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Blogbild Photosynthese

Habt ihr euch auch schon einmal gefragt, wovon Pflanzen eigentlich leben? Mit dieser Frage habe ich den ersten Teil der Experimente um das geheimnisvolle Leben der Pflanzen begonnen. Darin habt ihr erfahren, dass Pflanzen fast ausschliesslich von Luft und Wasser leben, und wie sie diese “Zutaten” zum Leben aufnehmen und Abfälle wieder ausscheiden können.

Kein Leben ohne Energie

Doch was ist das eigentlich, das Leben? Nach Ansicht der Biologen sind Lebewesen Ansammlungen von Stoffen, die – mit Hilfe von chemischen Reaktionen – sich selbst vermehren können. Lebewesen nehmen also einfache Moleküle aus ihrer Umgebung auf und bauen sie zu grossen, komplexen Molekülen, Zellen und Geweben um. Für Pflanzen heisst das: Sie nehmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umgebung und bauen aus den Atomen dieser Moleküle Zucker, Proteine und vieles mehr, die sie zu Blättern, Stängeln und Blüten zusammenfügen. Mit anderen Worten: Pflanzen bringen Ordnung in das vormals fein verteilte Durcheinander der Kleinmoleküle.

Leben ist Ordnung
Leben ist Ordnung: Ein ungeordneter Haufen Atome (in kleinen Molekülen) – entsprechend dem Haufen Bausteine links – kann zu einem Lebewesen geordnet werden – wie die Bausteine zum Gesicht rechts.

Die Gesetze der Thermodynamik schreiben der Natur jedoch vor: Ordnung machen erfordert Arbeit – bzw. Energie. Das gilt für das Zimmeraufräumen ebenso wie für das Wachstum von Pflanzen und anderen Lebewesen.

Was leben will, braucht also (mindestens) eine verlässliche Energiequelle, um all seine chemischen Prozesse am Laufen zu halten.

Wir Menschen erledigen das beim Essen: In unserer Nahrung sind Moleküle – vornehmlich Zuckermoleküle – enthalten, in welchen Energie gespeichert ist. Diese “chemische” Energie kann freigesetzt werden, wenn solche Moleküle mit passenden Partnern reagieren und dabei weniger energiereiche Produkte entstehen.

Grüne Pflanzen halten es anders: Sie bauen ihre Zuckermoleküle selbst! Und die Energie, welche sie in diese Moleküle einbauen, liefert ihnen das Sonnenlicht. Ganz verlässlich jeden Tag aufs Neue. Den Prozess, in welchem aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie Zuckermoleküle entstehen, nennen Biologen und Biochemiker “Photosynthese”.

Photosynthese: Wie aus Luft und Wasser Zucker wird

‘Die Photosynthese’ fasst eine ganze Reihe von Reaktionen und Prozessen zusammen, für die wiederum eine ganze Reihe von Proteinen gebraucht wird – und natürlich Licht. Das Ganze lässt sich in einer einfachen Reaktionsgleichung zusammenfassen, welche die Ausgangsstoffe und das (vorläufige) Endprodukt der Photosynthese enthält:

Wer nachzählt, wird feststellen, dass links und rechts des Pfeils von jeder Sorte gleich viele Atome stehen, wie es sich für eine ordentliche Reaktionsgleichung gehört. 6 Moleküle Kohlendioxid (CO2) und 6 Wasser-Moleküle (H2O) werden also zu einem Traubenzucker- (bzw. Glucose-) Molekül (C6H12O6) und 6 Sauerstoff-Molekülen (O2) umgebaut.

Um Traubenzucker-Moleküle zu machen ist Energie erforderlich, die in diesen Molekülen gespeichert wird und später wieder freigesetzt werden kann. Lebewesen, d.h. Tiere, Menschen und auch Pflanzen können Glucose zu diesem Zweck im Zuge der Zellatmung kontrolliert “verbrennen” (dazu benötigen wir den Sauerstoff, den wir atmen). Dass Zucker sich mit einem kleinen Trick auch ganz einfach anzünden und zur Energiefreisetzung abbrennen lässt, könnt ihr mit der “mysteriösen Pharao-Schlange” selbst ausprobieren.

Licht wird zu chemischer Energie

Bevor es an die Zellatmung geht, muss der Energieträger Glucose jedoch erst einmal hergestellt werden – mit Lichtenergie. Und Licht lässt sich mit farbigen Molekülen sammeln: Im Artikel zu Farben, Licht und Glanz erkläre ich ausführlich, wie passende Lichtportionen (man nennt sie Photonen oder Lichtquanten) Elektronen auf eine höhere Etage innerhalb der Elektronenhülle eines Moleküls “anregen” können. Je nachdem wie ein solches Molekül gebaut ist, können derart “angeregte” Elektronen von der höheren Etage aus sehr einfach “ihr” Molekül verlassen, um in die Elektronenhülle eines anderen Moleküls in der Nähe “einzuziehen”.

