigen Charge-Transfer-Komplexe des Lycopens
mit den Brommolekülen für die blaue Farbe und die Mischung mit Bromwasser für die grüne
und gelbe Farbe.
Der Versuch muss im Abzug durchgeführt werden. Es sollten Handschuhe getragen werden.
Abb1 . –Verschiedene Färbungen des Tomatensaftes nach Zugabe von Bromwasser.
Deutung: Hauptbestandteil der roten Farbe des Tomatensaftes ist Lycopen, ein langkettiges
ungesättigtes Kohlenwasserstoffmolekül, welches auf Grund des langen
konjugierten π- Systems für die Absorption im grün-blauen Bereich des
sichtbaren Lichtes und damit für die rote Farbe (Komplementärfarbe)
verantwortlich ist.
CH3CH3
CH3
CH3
CH3 CH3 CH3
CH3CH3CH3
Abb 2 : Strukturformel des Lycopens
Bei Zugabe von Bromwasser läuft eine nucleophile Addition an die
Doppelbindungen ab. Diese Addition verläuft in zwei Stufen. Im ersten
Reaktionsschritt kommt es zu Wechselwirkungen zwischen einem Bromatom des
Brommoleküls und den pi-Elektronen der Doppelbindung. Es bildet sich der sog.
π-Komplex (Charge-Transfer-Komplex) aus, in dem das Brommolekül polarisiert
vorliegt. Im zweiten Reaktionsschritt wird das polarisierte Brommolekül
heterolytisch gespalten. Das positiv geladene Kation wird von den negativ
geladenen Elektronen der Doppelbindung angezogen und an das Ethen gebunden
(elektrophiler Angriff). Das Ethen liegt nun als positiv geladenes Bromoniumion
vor. Das zweite Bromatom liegt als negativ geladenes Anion vor, da es beide
Bindungselektronen vom Brommolekül erhalten hat. Das Bromanion ist
nukleophil und es erfolgt, wegen des großen Raumbedarfs der Ionen, ein
"Angriff" von der Rückseite des Bromoniumions. Man spricht deshalb von einem
Rückseitenangriff. Durch diese nukleophile Addition kommt es zur Bildung des
Dibrommethans. Die ursprünglich vorhandene C-C-Doppelbindung ist nun
verschwunden.
Abb 3: Addition von Brom an eine Doppelbindung
Bei dieser Reaktion verkürzt sich die Länge des konjugierten π -Systems und die
absorbierte Wellenlänge verkürzt sich ebenfalls. Damit verschiebt sich die
Absorption je nachdem, wo die Addition im Lycopenmolekül stattfindet und wie
viele Additionen vorgenommen werden. So ergibt sich je nach der
Bromkonentration mehrere Schichten aus Molekülen, die im Bereich des blau-
grünen bis violetten Bereichs der elektromagnetischen Strahlung absorbieren
und demnach Farben zwischen rot und gelb zeigen. Auch Entfärbungen finden
statt. Ist die Bromkonzentration hoch, sehen wir eine gelbe Schicht, weniger hoch
orange. Bei niedrigen Konzentrationen werden Farbänderungen nach grün und
blau beobachtet. Dies ist auf den pi-Komplex der Brom-Addition zurückzuführen.
Absorbiert ein solcher pi-Komplex Licht, geht er in einen angeregten Zustand
über, wobei ein pi-Elektron vom Donor (dem Alken) auf den Akzeptor (das Brom)
übergeht. Das Erscheinen einer neuen Absorptionsbande bei längerer
Wellenlänge als der des Donors ist charakteristisch für solche Absorptionen. Da
diese Absorptionsbanden im roten Spektralbereich liegen, weist der π-Komplex
eine blau-grüne Farbe auf. Da die Lycopenmoleküle in den Lipidaggregaten der
Zellmembran der Tomaten immobilisiert sind und nahe zusammengehalten
werden, ist die Zersetzungsrate für die gebildeten Komplexe stark reduziert. Das
bedeutet, dass der pi-Komplex eine ungewöhnlich lange Lebensdauer aufweist.
Dies wiederum führt zum Vorherrschen der Absorptionsbanden des π-
Komplexes.
