Versuch: Alkoholische Gärung

Philipps-Universität Marburg
13.01.2008
Organisches Grundpraktikum (LA)
Katrin Hohmann
Assistent: Beate Abé
Leitung: Dr. Ph. Reiß
WS 2007/08
Gruppe 6, Alkohole
Versuch: Alkoholische Gärung
Zeitbedarf:
Vorbereitung: 2 Minuten, Destillation Minuten
Durchführung: 5 Minuten, Destillation 15 Minuten
Nachbereitung: 5 Minuten, Destillation 10 Minuten
Reaktionsgleichungen:
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O
Chemikalien:
Chemikalien
Menge
R-Sätze
S-Sätze
Gefahrensymbol Schuleinsatz
Zucker
20 g
-
-
-
Erlaubt
Hefe
1 Päckchen / 1
-
-
-
Erlaubt
-
-
Xi
Sek. I
-
-
-
-
frische Hefe
Calciumhydroxid
Zum Herstellen
Ca(OH)2
von
„Kalkwasser“
Wasser H2O
200 mL
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Geräte:
250 mL-Erlenmeyerkolben
Spatel
Waage
Gärröhrchen
Durchbohrter Stopfen
Magnetrührer mit Rührfisch
Filter
Filterpapier
Becherglas
Durchführung:
In einen 250 mL-Erlenmerkolben gibt man unter Rühren 20 g Zucker, 200 mL Wasser und
etwas Hefe. Anschließend wird der Erlenmeyerkolben mit Hilfe eines durchbohrten Stopfens
und gegebenenfalls Alufolie luftdicht verschlossen und ein Gärröhrchen angebracht. In das
Gärröhrchen wird bis zu halber Höhe filtrierte Calciumhydroxidlösung („Kalkwasser“)
gegeben. Der Ansatz wird einige Tage stehengelassen. Er wird dann destilliert und das
Produkt auf Geruch getestet.
Beobachtung:
Nach Zugabe der Hefe ist sofort eine Reaktion zu
verzeichnen, die sich durch Blubbern und Blasenbildung
bemerkbar macht. Schon am nächsten Tag ist ein weißer
Niederschlag im Gärröhrchen zu sehen. Durch
Abdestillieren erhielt man eine annähernd klare
Flüssigkeit, die nach Geruchsvergleich mit einer
Blindprobe als Ethanol identifiziert werden konnte.
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Entsorgung:
Die Reste werden neutral in den Abguss gegeben.
Fachliche Analyse:
Die alkoholische Gärung ist eine abgewandelte Form der Zellatmung, die im Körper zur
Synthese von energielieferndem ATP abläuft. Dieser Vorgang findet in der inneren
Mitochondrienmembran statt und besteht aus mehreren Schritten, die in Summe folgende
Reaktionsgleichung ergeben:
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O
Durch die Zellatmung wird Glucose als Energielieferant in Form von ATP vollständig zu
Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Dies geschieht folgendermaßen:
1) Glykolyse
OH
H
HO
OH
H
OH
H
H
OH
+
OH
O
+
2 NAD
+ 2 ADP +
Glucose
-
+
2
2 Pi
O
O
2 NADH
+
2 ATP
+
2H
CH3
Brenztraubensäure
Pyruvat
2) Oxidative Decarboxylierung
Hier wird vom Pyruvat Kohlendioxid abgespalten (Decarboxylierung) und die entstehende
Essigsäure an den Cofaktor Coenzym CoA gebunden:
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+
O
O
-
+
2
2 NAD
+
+
O
2 CoA
CH3
O
2 H3C
+
2 NADH
CoA
+
2 CO2
+
2H
+
Acetyl-CoA
Pyruvat
3) Citratzyklus
Hier wird Acetyl-CoA unter zwischenzeitlicher Bildung von Citronensäure vollständig unter
ATP-Bildung und CoA-Regeneration zu Kohlendioxid umgewandelt.
4) Endoxidation
Hier wird mit Hilfe der Reduktionsäquivalente NADH der Großteil des ATPs gebildet.
Insgesamt werden durch Zellatmung theoretisch 38 ATP pro Glucosemolekül gebildet.
Anaerobiose
Dieser Weg ist nur bei ausreichender Sauerstoffzufuhr möglich. Jedoch kann dieser Prozess in
veränderter Form auch anaerob ablaufen, zum Beispiel bei Flucht- oder Beutefangreaktionen
(funktionsbedingte Anaerobiose) oder auch biotopbedingt zum Beispiel bei Parasiten
(biotopbedingte Anaerobiose). Unterschied zur oxidativen Zellatmung liegt
OH
H
HO
hier vor allem im Energiegewinn, der hier nur theoretisch in Form 2
O H
H
OH
H
H
OH
OH
gebildeten ATP-Molekül pro Glucosemolekül liegt.
Glucose
2 ADP + P
+
2 NAD
2 ATP
2 NADH + 2 H
i
Glykolyse
+
-
O
O
O
CH3
2
Pyruvat
2H
+
Pyruvatdecarboxylase
- 2 CO
2
O
2
H 3C
H
Acetaldehyd
2 NADH + 2 H
+
Alkoholdehydrogenase
2 NAD
+
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2 H O Chemie in der Schule
CH3
Ethanol
Der gebildete Acetaldehyd ist giftig für den Körper. Beim Abbau von Ethanol nach
Alkoholgenuss wird er ebenfalls durch die Alkoholdehydrogenase zu Essigsäure umgebaut,
die dann im Citratzyklus verarbeitet wird.
Das Prinzip der alkoholischen Gärung macht man sich bei der Herstellung alkoholischer
Getränke zu Nutze. Aus verschiedenen Substraten wie Maische oder zuckerhaltigen
Fruchtsäften können durch Gärung Bier, Wein, Sekt und ähnliches hergestellt werden. Dabei
werden unterschiedliche Hefesorten verwendet.
Bekannt aus dem Haushalt ist die klassische Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, die beim
Backen dasselbe Phänomen hervorruft: das entstehende Kohlendioxid macht den Teig locker
und luftig, der entstehende Ethanol verdampft aufgrund der hohen Temperaturen.
Didaktisch-methodische Analyse:
Einordnung:
Dieser Versuch gehört zum Themenkomplex Alkohole, der in der 10. bzw. 11. Jahrgangstufe
behandelt wird. Er ist gut geeignet, um geschichtliche und alltägliche Aspekte in den
Unterricht einzugliedern und bringt die Chemie den Schülern etwas näher in den Alltag, da
auf diese Weise auch Bananenwein o.ä. zum Probieren hergestellt werden kann. Vorwissen
benötigen die Schüler dafür eigentlich nicht, die biochemischen Grundlagen der Zellatmung
können auf die vereinfachte Summengleichung reduziert werden. Hier bietet sich die
Schnittstelle vor allem zum Biologieunterricht, wobei man die biochemischen Aspekte je
nach Bedarf auch stärker einbinden kann.
Der Versuch kann eigentlich beliebig in der Lerneinheit Alkohole angeordnet werden,
sinnvoll wäre die Durchführung ganz am Anfang, da er einige Tage zum Gären braucht,
gerade wenn genießbarer Bananenwein hergestellt werden soll.
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Aufwand:
Dieser Versuch speziell war nicht besonders aufwendig, vor allem weil man in der Schule
auch das Abdestillieren nicht unbedingt durchführen muss. Allerdings sollte man bei der
Herstellung von Bananenwein beachten, dass alle Zutaten rechtzeitig vorhanden sind bzw.
auch bestellt werden müssen (Hefe!).
Durchführung:
Die Effekte sind gut erkennbar, da die Reaktion augenblicklich einsetzt und schnell eine
Trübung bzw. einen Niederschlag verursacht. Man sollte beachten, ein ausreichend großes
Gefäß zu verwenden, damit das Gemisch nicht überschäumt. Sollen genießbare Getränke
hergestellt werden, so sollte der Versuch nicht im Chemieraum und auch nicht mit
chemischen Geräten stattfinden. Der Versuch kann auf jeden Fall als Schülerversuch
durchgeführt werden und ist ein typischer Versuch im Chemieunterricht, auf den man nicht
verzichten sollte.
Literaturangaben:
Elemente Chemie I, 1. Auflage, Verlag Ernst Klett, Stuttgart, 1986
Urich, K., Vergleichende Biochemie der Tiere, Verlag Gustav Fischer, Stuttgart, 1990
Eigene Schulmaterialien
Hessischer Lehrplan Chemie für den gymnasialen Bildungsgang, Klasse 7G bis 12G
Soester Liste
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