Ist das Lösen von Zucker in Wasser ein chemischer Prozess oder ein physikalischer Vorgang?

Das Lösen von Zucker in Wasser ist eine alltägliche Erscheinung, die häufig zum Beispiel beim Zubereiten von Getränken beobachtet werden kann. Doch auf molekularer Ebene und aus Sicht der Chemie stellt sich die Frage: Handelt es sich beim Lösen von Zucker in Wasser um einen chemischen Prozess oder ist es ein physikalischer Vorgang?

Lösungsversuch mit Zucker und Wasser: Experimentelle Durchführung

Zur Durchführung eines einfachen Experiments benötigt man Haushaltszucker (Saccharose), ein schwer schmelzbares Reagenzglas, einen Spatel und Wasser. Eine Schutzbrille muss verwendet werden. Gib einen Spatel Zucker in ein schwer schmelzbares Reagenzglas und fülle das Reagenzglas zu ca. einem Viertel mit Wasser. Vermische den Inhalt des Reagenzglases. Notiert alle Geräte und Chemikalien, die ihr benötigt. Die Abbildung zeigt die Darstellung einer Lösung von Kochsalz in Wasser im Teilchenmodell.

Teilchenmodell: Zucker löst sich in Wasser

Erklärung der Vorgänge im Teilchenmodell

Das Lösen von Zucker in Wasser könnte man mit dem Zerstreuen einer Demonstration durch die Polizei vergleichen: Die Zuckermoleküle wollen wir uns dabei als Demonstranten, die Wassermoleküle als Polizisten vorstellen. Zuerst sind die beiden Gruppen von Demonstranten und Polizisten getrennt, doch wenn der Zucker ins Wasser hinzugefügt wird, treffen sie aufeinander. Nun versuchen jeweils mehrere Polizisten einen Demonstranten in die Mitte zu nehmen und ihn aus der Demonstrantengruppe zu lösen. Am Schluss ist jeder Demonstrant, also jedes Zuckermolekül, von mehreren Wassermolekülen umringt: Man erhält eine Zuckerlösung.

Der beschriebene Vorgang findet statt, weil die Wassermoleküle sogenannte „Wasserstoffbrücken“ mit den Zuckermolekülen bilden, wenn sie sich um sie herum anordnen. Die Brückenbildung beruht darauf, dass sich die Elektronen der Sauerstoffatome und der Kern (also das Proton) von Wasserstoffatomen anziehen.

Unterschied: Physikalischer Vorgang und chemischer Prozess

Das Lösen von Zucker in Wasser ist KEIN chemischer Prozess, sondern ein physikalischer Vorgang. Die Zuckermoleküle verbleiben als solche, ihre chemische Struktur (Summenformel C₁₂H₂₂O₁₁) bleibt erhalten. Es entstehen keine neuen Stoffe; lediglich die räumliche Anordnung der Zuckermoleküle verändert sich und sie werden durch Wassermoleküle umgeben (hydratisiert). Die Lösung kann durch Verdampfen des Wassers rückgängig gemacht werden, wobei reiner Zucker zurückbleibt.

Lesen Sie auch: Tipps: Käsekuchen aus der Springform

Rückgewinnung des Zuckers durch Verdampfen des Wassers

Vergleich zum Lösen von Salzen

Wenn Salze wie z. B. Kochsalz aufgelöst werden, passiert etwas ganz Ähnliches. In Salzen sind die Ionen (negativ bzw. positiv geladene Atome) in einer charakteristischen geometrischen Struktur angeordnet, die stabil ist, da sich die Ionen in einem günstigen Energiezustand befinden. Wenn das Salz gelöst wird, versuchen die Wassermoleküle wie beim Zucker, einzelne Teilchen aus der Struktur herauszulösen und zu umringen. Je nachdem, wie stark das Salzgitter ist und wie "glücklich" die Ionen darin sind, gelingt dies mehr oder weniger leicht.

Eigenschaften von Haushaltszucker (Saccharose)

Summenformel: C₁₂H₂₂O₁₁
Energiegehalt: 16,8 kJ pro Gramm
Dichte: 1,6 g/cm³ (schwerer als Wasser)
Wichtige Quelle: Zuckerrohr (Tropen), Zuckerrübe (gemäßigte Breiten, z.B. Mitteleuropa)

Zuckerrohr- und Zuckerrübenanbau weltweit

Löslichkeit in Wasser

Von den meisten Stoffen ist die Löslichkeit in Wasser bekannt. Kristallzucker (Saccharose) löst sich mit 1970 Gramm pro Liter (bei 20°C) äußerst gut in Wasser. Bei höherer Temperatur lässt sich oft mehr Zucker lösen, weil die Moleküle beweglicher werden und der Lösungsvorgang schneller abläuft.