Entsorgung: Der Tomatensaft wird mit gesättigter Natriumthiosulfatlösung vermischt und
anschließend in den organischen Abfall entsorgt.
Literatur: (Schmidkunz, 2011, S. 377)(Wagner W. (2010)
3.2 V 2 – (die blaue Rose)
Gefahrenstoffe
Eisessig H: 226-314 P: 280-301+330+331-305+351+338
Konz. Ammoniaklsg. H: 314-335-400P:280-273301+330+331-305+351+338-
309-310
Aceton H: 225-319-336 P: 210-233-305+351+338
Vorkenntnisse: Säure-Base-Begriff nach Brönsted, pH- Indikatoren, Farbigkeit, konjugierte
Doppelbindungssystem, Aromaten, funktionelle Gruppen: Ketone, Alkohole,
Ether.
Materialien: 2 Standzylinder, 2 Glasscheibe, Becherglas.
Chemikalien: konz. Ammoniaklösung (25%ig), Eisessig, Aceton, rote Rose.
Durchführung: Die Blumen werden kurz in das Becherglas mit Aceton getaucht und
anschließend an der Luft getrocknet. In einen Standzylinder füllt man einen
cm hoch Eisessig und in den anderen ebensoviel konz. Ammoniaklösung.
Beide werden leicht umgeschwenkt, um in den Zylindern eine gesättigte
In diesem Versuch wird die pH-abhängige Färbung des Cyanins untersucht, welches für die rote
Farbe der Rosen verantwortlich ist.
Die Theorie hinter dem Versuch ist relativ komplex, sodass sie der Lerngruppe entsprechend
reduziert werden muss.
Gasphase zu erreichen. Nun taucht man die rote Rose für 1-2 Minuten in
den Zylinder mit dem Ammoniakgas. Der Zylinder wird wieder mit der
Glasscheibe verschlossen. Anschließend wird die Rose in der
Essigsäureatmosphäre platziert.
Beobachtung: Die Rosenblätter färben sich im Ammoniakgas zuerst an den Rändern
blau- violett, dann breitet sich die Färbung weiter aus. Vereinzelte rote
Stellen bleiben bestehen. Nach der Überführung in den Eisessigdampf
verfärben sich die blauen Bereiche wieder rot. Einzelne blaue Flecken
bleiben bestehen und es sind auch Entfärbungen festzustellen.
Abb.4 –links: Rose direkt nach der Platzierung in dem Ammoniakdampf. Rechts: Rose nach mehreren Minuten im Ammoniakdampf.
Deutung: Die rote Farbe der Rose wird durch Cyanin, einem Anthocyan hervorgeru
fen. Dieses kann an bestimmten Stellen im Molekül deprotoniert werden.
Dadurch verändert sich das Absorptionsmaximum der absorbierten Wel
lenlänge des Lichtes und somit die Farbe verändert. Die Protonierung und
Deprotonierung kann nur durch Basen beziehungsweise Säuren erreicht
werden, für welche die Pflanzenmembran durchlässig ist. Ammoniak als
gasförmiges ungeladenes Teilchen kann im Vergleich zu der stark polaren
Base NaOH in die Pflanzenzelle eindringen. Diese Reaktionen sind reversi
bel, sodass viele Anthocyanine als pH-Indikatoren eingesetzt werden kön
nen.
O+OH
O - Zucker
O - Zucker
OH
OH
OO
O - Zucker
O - Zucker
OH
OH
Cyanin pH 1-2
NH3
CH3COOH
Chinoide Base pH 6-7
Abb. 5- Deprotonierung und Protonierung des Cyanins
Entsorgung: Die Säure und die Lauge werden in den Säure-Base-abfall entsorgt. Aceton wird
in den Abfall für organische Lösungsmittel gegeben.
Literatur: (Schmidkunz, 2011 S. 386),
Anstelle von Rosen können auch andere rote Blumen verwendet werden. Es sollte sich am besten
um dunkelrote Blüten handeln. Die Rosen sehen nach dem Versuch nicht mehr frisch aus!
Im gleichen Kontext sollte auch auf Rotkohlsaft verwiesen werden, der ebenfalls Anthrocyane
enthält.