Ein Molekül mit dieser Fähigkeit zur Abgabe von Elektronen ist Chlorophyll, das vornehmlich blaues und rotes Licht zur Elektronenbeförderung verwendet (grünes und gelbes Licht lässt es unbehelligt, weshalb es uns grün erscheint). In den grünen Teilen von Pflanzen sitzen Chlorophyll-Moleküle dicht an dicht in Proteine eingebettet, wie Rosinen in einem sehr rosinenreichen Kuchen. Das Ganze hat die Form eines molekularen Hohlspiegels: So können angeregte Chlorophyll-Moleküle ihre Nachbarn anregen und ihre gesammelte Lichtenergie an das “Chef”-Chlorophyll im Brennpunkt des “Spiegels” weiterleiten. Einmal angeregt kann dieses Molekül sehr einfach ein Elektron an ein benachbartes Protein abgeben, welches es wiederum an seinen Nachbarn weiterreicht und so fort, bis das Elektron schliesslich auf ein kleineres, bewegliches Elektronen-Transportmolekül (NADPH) verladen und zur Zucker-Herstellung “verschifft” wird.

Dem ursprünglichen “Chef”-Chlorophyll – jetzt ein elektrisch positiv geladenes “Radikal” – missfällt das nun fehlende Elektron jedoch so sehr, dass es sich schleunigst ein neues sucht. Behilflich ist ihm dabei ein weiteres Nachbar-Protein – ein Enzym, das Wassermoleküle auseinanderbauen kann:

Die vier Elektronen, die bei dieser Reaktion entstehen, werden zum Wiederauffüllen der Elektronenhülle von Chlorophyll verwendet. Die Wasserstoff-Ionen (H+) dienen als “Treibstoff” für molekulare Dynamos (Proteine names ATP-Synthase), die das Energieträger-Molekül ATP “generieren”. Einzig die Sauerstoff-Atome haben keinen direkten Nutzen. So werden je zwei davon zu einem Sauerstoff-Molekül (O2) verbunden und kurzerhand durch die Spaltöffnungen in den Pflanzenblättern entsorgt.

In dieser “Lichtreaktion” werden also Lichtquanten gesammelt, um mit ihrer Energie Wassermoleküle zu zerlegen und den Elektronentransporter NADPH sowie den Energietransporter ATP zu beladen. Dabei bleiben Sauerstoff-Moleküle als Abfall übrig, der entsorgt werden muss.

Und dass letzteres wirklich funktioniert, könnt ihr selbst nachweisen:

Versuch 1 : Sauerstoff durch Photosynthese

Sauerstoff ist Ausgangsstoff für jede Art von Verbrennung, zum Beispiel der von Kerzenwachs. Ohne Sauerstoff kann keine Verbrennung stattfinden. In einem abgeschlossenen Raum verbraucht eine brennende Kerze daher sämtlichen Sauerstoff und verlischt dann. Eine brennende Kerzenflamme zeigt also an, dass Sauerstoff in ihrer Umgebung vorhanden ist. Und das könnt ihr euch zu Nutze machen. Dazu braucht ihr:

  • Ein dicht verschliessbares Einmachglas, am besten mit Scharnier-Deckel
  • Eine Kerze, ggfs. mit Untersatz
  • Streichhölzer
  • Frische grüne Pflanzenteile bzw. -blätter
  • Sonnen- oder elektrisches Licht
  • Eine Zange, Wäscheklammer oder ähnliches

Durchführung Teil 1:

  • Zündet die Kerze an und platziert sie wie auf dem Bild im liegenden Einmachglas (Bei der Verbrennung entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2), das schwerer als Luft ist und daher nach unten sinkt. Daher sollte die Flamme oben im Glas brennen, damit sie nicht vorzeitig erstickt).
Position der Kerze im Glas – Hier nach dem Verlöschen mit Blättern. So kann der Aufbau einige Stunden von der Sonne beschienen werden.
  • Verschliesst das Glas dicht und wartet, bis die Flamme erloschen ist. Nun ist im Glas kein Sauerstoff mehr vorhanden, sondern ein Gemisch aus Stickstoff (der Hauptbestandteil von Luft) und Kohlenstoffdioxid.
  • Sobald das Kerzenwachs erstarrt ist, stellt das Einmachglas aufrecht und öffnet es vorsichtig (da Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist, dringt es nicht hinaus, und so lange es keine Verwirbelungen gibt, kommt so kein Sauerstoff hinein).
  • Entzündet ein Streichholz und lasst es mit der Zange/Klammer vorsichtig in das Glas hinab.

Das Streichholz wird verlöschen: Es ist wirklich kein Sauerstoff im Glas!

