Pass the Cranberry…Volcano!

Schlüsselbegriffe
Chemie
Säuren
Basen
Reaktionen

Einführung
Sie mögen vielleicht Cranberrysauce, aber wenn Sie jemals eine echte Cranberry probiert haben, waren Sie wahrscheinlich vom Geschmack überrascht – sie ist bei weitem nicht so süß wie die Sauce oder gesüßte getrocknete Beeren! Reine Cranberries und Cranberrysaft sind sehr säuerlich, aber in Kombination mit anderen Zutaten (wie Orangenschale und Zucker) können sie köstlich schmecken.

Cranberries sind säurehaltig, ähnlich wie Zitronen oder Limetten. Lebensmittel, die sauer sind, schmecken normalerweise sauer oder säuerlich, deshalb verwenden wir sie, um eine Mahlzeit aufzupeppen, aber wir essen sie selten allein. (Kannst du dir vorstellen, eine ganze Zitrone zu essen – autsch!) Cranberries sind nicht nur sauer, sondern enthalten auch ein spezielles, farbveränderndes Pigment, mit dem wir testen können, ob etwas eine Säure oder eine Base ist. In dieser Aktivität werden wir Cranberries (in diesem Fall Cranberrysaft) verwenden, um Säuren und Basen zu identifizieren und die chemischen Reaktionen zu beobachten, die entstehen, wenn man die beiden mischt. Wer hätte gedacht, dass Cranberries so viel mehr sind als nur Soße!

Hintergrund
Wenn du jemals Zitronensaft in eine Schnittwunde bekommen hast und das Brennen gespürt hast, dann weißt du ein wenig über Säuren. Und du kennst dich wahrscheinlich auch mit Basen aus: Wenn du dir die Hände wäschst und das glitschige Gefühl von der Seife bekommst, ist das eine Base. Die meisten Flüssigkeiten sind entweder eine Säure oder eine Base, aber manche Säuren und Basen sind stärker als andere. Zitronensaft brennt in der Wunde, weil er sauer ist. Andere Arten von sehr starken Säuren können jedoch Holz und Metall auflösen. Ob du es glaubst oder nicht, die Säure in deinem Magen (die deine Nahrung auflöst) ist eine sehr starke Säure. Wenn du etwas von deiner Magensäure auf einen Holzklotz tröpfeln würdest, würde sich die Säure direkt durch ihn hindurchfressen!

Um zu messen, wie sauer oder basisch eine Flüssigkeit ist, verwenden wir die pH-Skala. Diese Skala stuft Flüssigkeiten von 0 bis 14 ein, wobei 0 der sauerste und 14 der basischste Wert ist. Wie sauer oder basisch etwas ist, können wir feststellen, indem wir testen, wie es mit anderen Dingen reagiert. Zu diesem Zweck werden oft pH-Indikatoren verwendet, die sich je nach Säure oder Base unterschiedlich verfärben.

Cranberries sind etwas Besonderes, denn sie enthalten einen natürlichen pH-Indikator – Pigmente, die Anthocyane, die sich je nach pH-Wert ihrer Umgebung verfärben. In dieser Aktivität werden wir diese besondere Fähigkeit der Cranberries nutzen, um eine chemische Reaktion zu beobachten und zu sehen, wie Basizität oder Säuregehalt die Farbe eines pH-Indikators verändert.

