Lichtmessung mittels DIY-Fotometrie - Können Farbstoffe gemessen werden?

Lichtmessung mittels DIY-Fotometrie
In dieser Unterrichtseinheit werden die Grundlagen der Fotometrie gelegt und mithilfe von im schuleigenen Maker Space produzierten DIY-Fotometern eine Konzentrationsmessung des Farbstoffs Orange II durchgeführt und die Konzentration von Koffein in Energy Drinks fotometrisch ermittelt. Anhand der iodometrischen Titration als Vergleichsverfahren werden Inhalte zurückliegender Unterrichtseinheiten wiederholt.
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Gymnasium

Chemie

10. bis 13. Klasse

8 - 11 Unterrichtsstunden

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Kompetenzen

Klassenstufe:LK/GK Q2 (13)
Dauer:8–11 Unterrichtsstunden (Minimalplan: 7)
Kompetenzen:Die Lernenden … 1. erklären die Farbigkeit von Stoffen durch Lichtabsorption; 2. erläutern den Zusammenhang von Farbigkeit und Molekülstruktur (UF1, E6); 3. werten Absorptionsspektren fotometrischer Messungen aus (E5); 4. berechnen die Farbstoffkonzentration in Lösungen (E5); 5. beschreiben und diskutieren aktuelle Entwicklungen im Bereich organischer Werkstoffe und Farbstoffe (K4).
Thematische Bereiche:Fotometrie, Absorptionsspektren, Konzentrationsbestimmung, Lambert-Beer’sches Gesetz, Iodometrie, Lichtabsorption, Farbstoffe

Inhaltsangabe

1. Stunde

Thema:Einführung in die Fotometrie als spektroskopische Methode: Aufbau und Bauteile eines Fotometers
M 1 (Sb)Einstieg: Kann man Farben messen? Ishihara-Farbtafel
M 2a (Ab)Aufbau eines Fotometers und Funktion seiner Bauteile
M 2b (In)Bauteile eines UV/Vis-Fotometers
Benötigt:
  • OH-Projektor bzw. Beamer/Whiteboard
  • Bei digitaler Bearbeitung von M 2: 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden
  • Fotometer
  • Küvetten
  • Pipetten
  • farbige Lösungen
  • destilliertes Wasser

2./3. Stunde

Thema:Vom Absorptionsmaximum zur Konzentration: Einführung des Lambert-Beer’schen-Gesetzes zur fotometrischen Bestimmung der Konzentration von Orange-II-Lösungen und der Auswertung in Excel
M 3 (In)Theoretische Grundlagen: Lambert-Beer’sches-Gesetz
M 4a (In)Fotometrische Konzentrationsbestimmung einer unbekannten Probelösung
M 4b (Sv)Fotometrische Konzentrationsbestimmung von Orange II
Fotometrische Konzentrationsbestimmung einer Orange-II-Lösung
Dauer:Vorbereitung: 10 min, Durchführung: 15 min
Chemikalien:
  • Orange-II-Lösungen
  • destilliertes Wasser
Geräte:
  • 1 Schutzbrille pro Lernenden
  • Fotometer
  • 5 Küvetten
  • evtl. Küvettenhalter
  • Pipetten
  • 5 x 50-ml-Messkolben
  • 1 x 250-ml-Messkolben
M 5 (Ab)Fotometrische Quantifizierung von Paracetamol
Benötigt:
  • OH-Projektor bzw. Beamer/Whiteboard
  • 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

4./5. Stunde

Thema:Bauteile eines DIY-Fotometers und eines konventionellen Fotometers, Messung von Lösungen eines selbst hergestellten Farbstoffes
M 6 (Ab)Vergleich der Bauteile: DIY-Fotometer – konventionelles Fotometer
M 7 (Sv)Konzentrationsbestimmung mit dem DIY-Fotometer
Fotometrische Bestimmung der Konzentration einer Orange-II-Lösung mit dem DIY-Fotometer
Dauer:Vorbereitung: 10 min, Durchführung: 15 min
Chemikalien:
  • Orange II
  • destilliertes Wasser
Geräte:
  • 1 Schutzbrille pro Lernenden
  • DIY-Fotometer mit Netzteil
  • Küvetten
  • evtl. Küvettenhalter
  • Pipetten
  • 5 x 50-ml-Messkolben
  • 1 x 250-ml-Messkolben
Benötigt:
  • OH-Projektor bzw. Beamer/Whiteboard
  • 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

