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V. Wiskamp - DOC - DOC by 3RDIA21k

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									V. Wiskamp       Impressum: Prof. Dr. V. Wiskamp, FH Darmstadt, Fb. CuB, Hochschulstr. 2, D-64289 Darmstadt



Zusammenfassung: Kohlenhydrate
Den Verbindungen
   Glucose
   Fructose
   Saccharose
   Stärke
   Cellulose
(Formeln s. Beiblatt) ist gemeinsam, dass sie nur aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff
und Sauerstoff bestehen. Die Stoffe gehören zur Gruppe der Kohlenhydrate, die oftmals mit
der allgemeinen Formel Cn(H2O)n beschrieben werden. Streng genommen, ist diese Formel
aber falsch, denn bei den Verbindungen handelt es sich nicht um Kohlenstoffverbindungen,
die von Wassermolekülen umgeben sind (wie z.B. ein hydratisiertes Salz). Vielmehr hat man
als wesentliches Strukturmerkmal die Einheit
     H
     C
          n
     OH
bei der formal ein Kohlenstoffatom in eine H-O-Bindung eines Wassermoleküls eingeschoben
ist. Die funktionelle Gruppe COH ist charakteristisch für einen Alkohol. Deshalb kann man
Kohlenhydrate auch als mehrwertige (polyfunktionelle) Alkohole beschreiben.
Obwohl kein echtes Wasser in den Kohlenhydraten enthalten ist, kann man solches aus den
Verbindungen austreiben, und zwar
 durch Erhitzen. Der entweichende Dampf kann mit Indikatorpapier als Wasser identifiziert
  werden. Die Entwässerung erfolgt stufenweise, was an einem kontinuierlichen
  Farbübergang von weiß nach gelb bis braun und schließlich schwarz (Kohlenstoff) zu
  erkennen ist.
 mit der sehr hygroskopischen konzentrierten Schwefelsäure. Diese entzieht den
  Kohlenhydraten stufenweise das chemisch gebundene Wasser, so dass - wie beim Erhitzen
  - eine Farbveränderung von weiß nach gelb bis braun und schließlich schwarz erfolgt.
  (Hinweis: durch chemisches Entwässern von Kohlenhydraten wird z.B. Aktivkohle
  gewonnen.)

Glucose und Fructose bezeichnet man als Monosaccharide, die kleinsten Zucker(bausteine).
Beide Stoffe enthalten (in ihrer offenkettigen Form) ein Sauerstoffatom, das an ein
Kohlenstoffatom doppelt gebunden ist (C=O). Dieses Strukturelement verleiht den Stoffen
reduzierende Eigenschaften. Sie können z.B. Ionen des zweiwertigen (blauen) Kupfers in
solche des einwertigen (rotes Cu2O) überführen (Fehling-Probe). Eine detailliertere
Unterscheidung der beiden Monosaccharide gelingt mit einem Glucose-Teststreifen. Das darin
enthaltene Enzym (selektiv wirkender Biokatalysator) reagiert nur mit Glucose, aber nicht mit
Fructose.
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Saccharose (Haushaltszucker) ist ein Disaccharid, daß man als Kondensat (bei einer
Kondensationsreaktion wird Wasser abgespaltet) der beiden Monosaccharide Glucose und
Fructose auffassen kann:
       C6H12O6 + C6H12O6  C12H22O11 + H2O
       Glucose + Fructose  Saccharose + Wasser
Von der Saccharose gibt es keine offenkettige Form, also weist der Stoff auch keine C-O-
Doppelbindung auf und wirkt deshalb nicht reduzierend. Unter Säureeinwirkung (Säure
spaltet Zucker, s.o.) kann Saccharose in Glucose und Fructose zerlegt werden. Das ist die
Umkehr der oben beschriebenen Kondensationsreaktion und wird als Hydrolyse bezeichnet.
Die Hydrolysemischung zeigt erwartungsgemäß eine positive Fehling-Probe.
(Hinweis: Natürlicher Honig ist eine Mischung aus Glucose und Fructose. Ein Hydrolysat von
Saccharose wird als Kunsthonig bezeichnet.)
Mono- und Disaccharide sind noch recht kleine Moleküle und deshalb und außerdem
aufgrund ihrer vielen polaren OH-Gruppen in Wasser gut löslich. In Ethanol hingegen sind sie
mäßig und im unpolaren Petrolether (Benzin; Kohlenwasserstoffmischung) unlöslich.