4 Schülerversuche
4.1 V 3 – (Synthese von Fluorescein)
Gefahrenstoffe
Resorcin H: 302-319-315-400 P: 273- 302+352-305+351+338
Phthalsäureanhydrid H: 302-335-315-318- 334-317
P: 260-262- 304+340-302+352-305+351-338+-313
Verd. Natronlauge H: 314-290 P:280-301+330+331-305+351+338-406
Zinkchlorid H: 302-314-335-410 P: 273-280- 301+330+331-305+351
In diesem Versuch stellen die SuS auf einem sehr einfachen und schnellen Weg den
fluoreszierenden Triphenylmethanfarbstoff Fluorescein her.
Vorkenntnisse: Kondensationsreaktionen, Farbigkeit.
Materialien: Reagenzglas, Spatel, Stopfen, Becherglas (100 mL), Becherglas (300ml), UV-
Lampe, Bunsenbrenner, Reagenzglaszange.
Chemikalien: Resorcin, Phthalsäureanhydrid, Zinkchlorid, Natranlauge (10%ig), dem.
Wasser
Durchführung: In ein Reagenzglas werden 2 Spatelspitzen Resorcin, eine Spatelspitze
Phthalsäureanhydrid und eine Spatelspitze wasserfreies Zinkchlorid
gegeben. Nach dem Mischen wird das Reagenzglas vorsichtig bei nicht
rauschender Bunsenbrennerflamme bis zur Schmelze erhitzt. Nach dem
Abkühlen werden wenige mL verd. Natronlauge in das Reangenzglas
gegeben. Anschließend wird die Lösung in ein mit dem. Wasser gefülltes
Reagenzglas gegossen. Die Lösung wird unter UV-Licht betrachtet.
Beobachtung: Beim Erhitzen bildet sich eine dunkelrote Schmelze. Wird Natronlauge
dazugegeben, bildet sich eine trübe rot-orange Lösung. Im Becherglas mit
dem. Wasser ist eine grün-gelbe Fluoreszenz zu beobachten, welche unter
der UV-Lampe noch deutlicher zu sehen ist.
Wird Salzsäure zu der Lösung gegeben, kann keine Fluoreszenz mehr beobachtet werden.
Abb. 5 –Fluorescein in alkalischer Lösung in UV-Licht
Deutung: Der Mechanismus der Fluoresceinbildung ist eine Kombination aus 2
elektrophilen aromatischen Substitutionen, einer Kondensation und einer
Tautomerie.
O
O
O O-C
+O
O
OH
O
O
OH
OH
+ H+
HO+
O
O
H
OHOH
OH2
H
OHOH
O
O
O
C+O
O
OHOH
H
OHOH
OH
O
OHOH OOH
-H+
OH
O
OH OO
O
OH OO
O
H
OH2
freie Säure, chinoide Form lactoide Form
(dunkelrot) (gelb)
Abb 6: Reaktionsmechanismus der Bildung von Fluorescein
Es sind zwei verschiedene Formen des Stoffes bekannt, und zwar eine (stabilere)
mit chinoider Struktur und dunkelroter Färbung sowie eine (weniger stabile) mit
Lactonstruktur und gelber Färbung (s.o.). Die dunklere Farbe der chinoiden
Struktur kann mit dem Vorhandensein eines Chromophors erklärt werden. Beim
Ansäuern von Fluoresceinlösungen geht die Fluoreszenz zurück, denn nur das
Anion ist Träger der Fluoreszenzeigenschaft.
Der Reaktionsmechanismus sollte nicht genau besprochen werden, nur dem Reaktionstyp der
Kondensation zugeteilt werden. Es bietet sich aber an den Unterschied der Farbigkeit der
latoiden und chinoiden Struktur mit der Länge des konjugierten Doppelbindungssystems zu
begründen. Es kann auch Fluoreszenz thematisiert werden.
Die Fluoreszenz ist noch in Verdünnungen bis 1:100000000 nachweisbar und wird deshalb auch
zur Verfolgung von unterirdischen Strömen eingesetzt. Andere Anwendungsgebiete sind der
Nachweis von Brom, die Färbung von Badesalzen und die Diagnose von Hornhautschäden.
Entsorgung: Die Fuoresceinlösung wird in den Abfall für organische Lösungsmittel
gegeben. Der rote Feststoff kann aufbewahrt werden.
Literatur: (Blume, 2005)
4.2 V 4 – (Synthese von Thymolphthalein)
Gefahrenstoffe
Thymol H: 302-314-411 P: 273-301+330+331-305+351+338
PhthalsäureanhydridH: 302-335-315-318- 334-
317P: 260-262- 304+340-302+352-305+351-
338+-313
Verd. Natronlauge H: 314-290 P:280-301+330+331-305+351+338-406
Ethanol H: 225 P:210
Zinkchlorid H: 302-314-335-410 P: 273-280- 301+330+331-305+351+338
Vorkenntnisse: Kondensationsreaktionen, Farbigkeit.
Materialien: Schnappdeckelgläschen, Watte, Kerze, Tiegelzange, Bunsenbrenner,
Becherglas (100 mL), Becherglas (300 mL)
In diesem Versuch stellen die SuS auf einem einfachen und schnellen Weg den pH- Indikator
Thymolphthalein her.
Chemikalien: Thymol, Phthalsäureanhydrid, Zinkchlorid, Natranlauge (10%ig), dem.
Wasser, Ethanol.
Durchführung: In ein Schnappdeckelgläschen werden 1 g Thymol, 0,5 g
Phthalsäureanhydrid und 1 g wasserfreies Zinkchlorid gegeben. Nach dem
Mischen wird das Schnappdeckelgläschen mit Watte verschlossen und
mittels der Tiegelzange über einer Kerzenflamme bis zur Schmelze erhitzt.
Nach kurzem Sieden lässt man das Schnappdeckelgläschen abkühlen. Das
Produkt lässt sich mittels Ethanol lösen und in dem. Wasser überführen.
Dieses wird mittels verd. Natronlauge alkalisch gemacht.
Beobachtung: Beim Erhitzen bildet sich eine violette Schmelze. Wird Ethanol
dazugegeben, bildet sich eine klare Lösung, in der sich weiße
Feststoffpartikel befinden. Im Becherglas mit dem. Wasser ist zunächst
keine Veränderung zu beobachten, erst bei Zugabe von Natronlauge wird
die Lösung tief blau.
Abb. 7 –links: Synthese von Thymolphthalein, rechts: Thymolphthalein in alkalischer Lösung
Deutung: Es findet eine Friedel-Crafts-Acylierung statt. Dabei werden zwei Äquivalente
Thymol mit einem Äquivalent Phthalsäureanhydrid zu Thymolphthalein um-
gesetzt. Anstelle des in der Abb. gezeigten Katalysators wurde Zinkchlorid ein-
gesetzt.
Abb 8: Synthese von Thymolphthalein
In neutralem und saurem Milieu ist die Lösung des Thymolphthaleins farblos. Im
alkalischen hingegen liegt die deprotoniere Form vor. Mit der Deprotonierung
geht auch eine Öffnung des Lactonrings einher, was zu einer Ausdehnung des
konjugierten Doppelbindssystems führt, sodass elektromagnetische Strahlung im
roten Bereich des Spektrums absorbiert wird. Die Lösung erscheint uns deshalb
blau.
Abb 9: protonierte und deprotoniere Form des Thymolphthaleins
Entsorgung: Die Thymolphthaleinlösung kann als pH-Indikator verwendet oder in den
Abfall für organische Lösungsmittel gegeben werden.
Literatur: (kein Autor, 2012)
4.3 V 5 – (Synthese und Färben mit Indigo)
Gefahrenstoffe
o-Nitrobenzaldehyd H: 302-315-319-335 P: 261-305+351+338
Aceton H: 225-319-336 P: 210-233-305+351+338
Verd. Natronlauge H: 314-290 P:280-301+330+331-305+351+338-406
Natriumdithionit H: 251-302 P:370-378
Vorkenntnisse: Kondensationsreaktionen, Farbigkeit.
a) Synthese von Indigo nach A. Bayer
Materialien: Becherglas (100 mL), Becherglas (25 mL), Pasteurpipette, Glasstab.
Chemikalien: o-Nitrobenzaldehyd, Aceton, verd. Natronlauge (10%ig) dem. Wasser.
Durchführung: Es werden 1 g o-Nitrobenzaldehyd und 4 mL Aceton in ein Becherglas
gegeben. Dazu werden 4 mL dem. Wasser gegeben und umgerührt.
Anschließend wird unter ständigem Umrühren langsam Natronlauge
hinzugetropft, bis keine weitere Veränderung festzustellen ist.
Anschließend wird das entstandene Produkt abfiltriert, mit Aceton
gewaschen und getrocknet.
Dieser Versuch besteht aus zwei Teilen. Im ersten Schritt synthetisieren die SuS Indigo,
woraufhin sie den Farbstoff verwenden, um mittels der Küpenfärbung ein Stück Baumwolle zu
färben .
Wenn der Schwerpunkt des Versuchs auf eine große Ausbeute an Indigo gelegt wird, sollte ein
anderer Versuchsaufbau gewählt werden. Die Reaktion sollte in einem Rundkolben mit
Rückflusskühler und Tropftrichter durchgeführt werden.
Beobachtung: Nach der Zugabe von Wasser bildet sich eine helle Emulsion. Beim
Hinzutropfen von Natronlauge ist anfangs eine grüne, braune und
schließlich blau-violette Färbung zu beobachten. Es fällt ein blau-violetter
Feststoff aus. Das Becherglas wird warm. Das getrocknete Produkt ist ein
dunkelblauer Feststoff.
Abb 10: Syntheseprodukt Indigo
Deutung: Bei der Reaktion entsteht der Farbstoff Indigo. Das o-Nitrobenzaldehyd
reagiert zunächst in einer Aldolreaktion mit dem Aceton. Nach
intramolekularen Umformungen und zweimaliger Wasserabspaltung
kommt es zu einem Ringschluss. Von diesem wird unter Einfluss von
Hydroxidionen Acetat abgespalten, sodass Indoxyl entsteht. Dieses
dimerisiert letztendlich zu dem Indigomolekül.
Abb 11: Synthese von Indigo
Entsorgung: Das Indigo kann aufgehoben werden; die Lösung wird in den Abfall für
organische Lösungsmittel entsorgt.
b) Küpenfärbung mit Indigo
Materialien: Becherglas (300 mL), Glasstab, Tiegelzange, Dreifuß, Bunsenbrenner (evtl.
Thermometer)
Chemikalien: Indigo (entweder aus eigener Synthese oder, wenn es nicht ausreicht als
Laborchemikalie), Natriumdithionit, dem. Wasser, verd. Natronlauge.
Durchführung: 0,5 g Indigo werden mit 0,5g Natriumdithionit und ein 2-3 Tropfen Wasser
zu einem Brei verrieben. Nun gibt man 10 mL verdünnte Natronlauge hinzu
und erwärmt vorsichtig. Diese Lösung wird mit ca. 200 mL Wasser
verdünnt. Anschließend wird das Baumwollstück in der Lösung platziert
und zum Sieden erhitzt. Nach ca. 2-5 min. wird das Textil der Lösung
entnommen und unter fließendem Wasser ausgewaschen. Das Stück Stoff
wird an der Luft getrocknet.
Beobachtung: Nach kurzer Zeit fängt der blau-violette Feststoff an, sich zu lösen und die
zuvor blaue Lösung färbt sich gelb-grün. Ab der Oberfläche befindet sich
eine „blaue Blume“. Taucht man den Baumwollstoff in diese Lösung, so
verfärbt er sich zunächst gelb–grün. Beim Waschen unter fließendem
Wasser nimmt der Stoff zunehmend eine blaue Farbe an, welche sich nach
dem Trocknen noch verstärkt.
Abb12: Küpenfärbung mit Indigo
Deutung: Indigo ist wasserunlöslich. Zum Färben wird es aus diesem Grund mittles
Natriumdithionit reduziert. Dabei entsteht das wasserlösliche Leukoindigo.
Dieses färbt die Lösung grün- gelb. Dieses Molekül bindet über van-der-
Waals-Wechselwirkungen an die Faser. Der Luftsauerstoff oxidiert anschlie
ßend die Leuko-Form wider zu dem wasserunlöslichem Indigo, sodass die
Baumwolle sich blau färbt und die Farbe nicht mehr herausgewaschen wer
den kann.