Durchführung Teil 2:

  • Platziert nun die Pflanzenteile hinten bzw. unten im Glas und platziert die brennende Kerze davor. Ich lasse dabei ein paar Tropfen Wasser im Glas (z.B. an nassen Pflanzenteilen), damit die Blätter nicht übermässig Wasser ausschwitzen.
  • Schliesst das Glas und wartet, bis der Sauerstoff darin verbraucht ist und die Flamme verlischt.
  • Stellt das Glas ungeöffnet für einige Stunden an die Sonne bzw. unter eine helle Lampe.
  • Anschliessend stellt das Einmachglas aufrecht und senkt wie oben beschrieben ein brennendes Streichholz hinein.
Nachweis Sauerstoff
Das Streichholz brennt im Einmachglas: Hier ist Sauerstoff vorhanden!

Das Streichholz wird vollständig abbrennen: Da von aussen kein Sauerstoff ins Glas kommt, muss im Glas Sauerstoff entstanden bzw. freigesetzt worden sein!


Auch im Dunkeln wird gearbeitet: Von der Photosynthese zur Kartoffel

Die “Last” der im Zuge der Lichtreaktion beladenen Elektronen- bzw. Energietransporter wird an ihrem Bestimmungsort innerhalb der Blätter verwendet, um die Kohlenstoff-Atome aus CO2-Molekülen zu Zucker-Molekülen zu verknüpfen. Wie in der Summengleichung für die Fotosynthese angegeben bilden 6 Kohlenstoffatome (samt Sauerstoff und Wasserstoff) dabei ein Molekül Glucose (C6H12O6). Damit diese noch recht kleinen Moleküle in “ihrer” Zelle keine Unordnung schaffen, werden sie dort miteinander zu langen Ketten verknüpft: Zu Stärke-Molekülen.

Strukturformel Stärke bzw. Amylose
Einfaches Stärkemolekül (“Amylose”) – eine Kette aus Glucose-Molekülen, hier als Sechsringe dargestellt.

Aus diesem Zwischenlager kann die Glucose jederzeit – also auch im Dunkeln – wieder freigesetzt werden, zum Beispiel für die Zellatmung oder zum Umbau in andere Verbindungen. Dazu zählt zum Beispiel der “Fruchtzucker” Fructose. Und ein Molekül Fructose lässt sich mit einem Molekül Glucose zu einem Paar verbinden – besser gesagt zu einem Molekül Saccharose, die wir alle als Haushaltszucker kennen. Die Saccharose kann nun durch das Leitungssystem einer Pflanze aus den Blättern zu anderen Orten transportiert, dort wieder in Stärke umgewandelt und eingelagert werden.

So können Pflanzen auch ihre Teile versorgen, die ständig im Dunkeln liegen, wie ihre Wurzeln. Manche Pflanzen können auf diese Weise enormen Mengen an Stärke in entsprechend voluminösen Wurzeln einlagern. Und da auch der menschliche Körper Stärke abbauen und verwerten kann, landen diese Wurzeln – zum Beispiel Kartoffeln – häufig auf unserem Teller.

Da der Abtransport der Zucker aus den Blättern auch im Dunkeln möglich ist, wird tagsüber ein Teil der mittels Photosynthese hergestellten Zucker in die Stärke-Zwischenspeicher in den Pflanzen-Blättern gefüllt, während ein anderer Teil in die Wurzeln abtransportiert wird. Nachts – ohne Licht – kommt die Photosynthese zum Erliegen, sodass nur noch Zucker abtransportiert werden und die Zwischenspeicher sich leeren.

Und den Füllstand dieser Zwischenspeicher könnt ihr sichtbar machen:

Versuch 2 : Sichtbare Stärke in Pflanzen-Blättern

Stärke wird deutlich sichtbar, wenn man sie mit (elementarem) Iod in Berührung bringt: In Wasser verdrillen sich die langen Stärkeketten zu Spiralen, ähnlich einem gekräuselten Geschenkband. In diese Kräusel passen Iod-Atome wunderbar hinein, sodass aus (in Lösung braunem) Iod und farbloser Stärke mit Iod gefüllte Spiralen entstehen, die sehr dunkelviolett oder sogar schwarz aussehen. Wenn sich Pflanzenteile in Iodlösung dunkel färben, enthalten sie also Stärke, was ihr als Nachweis nutzen könnt. Dazu braucht ihr:

