Jedes Jahr erstellen Schülerinnen und Schüler der Q1 Facharbeiten im Grund- oder Leistungskurs Chemie. Beispielhaft möchten wir drei Facharbeiten vorstellen:

Facharbeit: Synthese und Untersuchung der Eigenschaften von biologisch abbaubaren Kunststoffen am Beispiel von Polymilchsäure (PLA)

In meiner Facharbeit habe ich mich mit biologisch abbaubaren Kunststoffen und den chemischen Prozessen dahinter auseinandergesetzt. Denn für die verbreitete Herstellung von konventionellen Kunststoffen werden fossile Rohstoffe verbraucht und große Mengen an Plastik gelangen in die Ozeane. Der biologisch abbaubare Kunststoff PLA beziehungsweise Polymilchsäure ist sehr vielversprechend und auch heute schon frei verkäuflich. Aus diesem Grund habe ich mir die Herstellungsmethode dieses Biokunststoffes genauer angeschaut. Im praktischen Teil habe ich dann versucht, Polymilchsäure auf verschiedenen Synthesewegen selbst herzustellen. Die Produkte habe ich auf ihre Eigenschaften, wie die Säurebeständigkeit oder den Schmelzpunkt, untersucht. Dabei habe ich festgestellt, dass sich diese Eigenschaften durch das Hinzufügen von verschiedenen Katalysatoren verändern können. Die Verwendung eines geeigneten Katalysators hat positive Auswirkungen auf die Produkteigenschaften von PLA. Das gilt zum Beispiel für den Katalysator Schwefelsäure. Wenn der Ausgangsstoff Milchsäure für längere Zeit bei niedriger Temperatur erhitzt wird, entsteht ein beständigeres Produkt. Heutzutage findet der Kunststoff Polymilchsäure beispielsweise Anwendung in der Verpackungsindustrie und in der Medizin für Nahtmaterial oder Implantate.

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Text u. Bild: M. Usinger

 

 

Facharbeit: Optimierung und Beeinflussung der Verseifung

Die Verseifung ist eine schon lange bekannte Reaktion der organischen Chemie, die sowohl in Seifenfabriken als auch daheim zur Herstellung von Seife verwendet wird.

Dabei werden Fette mit einer Lauge erhitzt, bis – je nach Art der Lauge – eine Kernseife oder eine Schmierseife entstanden ist. Im Laufe der Geschichte wurde die Seifenproduktion immer weiter verbessert, um sowohl bessere als auch mehr Seife herzustellen.

Während im Mittelalter noch Birkenpech und Rinderfett in Kesseln gekocht wurden, wurden im 19. Jahrhundert bereits große Seifenmanufakturen gebaut, in denen in hunderten Kesseln Seife in Massenproduktion produziert wurde.

Heute sind geschlossene Apparaturen üblich, die jede Minute literweise Seife herstellen.

In meiner Facharbeit habe ich untersucht, was diese Verbesserungen auf chemischer Ebene bedeuten: Welche Auswirkungen hatten die zahlreichen Veränderungen auf die chemische Reaktion? Die praktische Untersuchung bezog sich dabei auf zwei Faktoren: Die Konzentration der eingesetzten Lauge sowie die Reaktionszeit. Hierfür habe ich in einem kleinen Maßstab Seife hergestellt – also eher im Becherglas als im Kessel. Die Reaktionsansätze wurden dabei unterschiedlich lange erhitzt oder enthielten unterschiedlich hoch konzentrierte Laugen. Die entstandene Seifenmenge deutete auf gewisse Trends hin: eine höhere Konzentration sorgt für eine höhere maximal erreichbare Seifenmenge und erhöht zusätzlich die Reaktionsgeschwindigkeit. Zudem dauert die Reaktion einige Zeit, sodass eine längere Erhitzung der Reaktionspartner mehr Seife entstehen lässt.

Diese Beobachtungen passten zu den theoretischen Grundlagen: Bei einer höheren Konzentration sind mehr Ionen in der Lösung enthalten, sodass mehr Fettmoleküle verseift werden können. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fettmolekül mit einem Ion "zusammenstößt" und es zur Reaktion kommt, bei einer hohen Konzentration deutlich größer, da die Teilchen sich in räumlicher Nähe befinden. Und nicht zuletzt haben Seifensieder schon früh verschiedene Phasen der Verseifung erkannt, die sich in der vorliegenden Reaktionsgeschwindigkeit unterscheiden. Dies erklärt die großen Ausbeuteunterschiede zwischen den unterschiedlich lang erhitzten Ansätzen.

Zugegeben: Diese Erkenntnisse bringen die Wissenschaft nicht viel weiter. Denn abgesehen davon, dass heute zur Reinigung oft alternative Detergenzien verwendet werden, hat die Industrie die Seifenproduktion schon längst auf die Spitze getrieben.  