Cellulose und Stärke sind Polykondensate der Glucose:
       n C6H12O6  [C6H10O5]n + n H2O
Lediglich die strukturchemische Verknüpfung der Monomereinheiten ist verschieden. Die
Stärke ist noch etwas wasserlöslich, während sich die Cellulose (z.B. Baumwolle) wegen ihres
hohen Molekulargewichtes (sehr langes Molekül) nicht in Wasser löst. Die Stärke besitzt eine
helicale Struktur. In die Hohlräume der Helix kann Iod eingelagert werden. Die Farbe des
resultierenden Iod/Stärke-Komplexes ist tiefblau und dient der selektiven Erkennung von
Stärke (Qualitative Analyse).
Genau wie das Disaccharid Saccharose weisen auch die Polysaccharide Cellulose und Stärke
keine C-O-Doppelbindungen und damit keine reduzierenden Eigenschaften auf. Sie lassen
sich aber mit Säure zu ihrem Monomerbaustein Glucose abbauen. Die Hydrolysemischung
gibt dann eine positive Fehling-Probe, mit Iod hingegen keine blaue Farbe.
Stärke kann auch mit Hilfe des Enzyms Amylase (Katalysator) zu Glucose abgebaut werden.
Diese Reaktion spielt bei der Verdauung eine große Rolle, denn die mit der Nahrung
aufgenommene Stärke, z.B. aus Kartoffeln, wird schon im Mund vom Speichel, der Amylase
enthält, zu dem kleinen und besser weiterverdaubaren Monosaccharid Glucose zerlegt.
                          Amylase
       Stärke + n Wasser   n Glucose

Auch bestimmte Mikroorganismen bauen Kohlenhydrate ab. Mundbakterien z.B. wandeln
zuckerhaltige Nahrungsmittel in Milchsäure um. Diese kann - wie viele Säuren - das in der
Zahnsubstanz enthaltene Calciumhydroxid bzw. -carbonat auflösen und so zur Zerstörung der
Zähne (Karies) beitragen. (Eine effektive Vorbeugung gegen Karies besteht - neben dem
Verzicht auf Süßigkeiten - darin, durch fluoridhaltige Zahnpasta einen Teil der Carbonat- und
Hydroxylionen gegen Fluoridionen auszutauschen. Das resultierende Calciumfluorid wird von
Milchsäure nicht angegriffen.) Ein weiterer biologischer Abbauprozess von Zuckern, z.B.
Glucose, ist die alkoholische Gärung (destillative Trennung von Ethanol und Wasser).

       C6H12O6 Hefe 2 CH3CH2OH + 2 CO2
                
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Kohlenhydrate werden von den grünen Pflanzen unter Mitwirkung des Katalysators
Chlorophyll (grüner Blattfarbstoff) aus Kohlendioxid und Wasser, zwei einfachen
anorganischen Molekülen, synthetisiert. Dazu ist Energie erforderlich (endotherme Reaktion,
die in Form des Sonnenlichtes zur Verfügung gestellt wird. Bei der Fotosynthese wird
außerdem Sauerstoff erzeugt.
                  h ; Chlorophyll
                               
       CO2 + H2O   Kohlenhydrate + O2
Der Mensch nimmt u.a. kohlenhydratreiche Nahrung zu sich. Diese verbrennt er mit dem
durch die Lungen aufgenommenen Sauerstoff (Atmung) über zahlreiche Zwischenstufen zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser und gewinnt dabei die zum Leben notwendige Energie
(exotherme Reaktion). Die Verdauung kann somit als die Umkehrung der Fotosynthese
interpretiert werden.



Erlernte Arbeitstechniken


 Arbeitsplanung
  - Sicherheits- und Umweltschutzvorschriften beachten (z.B. Schutzbrille tragen, auf
         Sauberkeit am Arbeitsplatz achten, kupferhaltige Reste von Fehling-Proben nicht
          wegschütten, sondern sammeln
  - Versuchsanleitungen (vor Versuchsbeginn) studieren
 Versuchsansätze:
  - Wahl der Geräte (Glas- und Porzellanwaren, Siedestäbe, Rührer, Spatel,
          Thermometer, Brenner etc.)
  - Stoffportionen einsetzen als Massen (Waage) oder Volumina (Messzylinder, Pipetten)
 Reaktionen
     - Pyrolysen: z.B. Erhitzen von Zuckern im Reagenzglas mit dem Brenner
     - Verätzungen: z.B. Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Watte
     - Nachweise: z.B. Fehling-Probe, Iod/Stärke-Reaktion
     - Enzymatische Reaktionen: z.B. Glucosetest mit Teststreifen, Stärkeabbau mit
         Amylase
     - mikrobiologische Prozesse: z.B. alkoholische Gärung
 Extraktionen
  z.B. Behandlung von Kartoffelbrei oder Obst mit Wasser zwecks Herauslösen von
      Stärke bzw. anderen Sacchariden; Trennung von Extraktionsgut und Extrakt durch
      Filtration, Saugfiltration (Abnutschen) oder Zentrifugieren
 Destillationen
  z.B. Gewinnung von Ethanol aus der alkoholischen Vergärung von Zucker, destillative
      Rückgewinnung (Recycling) von Lösemitteln am Rotationsverdampfer
 Kristallisationen
      z.B. Kristallisation von Kandiszucker oder Kunsthonig
 Dokumentation von Versuchsergebnisse
     - Laborprotokoll
     - Ergebnisbericht
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Zusammenfassung: Öle und Fette

Chemisch gesehen sind Fette und Öle Triglyceride, d.h. Ester von drei (gleichen oder
verschiedenen) Fettsäuren und dem trifunktionellen Alkohol Glycerin.
Beispiel für ein Fett:




Öle sind flüssig, Fette haben eine wachsartige Konsistenz.
Sie werden durch Auspressen (insbes. von Ölfrüchten), Ausschmelzen (z.B. von
Schweinespeck) oder Extraktion (z.B. mit Petrolether; s.u.) gewonnen.

Durch Behandlung mit Natronlauge werden Triglyceride hydrolysiert („verseift“). Dabei
entstehen Natriumsalze der entsprechenden Fettsäuren sowie Glycerin:




Das Natriumsalz der Ölsäure heißt Na-Oleat, das der Stearinsäure Na-Stearat.
Durch Ansäuern der Salzlösungen entstehen die freien Säuren, z.B.:
2 C17H33CO2Na (Na-Oleat) + H2SO4  2 C17H33CO2H (Ölsäure) + Na2SO4

Eine Fettsäure besteht aus einer Kohlenwasserstoffkette mit ca. 11-19 aneinandergereihten
Kohlenstoffatomen, an deren Ende eine Carbonsäuregruppe (-COOH) sitzt.
Wenn in der Kohlenstoffkette mindestens eine Doppelbindung vorliegt, spricht man von einer
ungesättigten Fettsäure.
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Wenn hingegen nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen vorliegen, handelt es
sich um eine gesättigte Fettsäure.
Beispiele und Strukturen:




Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren können durch ein einfaches chemisch Experiment
unterschieden werden.
Wie die meisten organischen Verbindungen mit einer C-C-Doppelbindung entfärben die
ungesättigten Fettsäuren (nicht die gesättigten!) zugesetztes Bromwasser.
Die Reaktion beruht auf der Addition von braunem Brom an die C-C-Doppelbindung unter
Ausbildung eines farblosen Dibromalkans:
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH + Br2  CH3(CH2)7CHBrCHBr(CH2)7COOH
Da in Fettsäuren der unpolare Kohlenwasserstoffanteil gegenüber dem polaren
Carbonsäureende deutlich überwiegt, lösen sich die Stoffe nach dem Prinzip „Gleiches löst
Gleiches“ besonders gut in Petrolether, einem Kohlenwasserstoffgemisch. In dem polaren
Wasser sind sie hingegen unlöslich.
Ihre Salze sind hingegen in Wasser gut löslich, denn sie dissoziieren in Wasser (genauso wie
Kochsalz) in ein positiv geladenes Natrium-Kation und ein negativ geladenes Säurerest-
Anion, z.B.:

C17H33CO2Na (Na-Oleat) in Wasser  Na+ + C17H33CO2
                           
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(vgl.: NaCl in Wasser  Na+ + Cl)
                
Salze der Fettsäuren sind klassische Seifen.
Ihre wässrigen Lösungen schäumen in der Regel sehr stark.
Wasser und Öl sind nicht mischbar. Selbst nach kräftigem Schütteln entmischen sich die
beiden Phasen rasch. Wenn der Mischung jedoch ein Fettsäuresalz zugesetzt wird, entmischen
sich die Phasen nur langsam, manchmal sogar überhaupt nicht. Man beobachtet dann eine
(milchige) Trübung und hat eine stabile Emulsion. Die Fettsäuresalze wirken
„haftvermittelnd“ zwischen den beiden Phasen, indem sie sich mit ihrer unpolaren
Kohlenwasserstoffkette in die artgleiche Ölphase orientieren und mit ihrer polaren
Carboxylat-Kopfgruppe in die polare Wasserphase zeigen.
Man spricht von einer Öl-in-Wasser-Emulsion, wenn mehr Wasser als Öl vorliegt und kleine
Öltröpfchen existieren. Wenn hingegen mehr Öl als Wasser vorliegt und kleine
Wassertröpfchen entstehen, spricht man von einer Wasser-in-Öl-Emulsion.

       Öl-in-Wasser Emulsion                       Wasser-in-Öl-Emulsion




                 Öl                                         Wasser




               Wasser                                            Öl



   ... unpolare (hydrophobe = wasserabstoßende) Kohlenwasserstoffkette des Fettsäuresalzes
   ... polare (hydrophile = wasseranziehende) COO-Endgruppe des Fettsäuresalzes

Ein Beispiel für eine stabile Öl-in-Wasser-Emulsion ist Milch.
Die für die Emulsionsbildung verantwortlichen Fettsäuresalze werden auch als Emulgatoren
(oder Tenside) bezeichnet.
Wichtige Anwendungsfelder für Tenside sind Waschmittel und Kosmetika.
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Zusammenfassung: Proteine
Aminosäuren

        R1 O
H2N     C C OH
        R2

sind die wichtigsten Bausteine des Lebens. Sie enthalten an einem Kohlenstoffatom
gleichzeitig die funktionelle Gruppe -COOH (organische Säure) und -NH2 (Amin, organische
Base). R1 und R2 stehen für gleiche oder verschiedene organische Reste.
Durch Kondensation (Wasserabspaltung) zweier Aminosäuren entsteht ein Dipeptid, durch
Kondensation dreier Aminosäuren ein Tripeptid etc. Wenn sehr viele Aminosäuren
kondensieren, resultieren Polypeptide, die auch als Proteine oder Eiweiße bezeichnet
werden:

         R1 O                      R1 O
n H2N    C C OH               N    C C         + n H2O
         R2                    H R2
                                           n

