Kinetik Alte Hüte im neuen Gewand Peter Heinzerling Albert-Einstein-Schule Laatzen 19. September 2008 09:00 – 10:00 Uhr

Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand Die alten Hüte: Mutarotation von Glucose Rohrzuckerinversion SN2-Reaktionen Zeitreaktionen 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand Grundprobleme bei der Erarbeitung: Unzuverlässige Experimente Großer Aufwand für exakte Ergebnisse Mathematisches Gerüst 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand Auswege: Weglassen Papierchemie EXCEL-Chemie Neue alte Experimente 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Mechanismus: Animation aus chemgapedia Ergänzung: 3D-Reaktionsanimation: Mutarotation der D-Glucose im sauren wässrigen Milieu 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Mechanismus:     α-D-Glucopyranose D-Glucose D-Glucose D-Glucose β-D-Glucopyranose 36% offen offen offen 64% gestreckt 0,0026 % 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Experimentelle Erarbeitung: Alter Hut: Polarimetrie Teuer und selten wirklich exakt Das neue Gewand: Messung der Gesamt-Glucose mit Blutzucker-Messsystem AKKU-CHEK® Aviva von ROCHE Diagnostics Kosten: Gerät ca. 10 € Teststäbchen: 26,50 €/50 Stück 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Experimentelle Erarbeitung: Käufliche Glucose liegt wegen der schlechteren Löslichkeit zu > 95% in α-Form vor Beim Auflösen in Wasser erfolgt Mutarotation Beschleunigung durch Säuren 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Experimentelle Erarbeitung: Versuchsdauer bei Zimmertemperatur max. 3 h Erhebliche Verkürzung bei Temperierung auf 40° C Messung: einfach und schnell (mit Probenahme ca. 15 s) Teststäbchen enthält Puffer Probenahme von 4 μL erfolgt automatisch über Membran Messgerät speichert bis zu 500 Proben Datenübertragung möglich 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Auswertung: Enzym GDH ist Substrat spezifisch auf β-D-Glucose Gerät rechnet auf Gesamt-Glucose hoch Rückrechnung über Gleichgewichtskonstante Mithilfe von EXCEL sehr einfach Gleichgewichtseinstellung über Massenbilanz 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Ergebnis: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Fazit: Eine verblüffend einfache Analytik zum günstigen Preis Der Haken: Das Gerät liefert zu hohe absolute Werte Ursache: Gerät zieht 4μL-Probe auf die Viskosität von Blut geeicht Lösung: Einmal Eichen und dann Umrechnen 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Ergebnis: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Auswertung ist (nicht) gaaanz einfach … Ansatz: Integral: Lösung: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Auswertung ist nicht ganz einfach … Mit CAS-Rechner heute ohne Anstrengung möglich ! Test auf 1. Ordnung: Auswertung mit CAS oder EXCEL 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Mutarotation von Glucose Auswertung ist nicht ganz einfach … 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Saure Hydrolyse von Saccharose: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Lösungen: Saccharose w = 20% Salzsäure c = 2 mol/L Versuch: 25 mL Saccharose-Lösung + 25 mL HCl(aq) Messung: Polarimetrie 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Ergebnis: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Auswertung: Test auf 1.Ordnung 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Alternative: Enzymatische Reaktion mit Invertase 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Alternative: Enzymatische Reaktion mit Invertase Anschaffung des reinen Enzyms kostspielig (65 € netto/5 g) InvertinMERCK® bei backfun.de 40 €/L Wenn cS>>cE: Kinetik nach MICHAELIS-MENTEN Ansonsten: Milde Reaktionsbedingungen pH-Optimum 4,5 Temperaturoptimum 55°C 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Low-Cost-Variante: Enzym aus Hefe isolieren Reinigung nicht erforderlich Fächer übergreifendes Projekt No-Cost-Variante: Invertase wird als Lebensmitttelzusatzstoff verwendet (Zuckerfüllungen, Marzipan etc.) Firmen bzw. Produkte herausfinden (Lindt-Sprüngli, After Eight) und Lieferanten anbetteln 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Ergebnis: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Rohrzuckerinversion Auswertung: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress SN2-Reaktionen Nicht schon wieder Verseifungen !!! Historische Alternative – kaum in Schulbüchern: FINKELSTEIN-Reaktion: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress SN2-Reaktionen FINKELSTEIN-Reaktion: NaI ist ein Aceton löslich, NaBr und NaI dagegen nicht Leitfähigkeit in nicht-wässriger Lösung lässt sich gut messen R. David Pace und Yagya Regmi, J.Chem.Ed. 83(9), 1344 (2006) Starke Elektrolyte 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress SN2-Reaktionen FINKELSTEIN-Reaktion: Für konzentrierte Lösungen starker Elektrolyte gelten für die Leitfähigkeit andere Gesetze (Theorie von Debye, Hückel, Falkenstein) Kohlrausch-Gesetz (1900): Vereinfacht: Quadratwurzelgesetz 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress SN2-Reaktionen Versuchsdurchführung denkbar einfach: Reaktion von 1-Chlorbutan mit Natriumiodid in Aceton Messwerterfassung über Standardprogramm (z.B. Kappenberg) Reaktion nach 30 min abbrechen, da Rückreaktion möglich Test auf 2. Ordnung: 1/λ² gegen t 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Energetische Darstellungen: chemgapedia.de: FINKELSTEIN-Reaktionl SN2-Reaktionen Energetische Darstellungen: chemgapedia.de: FINKELSTEIN-Reaktionl 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress SN2-Reaktionen 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Zeitreaktionen Spezialfall der Differentialmethode: Anfangsgeschwindigkeiten mit ∆c = konst. und sehr klein Abfangreaktion: Sehr schnelle Reaktion für ∆c Monitorreaktion: Farbumschlag zur Bestimmung von t 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Zeitreaktionen Spezialfall der Differentialmethode: Weit verbreitet: Iod-Uhr Prinzip: Oxidation von Iodid zu Iod Beispiele: HARCOURT-ESSON (H2O2) A.G.V. Harcourt und W. Esson, Phil. Trans. Royal Soc. 157, 117 (1867) Peroxodisulfat Chlorat André P.Oliveira und Roberto B. Faria, J.Am.Chem.Soc. 127, 18023 (2005) Eisen(III)-Ionen Jurica Bauer et al., J.Chem.Ed. 85(8), 1123 (2008) 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

