Eine künstlerische Einführung zu Anthocyaninfarben Teach article

Übersetzt von Kathrin Schäker. Die Herstellung ph-sensitiver Farben aus Früchten und Gemüse ist eine kreative Variation des Rotkohlsaft-Indikator Experimentes.

Figure 1: General structure of anthocyanin, in which R and R' are H, OH, or OCH3 and R'' is a sugar unit
Abbildung 1: Allgemeine
Struktur von Anthocyanin, R
und R‘ sind H, OH, oder OCH3
und R“ ist ein Zuckerrest

Mit freundlicher Genehmigung
von Gustavo Giraldi Shimamoto
und Adriana Vitorino Rossi

Bevor synthetische Färbemittel und Pigmente entwickelt wurden, wurden Naturprodukte verwendet, um einfache aber wirkungsvolle Farben herzustellen (wie zum Beispiel von Farusi, 2012) – dies können wir immer noch in den Gemälden prähistorischer und ausgestorbener Zivilisationen sehen. Diese natürlichen Farben wurden ursprünglich aus Mineralien oder Pflanzenextrakten gewonnen. In diesem Experiment konzentrieren wir uns auf eine bestimmte Gruppe von Pflanzen die Anthocyanine beinhalten (ACY, Abbildung 1).

Natürliche Farben sind oftmals weniger stabil als viele synthetische Farbstoffe, sie ändern die Farbe oder zerfallen bei Temperaturänderungen, im Licht, bei pH-Änderungen und oxidierenden Reagenzien. Dieser Effekt kann eine Unterrichtsstunde interessant gestalten. Bei unserer Arbeit mit Grundschülern benutzten wir Anthocyanine als farbgebende Stoffe für die Herstellung pH-sensitiver Farben.

Der Ursprung der Farbe

Anthocyanine sind organische Verbindungen, die die orange, rote, lila, blaue und fast schwarze Färbung von Blüten, Früchten, Blättern und Wurzeln vieler Frucht- und Gemüsepflanzen verursachen. Anthocyaninmoleküle besitzen Ringstrukturen, die Licht absorbieren und so als Sonnenschutz fungieren und die Pflanzenzellen beschützen. Die Wellenlängen des Lichtes, die von Anthocyanin nicht absorbiert werden, werden stattdessen reflektiert, so wird die Blüte oder Frucht als gefärbt wahrgenommen. Diese Farben locken Bestäuber und Samenstreuer an und sind somit auch für die Vermehrung der Pflanze von Bedeutung.

Anthocyaninlösungen ändern ihre Farbe mit dem pH-Wert des Mediums und fungieren so als natürlicher pH-Indikator (Abbildung 2). Normalerweise haben Anthocyanine eine rote Färbung in saurer Lösung und eine blaue in alkalischem Medium. Jedoch können auch andere Farben beobachtet werden, das ist abhängig vom pH und dem jeweiligen Anthocyanin und seiner Quelle. Der Farbwechsel kommt von der Zugabe oder Abgabe von Wasserstoffionen (H+) an der Molekularstruktur des Pigmentes, was die elektronischen Eigenschaften des Moleküls ändert und so auch die Wellenlänge des Lichtes, das das Pigment absorbiert. Diese Eigenschaft erlaubt uns die Verwendung von Pflanzenextrakten um den pH von Haushaltsmaterial und den Endpunkt von Säure/Base-Titrationen zu bestimmen, so wie im berühmten Rotkohl-Indikator Experiment (Terci & Rossi, 2002; Rossi & Shimamoto, 2010). Die Farbvariabilität von Anthocyaninen kann auch für die Herstellung von Farbe für Pinsel, Stempelbilder und Siebdruck erforscht werden.

Figure 2: Simplified representation of the chemical equilibrium responsible for the change in the colour of the anthocyanin ink
Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung des chemischen Gleichgewichtes, das für den Farbwechsel des Anthocaninfarbstoffes verantwortlich ist
Mit freundlicher Genehmigung von Gustavo Giraldi Shimamoto und Adriana Vitorino Rossi

Was ist eine Farbe?

Farben oder Farbmittel sind eine Mischung von Farbstoffen oder Pigmenten und ein Bindemittel, das der Farbe beim Haften an der zu bemalenden Oberfläche hilft. Diese einfache Zusammensetzung wird seit Tausenden von Jahren verwendet, aber chemische Verbesserungen und neue Technologien haben diese Farben ausgefeilter gemacht mit unendlichen Farbmöglichkeiten und verschiedenen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Fähigkeit an Hochglanzpapier oder Eierschalen zu haften.

Ein essentieller Bestandteil eines Farbmittels ist die Substanz, die ihm die Farbe verleiht: das Pigment oder der Farbstoff. Ein Pigment ist ein fein verteilter Feststoff, der unlöslich im Dispersionsmedium des Farbmittels ist und bietet – zusätzlich zur Farbe – unter anderem Deckkraft und Stärke. Der Farbstoff hingegen ist eine in dem Farbmittel lösliche Komponente. In unserer Farbe ist das Anthocyaninextrakt ein Pigment.

Anthocyaninfarbe zum Malen, Stempeln oder für den Siebdruck

Materialien

Changing the colour of the paintings with vinegar solution
Farbänderung der Bilder
durch Essiglösung

Mit freundlicher Genehmigung
von Gustavo Giraldi Shimamoto
und Adriana Vitorino Rossi
  • Früchte oder Gemüse mit Anthocyaninen, zum Beispiel Brombeeren, Trauben, Erdbeeren, Blaubeeren, Himbeeren oder Rotkohl.
  • 94% Ethanol (Volumen:Volumen)
  • Filterpapier (ein Kaffeefilter kann auch verwendet werden)
  • Petrischalen
  • Wasser
  • Hartpostpapier (ein hochwertiges, beständiges Schreibpapier mit einer Dichte größer als 50 gm-2)
  • Stempel, Farbroller oder Pinsel
  • EssigMehrzweckreiniger mit alkalischen Eigenschaften

Durchführung

  1. Zerkleinern Sie die Frucht oder das Gemüse und mischen sie es mit Ethanol in einem Verhältnis von 1:3 (Gewicht:Volumen) für 30 Minuten.
  2. Filtrieren Sie das Gemisch mit dem Filterpapier und schütten Sie das Filtrat in Petrischalen.
  3. Trocknen Sie den Anthocyaninextrakt indem Sie den Extrakt in den offenen Petrischalen, vor Licht geschützt, stehen lassen bis das Lösungsmittel verdampft ist (2 Tage). Für eine schnellere Verdampfung können die Schalen einem kalten Luftzug ausgesetzt werden oder in einem Laborabzug oder einem Dunstabzug aufbewahrt werden.
  4. Nachdem es getrocknet ist, mischen Sie das Anthocyaninextrakt (das wie eine Paste aussieht) mit Wasser in einem ungefähren Verhältnis von 1:10 (Gewicht:Volumen).

Sie können das hergestellte Farbmittel mit Pinseln oder Stempeln oder für Siebdruck verwenden. Diese Farbe ist ein pH Indikator, also kann die Farbe durch Zugabe von Säuren oder basischen Lösungen verändert werden. Um die Farbe zu ändern kann eine saure Lösung (Essig) und eine basische Lösung (Mehrzweckreiniger) mit einem Pinsel auf ein Papier mit getrockneter Farbe aufgebracht werden oder die Bilder können mit sauren und basischen Lösungen bespritzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist das Schreiben oder Malen mit farblosen sauren oder basischen Lösungen. Die Nachricht wird dann durch Besprühen mit Anthocyaninfarbe sichtbar gemacht, was eine unsichtbare Tinte simuliert. Ungefähr 1 Minute nach Auftragen der Anthocyaninfarbe auf Hartpostpapier werden die Bilder teilweise getrocknet sein.

 

Sicherheitshinweis

Überprüfen Sie Ihre lokalen Vorschriften wenn sie saure oder basische Lösungen verwenden, da Sicherheitsbrillen eventuell benötigt werden.