Materialien

• Drei Tassen reiner, 100-prozentiger Cranberrysaft (kein Cranberrysaft-Cocktail)
• Backpulver
• Zitronensaft (vier Esslöffel, etwa zwei Zitronen, frisch gepresster Saft funktioniert am besten)
• Vier durchsichtige Glas- oder Plastikbecher
• Eine große durchsichtige Plastik- oder Glasschüssel oder Auflaufform (Eine große Glasbackform funktioniert gut.)
• Messlöffel (Esslöffel)
• Messbecher (eine Tassengröße)
• Ein flacher Arbeitsplatz, auf dem etwas verschüttet werden kann (einschließlich Cranberrysaft)

Vorbereitung

• Verwenden Sie den Messbecher, um eine Tasse Cranberrysaft in drei der klaren Becher zu messen.
• Messe mit dem Messbecher eine Tasse Wasser in den vierten durchsichtigen Becher ab.
• Wenn du frischen Zitronensaft verwendest (empfohlen), entsafte die Zitrone und stelle den Saft in einer Tasse oder Schüssel beiseite.
• Stelle die drei Becher mit dem Saft nebeneinander in die große Schüssel. Wir nennen den Becher auf der linken Seite Becher 1, den mittleren Becher 2 und den Becher auf der rechten Seite Becher 3. Der Becher mit dem Wasser ist der Wasserbecher, der vorerst beiseite gestellt werden sollte.

Vorgang

• Mess mit deinem Messlöffel zwei Esslöffel Zitronensaft in Becher 1 ab. Vergleiche die Farbe des Cranberrysaftes in Becher 1 mit der Farbe des Saftes in Becher 2 (ohne Zitrone). Was fällt dir an der Farbe der Flüssigkeit in Becher 1 auf? Hat sie sich verändert, als du den Zitronensaft hinzugefügt hast? Wenn ja, ist sie durch den Zitronensaft heller oder dunkler geworden?
• Stelle Becher 1 erst einmal beiseite.
• Messe mit deinem Messlöffel einen Esslöffel Backpulver ab und schütte es in Becher 3 (rechts). Was passiert, wenn das Natron den Cranberrysaft erreicht? Was kannst du sehen? Was hörst du? Was passiert mit dem Saft? Befindet sich mehr oder weniger in der Tasse?
• Lass die Reaktion mindestens zwei Minuten lang laufen. Wenn sich kein Schaum mehr bildet, schau dir den Saft am Boden von Becher 3 an. Vergleiche ihn mit Becher 2. Was fällt dir an der Farbe der Flüssigkeit in Becher 3 auf? Ist sie dunkler, heller oder gleich wie die in Becher 2? Wie sieht es mit dem Volumen des Saftes in Becher 3 aus? Ist in Becher 3 im Vergleich zu Becher 2 mehr oder weniger enthalten? Was glaubst du, hat die Veränderungen, die du in Becher 3 beobachtest, verursacht?
• Gebe Becher 1 zurück in deine Schale, so dass alle drei Becher wieder in einer Reihe stehen. Vergleiche die Farbe und das Volumen der einzelnen Becher. Welcher Becher unterscheidet sich am meisten von den anderen? Wodurch unterscheidet er sich?
• Spüle deinen Messlöffel ab, damit kein Backpulver daran kleben bleibt. Benutze ihn dann, um zwei Esslöffel Zitronensaft in Becher 3 zu geben. Was passiert, wenn du Zitronensaft in Becher 3 gibst? Bemerkst du irgendwelche Unterschiede in der Reaktion im Vergleich zu der, als du Backpulver hinzugefügt hast? Inwiefern ist diese Reaktion anders? Inwiefern ist sie die gleiche?
• Lasse die Reaktion etwa zwei Minuten lang weiterlaufen, bis sich kein Schaum mehr bildet. Hat sich in Becher 3 etwas verändert, nachdem du den Zitronensaft hinzugefügt hast? Wenn ja, was ist anders? Was glaubst du, hat die Veränderungen verursacht, die du beobachtet hast?
• Messe mit deinem Messlöffel zwei Esslöffel Backpulver in den Wasserbecher. Beobachte, was passiert, wenn du das Backpulver hinzufügst. Was fällt dir am Wasser auf? Hat sich etwas verändert? Was sagt dir das über die Reaktion von Cranberrysaft und Backpulver? Bringt Backpulver Flüssigkeiten immer zum Schäumen, oder nur manche Flüssigkeiten?
• Extra: Wenn du genügend Cranberry- und Zitronensaft hast, versuche, Backpulver zu zwei nebeneinander stehenden Bechern Cranberrysaft hinzuzufügen. Lassen Sie die Reaktion ablaufen. Gib nun Zitronensaft in nur einen der Becher. Vergleiche die Farbe und das Volumen des Saftes sowie das Aussehen des Schaums in den beiden Bechern. Was ist bei den beiden Bechern anders?
• Extra: Versuche, zwei Esslöffel Zitronensaft zu einer Tasse Cranberrysaft zu geben und dann Backpulver hinzuzufügen. Wie verändert sich dadurch die Reaktion?
• Extra: Versuche, die Menge an Backpulver, die du hinzufügst, zu erhöhen. (Achte darauf, dass dies in deiner Schüssel bleibt, damit es nicht unordentlich wird!) Wird die Reaktion durch die Zugabe von mehr Backpulver beschleunigt? Erhöht es die Schaummenge?
• Extra: Versuche mit einem erwachsenen Helfer, eine Tasse Cranberrysaft für etwa eine Minute in der Mikrowelle zu erwärmen (aber nicht heiß). Geben Sie das Backpulver in den warmen Saft. Ändert die Temperatur des Saftes die Reaktion?