Stoff	Löslichkeit in Wasser (g/l bei 20°C)
Kochsalz	359
Saccharose	1970

Wärmeeffekte beim Lösen

Beim Lösen wird die ursprüngliche Struktur des Feststoffs aufgebrochen, und die Moleküle gruppieren sich neu. Dabei verändert sich ihr Energiezustand: Es wird entweder etwas Energie in Form von Wärme frei, oder Wärme wird aufgenommen. Entsprechend verläuft der Lösungsvorgang entweder exotherm (es entsteht Wärme) oder endotherm (der Vorgang benötigt Wärme). Wenn dem System aus Feststoff und Flüssigkeit Wärme von außen zugeführt wird, beschleunigt dies endotherme Reaktionen.

Zuckersorten und Gewinnung

Die Saccharose ist als Substanz direkt in diesen Anbaufrüchten enthalten und wird durch Herauslösen, -kochen oder -pressen in wässriger Lösung extrahiert und beim weiteren Einkochen als Kristalle ausgefällt. Hauptquellen sind Zuckerrohr und Zuckerrübe. Haushaltszucker ist in vielen Varianten und Formen verfügbar, z.B. Raffinade, Grießzucker, Kandiszucker, brauner Zucker (entsteht z.B. durch Mischung mit Melasse oder durch Karamellisierung) oder Siruparten (Ahorn-, Rüben- oder Birnensirup).

Einmachzucker: besonders rein und grobkörnig, ideal zum Einmachen
Kandiszucker: unterschiedliche Größen, entsteht durch langsames Auskristallisieren
Isoglucose („High fructose corn syrup“): industriell aus Stärke gewonnen
Läuterzucker: klarer Sirup aus Zucker und Wasser, besonders leicht löslich
Melasse: dunkelbrauner Sirup, bleibt als Restprodukt der Zuckerherstellung zurück

Historie der Zuckergewinnung

Andreas Sigismund Marggraf hatte 1747 nachgewiesen, dass im Rübensaft Zucker enthalten ist. Die Fabrikationsverfahren, die sein Schüler Franz Karl Achard um 1800 entwickelte, führten 1825 zur Entstehung der Rübenzuckerindustrie, die bereits Ende des 19. Jahrhunderts ganze Landstriche, wie die Magdeburger Börde, auf den Anbau von Rüben ausrichtete. In der Spätantike war Saccharum genannter Zucker in Rom als Luxusgut nachgewiesen und wurde aus Indien importiert. Ab ca. 1500 wurde Zuckerrohr weltweit auf Plantagen angebaut und blieb lange Zeit ein Luxusgut. 1801 schuf Franz Carl Achard die Grundlagen der industriellen Zuckerproduktion. 1840 wurde der erste Würfelzucker der Welt von Jacob Christoph Rad erfunden.

Lesen Sie auch: 1 Liter Wasser und Zucker: Eine Untersuchung

Meilensteine der Zuckerherstellung und -nutzung

Zucker im Stoffwechsel

Stärke und Haushaltszucker werden im Körper zu Glucose abgebaut, was leicht über die Darmwand aufgenommen zu einem schnellen Blutzuckeranstieg führt. Die Bauchspeicheldrüse produziert daraufhin Insulin, um den Blutzuckerspiegel wieder zu senken. Fällt der Blutzuckerspiegel zu stark ab, kommt es zu einer Unterzuckerung (Hypoglykämie).

Diskussion zu gesundheitlichen Aspekten des Zuckerkonsums

Es ist umstritten, ob der Körper natürlich vorkommenden Zucker, zum Beispiel in Obst oder Honig (Fruchtzucker) anders verarbeitet als raffinierten Zucker. Anders als der Name vermuten lassen könnte, wird die Zuckerkrankheit nicht direkt durch Zuckerkonsum verursacht.

Zuckerstoffwechsel im menschlichen Körper

In der Alternativmedizin wird Zucker - besonders als Raffinade, also fast reine Saccharose - mit verantwortlich gemacht für eine Beeinflussung des körpereigenen Säure-Basen-Haushalts in Richtung eines geringeren pH-Werts, einer Übersäuerung. Sie gilt in Teilen der Naturheilkunde als mitverantwortlich für verschiedene Erkrankungen wie Rheuma, Migräne, Schlaganfall und Herzinfarkt, teilweise auch für Krebs. Diese Theorien sind nicht wissenschaftlich belegt, ernährungsmedizinisch nicht anerkannte Spekulationen.

Fazit: Lösen von Zucker in Wasser als physikalischer Vorgang

Beim Lösen von Zucker in Wasser bleibt die chemische Struktur des Zuckers erhalten und es findet keine chemische Reaktion statt - lediglich der physikalische Zustand verändert sich durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen Zuckermolekülen und Wassermolekülen. Die Zuckerlösung lässt sich durch das Entfernen des Wassers (z.B. durch Verdampfen) wieder in reinen Zucker zurücküberführen.