 

Was dabei passiert

Changing colours with different pH solutions. (a) Initial colour print, (b) after acid treatment, and (c) after alkali treatment
Farbwechsel bei
unterschiedlichen pH
Lösungen (a) ursprüngliche
Farbe, (b) nach
Säurebehandlung und (c)
nach 

Mit freundlicher Genehmigung
von Gustavo Giraldi Shimamoto
und Adriana Vitorino Rossi

Anthocyaninextrakte sind natürliche pH Indikatoren in Lösung als auch auf Papier. Der Farbwechsel kann durch die Interaktion zwischen dem Anthocyanin-beinhaltenden Wassermolekülen auf dem Papier und der Essigsäure des Essigs oder der Base des Mehrzweckreinigers erklärt werden.

Der Farbwechsel ist mit einem chemischen Gleichgewicht verbunden (eine vereinfachte Darstellung wird in Abbildung 2 gezeigt). Anthocyanine sind organische Verbindungen die mehrere Reste haben an denen H+-Ionen bei verschidenen pH-Werten hinzugefügt oder entfernt werden und so verschieden gefärbte Lösungen erzeugen. In Abbildung 2 sieht man drei hauptsächliche Farben, da drei Medien für die Anthocyninfarbe verwendet wurden: sauer, neutral und alkalisch. Durch die Verwendung von Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten, kann die unterschiedliche Färbung verglichen werden.

Jüngere Kinder (unter 11) können die Anthocyaninfarbe zum Zeichnen und Malen verwenden. Ältere Kinder (11+) oder Aufsichtspersonen können Essig (sauer) and verdünnten Reiniger (alkalisch) zur Veränderung des Designs verwenden und die Interaktionen in der Gruppe anregen. Sie können die Extraktion und Anwendung dieses Farbmittels sehr einfach ändern. Dies benötigt keine toxischen Reagenzien und bildet keine Substanzen die eine Behandlung vor Entsorgung benötigen.

Das Hauptziel dieser Freizeitgestaltung ist Neugierde zu wecken. Aber da man jede Frucht oder jedes Gemüse, das Anthocyanine enthält, zur Herstellung dieser pH-sensitiven Farbe verwenden kann, ist ein interdisziplinärer Ansatz, der Umwelterziehung und Stellenwerte beinhaltet, möglich. Während der Farbherstellung können Sie Natur, Umwelt, Biodiversität und deren rationale Nutzung für nützliche Produkte diskutieren.

Danksagung

Die Autoren danken der São Paulo Research Foundation (FAPESP) für finanzielle Unterstützung.

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References

Web References

Resources

  • Beautiful Chemistry, eine Webseite in China zeigt Videos und Bilder von Planzen, die ihre Farbe mit dem pH ändern.
  • Anthocyanine können auch für farbsensitive Solarzellen verwendet werden, wie in dieser Klassenraumaktivität erklärt:
  • Wenn Ihnen dieser Artikel gefallen hat, könnten Sie das folgende Buchkapitel interessant finden:
    • Salamão AA, et al (2010) Jogo pedagógico que explora a propriedade indicadora de pH de extratos de antocianinas de espécies brasileiras. In de Rezende CM, Braibante HTS (eds) A Química Perto de Você – Experimentos de baixo custo para a sala de aula do Ensino Fundamental e Médio pp35–43. Cidade Universitária, São Paulo, Brazil: Sociedade Brasileira de Química. ISBN: 9788564099005 [in Portuguese]. Diese e-book ist kostenlos zum  download verfügbar..

Author(s)

Gustavo Giraldi Shimamoto ist ein Promotionsstudent im Programm für analytische Chemie der Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) in São Paolo, Brasilien, und arbeitet im Nuclear Magnetic Resonance Laboratory.    

Adriana Vitorino Rossi promovierte an der UNICAMP und ist dort Professorin am Institut für Chemie. Ihr Fokus liegt auf analytischer Chemie und chemischer Ausbildung und sie koordiniert die Group for Research in Analytical Chemistry and Educationw1 an der UNICAMP.


Review

Dies ist ein neuartiger Ansatz um bekannte Wissenschaft zu lehren, entweder im Unterricht oder in einer Wissenschafts-AG.

Die Einleitung kann in einer weiterführenden Übung verwendet werden und der Artikel könnte als Ausgangspunkt für die Diskussion über Säuren, Basen und Indikatoren, chemischer Extraktion, Pflanzenwissenschaft, Naturwissenschaften und Kunst dienen.


Tim Harrison, Bristol ChemLabS, University of Bristol, Vereinigtes Königreich




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