  • Eine lebende Blattpflanze
  • einen schwarzen ( = lichtundurchlässigen ) Plastiksack (z.B. ein Abfallsack)
  • Schnur zum Zubinden des Sacks
  • Iod-Lösung:
    • entweder Iod-Kaliumiodid-Lösung (“KI3“): 3g Iod und 10g Kaliumiodid auf 1l Wasser, oder auch fertig zu kaufen, z.B. als Testlösung für den Erntezeitpunkt von Obst oder in der Apotheke/Drogerie (da die dunkle Färbung mit dieser Variante deutlicher ausfällt als mit der zweiten, lohnt sich der Einkauf für das “Testen” von Blättern)
    • oder Betaisodona-Lösung bzw. -salbe (Polyvidon-Iod, eine andere, wasserlösliche Einschluss-Verbindung mit Iod) aus der Apotheke): Aus der Salbe könnt ihr eine Lösung herstellen, indem ihr 2 bis 3 cm davon aus der Tube in ein Glasgefäss drückt und wenige Milliliter Wasser dazu gebt. Die Salbe löst sich in wenigen Minuten vollständig darin auf (ggfs. könnt ihr ein wenig umrühren), sodass eine kräftig braune Flüssigkeit übrig bleibt.
  • Sonnen- oder elektrisches Licht
  • eine Herdplatte oder vergleichbare Wärmequelle
  • evtl. Brennsprit/Spiritus, ein zusätzliches Glasgefäss und eine Grillzange oder ähnliches
  • eine Pinzette
  • Eine kleine Schale aus Glas (kein Kunststoff – der könnte vom Iod ebenfalls dunkel verfärbt werden!)

Durchführung:

  • Stülpt den Plastiksack über einen Zweig eurer Pflanze mit Blättern (nicht über die ganze Pflanze – einige Blätter sollen am Licht bleiben!).
Plastiksack über einem Zweig unseres chinesischen Ahorns (der mehr als genug Blätter zum Experimentieren hat).
  • Lasst die Pflanze mindestens 3 Tage lang am Licht (ggfs. giessen nicht vergessen!).
  • Pflückt ein Blatt von eurer Pflanze. Dann entfernt den Plastiksack und pflückt ein weiteres Blatt, welches zuvor im Sack gewesen ist.
  • Wenn ihr mit Kaliumtriiodid-Lösung arbeitet: Legt jedes Blatt einzeln in einen Kochtopf mit Wasser und lasst es auf dem Herd mindestens 15 Minuten kochen. Dabei werden die Blatt-Zellen so weit zerstört, dass Iod-Lösung einfach hineindringen kann.
  • Wenn ihr mit Betaisodona arbeitet: Legt jedes Blatt einzeln für wenige Minuten in kochendes Wasser (bis das Wasser sich grünlich zu färben beginnt). Dann fischt das jeweilige Blatt mit einer Pinzettte aus dem Wasser und legt es in ein Gefäss mit etwas Ethanol (“Alkohol”: Brennsprit bzw. Spiritus). Erhitzt den Alkohol vorsichtig, indem ihr das Gefäss in das leicht kochende Wasser in eurem Kochtopf taucht.
Extraktion von Chlorophyll
Extraktion von Chlorophyll im Wasserbad: Im Becherglas sind Alkohol und das Blatt, im Topf ist Wasser. Die lange Grillzange erlaubt es mir, auf Abstand zu den Dämpfen zu bleiben.

Der Alkohol löst das verbliebene grüne Chlorophyll aus den beschädigten Blattzellen, sodass das Blatt ausgebleicht zurückbleibt. So ist die dunkle Farbe der Iodstärke später besser zu sehen.

Brennsprit bzw. Spiritus ist leicht entzündlich! Verwendet kein offenes Feuer zum Erhitzen, sondern einen Elektroherd! Alkohol-Dampf kann überdies benommen machen! Nicht einatmen! Haltet Abstand zum Topf und schaltet – wenn vorhanden – die Dunstabzugshaube ein! Verwendet überdies so wenig Alkohol wie möglich.

  • Legt die Blätter auf eine flache Glas- oder Porzellanschale. Verteilt Iodlösung auf den Blättern und lasst sie wenige Minuten einziehen.

Das Blatt, welches der Sonne ausgesetzt war, wird sich dunkel färben: Hier ist durch Fotosynthese Stärke entstanden und eingelagert worden. In den Blättern unter dem Plastiksack konnte keine Stärke entstehen. Aus diesen Blättern wurde die Stärke also nur abtransportiert, sodass keine/kaum Stärke übrig ist, die sich dunkel färben könnte!

Reaktion von Iod mit Stärke im Blatt
Links: Ein belichtetes Blatt vom chinesischen Ahorn nach dem Erhitzen in Ethanol: Der Bereich um die grosse mittlere Blattader ist weitgehend gleichmässig hell. Rechts: Nach dem Beträufeln mit Polyvidon-Iod zeigen sich dunkle Strukturen – hier hat sich das Iod in Stärkemoleküle eingelagert!

Entsorgung von Iod-Lösungen

Iod ist sehr giftig für Wasserorganismen, weshalb es als Sonderabfall entsorgt werden muss!

Verwendet also möglichst wenig davon. Unbenutze Iod-Lösung könnt ihr in einer braunen Flasche im Dunkeln (Schrank) gut aufbewahren und für weitere Nachweise verwenden (z.B.: Welche Gemüse/welches Obst enthält Stärke?).

