Arbeitsblatt: Unterrichtseinheit: Herstellung von Laugengebäck

Herstellung von Laugengebäck an der Sekundarstufe 1 Dieses Dokument darf beliebig reproduziert und/oder verändert werden. Für die korrekte Anwendung ist in jedem Fall die durchführende Person verantwortlich. Anleitungen für SuS und LP sind im Anhang verfügbar. Dominic Weber im Sommer 21 Inhalt Einleitung2 Grundlagen2 Lebensweltbezug.2 Lehrplanbezug.2 WAH2 NT3 Bezug zum Thema «Erneuerbare Energien».4 Chemische Hintergründe.4 NaOH.4 HCl4 Bezug von NaOH.5 Bezug von HCl.5 Sicherheit.6 Chemische Prozesse6 Umsetzung im Unterricht6 Voraussetzungen.7 Vorbereitung7 Unterrichtsunterlagen.7 Gebäckzutaten7 NaOH.7 HCl7 Erprobung8 Durchführung.8 Nachbereitung.8 Kosten9 Anhang9 Sicherheitsdatenblatt Natriumhydroxid.9 Sicherheitsdatenblatt Salzsäure9 Herstellung von Laugengebäck.9 Unterlagen für die Unterrichtseinheit9 Einleitung Das folgende Dokument beschreibt die Herstellung von Laugengebäck im Chemieunterricht der Sekundarstufe 1. Es wurde erstmals im Rahmen eines Semesterpraktikums (P3) der PHBern im Sommer 2019 verfasst. Die Inhalte sollen Lehrpersonen befähigen, selbst mit einer Klasse sicher Laugengebäck herstellen zu können. Grundlagen Lebensweltbezug Laugengebäck ist etwas Alltägliches. Viele Personen schätzen Laugengipfel, Brezeln oder Brötchen sehr. Die Wenigsten machen sich aber Gedanken darüber, wie diese produziert werden, und auch viele Backstuben sind inzwischen dazu übergegangen, diese aufgrund des Aufwands nicht mehr selbst herzustellen. Die Methode mit Natriumhydroxid ist geschmacklich derjenigen mit Natron überlegen, auch wenn diese zuhause einfacher durchgeführt werden kann. Lehrplanbezug Backen ist nicht eine traditionelle Tätigkeit im Chemielabor. Umgang mit ätzenden Chemikalien ist auch eher nicht eine traditionelle Tätigkeit im WAH-Unterricht, von Putz/Reinigungsmitteln abgesehen. Bringt man beides zusammen, so erhält man ein Thema, das wahrscheinlich weder in der Chemie («Essen im Labor?!»); noch im WAH («Ätzende Chemikalien in MEINEM Essen?!») gut ankommt. WAH In den Kompetenzen WAH finden sich keine expliziten Verweise zu Nahrungsexperimenten oder zur Zusammenarbeit mit NT. Die einzige annährend verknüpfte Kompetenz ist WAH 4.4c (Veränderung durch Temperatur). In den didaktischen Hinweisen findet sich dafür folgende Passage: Praktisches Lernen bei der Nahrungszubereitung Nahrungszubereitung hat im Unterricht den Charakter eines Projektes. Die Schülerinnen und Schüler üben sich im Umgang mit Nahrungsmitteln, Rezepten und in der Zubereitung von Gerichten und lernen, selbstständig zu planen. Sie nutzen unterschiedliche Varianten der Zusammenarbeit, reflektieren und evaluieren ihren Arbeitsprozess sowie das dabei entstandene Gericht. Forschende Vorgehensweisen ermöglichen den Lernenden zudem, Eigenschaften von unterschiedlichen Nahrungsmitteln differenzierter wahrzunehmen oder die Wirkung von Vorgehensweisen bei der Zubereitung nachzuvollziehen. Die Schülerinnen und Schüler erleben, dass organisiertes Arbeiten sowie Selbstständigkeit und Kooperationsfähigkeit das Zubereiten von Nahrung vereinfachen. Auf diese Weise erarbeiten sie sich grundlegende Vorgehensweisen und Arbeitsstrukturen, die auch im Alltag und in der