Es können auch mit Schnüren Batiken und Muster auf der Baumwolle erzeugt werden.
N
ON
O
H
HN
ON
O
H
HN
ON
O
H
H
- 2 NaSO3
+ Na2S2O4
- 2 H2O
+ 4 OH- [ O2]
-
-
Abb. 12: Reaktion bei der Küpenfärbung mit Indigo
Entsorgung: Die Lösung kann in den Abfall für organische Lösemittel entsorgt werden.
Literatur: (Häusler, Rampf, Reichelt, 1995 S. 331 f.)
In dem Kontext sollte auf die Geschichte des Farbstoffes Indigo und die großtechnische Synthese
sowie Küpenfärbung eingegangen werden. Andere Färbemethoden können der Küpenfärbung
gegenübergestellt werden.
Färben mit Indigo
Versuchsdurchführung:
a)0,5 g Indigo werden mit 0,5 g Natriumdithionit und 2-3 Tropfen Wasser zu einem Brei
verrieben. Nun gibt man 10 mL verdünnte Natronlauge dazu und erwärmt vorsichtig. Diese
Lösung wird mit ca. 200 mL Wasser verdünnt. Anschließend wird das Baumwollstück in der
Lösung platziert und zum Sieden erhitzt. Nach ca. 2-5 min. wird das Textil der Lösung
entnommen und unter fließendem Wasser ausgewaschen. Das Stück Stoff wird an der Luft
getrocknet. Zur Beschleunigung des Trocknens kann man den Streifen föhnen. Nach dem
Trocknen wird der Streifen gründlich mit Wasser gewaschen.
b) In einem Parallelversuch wird versucht, den Baumwollstreifen in einer Indigosuspension
(eine Spatelspitze in 150 mL Wasser) zu färben. Der Streifen wird auch hierbei getrocknet und
anschließend gründlich mit Wasser gewaschen.
Aufgaben:
1. Skizzieren Sie die wichtigsten Grenzstrukturen des Indigomoleküls.
2. Erklären Sie unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen und Oxidationszahlen die
chemischen Vorgänge, die bei dem Versuch ablaufen. Hinweis: Natriumdithionit (Na2S2O4) ist
ein Reduktionsmittel, wobei die Dithionitionen bei einer Redoxreaktion zu Sulfit- bzw.
Sulfationen oxidiert werden.
3. Erklären Sie die unterschiedlichen Beobachtungen, die beiden Durchführungen a) und b)
gemacht wurden.
4. Informieren Sie sich über die Geschichte von Indigo insbesondere unter dem Begriff
„Küpenfärberei“.
Strukturformel von Indigo:
1 Reflexion des Arbeitsblattes
Das Arbeitsblatt thematisiert den Küpenfarbstoff Indigo. Nachdem die Grundlagen der Farbigkeit
bekannt sind, kann das Arbeitsblatt eingesetzt werden. Die Synthese von Indigo ist dafür nicht
Voraussetzung. Die SuS wenden bei diesem Arbeitsblatt den erweiterten Redoxbegriff an und
erklären mit den Stattfinden einer Redoxreaktion die Färbung von Textilien mit Indigo.
Außerdem führen sie die unterschiedliche Löslichkeit und Farbe der beiden Indigoformen auf
ihre Struktur zurück. Des Weiteren skizzieren die SuS mesomere Grenzstrukturen und
recherchieren die Geschichte des Indigos.
1.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum)
Fachwissen:
Die SuS...
unterscheiden Einfach- und Mehrfachbindungen (A1, A2).
erklären die Mesomerie mithilfe von Grenzstrukturen in der Lewis-Schreibweise (A1).
erklären Stoffeigenschaften anhand ihrer Kenntnisse über zwischenmolekulare Wechselwirkungen. (A3)
erläutern Redoxreaktionen als Elektronenübertragungsreaktionen (A2)
beschreiben mithilfe der Oxidationszahlen korrespondierende Redoxpaare (A2)
Erkenntnisgewinnung
Die SuS...
verwenden Formelschreibweisen zur Erklärung von Elektronenverschiebungen (A1 A2)
Kommunikation:
Die SuS...