Haut und Haare, Schafswolle, Muskeln und genetisches Material bestehen beispielsweise
aus Proteinen. Weiterhin gehören viele Biokatalysatoren (Enzyme) zu dieser Stoffgruppe, z.B.
das in der Bauchspeicheldrüse gebildete und für den Zuckerstoffwechsel verantwortliche
Insulin oder das für die Atmung erforderliche Hämoglobin.
Über die Nahrung aufgenommen werden Proteine vor allem in Form von Fleisch-, Ei- und
Milchprodukten.
Proteine zeichnen sich durch charakteristische Überstrukturen (Tertiärstrukturen) aus. Denn
eine Polymerkette kann sich falten (Faltblattstruktur) oder zu einer Spirale (-Helix)
aufwickeln:
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Die Überstrukturen kommen durch zahlreiche Wasserstoffbrückenbindungen zustande.
Eine solche Bindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffatom der Aminfunktion
einer Aminosäure mit dem doppelt am Kohlenstoff gebundenen Sauerstoffatom einer anderen
Aminosäure eine elektrostatische Wechselwirkung eingeht.
Die Wasserstoffbrückenbindungen sind die schwächsten Bindungen innerhalb der Proteine.
Deshalb werden sie bei Einwirkung von Chemikalien (Säuren, Alkohol) und Wärme zuerst
zerstört. Die Proteine werden denaturiert, d.h., sie verlieren ihre typischen Tertiätstrukturen.
So ist es verständlich, warum Säuren auf der menschlichen Haut ätzend wirken: Sie
denaturieren die Hautproteine.
Die Denaturierung von Nahrungsproteinen durch die Magensäure (verdünnte Salzsäure) hat
hingegen einen positiven Zweck. Die Strukturzerstörung ist nämlich der erste Schritt zur
Zerlegung der Eiweiße in ihre Grundbausteine, die Aminosäuren, die der Mensch zum Leben
braucht.
Wenn man Fleisch längere Zeit mit Salzsäure kocht, wird es nahezu vollständig aufgelöst.
Nach Neutralisation der überschüssigen Säure mit Natronlauge erhält man einen salzigen
Fleischextrakt, der mit Gewürzen zu einer Suppenwürze abgeschmeckt werden kann.
Versetzt man Milch mit Säure, so fällt weißes Casein aus. So heißt das in der Milch, einer
stabilen Emulsion, enthaltene Protein.
Natronlauge wirkt auf Proteine viel aggressiver als Säuren. Sie spaltet die N-C-Bindungen der
Proteinketten direkt. So klart Milch bei Zugabe von NaOH sofort auf, und auch Schafswolle
oder Haare lösen sich rasch in der Lauge auf. Hautkontakt mit Natronlauge ist deshalb viel
gefährlicher als solcher mit Säuren.
Daß Proteine Stickstoff enthalten, lässt sich chemisch einfach beweisen: Beim Erhitzen eines
Eiweißes mit Calciumoxid (CaO, gebrannter Kalk) wird das organische Material total zerstört
und der Stickstoff in Form von Ammoniak (NH3) ausgetrieben. Dieses basische Gas färbt
feuchtes pH-Indikatorpapier blau.
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Die meisten Proteine enthalten auch Schwefel, der sich in den organischen Resten R1
und/oder R2 befindet. Beim starken Erhitzen eines Eiweißes wird dessen Schwefel als
Schwefelwasserstoff (H2S), einem nach faulen Eier riechendem Gas, ausgetrieben und kann
mit feuchtem Bleiacetatpapier als schwarzes Bleisulfid (PbS) nachgewiesen werden.
Ein charakteristischer Nachweis von Proteinen ist die Reaktion mit Kupferionen. Dabei
entsteht eine blaurote Lösung eines Einlagerungskomplexes:

  H       N        O
R C                    C
              Cu
      C                C       R
          O        N       H


Aufgrund dieser Komplexbildung ist es auch plausibel, warum viele Schwermetalle giftig
sind: Sie blockieren wie das Kupferion lebenswichtige aktive Stellen bestimmter Enzyme.




Zusammenfassung: Mineralstoffe
Pflanzliche und tierische Lebensmittel enthalten u.a. auch verschiedene Mineralstoffe. Dies
sind in der Regel Salze (bestehend aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen
Anionen).

Natrium- und Kaliumionen werden vor allem für den Elektrolythaushalt eines Organismus,
Calciumionen zum Aufbau der Knochen benötigt. Eisenionen befinden sich u.a. im Zentrum
des für die Atmung verantwortlichen roten Blutfarbstoffes Hämoglobin, Magnesiumionen im
Zentrum des für die Fotosynthese zuständigen grünen Blattfarbstoffes Chlorophyll.
Wichtige Anionen sind Chlorid, Phosphat, Carbonat, weniger wichtig sind Nitrat und
Sulfat.

Das qualitative (und quantitative) Bestimmen dieser Ionen beruht auf folgenden Prinzipien:
 Eine für das zu bestimmende Ion besonders charakteristische Eigenschaft wird zu seiner
  Erkennung ausgenutzt. Dies ist häufig eine Farbreaktion, eine Fällungsreaktion oder
  eine Flammenfärbung. Beispielsweise ergeben Eisenionen mit Thiocyanatlösung einen
  roten, löslichen Komplex, mit Blutlaugensalz eine sehr feinteilige Suspension eines
  Blaupigmentes. Calciumionen geben mit Oxalationen, Chloridionen mit Silberionen,
  Sulfationen mit Bariumionen jeweils einen weißen Niederschlag. Natriumionen färben eine
  Flamme gelb, Kaliumionen violett. (Die Intensität einer Farbe bzw. die Menge eines
  gebildeten Niederschlages lässt Rückschlüsse auf die Menge eines in einer Probe
  enthaltenen Stoffes zu; Quantitative Analyse)
      („Berliner Blau“ wurde früher auch als Tinte oder zum Färben von Textilien benutzt.
      Das Calciumoxalat entsteht auch als eine Form von Harnstein im Urin (calciumhaltig)
      bei erhöhtem Rhabarbergenuß (oxalsäurehaltig). Silberchlorid ist neben Silberbromid
      das lichtempfindliche Material bei der Fotografie. Bariumsulfat ist ein wichtiges
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         Weißpigment, z.B. für Anstrichfarben. Flammenfärbungen spielen u.a. auch beim
         Feuerwerk eine große Rolle.)
   Die Nachweise müssen störungsfrei erkennbar sein. Wenn ein Niederschlag zu erwarten
    ist, muss die zu prüfende Lösung verständlicherweise klar sein (ggf. filtrieren). Wenn z.B.
    auf Chlorid getestet werden soll, darf als Lösemittel nur destilliertes Wasser verwendet
    werden, den normales Leitungswasser enthält Chlorid, so dass der Nachweis positiv
    ausfällt, aber nicht interpretierbar ist. Bei der Flammenprobe auf Kalium ist zu bedenken,
    daß allgegenwärtiges Natrium diesen stört. Das intensive Gelb der Na-Flamme überdeckt
    nämlich das schwache Violett der K-Flamme. Wenn man die K-Flamme aber durch ein
    Filter beobachtet, das das gelbe Licht nicht durchlässt, ist das Violett der K-Flamme
    dennoch erkennbar.
   Blindproben: Analytische Chemie lebt von Vergleich! Gerade wenn man Nachweise nicht
    genau kennt, muss man sich erst vergewissern, wie eine Nachweisreaktion wirklich abläuft.
    Deshalb führt man Versuche durch, die den Prüfvorschriften entsprechen und die zu
    prüfende Substanz enthalten.
   Zusatzproben: Wenn eine Wasserprobe z.B. auf Eisen untersucht wird und bei Zugabe des
    Nachweisreagenzes keine typische Farbreaktion auftritt, kann man davon ausgehen, dass
    die Probe kein Eisen enthält, vorausgesetzt man hat korrekt nach Analysenvorschrift
    gearbeitet. Um sicherzustellen, dass man keinen experimentellen Fehler gemacht hat, gibt
    man der Reaktionslösung einen Tropfen Eisensalzlösung zu, worauf die Farbreaktion
    einsetzen muss!
   Reproduzierbarkeit: Es ist gute analytische Praxis, Ergebnisse zu überprüfen. Deshalb
    sollte jede Analyse mehrfach durchgeführt werden. (Bei quantitativen Bestimmungen
    werden Mittelwerte der einzelnen Ergebnisse gebildet.)



Zusammenfassung: Getränke, Genussmittel
und Lebensmittelzusätze
Wenn man bedenkt, dass der Hauptbestandteil der Zellflüssigkeit Wasser ist, wird sofort klar,
warum Wasser ein wichtiges Lebensmittel, ja geradezu ein Lebenselexier, ist. Wasser löst
viele Salze, Säuren, Laugen, polare organische Verbindungen (z.B. Ethanol oder Zucker) und
einige Gase (z.B. CO2). Weiterhin können im Wasser wasserunlösliche Stoffe dispergiert
(Feststoffe) bzw. emulgiert (Flüssigkeiten) und dadurch transportiert werden.

Beim Stofftransport durch Zellwände spielt der osmotische Druck eine große Rolle: Wenn
sich auf den beiden Seiten einer semipermeablen (halbdurchlässigen) Membran (Zellwand)
unterschiedlich konzentrierte Lösungen befinden, bewegt sich das Lösemittel (Wasser) aus der
Lösung niedriger Konzentration in die Lösung höherer Konzentration, bis ein Konzentrations-
ausgleich erreicht ist.
An den Beispielen „Gummibär-Wasserleiche“ und „Chemischer Garten“ lassen sich
osmotische Prozesse gut beobachten. Wasser dringt von außen durch die Gelatinehülle des
Gummis, um den innen enthaltenen Zucker zu lösen. Dadurch quillt der Bär auf. Ein
Salzkristall (z.B. CoCl2, FeCl3, MnCl2), der in eine Wasserglaslösung geworfen wird,
überzieht sich an seiner Oberfläche rasch mit einer Silicatschicht, die wie eine Membran
funktioniert. Wasser drängt durch diese, um das eingeschlossene Salz zu lösen. Der sich
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aufbauende Druck führt zur Sprengung der Silicathülle, so dass konzentrierte Salzlösung nach
außen dringt und sich dort gleich wieder mit einer neuen Silicatschicht überzieht, etc.