HARCOURT-ESSON-Reaktion Häufiger Lehrbuchfehler: Reaktionsgeschwindigkeit hängt auch von Säure ab H.A. Liebhafsky und A. Mohammad, J. Am. Chem. Soc. 55, 3977 (1933) Säure unabhängige Reaktion: H2O2 (aq) + I- (aq)  H2O (l) + IO- (aq) langsam H+ (aq) + IO- (aq)  HIO (aq) schnell HIO (aq) + H+ (aq)  I2 (aq) + H2O (l) schnell Säure abhängige Reaktion: H2O2 (aq) + H+(aq) + I- (aq)  H2O (l) + HIO (aq) langsam HIO (aq) + H+ (aq) + I- (aq)  I2 (aq) + H2O (l) schnell 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

HARCOURT-ESSON-Reaktion Häufiger Lehrbuchfehler: Reaktionsgeschwindigkeit hängt auch von der Säure ab 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Ascorbinsäure-Variante Spezialfall der Differentialmethode: Weit verbreitet: Iod-Uhr Abfangreaktion: Schnelle Reaktion von Iod mit S2O32- - Ionen Vorsicht: S2O32- - Ionen reagieren mit Säure Alternative: Ascorbinsäure 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Orangensaft-Variante Spezialfall der Differentialmethode: Weit verbreitet: Iod-Uhr Abfangreaktion: Schnelle Reaktion mit Vitamin C Reaktion mit 60 mL Wasserstoffperoxid-Lösung (3%) starten } 5 mL Iod-Tinktur (0,4 mmol) 270 mL O-Saft (1 mmol) 2 mL flüssige Wäschestärke zusammen gießen 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Geheimtinten-Variante: Der Trick: Weißes Papier enthält Stärke Stephen W. Wright, Marsha R. Folger und Matthew A. Rice, J.Chem.Ed. 83(10), 1473 (2006) Stammlösungen: 500 mg Ascorbinsäure ad 600 mL H2O Povidon-Iod/Wasser: 1:2, 1:4 und 1:8 H2O2/Speiseessig: 1:1 Durchführung: Geheimtinte 10 mL Ascorbinsäure-Stammlösung 5 mL Povidon-Iod/Wasser Entwickler H2O2/Speiseessig in Sprühflasche 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Fluoreszenz-Variante Spezialfall der Differentialmethode: Weit verbreitet: Iod-Uhr Abfangreaktion: Ascorbinsäure Monitorreaktion: Fluoreszenz-Quenching 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Fluoreszenz-Variante Fluoreszenz-Quenching: Richard B. Weinberg, JChemEd 84(5), 797 (2007) Der Trick: Iod quencht Fluoreszenz von Stilbenen I3- (aq) + hν + FWA (Stilben)· (aq)  3 I- (aq) + FWA (Stilben) (aq) Fluoreszenz-Farbstoff: Stilbene in Sensitiv-Waschmitteln Gele sofort gebrauchsfertig 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Fluoreszenz-Variante Fluoreszenz-Quenching: Ausgangslösungen: 4 mL H2O2 (w=3%) 0,5 mL Sensitiv Gel 2 mL Speiseessig 1 mL Iodtinktur 1 mL Vitamin C-Lösung (500mg ad 15 mL) Gemisch A: H2O2 (w=3%) Iodtinktur Sensitiv Gel Gemisch B: Vitamin C-Lösung Speiseessig 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Ich habe fertig … Iod-Uhr-Experimente erscheinen in Heft 7 (2008): 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

6. Berliner MNU-Kongress Ich habe fertig … Tipps, Tricks, Anregungen: Peter.Heinzerling@web.de Danksagung: 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress

Vom Backpulver zur Götterbrause Wohl bekomm‘ s, Herr Ministerpräsident … 19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress