Kartoffel-Zucker-Experiment durchführen: Detaillierte Anleitung für Schule und Zuhause
Ein kurzer Einleitungstext stimmt die Schülerinnen und Schüler auf das Experiment ein. Im Anschluss daran wird die Forschungsfrage formuliert. Die Schüler und Schülerinnen stellen Vermutungen an und tauschen sich über mögliche Lösungsansätze aus.
Ziel und Forschungsfrage
Das Osmose-Kartoffel-Experiment untersucht die Auswirkungen von Zucker und Salz auf lebendes Pflanzengewebe. Wie verändern sich gleich große Gewebestücke von Kartoffeln in Zuckerlösungen bei verschiedenen Konzentrationen? Welche Rolle spielt die Temperatur?
Hintergrundwissen: Stärke, Zucker und Osmose
Bei Stärke denkt man in erster Linie an starke Menschen mit starken Muskeln. Aber Stärke kann auch andere Bedeutungen haben. Bei diesen Experimenten geht es um das Kohlenhydrat Stärke. Du hast das vielleicht schon mal in Zusammenhang mit Ernährung gehört. Zu den Kohlenhydraten gehört auch Zucker. Stärke liegt in Pflanzenzellen als Stärkekörner vor. Mit der Stärke speichern sie überschüssige Energie. Über die Nahrung nehmen wir die Stärke auf. Für unseren Körper ist Stärke ein Energielieferant.
Kohlenhydrate sind Verbindungen aus den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Man nennt das eine organische Verbindung. Das einfachste Kohlenhydrat ist der Traubenzucker. Aus unterschiedlich langen Ketten von Traubenzuckern entstehen verschiedene Kohlenhydrate. Stärke ist ein Kohlenhydrat, das aus einer Kette von mehr als 6 Traubenzuckern besteht.
Stärke kommt als Energiespeicher in Pflanzen vor. Pflanzen bilden Kohlenhydrate selbst. Menschen, Tiere, Pilze und Bakterien müssen Kohlenhydrate über die Nahrung aufnehmen. Zucker gehen dabei direkt ins Blut über und liefern schnell Energie. Langkettige Kohlenhydrate wie Stärke müssen von unserem Körper erst in kleinere Bestandteile (Zucker) zerlegt werden. Das beginnt bereits bei der Nahrungsaufnahme. Beim Kauen entsteht ein Nahrungsbrei, der sich mit Speichel (Spucke) vermischt. Der Speichel fängt bereits an die Stärke in kleinere Stücke zu zerlegen. Ein Enzym in deiner Spucke zersetzt die Stärke und zerlegt sie in kleiner Kohlenhydrat-Bestandteile. Diesen Vorgang nennt man Amylolyse, das Enzym Amylase.
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Iod (oder Jod) ist ein chemisches Element. Iod geht eine Verbindung mit der Stärke ein. Diese neue Verbindung ist lila. Wenn die Stärke zersetzt wird, wird das Iod wieder freigesetzt und die lila Farbe verschwindet. Für unseren Körper ist Iod ein lebenswichtiges Spurenelement. In zu großen Mengen ist Iod jedoch nicht ungefährlich und gilt als Gefahrstoff. Auch wenn es nur kleine Mengen sind, solltest du das Iod nicht über das Abwasser entsorgen.
Benötigtes Material
- Rohe Kartoffeln (gleich große Stücke zuschneiden)
- Wasser (destilliert oder Leitungswasser)
- Zuckerlösungen in verschiedenen Konzentrationen (z. B. 5%, 10%, 15%)
- Salzlösung (z. B. 5%) für Vergleich
- Bechergläser oder Gläser
- Waage und Lineal oder Messschieber
- Schälmesser und Schneidebrett
- Jodlösung
- Optional: Kupfersalz und Natriumcarbonat (für weitere Nachweise)
- Optional: Mikroskop für Blick auf Stärkekörner
Versuchsaufbau und Schritt-für-Schritt-Anleitung
Es folgt eine Auflistung des benötigten Materials sowie eine klare, schrittweise Anleitung zum Aufbau und zur Durchführung des Experiments in der Kleingruppe.