Trinkwasser wird von den Wasserwerken aus natürlichem Wasser hergestellt. Dabei
kommen verschiedene Reinigungs- und Konservierungsmethoden zum Einsatz. Besonders
wichtig ist die Abtötung biologischer Keime durch starke Oxidationsmittel wie Chlor oder
Ozon. Damit das Wasser auf seinem Weg vom Wasserwerk zum Verbraucher nicht reinfiziert
wird, wird es mit einer kleinen Menge Chlor konserviert (zur Konservierung anderer
Lebensmittel s.u.).

Leitungswasser enthält eine Reihe von Mineralien. Wenn es sehr calciumreich ist, wird es als
hartes Wasser bezeichnet. Die Härte wird angegeben in °d, wobei 1 Grad deutscher Härte
einem Gehalt von 10 mg CaO pro Liter Wasser entspricht. Viel Calcium ist zwar nicht
gesundheitsschädlich, aber insbesondere beim Waschen unerwünscht. Denn Calciumionen
können sich als schwerlösliches CaCO3 (Kesselstein) an den Heizstäben der Waschmaschine
absetzen und diese funktionsunfähig machen. Weiterhin können sie bestimmte Seifen in einer
schmierigen Form ausfällen, wodurch die Seife unbrauchbar und die Wäsche mehr
verschmutzt als gereinigt wird. Diese Nachteile können behoben werden, wenn das Wasser
vorab enthärtet wird. Dies geschieht vor allem durch Ionenaustauscher, die die störenden
Calciumionen fest-halten und dafür unproblematische Natriumionen ins Wasser abgegen.

Mineralwasser ist ein aus gesundheitlicher Sicht wertvolleres Wasser als normales Leitungs-
wasser, weil es - der Name sagt es schon - wichtige Mineralien und Spurenelemente enthält.
Es ist mit mehr oder weniger CO2 angereichert (Sprudelwasser). Der Kohlensäuregehalt
nimmt beim Stehenlassen einer offenen Flasche und erst recht beim Erwärmen des Sprudels
rasch ab, wie durch maßanalytische Bestimmung des Kohlensäuregehaltes (Titration mit
Natronlauge gegen den Indikator Phenolphthalein) leicht bewiesen werden kann:
       „H2CO3“ + 2 NaOH  Na2CO3 + 2 H2O

Wasser und Ethanol sind in jedem Verhältnis mischbar, wobei es zu einer
Volumenkontraktion kommt.
Ein Hinweis auf einem Weinetikett „10 Vol.-% Alkohol“ bedeutet, dass 1 Liter des Weines
genau 100 mL reines Ethanol enthält.
Wasser/Ethanol-Mischungen können destillativ getrennt werden. Dabei geht der niedrig
siedendere Alkohol zuerst über.
Ein alkoholisches Getränk kann zum „Flammbieren“ benutzt werden, wenn der
Ethanolgehalt mindestens 50 % beträgt.
Rotwein enthält neben Wasser und Ethanol u.a. auch organische Säuren (Weinsäure),
Geschmacks-, Riech- und Farbstoffe. Aus Rotwein Weißwein herherzustellen, indem man den
Rotwein mit Aktivkohle behandelt, ist nicht sinnvoll. Denn neben den Farbstoffen werden
dem Wein auch die wertvollen Aromastoffe durch Adsorption an der Kohlenoberfläche
entzogen.

Zum Bereiten von Tee oder Kaffee werden Teeblätter bzw. Kaffeebohnen mit Wasser
extrahiert.
Neben Geschmacks- und Aromastoffen wird dabei auch Coffein gelöst. Dies ist eine weiße
Substanz, die beispielsweise auch durch langsames Erwärmen von Teepulver gewonnen
werden kann. Dabei geht das feste Coffein ohne flüssig zu werden direkt in die Gasphase über
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und scheidet sich an einer kalten Stelle der Versuchsapparatur in kristalliner Form wieder ab.
Dieser Vorgang wird als Sublimation bezeichnet.
Wenn Tee zu lange extrahiert wird, lösen sich auch Bitterstoffe (Gerbsäure und Gallussäure),
die sich durch Ausbildung fast schwarz gefärbter Komplexe mit Eisen(III)-Ionen nachweisen
lassen.

Angenehm riechende Aromastoffe können z.B. aus den Schalen von Orangen oder
Mandarinen durch Wasserdampfdestillation gewonnen werden. Dazu werden die
zerkleinerten Schalen mit Wasser gekocht. Der Wasserdampf löst die öligen Aromastoffe und
kann mit diesen gemeinsam abdestilliert werden. Im Kondensat trennen sich dann Wasser und
Öl voneinander.
Analog oder durch Extraktion mit Ethanol können andere Aromastoffe, z.B. Gewürzessenzen,
aus entsprechenden Pflanzen isoliert werden

Ein eher unangenehm riechendes Lebensmittel ist Essig, eine verdünnte Lösung von
Essigsäure CH3COOH, in Wasser. Früher wurde Essigsäure aus „Holzgeist“, einem beim
Erhitzen von Holz anfallendem Destillat, gewonnen. (Zum Vergleich: Beim Erhitzen von
Kohle destilliert eine kleine Menge Benzin über.)

