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-Kurzfassung-
Energie durch Coffein
Der Hauptbestandteil unserer Arbeit beschäftigt sich mit Cola und mit
Coffein. Wir haben den Coffein-Gehalt nachgewiesen indem wir eine
Eichkurve mittels eines Photometers aufgestellt haben. Weiterhin haben
wir uns gefragt, wie Coffein eigentlich genau wirkt.
Diese Fragen haben wir schon mal beantwortet.
Weiterhin haben wir uns gefragt, wieso die Cola beim „Cola-Mentos-
Versuch“ fontänenartig herausspritzt. Dafür gibt es viele Theorien, doch
die eindeutige Lösung des Versuches haben wir auch nicht gefunden.
Wie sind wir auf dieses Thema gekommen?
Ach, das wissen wir auch nicht so genau… Wir bekamen ziemlichen
Zuwachs in der Chemie-AG, sodass wir am Anfang des Schuljahres erstmal
damit beschäftigt waren, unserem Lehrer bei der Einweisung zu helfen, also
zu sagen, wie es alles so ist… Wir haben die Chemie-AG auch etwas
verändert, was auch wieder ein Zeitaufwand war...
Naja, dann kam die Romfahrt im Oktober und wir hatten immer noch kein
Thema. Nach der Romfahrt fingen wir dann mal an, uns Gedanken zu
machen. Zuvor haben wir noch einen Wein hergestellt und haben uns
überlegt, ob wir den vielleicht mit in die Arbeit nehmen wollen, aber darauf
hatten wir nicht allzu große Lust.
Naja, irgendwann fiel uns dann halt ein, dass wir uns den Cola-Mentos-
Versuch „erforschen“ könnten, da wir den zuvor einige Male durchgeführt
hatten. Also fingen wir Anfang November damit an, bis uns auffiel, dass wir
so keine Jugend-Forscht-Arbeit machen können, also musste noch etwas her,
was zum Thema passte: Coffein!
Dann war der 30. November und ich wurde daran erinnert, dass ich uns
unbedingt anmelden muss, jedoch hatte ich den ganzen Tag keine Zeit.
Abends um 2000
Uhr fiel mir es dann wieder ein und ich meldete uns schnell
noch unter irgendeinem Thema an, dass mir gerade so einfiel:
„Energie durch Coffein“
…
3. Einleitung
Chemie:
Energie durch Coffein
Wie sind wir auf dieses Thema gekommen?
Ach, das wissen wir auch nicht so genau… Wir bekamen ziemlichen Zuwachs in der
Chemie-AG, sodass wir am Anfang des Schuljahres erstmal damit beschäftigt waren,
unserem Lehrer bei der Einweisung zu helfen, also zu sagen, wie es alles so ist… Wir
haben die Chemie-AG auch etwas verändert, was auch wieder ein Zeitaufwand war...
Naja, dann kam die Romfahrt im Oktober und wir hatten immer noch kein Thema. Nach
der Romfahrt fingen wir dann mal an, uns Gedanken zu machen. Zuvor haben wir noch
einen Wein hergestellt und haben uns überlegt, ob wir den vielleicht mit in die Arbeit
nehmen wollen, aber darauf hatten wir nicht allzu große Lust.
Naja, irgendwann fiel uns dann halt ein, dass wir uns den Cola-Mentos-Versuch
„erforschen“ könnten, da wir den zuvor einige Male durchgeführt hatten. Also fingen wir
Anfang November damit an, bis uns auffiel, dass wir so keine Jugend-Forscht-Arbeit
machen können, also musste noch etwas her, was zum Thema passte: Coffein!