stellen den Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Stoffeigenschaft fachsprachlich dar (A3).
stellen die Elektronenverschiebung in angemessener Fachsprache dar (A1, A2).
stellen Redoxgleichungen in Form von Teil- und Gesamtgleichungen dar. (A2)
wenden Fachbegriffe zur Redoxreaktion an. (A2)
Bewertung:
Die SuS...
erkennen und beschreiben die gesellschaftliche Relevanz und Bedeutung von Stoffen in ihrer Lebenswelt (A 4)
erörtern und bewerten Verfahren zur Nutzung und Verarbeitung ausgewählter Naturstoffe
vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen (A4).
2) Es findet eine Redoxreaktion statt. Während Natriumdithionit oxidiert wird, wird Indigo reduziert. Der Luftsauerstoff oxidiert wiederum das Leko-Indigo. Das Carbonyl-Kohlenstoffatom wechselt bei diesem Prozess seine Oxidaionszahl zwischen +2 und +1.
3) Indigo kann wegen seiner schlechten Wasserlöslichkeit nicht direkt zum Färben benutzt werden. Wird Natriumdithionit zu der Suspension gegeben, wird Indigo reduziert. Dabei bildet sich eine wasserlösliche Leukoform, welches das Färbebad grün-gelb färbt. Dies kann mit den Strukrutformlen erklärt werden. Das Leuko-Indigo besitzt anionische Gruppen, welche von den Wassermolekülen hydratisiert werden. Da das konjugierte Doppelbindungssystem verkürzt ist, erscheint uns der Farbstoff gelb-grün. In der Faser wird der Farbstoff durch starke van-der-Waals-Kräfte gebunden und durch den Luftsauerstoff schließlich wieder zum blaugefärbten Indigo zurück oxidiert. Aus diesem Grund ist das Resultat aus Versuch a) viel besser als aus Versuch b9.
4) Indigo ist einer der ältesten bekannten pflanzlichen Farbstoffe. Bereits die Ägypter verwendeten diesen jeansblauen Farbstoff. In Mumien, 2.000 vor Christus, finden sich mit Indigo gefärbte Bänder. Der Indigo wurde aus der im Orient und in Indien
wachsenden Indigopflanze, einem Schmetterlingsblütler, gewonnen. Der tropische Strauch wird bis eineinhalb Meter hoch und besitzt weiße oder rosenrote Blüten. Indigo kann auch aus dem heimischen Färberwaid (Isatis tinctoria) gewonnen werden. Merkwürdigerweise ist bei diesen beiden Pflanzen nirgends ein blauer Farbstoff zu finden. Erst der Mensch holt den verborgenen Farbstoff aus der Pflanze und bringt das wunderbare Blau zur Erscheinung. Im Saft der Indigopflanze findet sich ein gelber Farbstoff, der erst an der Luft durch eine Oxidation blau wird. Im Mittelalter wurde der Färberwaid vor allem in Thüringen und Sachsen angebaut. Der Indigo aus Indien und aus dem Orient wurde zwar immer noch nach Europa eingeführt, doch im 16. Jahrhundert wurde die Einfuhr von Indigo nach Deutschland zeitweise unter Androhung der Todesstrafe aus Konkurrenzgründen verboten. Das Verbot konnte sich jedoch nicht halten, da der Indigo aus Indien eine höhere Qualität aufwies. Um 1870 gelang dem Chemiker Adolf von Baeyer die erste künstliche (synthetische) Herstellung von Indigo. Im Jahre 1897 kam dieser synthetische Indigo durch die Firma BASF in Ludwigshafen auf den Markt. Heute wird der Indigo nach der Heumann-Synthese hergestellt. Ein Ausgangsstoff dafür ist das krebserregende Anilin. Indigo selbst ist jedoch nicht giftig. Heute werden jährlich über 12000 Tonnen Indigo weltweit produziert. Er ist der wichtigste Farbstoff zum Färben von Jeans. Die in Amerika erfundenen Jeans wären ohne den Indigo nicht denkbar.
6. Literaturverzeichnis
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München
Schmidkunz, H. (2011). Chemische Freihandversuche Band 2. Hallbergmoos: Aulis-Verlag.
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