Ich habe übrigens meine abgelaufene Betaisodona-Salbe zur Herstellung von Polyvidon-Iod-Lösung verwendet und ihr so ein zweites Leben verschafft, anstatt sie zu entsorgen.

Wenn trotzdem Iod-Reste anfallen, bringt diese zur Entsorgung in die Apotheke (zurück) oder zu einer Sonderabfall-Entsorgungsstelle (Schweiz: An der Hauptsammelstelle der Gemeinde; Deutschland: Schadstoffmobil).

Entsorgung von Ethanol (Brennsprit bzw. Spiritus)

Brennsprit ist unbegrenzt mit Wasser mischbar: Sehr kleine Mengen (einige Milliliter) können mit viel Wasser in den Ausguss entsorgt werden. Grössere Mengen müssen wie andere Lösungsmittel in den Sonderabfall gegeben werden. Wer einen sicheren Spiritusbrenner hat, kann den Alkohol auch abbrennen (in brandsicherer Umgebung, Feuer nicht unbeaufsichtig lassen!).

Und wenn ihr nun Lust auf weitere Experimente zu Hause mit Pflanzen habt, findet ihr sie gleich hier in Keinsteins Kiste:

Extrahiert das grüne Chlorophyll und weitere Blattfarbstoffe (die es auch in grünen Blättern gibt!) aus Blättern und trennt sie mittels Papierchromatographie!

Legt eine Hermetosphäre an und beobachtet, wie Pflanzen Monate und Jahre lang in einem abgeschlossenen Glas überleben!

Viel Spass beim Lesen und Experimentieren wünscht

Eure Kathi Keinstein

Letzte Woche hast du hier lesen können, warum viele Stoffe farbig erscheinen und warum wir unsere Welt bunt sehen. Jetzt im Herbst präsentieren sich Farben aber noch wundersamer als sonst: Die im Sommer grünen Blätter von Bäumen und Sträuchern werden gelb, orange und rot: sie ändern ihre Farbe!

Stoffe erscheinen farbig, weil ihre Elektronen Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen schlucken und vorübergehend auf ein anderes, erreichbares Energieniveau – eine höhere Etage im atomaren Hochhaus – wechseln können. Wenn sich die Farbe eines Gegenstands ändert, bedeutet das also, dass sich entweder der farbige Stoff darin verändert (und damit die Abstände zwischen den atomaren Hochhaus-Etagen), oder dass der Gegenstand mehrere farbige Stoffe enthält, deren Mischungsverhältnis sich ändert.

Mit dem hier beschriebenen Versuch kannst du nachweisen, dass Blätter von Pflanzen mehrere Farbstoffe enthalten. Dieser Versuch lässt sich bei Beachtung der Anleitung und Sicherheitsanweisungen in diesem Artikel und auf den Chemikalien-Behältern gefahrlos zu Hause durchführen. Kinder experimentieren nur unter der Aufsicht durch Erwachsene! Für Schäden in Folge der Durchführung, insbesondere bei Nichtbeachtung der Anweisungen, übernimmt Keinsteins Kiste keine Haftung.

Grüne Blätter enthalten Chlorophyll, einen grünen bzw. blaugrünen Stoff, der im Rahmen der Photosynthese die Energie absorbierter Lichtwellen in chemische Energie umwandelt. Diese Energie muss dann auf andere Moleküle übertragen werden. Das übernehmen andere Stoffe, die ebenfalls farbig sind: Die Carotinoide sind chemisch mit Vitamin A (beta-Carotin) verwandt und haben ähnlich diesem gelbe, orange bis rotbraune Farben. In einem frischen Blatt werden die Carotinoide jedoch vom Chlorophyll verdeckt bzw. damit vermischt, sodass die meisten Blätter im Sommer saftig grün erscheinen.

Im Herbst stellen viele Pflanzen ihren Photosynthese-Betrieb jedoch ein und machen Winterpause. Das damit überflüssige Chlorophyll in den Blättern wird dabei abgebaut, während die Carotinoide länger in den Blättern verbleiben. Ohne die Abdeckung durch bzw. die Mischung mit Chlorophyll erscheinen uns die Carotinoide nun uneingeschränkt gelb, orange und rot.


Einzelne Farbstoffe werden sichtbar, wenn man sie trennt

Um die einzelnen Farbstoffe im Farbgemisch der Blätter sehen und unterscheiden zu können, müssen wir sie voneinander trennen. Zum Trennen von Stoffen haben Chemiker viele verschiedene Strategien ersonnen, mit welchen sie die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Stoffe nutzen. Bei Farbstoffen, die wir allein durch Ansehen unterscheiden können, genügt es diese an verschiedene Orte zu sortieren, an welchen wir sie einzeln betrachten können.