Dann war der 30. November und ich wurde daran erinnert, dass ich uns unbedingt
anmelden muss, jedoch hatte ich den ganzen Tag keine Zeit. Abends um 2000
Uhr fiel mir
es dann wieder ein und ich meldete uns schnell noch unter irgendeinem Thema an, dass
mir gerade so einfiel:
„Energie durch Coffein“
…
1. Deckblatt
2. Kurzfassung
3. Einleitung
4. Inhaltsverzeichnis
5. Coffein allgemein
6. Wirkung und Vorkommen
7. Nachweis- und Bestimmungsmethoden von Coffein
8. Photometrie
9. Erstellung der Eichkurve
10. Auswertung der Eichkurve
11. Titration eines Colagetränkes
12. Eichkurve von Cola
13. „Cola-Mentos-Versuch“
Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Photometrie
http://de.wikipedia.org/wiki/Coffein
Allgemeines: Name: Koffein
Andere Namen: 3,7-Dihydro-1,3,7-trimethylpurin-2,6-dion, 1,3,7-Trimethylxanthin,
Methyltheobromin, Coffein, Thein, Tein, Guaranin
Summenformel: C8H10N4O2
(„Sinnliche-“)Eigenschaften: farblos, geruchlos, bitter schmeckende Kristalle
Eigenschaften:
Molmasse: 194,19 g/mol
Aggregatzustand: fest
Dichte: 1,23 g/cm3
Schmelzpunkt: 238°C
Siedepunkt: sublimiert ab 178°C
Löslichkeit: gut in Wasser und Chloroform, in Alkohol mäßig
Sicherheitshinweise: Xn (Gesundheitsschädlich)
R- und S- Sätze: R:22 S: (2)
Wasser bei Normaltemperatur: 21,74 g/l
Wasser bei 80 °C: 181,82 g/l
Ethanol bei Normaltemperatur: 15,15 g/l
Ethanol bei 60 °C: 45,45 g/l
Aceton: 20,00 g/l
Chloroform: 181,82 g/l
Koffein (auch Coffein oder veraltet Thein und Tein, fälschlich Teein) ist ein Purin-
Alkaloid und ein anregend wirkender Bestandteil von Genussmitteln wie Kaffee, Tee,
Cola, Mate, Guarana, Energy Drinks und Kakao. Es ist eines der ältesten, wirksamsten
und am besten verträglichen Stimulanzien. Koffein ist ein weißes geruchloses Pulver
und bildet hexagonale Prismen aus.
Struktur von Coffein Modell eines Coffein-Moleküls
Legende: Blau = Nitrogenium
(Stickstoff)
Schwarz = Carbonium
(Kohlenstoff)
Rot = Oxygenium
(Sauerstoff)
Weiß = Hydrogenium
(Wasserstoff)
C8H10N4O2
C8H10N4O2
Wirkung des Coffeins:
Hauptwirkungen:
• Anregung des Zentralnervensystem
• Erhöhung der Herztätigkeit, Pulssteigerung
• Erhöhung des Blutdrucks
• Bronchialerweiterung
• Steigerung der Harnbildung
• Anregung der Peristaltik (Der Begriff Peristaltik (v. griech.: peri = herum + stellein = in Gang bringen
bezeichnet die Muskeltätigkeit der Hohlorgane Speiseröhre) des Darmes
In erster Linie ist Coffein somit ein Stimulans (Substanzen, die anregend auf den
Körper reagieren).
Eltern verbieten Kindern oft Cola zu trinken, dass hat auch einen guten Grund: z.B. 3
Dosen Cola und 3 Schokoriegel enthalten etwa soviel Coffein, wie in zwei Tassen Kaffee
enthalten sind (ca. 200mg). Diese Dosis kann vor allem bei kleineren Kindern zu
Nervosität und Schlafstörung führen!
1 Tasse Kaffee Ca. 50-100mg
1 kleine Tasse Espresso Ca. 40mg
1 Tasse Schwarztee Bis zu 50mg
Guarana Ca. 2300-4000mg / 100g
1 Tasse Kakao Ca. 6mg
Schokolade: Vollmilch
Schokolade: Halbbitter
Ca. 15mg/100g
Ca. 90mg/100g
Energy Drink: Red Bull Ca. 80mg / Dose
Club-Mate Ca.20mg / 100ml
Kaffee-Bonbons Ca. 80-500mg / 100g
Wick Energiebonbons Ca. 25mg pro Bonbon
Coca-Cola® Ca. 10mg / 100ml
Aspirin forte ® 50mg
Manche Leute trinken jeden Morgen ein Glas Cola oder eine Tasse Kaffee nicht nur
weil es schmeckt, sondern auch weil sie beispielsweise einen geringen Blutdruck haben.