Unter „Salmiakgeist“ versteht der Chemiker Ammoniak, NH3, ein stechend riechendes Gas,
das sich z.B. aus Lakritzbonbons oder Salmiakpastillen mit Natronlauge austreiben und
anhand seiner basischen Wirkung (Blaufärbung von feuchtem Indikatorpapier) nachweisen
lässt:
        NH4Cl + NaOH  NaCl + H2O + NH3

Lebensmittel sollen nicht nur gut schmecken, sondern auch appetitlich aussehen. Deshalb
werden sie häufig gefärbt. Als Farbstoffe dienen Naturstoffe, z.B. Karottenextrakte, oder
naturidentische Farbstoffe. Durch Mischen der Grundfarben Rot, Blau und Gelb können
unter-schiedliche Farbtöne erzielt werden.
Smarties-Farbstoffe sind z.B. wasserlöslich und können chromatographisch voneinander
getrennt werden. Unter Chromatographie versteht man ein Analyseverfahren, bei dem ein
Stoffgemisch an einer mobilen (Laufmittel, hier: Wasser/Ethanol-Mischung) und einer
stationären (Papierstreifen oder Rundfilter, Kreidesäule) Phase getrennt wird.

Viele Lebensmittel verderben mit der Zeit aufgrund mikrobiologischer Vorgänge. Genau wie
der Mensch können nämlich auch Mikroorganismen Lebensmittel mit Hilfe des
Luftsauerstoffs verbrennen und die dabei frei werdende Energie für Ihre eigenen
Lebensprozesse nutzen. Um dies zu vermeiden, werden Konservierungsmittel und -
verfahren eingesetzt. Diese sollen bereits vorhandene Mikroorganismen töten und ein
ungünstiges Milieu für die Ansiedlung neuer Mikroorganismen schaffen. Bewährte
Hausmethoden sind:
   Kochen
   Zuckern
   Salzen
   Alkohol-Zusatz
   Säure-Zusatz (Essigsäure, Ameisensäure, Benzoesäure)
   Schwefeln (Darunter versteht man die Behandlung von Lebensmitteln, z.B. Aprikosen oder
    Rosinen, mit Schwefeldioxid. SO2 ist ein Reduktionsmittel, das der oxidierenden Wirkung
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  von allgegenwärtigen Sauerstoff entgegenwirkt. Aus geschwefeltem Obst kann SO2 durch
  Erwärmen ausgetrieben und anhand seiner entfärbenden Wirkung auf den tiefblauen
  Iod/Stärke-Komplex nachgewiesen werden.)
Ein in vielen Obst- und Gemüsesorten bereits vorhandenes, aber auch immer öfter zusätzlich
verwendetes Konservierungsmittel ist Vitamin C (Ascorbinsäure), das für den Menschen
gleichzeitig besonders gesund ist. Ähnlich wie SO2 wirkt es antioxidierend. (Im Modell-
experiment lässt sich z.B. die Reduktion von dreiwertigen Eisen zeigen.) Der Vitamin C-
Gehalt von Lebensmittel nimmt beim Liegen an der Luft und erst recht bei erhöhter
Temperatur und in Gegenwart katalytisch wirkender Eisenionen mit der Zeit ab, was sich z.B.
durch iodometrische Analyse beweisen lässt.
Ähnlich antioxidierend wie Vitamin C wirkt auch der Möhrenfarbstoff Carotin, Vtamin A.

Ein wichtiges Additiv in z.B. einem Backpulver oder einer Brausetablette ist das Treibmittel
Bicarbonat, NaHCO3. In Gegenwart von Wasser und Säure (z.B. Weinsäure, Zitronensäure,
Ascorbinsäure) setzt es CO2 frei. Diese Gas bewirkt beispielsweise das Aufgehen eines
Kuchens oder das Sprudeln eines Multi-Vitamin-Getränkes.




Zusammenfassung: Kosmetische Produkte
Zur Herstellung kosmetischer Produkte werden heute vorwiegend natürliche Stoffe
verwendet.
(Der Einsatz naturidentischer synthetischer oder naturnaher Stoffe ist vorteilhaft, falls die
natürlichen Stoffe z.B. durch Pestizidrückstände zu stark belastet sind. Vorteilhaft an
synthetischen Stoffe ist weiterhin ihr günstigerer Preis und die Möglichkeit sehr genauer und
reproduzierbarer Rezeptureinstellungen.)
Die Inhaltsstoffe unterliegen strengen Qualitätskontrollen, teilweise sogar dem
Lebensmittel-kontrollgesetz.
Falls Hautunverträglichkeiten auftreten, sollten unbedingt Allergietests durchgeführt werden.
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Kosmetische Cremes und Lotionen sind Emulsionen aus einer Fett- bzw. Ölphase (inkl.
aller fettlöslichen Bestandteile) und einer Wasserphase (incl. aller wasserlöslichen
Bestandteile).
Die Fettphase enthält Basisöle (vorwiegend pflanzliche Öle wie Mandel-, Sesam- oder
Sonnenblumenöl; seltener Paraffin- oder Siliconöl), Konsistenzgeber (Bienenwachs,
Vaseline, Kakao- oder Sheabutter, Walratersatz) und Emulgatoren (Stearinsäure,
Cetylstearylalkohol, Isopropylmyristat, Propylenglycol, Cremophor A 6 und A 25).
Wichtige Zusatzstoffe sind etherische Öle (Eukalyptus-, Fenchel-, Latschenkiefer-,
Melissen-, Nelken-, Orangen-, Zitronen-, Pfefferminz-, Rosmarin-, Tymianöl), Parfümöle
(Lavendel-, Rosenöl) und Pflanzenextrakte (Brunnenkresse, Hamamelis, Kamillenblüten).
Deostifte und Gesichtswasser enthalten neben Wasser auch Alkohol als Bestandteil. Dieser
ist vor allem für die kühlende und desinfizierende Wirkung verantwortlich.
Sonnenschutzmittel enthalten organische Verbindungen, die UV-Strahlung besonders gut
absorbieren können.
Medizinische Cremes und Balsame enthalten spezielle Wirkstoffe, z.B. Antibiotika,
Menthol oder Campher.

