Farbstoffe und Farbveränderungen in den Naturwissenschaften

Einführung in das Kapitel zum Thema Farben und Farbveränderungen

Hintergrundwissen über pflanzliche Farbstoffe

Wozu brauchen Pflanzen Farbstoffe?

Es gibt es zahlreiche Farbstoffe in der Natur. Sie haben bei den Pflanzen unterschiedliche Aufgaben. So dient der grüne Blattfarbstoff (Chlorophyll) der Photosynthese. Durch diese kann die Pflanze aus Kohlenstoffdioxid, Wasser und Salzen, die Stoffe Glucose, Stärke und Eiweiße herstellen, die sie für ihr Wachstum braucht. Für diesen Prozess ist Sonnenlicht nötig. Gleichzeitig entsteht bei der Photosynthese Sauerstoff, den die Pflanze an die Luft abgibt und den wir Menschen und die Tiere brauchen.

Andere Farben dienen zum Beispiel dazu Insekten anzulocken, die die Pflanze bestäuben.

Internettipp: Wer tiefer in die Farbchemie von Pflanzen und Tieren einsteigen will, kann sich beispielsweise auf folgender Seite der Uni Hannover informieren. Vorkenntnisse in Chemie sind bei der Seite hilfreich.

https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/arbeitsgruppen/zawischa/static_html/botzoo.html

Farbveränderungen von Farbstoffen

Einige Farbstoffe können ihre Farben verändern, wenn sie mit anderen Stoffen reagieren. Das wohl bekannteste Beispiel ist der Rotkohl, auch Blaukraut genannt. Je nach Boden auf dem er wächst, hat er einen anderen Farbton wie Violett oder Rot.

Dies liegt daran, dass der Farbstoff des Rotkohl als Indikator wirkt.

Indikatoren sind Stoffe, die ihre Farbe wechseln, wenn sie mit Säure oder Laugen (Basen) reagieren.

Chemisch gesehen sind Säure und Laugen Gegenspieler, das heißt sie reagieren miteinander unter anderem zu Wasser.

Beide Stoffgruppen kennen wir aus dem Alltag.

Säuren finden wir zum Beispiel in Früchten (Zitronensäure, Apfelsäure) und in Essig (Essigsäure).

Laugen kennen wir unter anderem als Seifenlauge oder als Ummantelung von Laugengebäck.

Je nach Stoffart (Säure oder Lauge) und Konzentration verfärbt sich der Rotkohl.

Der Farbstoff des Rotkohls färbt sich bei Säurezugabe ins rötliche, bei Laugenzugabe ins grünliche und gelbliche.

Internettipp: Tiefer gehende chemische Informationen zur Indikatorwirkung des Rotkohlfarbstoffs findest du beispielsweise unter https://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/rotkohl.htm

Versuch 1: Farbveränderung von Rotkohlfarbstoff

Du benötigst:

mehrere Gläser
einige Blätter Rotkohl
Wasser
einen Topf
Natron oder Backpulver (gibt es bei den Backzutaten)
Essig (5% Säure)
Essigessenz (25% Säure) – Vorsicht, bei der Arbeit mit Essigessenz am Besten Handschuhe tragen

Essigessenz hat mehr Essigsäure als Essig, deshalb liefern die beiden auch unterschiedliche Farbveränderungen des Rotkohls.

Extraktion (Herausziehen) des Farbstoffs aus dem Rotkohl

Schneide einige Blätter Rotkohl klein und koche sie einige Minute in Wasser aus! Das Wasser färbt sich.
Lass das farbige Wasser mit dem Rotkohl abkühlen!
Gieße das Ganze durch einen Kaffeefilter, so dass alle festen Bestandteile herausgefiltert werden!

Herstellung unterschiedlich starker Laugen

Die Lauge wird aus Natron und Wasser hergestellt.

Löse etwas Natron in Wasser auf!
Je mehr Natron im Wasser gelöst ist, desto stärker wird die Lauge!

Versuche zur Farbveränderung

Stelle mehrere Gläser neben einander!
Gib in jedes Glas etwas des durch den Rotkohl gefärbten Wassers!
Gib nun in je ein Glas einige Tropfen Essig, ins nächste Essigessenz, in die anderen unterschiedlich Starke Natronlösungen. Zusätzlich kannst du den Essig 5% mit Wasser verdünnen, so wird die Säure schwächer. Teste auch damit die Farbveränderungen!