Das Coffein erhöht (wie oben geschrieben) den Blutdruck und kann somit gut für den
Kreislauf sein.
Aktuell: Caffeinol: Alkohol mit Coffein gegen Schlaganfälle in den USA getestet!!
Natürlich vorkommendes Coffein
Bezeichnung Coffein-Gehalt
Zugabe von synthetisch erzeugtem Coffein
Unterschied zwischen Qualitativ und Quantitativ Der Unterschied zwischen qualitativ und quantitativ ist, das qualitativ einfach ein
Nachweis dafür ist, um zu sehen, ob in diesem Fall Coffein überhaupt vorhanden ist.
Durch eine solche Methode hat man somit nur den Nachweis und nicht die Bestimmung
des Coffein-Anteils bestimmen.
Die Bestimmung des Coffein-Anteils ist dann mit einem quantitativen Nachweis zu
bestimmen, in unserem Fall beispielsweise mit einer Photometrie. Mit einem
quantitativen Nachweis kann man den tatsächlich vorliegenden Gehalt an Coffein
bestimmen.
Methoden Zum qualitativen Nachweis, also einfach um zu gucken, ob überhaupt Coffein
vorhanden ist, eignen sich chromatographische Methoden, beispielsweise die
Dünnschichtchromatographie. Anschließend sollte man einen Nachweis mittels UV-
Licht machen.
Zum quantitativen Nachweis, also um genau zu gucken, wie viel Coffein in einer
Flüssigkeit ist, muss man schon kompliziertere Methoden anwenden, in unserem Fall
eine Photometrie.
Durch die Photometrie wird die Konzentration des (in diesem Falle) Coffeins über eine
Eichkurve festgestellt. Lichtstrahlen haben verschiedene Wellenlängen, manche werden,
wenn sie auf die Lösung treffen, einfach abgefangen, manche werden durchgelassen. Das
geschieht von einem Photometer durch die Lösung in einen Detektor. Die „Anzahl“ der
Lichtstrahlen die durchgelassen werden hängt von der Konzentration ab.
Kurz: Die Photometrie setzt die von einem Photometer gemessene elektromagnetische
Strahlungsleistung in Beziehung zum Sinneseindruck durch das menschliche Auge.
So, zur Verdeutlichung haben wir hier eine kleine Zeichnung erstellt:
I0 = ursprüngliche Lichtintensität
I = „übrige Lichtstrahlen“
D = ( D = Lichtdurchlässigkeit )
Angenommen, D = 1 => E = 0
E = lg 1
D = ½ E = lg 1/ ½ = lg 2 ~ 0,3
Hierbei gilt immer:
E ~ c Konzentration der Lösung
E ~ d (Kommt darauf an, wie breit die Küvette ist, durch die das Licht durch muss)
Daraus folgt das Lambert-Beersche Gesetz:
E = e . c
. d (e ist eine Konstante)
Hierbei bedeuten:
In den heutigen Photometern ist der Weg, den das Licht durchdringen muss meistens
1cm, somit ist die Extinktion allein abhängig von der Konzentration der Lösung.