Die passende Strategie dazu wird Chromatographie genannt: Das Farbstoffgemisch wird mit einem Fliessmittel vermengt (auch bewegliche bzw. mobile Phase genannt) und durch eine Art Flussbett (auch ruhende bzw. stationäre Phase)strömen gelassen. Die Farbstoffe verhalten sich dabei wie Treibgut im Fluss: Je nach ihrer Beschaffenheit bleiben sie unterschiedlich stark an Grund und Ufern (also dem Flussbett) des Flusses haften und kommen in einer vorgegebenen Zeit unterschiedlich weit voran. Die unterschiedlichen Treibgutsorten (oder Farbstoffe) können wir dann an verschiedenen Abschnitten des Flussbetts einzeln betrachten.

Um Blattfarbstoffe zu trennen genügt ein Streifen Papier als stationäre Phase, der in einem Honigglas oder ähnlichem, das als Trennkammer dient, aufgehängt wird. Als Fliessmittel, das gemeinsam mit den Farbstoffen die mobile Phase bildet, kann ein Gemisch aus Aceton und Benzin verwendet werden.


Vorbereitung für einen Versuch: Trennung von Blattfarbstoffen mittels Papier-Chromatographie

Wichtig! Lies dir die folgende Anleitung bis zum Ende durch, bevor du mit einem Versuch beginnst! Sie enthält wichtige Hinweise zu möglicherweise gefährlichen Stoffen und zur richtigen Entsorgung von Abfällen!

Für die Papier-Chromatographie zur Trennung von Blattfarbstoffen brauchst du:

  • grüne (im Herbst auch gelbe und/oder rote) Blätter von Pflanzen (z.B. Ahorn-Blätter)
  • Zeichenblock
  • Aceton (ein Lösungsmittel, das man im Baumarkt im Malerbedarf bekommt)
  • Fleckbenzin (aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Mörser und Stössel
    oder eine kleine, stabile Glas- oder Keramik-Schale und ein Werkzeug zum Zerstossen (wenn du mehrere Farbstoffgemische gleichzeitig trennen möchtest, empfehle ich für jedes Gemisch einen eigenen Mörser)
  • sauberen Sand (eine Messerspitze je Farbstoffgemisch)
  • ein leeres, sauberes Honig- oder Marmeladenglas mit Deckel und möglichst geradem Boden
  • Zwei Pasteur-Pipetten oder andere Dosierhilfen für kleine Flüssigkeitsmengen (z.B. Nasentropfen-Deckelpipetten aus der Drogerie)
  • Stecknadeln mit Kopf
  • Schere, Bleistift
  • Einen passenden Ort zum Experimentieren:
    Aceton und Benzin sind leicht flüchtig und sollten nicht unnötig eingeatmet werden! Arbeite deshalb im Freien oder in einem gut durchlüfteten Raum auf einer abwischbaren, lösungsmittelfesten Unterlage (kein Kunststoff!). Am Experimentierplatz und vor allem beim Experimentieren wird nicht gegessen, getrunken oder geraucht! Benzin und Aceton und ihre Dämpfe sind leicht entzündbar! Achte darauf, dass die Chemikalienflaschen wann immer möglich geschlossen sind. Da die Farbstoffe sehr lichtempfindlich sind, solltest du zudem bei gedämpftem Licht (in keinem Fall bei direkter Sonneneinstrahlung) und zügig arbeiten können.
  • Ich empfehle dir zudem eine Schutzbrille zu tragen:
    Lösungsmittel können die Augen reizen. Bei Augenkontakt mit den Flüssigkeiten wasche die Augen gründlich (10 Minuten lang!) aus und gehe danach im Zweifelsfall zum Augenarzt. Mit Schutzbrille ist es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass Lösungsmittel-Spritzer in deine Augen gelangen.

So bereitest du den Versuch vor

Zur Vorbereitung des Versuchs (hier ist weder Eile noch Lichtschutz nötig) schneide von einem Zeichenblock-Bogen (Din A4) einen Querstreifen von 3 bis 5 cm Breite ab und führen ihn senkrecht in das offene Honigglas, bis er den Boden berührt. Markiere die Höhe des Glasrandes auf dem Streifen und falte ihn ca. 1 mm unter der Markierung. Schneide den Bereich “oberhalb des Glases” in der Mitte senkrecht ein bis zum Falz, sodass du nun einen Halbstreifen nach vorn, den anderen nach hinten knicken kannst. Wenn du den Papierstreifen nun wieder in das Glas hängst, sodass die beiden Halbstreifen auf dem Rand aufliegen, sollte der ungeteilte Streifen senkrecht und gerade hängen und unmittelbar über dem Glasboden enden. Das ist unsere stationäre Phase.