Beobachtungen und Ergebnisse
Du hast vielleicht bemerkt, dass sich die Farbe des Cranberrysaftes verändert hat, als du Zitronensaft oder Backpulver hinzugefügt hast. Durch die Zugabe von Backpulver sollte der Saft eine dunklere Farbe bekommen, während er durch die Zugabe von Zitronensaft etwas heller wird. Das liegt an den erstaunlichen Pigmenten, die in Cranberries enthalten sind, den Anthocyanen, die als pH-Indikator dienen. Anthocyane ändern ihre Farbe je nachdem, ob sie mit einer Säure oder einer Base reagieren. Würdest du anhand dieser Aktivität erraten, dass Anthocyane dunkler werden, wenn sie mit einer Base oder mit einer Säure in Berührung kommen? Wenn du auf Basen getippt hast, liegst du richtig! Und in Gegenwart von Säuren werden Anthocyane heller.

Als du Natron zum Cranberrysaft gegeben hast, fand eine Reaktion statt, bei der ein Gas freigesetzt wurde, das sowohl große Blasen als auch kleine Blasen (Schaum) im Saft erzeugt. Als du Natron in den Wasserbecher gegeben hast, ist jedoch nichts passiert – es ist kein Schaum entstanden, sondern nur trübes Wasser. Warum verursacht Backpulver im Wasser keine Reaktion wie im Cranberrysaft? Der Unterschied besteht darin, dass Cranberrysaft leicht sauer ist – er reagiert mit allem, was basisch ist. Backpulver ist eine Base. Wenn es also mit einer Säure wie Cranberrysaft in Berührung kommt, kommt es zu einer Reaktion. Wenn die Flüssigkeit jedoch pH-neutral ist, wie Wasser, findet keine Reaktion statt.

Schließlich hast du vielleicht auch bemerkt, dass das Volumen (die Menge des Saftes) in Becher 3 nach der Reaktion mit dem Backpulver geringer war. Das liegt daran, dass der Schaum, der durch die Reaktion entstanden ist, aus dem Saft selbst besteht. (Du konntest es wahrscheinlich erkennen, weil der Schaum eine ähnliche Farbe hatte.) Daher war weniger flüssiger Saft im Becher übrig, weil ein Teil des Saftes während der Reaktion zu Schaum wurde.

Mehr zum Erforschen
Säuren, Basen und die pH-Skala, von Science Buddies
Cabbage Chemistry-Finding Acids and Bases, von Scientific American
Measuring the Amount of Acid in Vinegar by Titration with an Indicator Solution, von Science Buddies
Science Activity for All Ages! von Science Buddies

Diese Aktivität wird Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies

angeboten.