10. – 13. Schuljahr

Carola Nieß, Lars Czubatinski und Gabriele Hornung

Die Konzentration eines Farbstoffs bestimmen

Fotometrische Messung mit dem Smartphone oder Tablet

Azofarbstoffe wie beispielsweise Azorubin oder Tartrazin sind in geringen Mengen für Lebensmittel zugelassen. Beim Überschreiten einer je nach Farbstoff spezifischen konsumierten Menge werden diese jedoch als gesundheitsschädlich eingestuft. In diesem Kontext wird im vorliegenden Artikel eine praxiserprobte, zweistündige Unterrichtssequenz für die gymnasiale Oberstufe zum Thema „Fotometrische Konzentrationsbestimmung von Azorubin im Grenadine-Sirup vorgestellt, bei der der methodische Schwerpunkt auf der Fotometrie als Analyseverfahren liegt. Anstelle eines Fotometers werden dabei Smartphones oder Tablets mithilfe von Apps zur RGB-Wert-Bestimmung für die Ermittlung unbekannter Konzentrationen verwendet.
Zielsetzung des Lernszenarios
In der Doppelstunde führen die Schülerinnen und Schüler selbstständig eine quantitative Konzentrationsbestimmung durch. Durch den Vergleich des Smartfotometer-Aufbaus (Kasten1) mit dem Aufbau eines professionellen Spektrometers wird das Prinzip der Fotometrie in einem schülerzentrierten Lernsetting erarbeitet. Digitale Endgeräte werden genutzt, um Messwerte zu erfassen und unter dem Gesichtspunkt der Konzentra-tionsbestimmung auszuwerten.
Als Untersuchungsgegenstand dient ein Grenadine-Sirup, der überall im Lebensmittelhandel erhältlich ist. Das Produkt weist auf seinem Etikett die gesundheitsbedenklichen Azofarbstoffe Azorubin und Tartrazin aus. Die Frage nach der Konzentration der Farbstoffe drängt sich unmittelbar auf, um eine Risikobewertung für den Konsumenten vornehmen zu können.
Warum Fotometrie mittels Smartphones oder Tablets?
Warum Fotometrie mittels Smartphones oder Tablets?
Die Verwendung von Smartphones oder Tablets als Fotometer-Ersatz hat neben dem finanziellen Vorteil deutliche didaktische und methodische Potenziale gegenüber der Verwendung eines handelsüblichen Spektralfotometers. Das hier vorgestellte Setting ist auch eine deutlich einfachere Alternative zu verschiedenen Selbstbau-Fotometern (z.B. https://doi.org/10.1002/ckon.201900026, https://www.aatis.de/content/bausatz/AS535_Foto%C2%ADmeter oder https://no2-atlas.de/2019/05/22/photometer.html).
Der simple Versuchsaufbau (Abb.1), bei dem neben den Farbstofflösungen lediglich zwei Endgeräte und eine Wellplatte benötigt werden, lässt die Konzentrationsbestimmung auch in schüleraktiven und kommunikativen Sozialformen wie beispielsweise Partnerarbeit zu. Dies ermöglicht zudem mehrere Vergleichsmessungen innerhalb einer Lerngruppe oder auch arbeitsteiliges Arbeiten. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit zur Einbindung weiterer wissenschaftlicher Methoden, wie z.B. der Mittelwertbildung oder der Berechnung einer Standardabweichung mit anschließender Fehlerdiskussion.
Neben der gesteigerten Motivation, die mit dem Experimentieren mit dem eigenen Smartphone oder Tablet einhergeht, kann insbesondere das Funktionsprinzip des Fotometers transparent nachvollzogen werden. Die schrittweise Weiterentwicklung des Versuchsaufbaus in Analogie zum Filter- und zum Spektralfotometer macht dessen Aufbau besonders anschaulich und nachvollziehbar. Durch das Vorhandensein von eigenen Smartphones kann das Experiment zudem problemlos als Schülerübung durchgeführt werden, was mit einem professionellen Fotometer nicht möglich wäre, da in der Regel nur ein Gerät zur Verfügung steht. Gleichzeitig wird im Rahmen der Unterrichtssequenz das wissenschaftliche Arbeiten geschult, indem die Schülerinnen und Schüler ausgehend von einer authentischen Problemfrage einen Erkenntnisgewinnungsweg unter Einbindung fachwissenschaftlicher Methoden sukzessiv durchlaufen. Die Schritte reichen vom analytisch genauen Pipettieren über eine präzise Messwerterfassung, die Darstellung der Messwerte in einem Diagramm, die Auswertung und Diskussion der Ergebnisse bis hin zur Optimierung des...

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