- Schneide aus einer rohen Kartoffel gleich große Zylinder oder Stäbchen (z. B. 3 Stück pro Lösung) und miss Länge/Durchmesser.
- Beschrifte die Gläser: reines Wasser, Salzwasser, Zuckerwasser 5%, Zuckerwasser 10%, Zuckerwasser 15% (oder andere gewählte Konzentrationen).
- Gib jeweils ein Kartoffelstäbchen in die vorbereiteten Lösungen und notiere Startlänge und Masse.
- Stelle die Gläser an einen ruhigen Ort. Optional: wiederhole den Versuch bei Kühlschranktemperatur (~4°C) und Zimmertemperatur, um den Temperatureinfluss zu untersuchen.
- Beobachte die Kartoffelstücke nach definierten Zeiten (z. B. nach 30 min, 1 h, 2 h, 24 h) und miss Länge/Masse erneut.
- Notiere alle Beobachtungen: Verändern sich Länge oder Volumen? Schrumpft oder quillt die Kartoffel?
- Zur Überprüfung der Stärke färbe ein Stück roher und ein Stück gekochter Kartoffel jeweils mit einem Tropfen Jodlösung. Bei der rohen Kartoffel kannst du kleine dunkle Punkte erkennen. Die Iod-Lösung hat die Stärkekörner gefärbt. Die gekochte Kartoffel verfärbt sich fast schwarz.
- Optional: Um Pflanzenphenole nachzuweisen, kann man Natriumcarbonat zur geriebenen Kartoffel und Wasser hinzufügen. Um Zucker nachzuweisen, wird die geriebene Kartoffel mit Wasser erhitzt und Kupfersalz und Natriumcarbonat zugegeben.
Beobachtungsfragen und Datenaufzeichnung
Beobachtungsfragen zur Überprüfung der Ergebnisse können direkt auf der Anleitung beantwortet werden. Beobachte die Verfärbung während sich die festen Teile absetzen. Im Experiment entfärbt sich nach und nach das Wasser, es wird mit der Zeit immer heller.
- Wie verändert sich Länge und Masse der Kartoffelstäbchen in den verschiedenen Lösungen?
- In welcher Lösung tritt Quellung (Zunahme) und in welcher Schrumpfung (Abnahme) auf?
- Welche Konzentration ist isotonisch zum Zellsaft der Kartoffelzellen? (Hinweis: In der Lösung mit w = 15% blieb die Länge des Zylinders unverändert. Diese Konzentration ist isotonisch zum Zellsaft der Kartoffelzellen.)
- Wie beeinflusst Temperatur die Osmosegeschwindigkeit?
Erklärungen zu den Beobachtungen (Wissenschaftlicher Kontext)
Außer von der Zellwand sind die Zellen von einer semipermeablen Membran umgeben. Der Zellsaft hat eine höhere Konzentration an gelösten Teilchen als reines Wasser der Umgebung. Deshalb strömt osmotisch Wasser in die Zellen ein, bis sie prall gefüllt sind. Es entsteht ein Druck von innen auf die Zellwand (Turgordruck).
Steht der Stängel (bzw. das Gewebestück) in konzentrierter Kochsalz- oder Zuckerlösung, so geben die Zellen osmotisch Wasser ab. Salz und Zucker sind osmotisch wirksam, den Kartoffelzellen wird Wasser entzogen. Die Kartoffel schrumpft. Durch das Einschneiden der Stängel werden Bindungen im Zellgewebe zerstört. Zuvor eingeengte Zellen können sich nun ausdehnen. Sie nehmen so lange Wasser auf, bis der Druck innerhalb und außerhalb der Zelle ausgeglichen ist.