Berufswelt nutzbar sind. Dies ist wiederum sehr nah am Experimentalunterricht im NT. NT Im NT lassen sich mehrere Bezüge herstellen. Die am besten geeigneten sind wohl NT 3.1b (Stoffumwandlungen) und NT 3.1d (Einfluss der Temperatur). In den didaktischen Hinweisen finden wir wiederum: «Physik Chemie Biologie Das Zusammenspiel von Experiment und theoretischer Modellbildung spielt dabei eine zentrale Rolle. Beim Aufbau chemischer Kompetenzen stehen die Untersuchung und Beschreibung von Stoffen und Stoffumwandlungen sowie deren Erklärung mithilfe von Modellen im Mittelpunkt. Wesen der Naturwissenschaften Dabei geht es beispielsweise darum, was die Naturwissenschaften charakterisiert, was naturwissenschaftliches Wissen ausmacht, wie Erkenntnisse gewonnen werden, wie sich naturwissenschaftliche Zweige entwickelt haben oder welche gesellschaftliche Bedeutung den Naturwissenschaften zukommt. Die Auseinandersetzung mit diesen Fragen wird auf unterschiedliche Weise angeregt: Durch einen impliziten Zugang, welcher durch das Anwenden naturwissenschaftlicher Methoden realisiert wird. Alles in Allem lässt sich von der Chemie her der bessere Zugang herstellen. Der Versuch ist stark, was Lebensweltbezug und fächerübergreifenden Unterricht angeht, und die Motivation der SuS sollte dadurch auch gesteigert sein. Bezug zum Thema «Erneuerbare Energien» Für die Gewinnung (s.u.) von NaOH wird die Elektrolyse (elektrischer Strom) verwendet. Auch die chemische Industrie an sich lässt sich gut thematisieren. Auch die Elektrolyse von Wasser lässt sich anknüpfen, für H2-Gewinnung als Speicherenergie oder zur erneuten Verbrennung. Schliesslich wird auch Lithium unter anderem durch Elektrolyse gewonnen und für viele Batterien verwendet. Chemische Hintergründe NaOH Natriumhydroxid (NaOH) ist ein weisser Feststoff. Weltweit werden jährlich ca 60 Millionen Tonnen produziert. Industriell erfolgt die Produktion hauptsächlich durch Chlor-Alkali-Elektrolyse: Salzwasser (Sole/Lake) wird mittels Strom je nach Methode und gewünschten Produkten in Chlorgas, Wasserstoff, Wasser und Natriumverbindungen (Hydroxid/Chlorid) getrennt. Das Problem bei der früheren Methode (Castner-Keller-Zelle) besteht darin, dass zwischenzeitlich ein NatriumQuecksilber-Amalgam entsteht. Etwaige Reste Quecksilber oder anderer Schwermetalle könnten so im fertigen Stoff vorhanden sein. Neuere Methoden arbeiten mittels Membranen und können direkt konzentriertes NaOH abscheiden. Allgemein ist die Produktion sehr energieintensiv, wobei durch die starke Verwendung von Chlorverbindungen in der chemischen Industrie NaOH oft als sekundär erwünschter Stoff anfällt. Natriumhydroxid wird hauptsächlich als Natronlauge verwendet. Anwendungszwecke sind unter anderem: Neutralisation von Säuren, Herstellung von Seifen und in der Pharmazie, sowie als Reinigungsmittel. NaOH hat ein sehr praktisches spezifisches Gewicht von 39.997 40 Gramm pro Mol. Somit ist ein Berechnen der nötigen Verdünnungen auch im Kopf einfach. HCl Chlorwasserstoff Wasserstoffchlorid (HCl) ist ein farbloses Gas, das sich leicht in Wasser löst. Eine wässrige Lösung wird meist Salzsäure genannt. Der Grossteil von HCl wird zur Produktion dieser Salzsäure verwendet. Wie im obigen Bild sichtbar, wird beim