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Text und Bild: L. Haendschke

 

Facharbeit: Die Geschichte und Wirkungsweise von Klebstoffen

Meine Facharbeit im Fach Chemie 2019/20 In den letzten Monaten habe ich mich mit einer wissenschaftlichen Arbeit im Fach Chemie befasst. Meine Facharbeit thematisierte die Geschichte und Wirkungsweise von Klebstoffen, sowie die aktuelle Bedeutung natürlicher Inhaltsstoffe und Nachhaltigkeit. In unserer Welt spielen Klebstoffe eine entscheidende Rolle. Viele Produkte können nur mithilfe der Fügetechnik „Kleben“ realisiert werden, so werden beispielsweise die Displays unserer Handys nur aufgeklebt. Da Klebstoffe jedoch unsichtbar sind, bleiben sie meist unbemerkt und tragen dennoch wesentlich zu Vereinfachung des Alltags bei. In meiner Arbeit habe ich mich u.a. damit beschäftigt, wie Klebstoffe durch verschiedene Kräfte haften und Fügeteile, also zwei Kontaktflächen, verbinden können. Um eine Vorstellung von diesen Kräften bei unterschiedlichen Klebstoffen zu bekommen, habe ich einen Versuch durchgeführt. Drei verschiedene Klebstoffe, ein UHU Stic ReNature, ein selbst hergestellter Maisstärkekleister und ein Sekundenklebstoff (Cyanakrylatklebstoff) wurden gegeneinander getestet, um deren Klebfestigkeiten zu ermitteln. Für den Versuch habe ich eine Apparatur entwickelt, mit der ich verschiedene Kräfte bis zum Bruch der Klebestelle messen konnte. Tatsächlich haben alle drei getesteten Klebstoffe, auch mein selbst hergestellter Kleister, großen Kräften standgehalten (siehe Abb. 1 und 2).

Klebstoffe haben eine lange Entwicklung hinter sich und werden auch noch heute weiterentwickelt.

Da Klebstoffe in vielen Bereichen eingesetzt werden, spielt die Nachhaltigkeit neben der Klebfestigkeit eine große Rolle. Hier wird nach umweltfreundlichen Möglichkeiten geforscht, was eine Herausforderung darstellt. Alternative Klebstoffe entstehen auf Basis natürlicher Inhaltsstoffe. Außerdem sollten Klebstoffe möglichst spezifisch eingesetzt werden, sie müssen den Anforderungen genügen, diese aber nicht übertreffen, um die Recycelfähigkeit zu garantieren. Z.B. klebt Leim Holz vollkommen ausreichend, hier wäre ein 2-Komponenten-Epoxidharz überdimensioniert und beim Recycling weniger umweltverträglich.

Zusammenfassend habe ich einen umfassenden Einblick ins Forschungsgebiet der Fügetechnik „Kleben“ bekommen. Einige Hersteller produzieren bereits Klebstoffe auf Basis natürlicher Inhaltsstoffe, um die Recycelfähigkeit zu fördern und in Instituten wird nach umweltfreundlichen Alternativen geforscht. Mich hat überrascht, wie wichtig Klebstoffe in unserem täglichen Leben sind und welche Möglichkeiten sie uns für die Zukunft bringen.

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Text und Bild: P. Liesenfeld

 

Facharbeit: Chemische Eigenschaften von Pepsin und Amylase als wichtige Enzyme der Verdauung

Enzyme gehören zur Gruppe komplexer Proteine, ohne die keine lebensnotwendigen chemischen Prozesse im Körper ablaufen können. Sie wirken als Biokatalysatoren bei über 150 000 verschiedenen Reaktionen im menschlichen Organismus. Dies betrifft z.B. die Verdauungsprozesse und die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen. Mithilfe von Enzymen werden die Bestandteile der Nahrung bis zu kleinen Strukturen, die schon absorbierbar sind, zerlegt.

In meiner Facharbeit habe ich mich mit den Enzymen Amylase und Pepsin beschäftigt. Ziel meiner Facharbeit war, Diätempfehlungen für gesunde und kranke Menschen herauszufinden. Dafür musste ich verschiedene Experimente durchführen, mit denen ich die Eigenschaften von den Enzymen erfahren konnte.

Als erstes habe ich zwei Versuche durchgeführt, die die generellen Eigenschaften von den beiden Enzymen zeigen. Dabei kam ich zu dem Schluss, dass Pepsin Proteine denaturiert, die in den Magen gelangen (Bild 1) und dass die im Speichel enthaltene Amylase, die Kohlenhydrate schon in der Mundhöhle spaltet. Deswegen kann ich für Patienten mit Unterzuckerungszuständen folgende Empfehlungen geben: Im Fall eines Notfalls kann man ein Zuckerstück bzw. zuckerhaltige Bonbons im Mund zergehen lassen.

Anschließend habe ich die Enzymaktivität auf pH-Abhängigkeit überprüft. (Bild 2) Jedes Enzym hat ein pH-Optimum bei dem es besser funktioniert. Im gesunden Magen beträgt liegt der pH-Wert bei 3, was auch das Optimum für die Pepsinaktivität ist. Bei atrophischer Gastritis ist der Säuregehalt zu niedrig. Es wir zu wenig oder keine Säure produziert, sodass kein pH-Optimum für das Pepsin vorliegt und es das Protein nicht vollständig spalten kann und deswegen die Verdauungsleistung gestört wird.

Die Enzymaktivität ist auch Temperaturabhängig. Jedes Enzym hat einen bestimmten Temperaturbereich, bei dem es am besten agieren kann. Bei den meisten Enzymen im Körper sind es 37°C.

Die Ionenstärke ist auch ein Wichtiger Einflussfaktor auf die Aktivität der Enzyme. Um das zu beweisen, habe ich einen sehr spannenden Versuch mit einem digitalen Photometer durchgeführt. Mit einem Photometer muss man sehr schnell arbeiten und deswegen muss man vor der Durchführung des Experiments jeden Schritt genau planen. Auch wenn dieser Versuch sehr hohe Konzentration und Präzision erfordert, bekommt man ein sehr schönes Ergebnis in Form einer Kurve, in der man den Verlauf der Reaktionen und damit die Enzymaktivität sehr genau beobachten kann.

 

Eiweisabbau

 Eiweisabbau 1  Eiweisabbau 2

Text und Bild: A. Asaad