Lichtquelle
I0
Küvette
I Photozelle
(Detektor)
I
I0
D Lichtdurchlässigkeit ist hier 50%
Extinktion = Menge des durchgelassenen Lichtes einer bestimmen Wellenlänge
konstante Größe, der so genannte „Extinktionskoeffizient“
(wellenlängenabhängig und abhängig vom jeweiligen Stoff)
Konzentration
Schichtdicke, durch die das Licht durchdringen muss
E =
e =
c =
d =
Geräte: 100ml Maßkolben, 50ml Vollpipette, 50ml Becherglas, 100ml Becherglas, Küvette,
Messpipette, G4 Fritte mit Absaugvorrichtung, Filtertrichter, Reagenzgläser, 250ml
Becherglas, Wasserbad, Photometer (Wellenlänge 480nm)
Chemikalien: Kupfersulfatlösung 6,9%, Kaliumhexacyanoferrat (II) 8,4%, Iodlösung 0,05 m,
Schwefelsäure 20%, Ethanol, Coffein 500mg/l
Versuchsdurchführung: Wir haben 50ml von der Cola (auch noch anderen Lösungen, aber wir nehmen die Cola
als Beispiel) in ein Becherglas getan. Dazu haben wir 30ml dest. Wasser und 6ml
Kupfersulfatlösung gegeben. Danach haben wir sie 5 Minuten im Wasserbad erwärmt.
Nachdem sich die Lösung wieder abgekühlt hat, werden 3ml Kaliumhexacyanoferrat
zugegeben. Dann haben wir bis zur nächsten Marke aufgefüllt, umgeschüttelt und das
ganze filtriert. Von dem Filtrat haben wir 5ml ins Reagenzglas getan, dann 2ml
Schwefelsäure getan und dann haben wir das Reagenzglas 10 Minuten ins heiße
Wasserbad gestellt. Danach haben wir es kurz unter Wasser gekühlt. Diese Lösung
haben wir dann mit 2ml Iodlösung versetzt und haben sie dann in Eiswasser gestellt.
Nach 5 Minuten haben wir die Lösung durch einen G4 Filtertiegel abgesaugt. Den Rest
des entstandenen Niederschlags haben wir mit 2ml Eiswasser in die Fritte gebracht.
Dann haben wir sie mit 25ml Ethanol bei geringem Druck gespült und sie dann mit 25ml
dest. Wasser nachgespült. Diese Lösung haben wir dann photometrisch untersucht.
Eichkurve Coffein
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3 4 5 6
Extinktion
Co
ffein
geh
alt
in
mg
pro
l
Die Eichkurve ist nur eine grobe Zeichnung!!
Wir haben zwei Extinktionen gemessen, einmal eine mit Energy Drink: Red Bull und
einmal eine mit Coca Cola.
(Die Messungen erfolgten bei einer Wellenlänge von 480nm.)
Nach den Versuchen haben wir folgende Extinktionen gemessen:
Energy Drink: Red Bull
Coca Cola
Durch unsere erstellte Eichkurve lässt sich nun der Coffein-Gehalt in mg/l bestimmen.
Für Energy Drink: Red Bull:
294mg/l
Für Coca Cola:
125mg/l
Unsere Ergebnisse Getränk Coffein aus Literatur Coffein gemessen
Red Bull 320mg/l 294mg/l
Coca Cola 100mg/l 125mg/l
Daraus lässt sich schließen, dass wir den Coffein-Gehalt nur ca. bestimmen konnten,
jedoch relativ genaue Angaben bekamen.
0,281 Extinktion
0,117 Extinktion
Geräte: 50ml Bürette, 2x 10ml Pipette, 250ml Becherglas, pH-Meter mit Elektrode,
Magnetrührer mit Rührfisch, Stativmaterial, Rundkolben, Liebigkühler, Heizpilz,
Waage (0,1g – Genauigkeit)
Chemikalien: Cola, Natronlauge (c = 0,05mol/l) Aktivkohle
Versuchsdurchführung: Wir haben 300ml Cola mit 6g pulverisierter Aktivkohle in einem Rundkolben
vermischt. Das Gemisch haben wir ca. 15 Minuten unter Rückfluss mit einem Heizpilz
gekocht. Nachdem die Lösung vollständig abgekühlt ist, haben wir sie filtriert.
Dann haben wir genau 150ml der Lösung in das Becherglas gefüllt und haben diesen mit
einem Rührfisch auf den Magnetrührer gestellt. Dann haben wir die Einstabkette des
pH-Meters so befestigt, dass sie gut in die Lösung eintaucht, den Rührfisch jedoch nicht
berührt. Die Bürette haben wir ebenfalls an dem Stativ befestigt und sie mit 50ml
Natronlauge gefüllt.