Chloralkali-Prozess ebenfalls Chlorgas produziert. Der Grossteil der Produktion wird jedoch als Nebenprodukt von diversen Synthesen hergestellt und grossteils durch die Produzenten selbst wiederverwendet. Die totale Produktion pro Jahr wird auf ca. 20 Millionen Tonnen geschätzt. Salzsäure wird industriell ebenfalls vielseitig verwendet: Zur Reinigung von Metallen (z.B. Eisenoxiden), Neutralisation von Laugen, in der Bau- und Pharmaindustrie und Trinkwasseraufbereitung. Ein grosser Teil wird zur Produktion von organischen Kunststoffen, wie Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. HCl hat ein spezifisches Gewicht von 36.46 g/mol. Die Berechnung von passenden Lösungen erschwert sich dadurch, dass es nicht «rein», sondern nur gelöst erwerbbar ist, und dies zusätzlich in verschiedenen Verdünnungen zwischen 5-40%. Je nach Lieferung/Bezeichnung muss so zuerst vom Massenanteil auf das Gewicht und die Stoffmenge umgerechnet werden. Eine Dichtewerttabelle befindet sich in den Quellenangaben. Bezug von NaOH Generell bieten sich 2 Bezugsquellen an: Backstuben und Apotheken. Backstuben beziehen teilweise via Zwischenhändler und produzieren das Laugengebäck nicht mehr selbst. Oft haben sie aber grössere Mengen an NaOH an Lager – teilweise bereits gelöst. Zur Nutzung muss dieses nur noch stärker verdünnt werden. Apotheken ohne speziellen Chemikalienbestand müssen NaOH oft bestellen. Die meisten erhalten wöchentlich eine Lieferung. Herkömmliche Grössen sind 1 oder 5kg-Packungen. Dabei liegt das NaOH meist in Pelletform vor. Es ist ohne spezielle Anforderungen erhältlich. Beide bieten Vor- und Nachteile: Bezug Backst ube Definitiv geeignet Keine eigene Lösung, falls dies (Lebensmittelecht) gewünscht wird (Beispiel Eventuell direkt in passender exotherme Reaktion) Verdünnung beziehbar Nicht überall erhältlich Ratschläge/Tipps zur Verwendung Bäcker könnte die Lösung nicht Teilweise in kleinen Mengen weitergeben wollen. billiger als Apotheke/sogar (fast) gratis Apothe Grössere Mengen beziehbar Definitiv höherer Preis ke (Lager) Verwendung für andere Expliziter Vermerk PhEur Experimente Lebensmittelecht (s.u.) nötig Herstellung eigener Lösungen Muss selbst gelöst werden. NaOH mit variablen Konzentrationen Gekauftes NaOH in Pelletform kann problemlos lange gelagert werden: Behälter gut verschliessen, da dieses Wasser anzieht und verklumpt. Bezug von HCl Salzsäure ist in verschiedenen Verdünnungen und an verschiedenen Orten erhältlich. Höher konzentrierte Lösungen bieten meist einen Preisvorteil, wenn man diese selbst herunterverdünnt. Wichtig ist, keine zu hoch konzentrierten (36%) zu wählen. Die Behälter sollten trotzdem unter einem Abzug/Schrankabzug gelagert werden. Hier ist eine technische Qualität vollkommen ausreichend (wird nicht konsumiert). Sicherheit Die oben erwähnte Methode des Amalgamprozesses läuft aus und gilt in Europa schon lange nicht mehr als «Standard». Dennoch sollte beim Kauf in der Apotheke erwähnt werden, dass nicht technische oder Analysequalität gewünscht ist, sondern Lebensmittelqualität. Produkte mit Vermerk «Ph.Eur.» (EU-Pharmacopeia) unterliegen hier den nötigen Qualitätsvorschriften. Im Unterricht selbst sind im Umgang mit Säuren wie Laugen die nötigen Sicherheitsvorschriften