Lichtmessung mittels DIY-Fotometrie - Können Farbstoffe gemessen werden?

Name: Lichtmessung mittels DIY-Fotometrie - Können Farbstoffe gemessen werden?
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Gymnasium

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Chemie

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10. | 11. | 12. | 13. Klasse

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8 - 11 Unterrichtsstunden

Beschreibung

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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# Fotometrie

# Absorptionsspektren

# Konzentrationsbestimmung

# Lambert-Beer’sches Gesetz

# Iodometrie

# Lichtabsorption

# Farbstoffe

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

Ab = Arbeitsblatt, In = Infotext, Pf = Projektionsfolie, Sb = Schaubild, Sv = Schülerversuch

Vorbemerkung

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

Minimalplan

Das Unterrichtsvorhaben kann auf 5–7 Unterrichtsstunden gekürzt werden, indem bei Zeitmangel die alternative Analysemethode der Iodometrie sowie der Vergleich weggelassen werden können (