Vorlage Chromatographie-Streifen

Muster für die Vorbereitung der stationären Phase:Der Streifen Zeichenblock-Papier ist quer dargestellt. Das rechte Ende entspricht unten und wird später in die Flüssigkeit in der Trennkammer getaucht. Fliessmittel und Farbstoffe laufen (bzw. steigen) im Versuch nach oben (entlang der Pfeilrichtung, die hier nach links dargestellt ist).

Nimm den Papierstreifen erst einmal wieder aus dem Glas. Fülle dann 8 ml (oder 8 gut gefüllte Pipetten) Fleckbenzin und 2 ml ( 2 gut gefüllte Pipetten) Aceton in das Glas. Sollte der Glasboden nicht ganz bedeckt sein, gib noch etwas mehr Benzin und Aceton im Verhältnis 4 : 1 hinzu. Schraube den Deckel auf das Glas, damit die Lösungsmitteldämpfe (du wirst sie riechen) nicht entweichen können.


Wie du die Farbstoffe aus den Blättern bekommst

Ab jetzt solltest du deinen Experimentierplatz vor direkter Sonneneinstrahlung bzw. Beleuchtung schützen und ohne längere Unterbrechung arbeiten können.

Gib eine Messerspitze Sand in einen Mörser. Zerschneide ein grünes (oder gelbes oder rotes) Ahornblatt in kleine Stücke (ich schneide das Blatt dazu alle 3 bis 5 mm längs ein und dann senkrecht dazu, sodass kleine Quadrate oder Rechtecke im Rechenkästchenformat entstehen) und gib die Schnipsel in den Mörser. Gib gerade so viel Aceton dazu, dass Flüssigkeit im Mörser sichtbar bleibt – in meinem Espressotassen-Mörser waren das eine, höchstens zwei Nasentropfen-Pipetten.

Aceton und Benzin müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle entsorgt werden! Indem du kleinstmögliche Mengen verwendest, die im Idealfall in kurzer Zeit verdunsten, vermeidest du unnötigen Abfall und bestenfalls den Gang zur Sammelstelle!

Zermahle die Blattschnipsel mit Sand und Aceton einige Minuten lang gründlich (sollte das Aceton dabei verdunsten, gib einfach noch ein paar Tropfen hinzu), bis das Aceton sich tief grün (oder gelb oder rot) gefärbt hat. Diese Lösung sollte möglichst viel Farbstoff in möglichst wenig Aceton enthalten. Eventuell überschüssiges Aceton kannst du einfach verdunsten lassen (den Behälter vor Licht schützen!).


Wie du die Chromatographie startest

Schiebe die Blattschnipsel beiseite und kippe den Mörser mit der Farbstofflösung etwas, sodass du die Flüssigkeit über dem Sand stehen siehst. Tauche einen Stecknadelkopf in die Lösung und tupfe die Flüssigkeit unten auf deinen Papierstreifen. Der Farbtupfer muss später oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Glas verbleiben! Ich habe meine Tupfer daher ca. 1 cm über dem unteren Streifenrand angebracht.

Lasse den ersten Tupfer kurz antrocknen und tupfe weitere Lösung auf dieselbe Stelle. Wiederhole das Auftragen, bis der Farbtupfer deutlich sichtbar und von intensiver Farbe ist. Dann schraube das Honigglas auf und hänge den Streifen wieder hinein, sodass sein Ende in die Flüssigkeit darin taucht. Lege den Deckel umgekehrt wieder auf die Glasöffnung, um die Lösungsmitteldämpfe am Entweichen zu hindern. Bewege das Glas jetzt nach Möglichkeit nicht mehr.

Chromatographie-Streifen im Honigglas

Papier-Chromatographie im Honigglas:Links der Papierstreifen, welcher die stationäre Phase bildet, mit einer getrennten Farbspur (aufgenommen nach dem Versuch); Rechts befindet sich der Streifen in der Honigglas-Trennkammer. Der graue Rand unten zeigt, wie weit das Papier in die Flüssigkeit eintaucht. Der zweite, nach hinten gecknickte Halbstreifen der Aufhängung wird hier durch den Deckel verdeckt.


Wie du deine Versuchsergebnisse sicherst

Die Flüssigkeit wandert von unten nach oben in den darin eintauchenden Papierstreifen – anfangs sehr schnell, später zunehmend langsamer. Dabei schwemmt sie die verschiedenen Farbstoffe unterschiedlich weit mit. Lasse den Versuch ca. 15 Minuten lang, maximal so lang, bis die Flüssigkeit den Falz fast erreicht hat, laufen, bevor du den Papierstreifen aus dem Glas nimmst und damit den Fluss stoppst. Schraube das Glas anschliessend gleich wieder zu.