Tipp: Wenn du keine Pipette hast, kannst du auch einen Löffel verwendet, von dem du Säure oder Lauge vorsichtig herunter Tropfen lässt.

Vorschlag: Du kannst mit der Rotkohllösung auch andere Stoffe aus dem Haushalt testen, ob es sich um Säuren oder Laugen handelt.

Folgendes Video gibt euch einen Einblick in den Versuch: https://youtu.be/PoavFq40_1c

Hintergrundwissen:

Essig mit 5% Säure bedeutet in 100ml Essig befinden sich 5ml Essigsäure.

Versuch 2: Farbveränderung von Schwarztee

Auch Schwarztee reagiert als Indikator und verändert seine Farbe bei der Zugabe von Säuren und Laugen. Die Farbveränderung ist aber nicht so stark wie bei Rotkohl.

Du benötigst:

200ml kochendes Wasser
mindestens 7 Beutel Schwarztee
Essig
Essigessenz
Natron
kaltes Wasser
mehrere Gläser

Durchführung:

Gib die Teebeutel in das kochende Wasser und lasse das Ganze mindestens 20 Minuten lang ziehen. Je stärker der Tee ist, desto besser ist die Farbveränderung zu sehen.
Löse etwas Natron im kalten Wasser auf!
Fülle jeweils etwas Tee in ein Glas!
Gib in das erste Glas etwas Essig!
Gib in das zweite Glas etwas Essigessenz!
Gib in das dritte Glas etwas Natronlösung!
Gib jeweils soviel Säure oder Lauge dazu, bis sich die Farbe des Tees deutlich ändert.

Versuch 3: Morgenrot und Abendrot im Glas

Hintergrundwissen: Abends kurz bevor die Sonne untergeht, färbt sich der Himmel rötlich. Das gleiche passiert morgens kurz vor dem Sonnenaufgang. Dies liegt daran, dass unser weißes Sonnenlicht eigentlich aus mehreren Farben besteht. Das kennst du vom Regenbogen.

Morgens und abends steht die Sonne tief am Himmel. Von deiner Position aus gesehen, trifft ihr Licht von der Seite auf die Erde. Es muss also einen viel längeren Weg durch die Lufthülle (Atmosphäre) zurücklegen als am Mittag, wenn die Sonne senkrecht über dir steht. Auf diesem längeren Weg trifft das Licht auf viel mehr winzige Gas- und Staubteilchen sowie Wassertropfen in der Luft. Diese lenken ein Teil des Lichts ab. In unserem Auge kommen nur orangefarbene und rote Lichtteile an.

Der Versuch:

Diesen Effekt kannst du einfach in einem Wasserglas nachstellen.

Du benötigst:

Ein durchsichtiges Glas
eine Taschenlampe (möglichst mit Glühbirnchen)
Wasser
Milch
einen Löffel

Durchführung:

Fülle das Wasser in das Glas!
Leuchte mit der Taschenlampe con der Seite durch das Glas!
Gib nun etwas Milch dazu und rühre um!
Leuchte erneut von der Seite hindurch und beobachte, wie sich die Lichtfarbe verändert!
Gib nach und nach immer etwas mehr Milch dazu und beobachte die Farbveränderung!

Erklärung:

Die Milch im Glas lenkt Teile des Lichts ab, sodass nur noch Teile der Lichtfarben bei deinem Augen ankommen!

Tipp:

Bei einer Taschenlampe mit LED Lämpchen fällt die Lichtveränderung anders aus, als bei einem Glühbirnchen. Das liegt daran, dass das Licht einer LED Lampe anders zusammengesetzt ist, als das einer Glühbirne. Im Alltag fällt uns dies aber nicht auf.

Projekte: Wir stellen selbst Mal- und Wasserfarben her.

In zwei eigenen Forschungsprojekten haben Jungforscher der Forscherkids Wertheim Malfarben und Wasserfarben aus natürlichen Stoffen und Lebensmitteln entwickelt und umfangreich getestet.

Auch hier gab es umfangreiche Tests über mehr als ein Jahr um Grundlagen zu entwickeln und die richtigen Farbstoffe zu finden.

Folgend findet ihr die Anleitungen dazu:

Malfarben aus Lebensmitteln: https://daten.forscherkids-wertheim.de/malfarben.pdf

Wasserfarben aus Lebensmitteln und Pflanzen: https://daten.forscherkids-wertheim.de/natuerlichewasserfarben.pdf