Die chemische Reaktion der Zuckerverkohlung: Erklärung und Durchführung

Die Verkohlung von Zucker zählt zu den klassischen Experimenten im Chemieunterricht, da sie zahlreiche Besonderheiten einer chemischen Reaktion anschaulich macht - darunter Stoffumwandlung, Energieumwandlung und eindrucksvolle optische Veränderungen. Die chemische Reaktion, bei welcher Zucker durch Erhitzen oder Zugabe konzentrierter Säure verkohlt, ist ein Paradebeispiel für den Übergang von Edukten zu Produkten mit deutlich veränderten Eigenschaften.

Durchführung von Verkohlungsexperimenten

Verkohlung durch Erhitzen

Forme aus Alufolie eine kleine Schale, in der du den Zucker einfüllst. Halte anschließend die Schale mit der Tiegelzange über den Brenner und erhitze den Zucker. Nach Erhitzen verfärbt sich der Zucker braun und wird flüssig, dabei zeigt sich eine Gasentwicklung. Es ist ein Geruch nach Karamell vernehmbar. Bei weiterem Erhitzen wird der Zucker schwarz und bläht sich in der Schale auf. Am Ende der Reaktion bleibt ein schwarzer Rückstand. Es sind deutliche Unterschiede im Aussehen erkennbar: Das Edukt (weiß) und das Produkt (braun bis schwarz) unterscheiden sich deutlich.

Schale aus Alufolie für Zucker
Erhitzen mit Brenner und Tiegelzange
Verfärbung und Gasentwicklung
Karamellgeruch, spätere schwarze Masse
Deutlicher Unterschied zwischen Edukt und Produkt

Veränderung von Zucker beim Erhitzen: weiß zu schwarz

Verkohlung durch konzentrierte Schwefelsäure

Konzentrierte Schwefelsäure ist eine starke Säure, die besonders gut mit organischen Materialien reagiert und stark hygroskopisch wirkt. In ein Becherglas werden zwei Zuckerwürfel gegeben. Diese werden mit 5 mL konzentrierter Schwefelsäure versetzt. Nach der Zugabe der Schwefelsäure färbt sich der Zucker von gelb über braun zu schwarz. Es entsteht eine schwarze, feste Masse, die sich aufbläht. Außerdem erwärmt sich das Becherglas stark. Abb.: C₁₂H₂₂O₁₁ → C₁₂ + 11 H₂O.

Ein Reagenzglas wird 2 cm hoch mit Glucose gefüllt und anschließend mit konzentrierter Schwefelsäure versetzt. Aus der feinkristallinen Glucose entsteht eine schwarze amorphe Masse. Schwefelsäure ist stark hygroskopisch und wirkt dehydratisierend sowie oxidierend. Es tritt eine Verkohlung ein. Im Laufe der Zeit bildet sich eine "Kohlenstoff-Schlange" aus, die langsam nach oben wächst. Die entstehenden Gase Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Schwefeldioxid treiben die Masse in die Höhe.

Animation Kohlenstoff-Schlange

Beobachtungen und Veränderungen

Während das Edukt weiß und pulverig ist, weist das Produkt eine bräunlich-schwarze Farbe auf und hat eine glänzende Oberfläche. Es hat eine Stoffumwandlung stattgefunden. Die konzentrierte Schwefelsäure reagiert unter Gasbildung immer schneller mit dem angefeuchteten Zucker. Die erwärmte Behälterwand sowie die Veränderung des Aggregatszustandes sind als Folge der ablaufenden chemischen Reaktion erkennbar.

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Edukt	Produkt	Eigenschaftsänderung
Weiß, Kristallin, fest	Schwarz, aufgeschäumt, amorph	Farbe, Konsistenz, Geruch

Deutung der Reaktion

Unter Karamellisieren versteht man die Reaktionen, die beim trockenen Erhitzen von Zuckern wie z.B. dem Haushaltzucker ablaufen. Bei etwa 140 -160°C finden erste Umsetzungen statt. Außerdem entsteht Maltol. Die Reaktion kann gut zum Einstieg in das Thema der Merkmale einer chemischen Reaktion genutzt werden, da das Produkt eine deutliche andere Farbe und Konsistenz als die Edukte besitzt.

Konzentrierte Schwefelsäure ist neben ihrer starken Säurewirkung auch stark hygroskopisch (=Wasseranziehend). Diese Tatsache führte historisch auch zur Bezeichnung "Kohle(n)hydrate" - welche jedoch eigentlich bei genauerer Betrachtung nicht korrekt ist.

Schwefelsäure ist stark hygroskopisch und wirkt dehydratisierend sowie oxidierend. Ziemlich sicher ist, dass aus den Glucosemolekülen die Elemente von Wasser abgespalten werden. Das abgespaltene Wasser ist auch kaum für das Aufblähen der Kohle verantwortlich. Dass bei dem Zuckerkohle-Versuch aber trotzdem Redoxvorgänge ablaufen, liegt an den C-Atomen 1 und 6. Diese werden oxidiert, da die Oxidationszahlen verschieden von Null sind.

Chemische Gleichung

Die typische Gleichung für Saccharose lautet: C₁₂H₂₂O₁₁ (Zucker) + H₂SO₄ (Schwefelsäure) → 12 C (Kohlenstoff, schwarz) + 11 H₂O (Wasser, Gas) + weitere Nebenprodukte.

Karamellisieren: Umwandlung bei 140-160°C
Verkohlung: Dehydratisieren durch Schwefelsäure
Gasentwicklung: Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid
Oxidation bestimmter Kohlenstoffatome

Entsorgung und Sicherheitshinweise

Nach Ende und Abkühlen der Reaktion wird das Produkt mit einer Lauge (z.B. Natriumcarbonat) neutralisiert und gefiltert. Feste Rückstände können im Feststoffabfall, flüssige Rückstände im Ausguss entsorgt werden. Die Lösung wird neutralisiert und der Feststoff abfiltriert. Dieser kann dann im Feststoffabfall entsorgt werden. Das Filtrat wird in den Säure-Base-Abfall gegeben.

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Entsorgung: Neutralisation, Filtration, Abfalltrennung
Schutzmaßnahmen: Säurefeste Handschuhe, Schutzbrille
Gefahr: Starke Wärmeentwicklung, Gefahrstoffe

Entsorgung von Zuckerverkohlungsprodukten

Hinweise für den Unterricht

Der Versuch kann gut zum Einstieg in das Thema der Merkmale einer chemischen Reaktion genutzt werden, da das Produkt eine deutliche andere Farbe und Konsistenz als die Edukte besitzt. Außerdem ist die Erwärmung des Becherglases sehr gut fühlbar, sodass die Schüler eine Wärmeabgabe beobachten können.

Da das Phänomen der Verkohlung laut Literatur noch nicht vollständig geklärt ist, wurde keine Reaktionsgleichung angegeben. Viele Aspekte können thematisch weiterführend als Redoxvorgänge, Stoffumwandlung oder Energieumwandlung behandelt werden. Auch komplizierte Redox-Vorgänge laufen ab, die für das Verständnis organischer Chemie wertvoll sind.

Literatur und Copyright

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Organische Chemie, Volk und Wissen, Berlin, 2009. R. Blume, D., M. Just, E. Just, O. Kownatzki, H. Keune, Eds.

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