Sieh dir die Verteilung der Farben an, während du den Streifen kurz trocknen lässt (die Lösungsmittel verdunsten sehr schnell, sodass das Papier im Nu trocken sein sollte). Markiere die farbigen Banden mit Bleistift und beschrifte sie. Da die Farbstoffe sich am Licht nach wie vor schnell zersetzen, können die Markierungen ggfs. für spätere Versuche als Referenz dienen. Wenn du Fotos machen möchtest, dann tu das am besten gleich nach dem Versuch, so lange die Farben noch am deutlichsten sichtbar sind. Der trockene Streifen lässt sich überdies zwischen den Seiten eines Buchs oder in einer geschlossenen Schachtel lichtgeschützt aufbewahren.

Papierchromatographie von grünen Blättern

Ergebnis der Chromatographie eines Farbstoffauszugs aus einem noch grünen Ahorn-Blatt: Beide Chlorophyll-Varianten sind deutlich zu sehen. Ausserdem haben sich die besser beweglichen Carotinoide vom etwas langsameren Lutein abgesetzt.

Wenn du die Farbstoffe aus einem grünen Blatt getrennt hast, solltest du von unten nach oben folgende Banden sehen können:

  • Startpunkt: Einige Stoffe wandern nicht erkennbar bzw. gar nicht, sodass der ursprüngliche Tupfen, nun gelblich-grau, immer noch sichtbar ist
  • gelbgrün: Chlorophyll B : Diese Variante des Chlorophylls wandert in Papier am langsamsten.
  • blaugrün: Chlorophyll A : Diese Variante des Chlorophylls wandert etwas schneller als Chlorophyll B.
  • gelb: Lutein (Xanthophyll) : Dies ist ein gelboranger Carotin-Farbstoff, der z.B. auch Eigelb gelb färbt.
  • orangegelb: einige weitere Carotinoide wandern noch schneller und damit weiter als Lutein.

Farbtupfer aus gelben Blättern enthalten keine sichtbaren Chlorophylle mehr, weshalb die Banden für Chlorophyll A und B bei solchen fehlen. Rote Blätter enthalten ebenfalls noch gelbe Carotinoide. Die roten Farbstoffe lösen sich weniger gut in Aceton und bewegen sich im beschriebenen Versuch nicht sichtbar vom Startpunkt fort.

Zum besseren Vergleich können auch mehrere Farbgemische auf einem breiten Papierstreifen nebeneinander untersucht werden.

Papierchromatographie von bunten Herbst-Blättern

Papier-Chromatographie mit mehreren Proben: Rechts eine weitere Probe von dem grünen Blatt aus dem ersten Versuch, in der Mitte eine Probe des Auszugs aus einem gelben Ahorn-Blatt, links aus einem dunkelroten Ahorn-Blatt. Das grüne Blatt enthält deutlich sichtbar Chlorophyll, das gelbe und rote Blatt nicht. Die Carotinoide und das Lutein sind bis an den Falz gewandert und dort gestaut worden (stoppe den Versuch, bevor das passiert!). Die roten Farbstoffe in der linken Probe haben sich nicht vom Startpunkt wegbewegt.


Weitere Chromatographie-Versuche

Enthalten Blätter von verschiedenen Pflanzenarten die gleichen Farbstoffe? Enthalten rote bzw. gelbe Lebensmittel (z.B. Gemüse, Früchte, Paprika-Gewürz) auch Carotinoide? Wie sieht es mit gelben und roten Blütenblättern aus?

Diesen Fragen kannst du mit weiteren Versuchen gemäss dieser Beschreibung einfach nachgehen. Fallen dir vielleicht noch mehr ein?


Entsorgung von Abfällen

Schraube das Honigglas nach dem Experimentieren gut zu, um den Rest des Fliessmittels für spätere Versuche aufzuheben. Mörser mit zermahlenen Blättern lasse über Nacht draussen (auf dem Balkon oder der Terrasse) stehen, bis die Lösungsmittelreste darin verdunstet sind. Blattreste und Sand kannst du dann in den Rest-Abfall geben. Lösungsmittelreste, die nicht verdunstet sind, müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle abgegeben werden. Fülle sie dazu in eine fest verschliessbare Flasche aus Glas oder Polyethylen (PE) bzw. Polypropylen (PP) (andere Kunststoffe werden eventuell von Aceton aufgelöst!) und lagere sie licht- und wärmegeschützt, bis du sie zur Abfall-Sammelstelle bringen kannst.

Fazit

Grüne Ahorn-Blätter enthalten zwei Varianten des Chlorophylls, den Carotin-Farbstoff Lutein und andere Carotinoide. Im Herbst werden die Chlorophylle schnell abgebaut, die Carotinoide wesentlich langsamer, sodass die Blätter sich gelb, noch später rot verfärben. Mittels Papier-Chromatographie mit Aceton/Benzin lassen sich Chlorophylle und Carotinoide mit wenig Zeitaufwand trennen.

Und die Farbstoffe welcher Pflanzenarten hast du getrennt?