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Auswertung, Reflexionsfragen und weiterführende Aufgaben
Ebenso gibt es Reflexionsfragen, um das Experiment auszuwerten, einzuordnen und den Bezug zur Eingangsfrage herzustellen. Ein zusätzlicher Forschungsauftrag regt zum Weiterforschen an. Zum Dokumentieren des Experiments gibt es Dokumentierhilfen in der Schüleranleitung.
- Reflexionsfragen: Welche Hypothesen wurden bestätigt? Welche unerwarteten Effekte traten auf?
- Weiterführende Aufgaben: Untersuche weitere Zuckerarten (z. B. Glukose vs. Saccharose). Analysiere sortenspezifisch: Verändert eine rote Kartoffel ihr Verhalten gegenüber weißer Kartoffel?
- Forschungsauftrag: Kann Kohlenstoffdioxid durch eine semipermeable Membran diffundieren? Wiederhole Varianten mit veränderter Temperatur.
Tipps für Unterricht und Sicherheit
- Arbeite in Kleingruppen und protokolliere genau Start- und Enddaten.
- Entsorge Jodlösungen und andere Chemikalien nicht unverdünnt ins Abwasser.
- Verwende Schutzbrille und Handschuhe, wenn mit Kupfersalzen oder Natriumcarbonat gearbeitet wird.
- Wiederhole den Versuch bei unterschiedlichen Temperaturen, um Einflussgrößen zu zeigen.
Beispiele für einfache Demonstrationen aus der Küchechemie
Den Eröffnungsvortrag am Institut gestaltete in diesem Jahr Herr Prof. Dr. G. Nach dem Einstieg ins Thema mit dem Gedicht "Abschiedsworte an Pellka" von Ringelnatz referierte Prof. Nach einer Auflistung der Inhaltsstoffe Wasser (78%), Stärke (14-15%), Eiweiß, Zucker in Form von Fruktose, Glukose und Saccharose (0,7-0,8%) Kalium, Ballastoffen, Vitamin C, organische Säuren und Polyphenolen bereitete Prof. Schwedt seine einfache, für jeden wiederholbare Versuchsreihe vor, die mit dem Zerschneiden und Reiben einer rohen Kartoffel begann. Damit wurden die Zellen der Kartoffel zerstört und unmittelbar danach konnte eine Farbänderung ins Bräunliche festgestellt werden. Hier wurden Enzyme freigesetzt, die mit Pflanzenphenolen reagieren.
Optional: Mikroskopische Betrachtung der Stärke
Stärke kann man sich auch unter dem Mikroskop anschauen. Dazu gibst du eine kleine Menge Stärke in ein Glas und löst sie in ein paar Tropfen Wasser auf. Nun gibst du einen Tropfen auf einen Objektträger. Dann deckst du es mit einem Deckglas ab und betrachtest es unter einem Mikroskop. Ich habe hier Kartoffel- und Maisstärke mit dem Mikroskop untersucht. Die Vergrößerung ist die gleiche. Die Stärkekörner der Kartoffel sind deutlich größer und eiförmig. Mit stärkerer Vergrößerung erkennt man die Struktur der Stärkekörner besser.
Kurzanleitung als Tabelle (Schnellübersicht)
| Schritt | Aktion | Beobachtung |
|---|---|---|
| 1 | Kartoffelstäbchen zuschneiden und messen | Startlänge/Masse notieren |
| 2 | In Lösungen (Wasser, Zucker, Salz) legen | Quellung oder Schrumpfung |
| 3 | Nach Zeiten messen (z. B. 1 h, 24 h) | Längen-/Masseänderung |
| 4 | Mit Jod Stärke nachweisen | Verfärbung (dunkel/lila) |
Bei Stärke denkt man in erster Linie an starke Menschen mit starken Muskeln. Aber Stärke kann auch andere Bedeutungen haben. Bei diesen Experimenten geht es um das Kohlenhydrat Stärke. Du hast das vielleicht schon mal in Zusammenhang mit Ernährung gehört.
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