Kosmetika sind wie Nahrungsmittel anfällig gegen Mikroorganismen. Durch Zusatz von
Konservierungsmitteln (im Praktikumversuch: Heliozimt K) werden die Mikroorganismen
entweder abgetötet oder in ihrem Wachstum gehemmt, so dass wahrnehmbare Veränderungen
wie Geruchsänderung, Verfärbung oder Konsistenzänderung der Produkte verhindert werden.
Industriell hergestellte Kosmetika müssen 3 Jahre stabil sein. Bei Kosmetika, die nur für den
Eigenbedarf hergestellt werden, kann auf den Zusatz von Konservierungsmitteln verzichtet
werden, falls die Produkte innerhalb einer Woche (bei Lagerung im Kühlschrank innerhalb
höchstens 14 Tage) verbraucht werden.




Zusammenfassung: Haarbehandlung
Die wichtigsten Bausteine des Haares sind Aminosäuren, die zu Polypeptiden kondensiert
sind:

        R1 O
    N   C C
    H   R2      n
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Einzelne Polymerketten ordnen sich aufgrund verschiedener Wechselwirkungen der N-H-,
C-O- und der funktionellen Gruppen der Seitenketten R1 und R2 (Wasserstoffbrücken-, Salz-
und Disulfidbrückenbindungen) zu Spiralen an.




Die resultierende Keratinfaser ist eine Hohlfaser, durch die sich z.B. Wassermoleküle kapillar
bewegen können. Wie alle Polypeptide (Proteine) wird auch das Haarkeratin von Säuren
denaturiert (Versprödung) und von Laugen aufgelöst.


Reinigung der Haare
Eine wichtige Voraussetzung für eine Haarreinigung ist die Benetzbarkeit der organischen
Fasern, die ermöglicht wird, indem die Oberflächenspannung des Wassers durch Tenside
herabgesetzt wird.
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Tenside sind Moleküle mit einer unpolaren (hydrophoben = wasserabstoßenden)
Kohlenwasserstoffkette und einer polaren (hydrophilen = wasseranziehenden) Kopfgruppe:
 Anionentenside enthalten als Kopfgruppe eine negativ geladene funktionelle Gruppe,
  z.B. -CO2 oder -SO3.
 Kationentenside enthalten als Kopfgruppe eine positiv geladene funktionelle Gruppe,
  z.B. -NR3+.
Die normalen Shampoos enthalten Anionentenside.
Tenside („Seifen“) haben weiterhin die Aufgabe, Verunreinigungen des Haares von der Faser
abzulösen und im Waschwasser zu emulgieren (z.B. Fette) bzw. zu dispergieren (z.B.
Staubteilchen).
Kationentenside sind vor allem in Nachbehandlungsmitteln (Spülungen) enthalten. Sie ziehen
auf die (gewaschene) Haarfaser auf und erleichtern dadurch die Kämmbarkeit des Haares.


Färben von Haaren
Die Haarfärbung wird durchgeführt mit Farbstoff-Vorprodukten, die oxidativ im Haar zu
Farbstoffen umgesetzt werden. Damit die Farbstoffkomponenten gut in die Haarfaser
eindringen, ist eine vorherige Quellung des Haares, z.B. mit Ammoniak, erforderlich.


Blondieren von Haaren
Beim Blondieren (Aufhellen) werden bestimmte natürliche Haarfarbstoffe durch ein
peroxidhaltiges Mittel oxidativ zerstört (gebleicht).


Dauerwelle
In einer Dauerwelle-Emulsion ist ein Reduktionsmittel (Thioglycolsäure bzw. Derivate davon)
enthalten, das einige der die einzelnen Polypeptidketten verknüpfende Disulfidbrücken
spaltet. Die Einwirkung wird im aufgewickelten Zustand vorgenommen, so dass das anfangs
glatte Haar kraus wird.
Im nachfolgenden Fixiervorgang mit einem peroxidhaltigen Mittel werden die
Disulfidbrücken wieder geschlossen und der gewellte Zustand dadurch formbeständig
gehalten.
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Haarfestiger
Haarfestiger enthalten alkoholische Lösungen von organischen Polymeren, z.B.
Polyvinylpyrrolidin, die einzelne Haarfasern „verkleben“ und dadurch Haarsträhnen insgesamt
verfestigen.

								
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