Dann haben wir den pH-Wert der Lösung gemessen und unter Rühren des
Magnetrührers Portionsweise (immer 0,5ml) Natronlauge zugegeben. Dann wieder den
pH-Wert gemessen und immer so weiter, bis wir irgendwann 40ml Natronlauge
zugegeben haben und sich der pH-Wert nicht mehr großartig veränderte…
Die Titration mit Natronlauge Das Erhitzen unter Rückfluss
.
Wir haben den Versuch selbst ausprobiert und uns gefragt, woran es liegen könnte, dass
die Cola fontänenartig herausspritzt, wenn man Mentos dazugibt.
Wir haben einige Ideen, woran es liegen könnte, aber wir sind uns sicher, dass es an
mehreren Faktoren liegt.
Wir haben erstmal ausprobiert ein Mentos mit Phosphorsäure zu lösen, da
Phosphorsäure auch in Cola enthalten ist. Dies klappte jedoch weder mit verdünnter
noch mit konzentrierter Säure.
Wir probierten es noch mit Citronensäure und danach in einer Citronensäure-Lösung.
Bei der Citronensäure-Lösung geschah endlich was: Die Oberfläche des Mentos wurde
ganz glatt, der obere Farbstoff wurde komplett gelöst.
Könnte es daran liegen? Löst die Citronensäure in der Cola den Farbstoff, glättet somit
die Oberfläche und die Cola spritzt raus?
Wir machten weitere Versuche….
Wir wollten wissen, wie wichtig die Kohlensäure dabei ist. Also taten wir ein Mentos in
Wasser mit CO2, Mineralwasser. Nichts geschah. Wir gaben ein Mentos in Cola ohne
Kohlensäure. Nichts geschah. Dann wollten wir wissen, wie wichtig die Kohlensäure ist,
also haben wir eine Cola mit nur noch wenig Kohlensäure genommen. Sie sprudelte ein
ganz bisschen, aber nicht wirklich spritzend. Also war klar, dass es schon mal am besten
funktioniert, wenn möglichst viel Kohlensäure in der Cola vorhanden ist.
Liegt es daran? Ist allein die Kohlensäure schuld daran, dass die Cola rausspritzt? Nein,
sonst müsste es in Wasser auch funktionieren.
Also machten wir weitere Versuche…
Wir probierten den Versuch mit gekühlter, mit normaler und mit warmer Cola aus. Mit
der warmen Cola funktioniert es am besten. Wenn die Cola wärmer wird, dehnt sich der
Zwischenraum zwischen den Molekülen aus, das ist klar.
Liegt es endlich daran? Lässt die Oberfläche des Mentos nachdem sie den Farbstoff
verloren hat die Kohlensäure fontänenartig herausspritzen? Wir glauben, nein. Nein,
weil die Citronensäure viel länger als ein paar Sekunden brauch, um die Oberfläche so
zu glätten.
Woran liegt es jetzt wirklich? Wir wissen es leider nicht, jedoch haben wir eine Theorie:
Wenn das Mentos der Cola zugegeben wird, zerstört es den Stoff oder was auch immer
dafür zuständig ist, dass die Kohlensäure in der Cola gehalten wird durch irgendeine
Eigenschaft (wie beispielsweise der Oberfläche). Somit kann die Kohlensäure als Gas
nicht mehr in der (am besten warmen) Cola gehalten werden und sie „will“ raus. Jedoch
bliebe dann die Frage, wieso sie so schnell rausgeht und nicht wie sonst auch wenn man
ein Glas Cola irgendwo stehen lässt, nach einigen Stunden???
Vielleicht werden wir der Sache irgendwann auf den Grund gehen, aber leider haben
wir keine Zeit mehr, um noch mehr Theorien aufzustellen und noch mehr Versuche
dafür durchzuführen…