6./7. Stunde

Thema:Wie viel Koffein ist im Energydrink enthalten? Experimentelle fotometrische Bestimmung des Koffeingehalts mit dem DIY-Fotometer
M 8 (Pf)Der Chemielaborant Jonathan – Wie viel Koffein ist in einem Energydrink?
M 9 (Pf)Koffein mit dem Fotometer messen
M 10 (Sv)Fotometrische Konzentrationsbestimmung von Koffein mit dem DIY-Fotometer
Fotometrische Konzentrationsbestimmung von Koffein mit dem DIY-Fotometer
Dauer:Vorbereitung: 30 min, Durchführung: 15 min
Chemikalien:
  • Energydrink (z. B. Monster)
  • Iod-Kaliumiodid-Lösung (c(Iod) = 0,05 mol/l)
  • Propan-2-ol
  • Schwefelsäure (ω = 25 %)
  • Koffeinlösungen (100 mg/l, 200 mg/l, 300 mg/l, 400 mg/l, 500 mg/l)
Geräte:
  • 1 Schutzbrille pro Schüler
  • Schutzhandschuhe
  • 10-ml-Vollpipette
  • 5-ml-Vollpipette
  • 1-ml-Vollpipette
  • Kunststoffpipette
  • Zentrifuge mit Zentrifugengläsern
  • DIY-Fotometer mit Netzteil
  • 7 Küvetten
  • Küvettenhalter
  • Reagenzglasständer
M 11 (Ab)Auswirkungen von Koffein auf den menschlichen Körper
Benötigt:
  • OH-Projektor bzw. Beamer/Whiteboard
  • eventuell 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

8./9. Stunde

Thema:Schülerexperimentelle iodometrische Bestimmung des Koffeingehalts zur Wiederholung abiturrelevanter Inhalte
M 12 (Sv)Iodometrie als Methode zur Konzentrationsbestimmung von Koffein in Energydrinks
Iodometrie als Methode zur Konzentrationsbestimmung von Koffein in Energydrinks
Dauer:Vorbereitung: 60 min, Durchführung: 30 min
Chemikalien:
  • Energydrink (z. B. Monster)
  • Kaliumiodid-Iod-Lösung(c(Iod) = 0,05 mol/l)
  • Schwefelsäure (ω = 25 %)
  • destilliertes Wasser
  • Zinkiodid-Stärke-Lösung
  • Natriumchlorid
  • Kieselgur
  • Natriumthiosulfat-Lösung (c = 0,01 mol/l)
Geräte:
  • 1 Schutzbrille pro Lernenden
  • Schutzhandschuhe
  • 50-ml-Vollpipette
  • 2 x 5-ml-Vollpipette
  • Kunststoffpipette
  • Erlenmeyerkolben mit Schliff und Stopfen
  • Weithals-Erlenmeyerkolben
Benötigt:
  • eventuell 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

10. Stunde

Thema:Auswertung und Vergleich der fotometrischen und iodometrischen Bestimmung zur Beurteilung analytischer Methoden
M 13 (Ab)Vergleich von Analysemethoden: Fotometrie und Iodometrie zur Bestimmung des Koffeingehalts in Energydrinks
Benötigt:
  • eventuell 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

11. Stunde

Thema:Transfer der Untersuchungsmöglichkeiten von Farbstoffen auf Lebensmittelfarbstoffe zur Vertiefung der Kompetenzen
M 14 (Ab)Untersuchung von Lebensmittelfarbstoffen
Benötigt:
  • 1 Laptop/PC/Tablet pro Lernenden

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