gemäss Datenblatt stets einzuhalten: Handschuhe, Schutzbrille werden getragen, Pellets nie mit blossen Händen angefasst. Nach Kontakt mit der Haut: Bei Berührung mit der Haut mit viel Wasser gründlich abwaschen. Verätzungen können zu schwer heilenden Wunden führen, bei Reizung Arzt hinzuziehen. Nach Berührung mit den Augen: Bei Berührung mit den Augen sofort bei geöffnetem Lidspalt 10 bis 15 Minuten mit fließendem Wasser spülen und Augenarzt aufsuchen. Unverletztes Auge schützen. Nach Aufnahme durch Verschlucken: Sofort Mund ausspülen und reichlich Wasser nachtrinken. Im Magen wird die Lauge neutralisiert; beim Verschlucken besteht die Gefahr der Perforation der Speiseröhre und des Magens ((starke Ätzwirkung, besonders bei Pellets). Sofort Arzt hinzuziehen. Chemische Prozesse Der Versuch zeigt, wie unter Einfluss von Hitze eine Veränderung eines Stoffes geschieht. Es handelt sich dabei um mehrere, gleichzeitig ablaufende Reaktionen. Zum einen ist die Maillard-Reaktion zu erwähnen: Hier werden Nahrungsbestandteile unter Hitze zu neuen Verbindungen verändert. Dabei entsteht eine charakteristische «Bräunung» der Oberfläche, welche auch beim Frittieren oder Braten auftritt. Die diversen Verbindungen sind dabei nicht genau identifiziert. Die Oberfläche des Gebäcks, bestrichen mit NaOH, reagiert mit Kohlendioxid zu «Natron» (Natriumhydrogencarbonat): NaOH CO NaHCO Weitere Reaktionen beinhalten die Bildung von Natriumcarbonat und Wasser: NaHCO NaOH NaCO HO sowie eine Zersetzung aufgrund der Hitze, bei der Kohlendioxid und Wasser wiederum frei werden: 2NaHCO NaCO HO CO Umsetzung im Unterricht 2 Ressourcen können beim vertieften Verständnis des Themas und dem richtigen Backen sehr hilfreich sein: Zum einen ist dies die Broschüre «Herstellung von Laugengebäcken von MeisterMarken Ulmer Spatz, zum anderen ein Blog (lauge.boerners.net) mit Anleitungen für diverses Laugengebäck. Voraussetzungen SuS: Einführung in Sicherheitsgrundlagen beim Experimentieren. «Stabile» Klasse, die sich an Regeln hält. Idealerweise kennen sie die Schulküche bereits (im oder nach 8. Schuljahr). LP: Keine besonderen. Infrastruktur: Backöfen, Backbleche, idealerweise Teflon- oder Silikonbackpapier, Gefäss für Lauge, Sieb, Kühlschrank, ca. 80.- Budget, Folgejahre sind eventuell billiger aufgrund vorhandenem NaOH/HCl. Vorbereitung Unterrichtsunterlagen Mögliche Beispielsdokumente für Rezept, Laugen und Verdünnung sind angehängt. Gebäckzutaten Die Zutaten für die Brezeln selbst sollten in der Schulküche grossteils vorhanden, bzw. auch in anderen Rezepten gut nutzbar sein. Die folgenden Angaben sind für 10 Brezeln gedacht. Men ge 1000 500 1/2 2 75 1 Einh eit ml KL TL Würfe Zutat Weizenmehl lauwarmes Wasser Zucker Salz Butter Frischhefe Grobes Salz zum Bestreuen NaOH Zur Vorbereitung muss das NaOH wie oben beschrieben beschafft werden. Es ist eine Konzentration von 3-4% erwünscht. Im Anschluss sollte ein geeigneter Behälter für das Laugen gewählt werden: Eine Edelstahlpfanne eignet sich im Zweifelsfall gut. Achtung: keine Aluminiumpfannen nutzen. Dank der erwähnten, praktischen molaren Masse von 40g/mol errechnet sich die Verdünnung wie folgt: Gram Pellet 200g 80g 40g Liter Wass er Molarit ät Erwarte ter pH 5l 2l 1l 4% 1M 14 50g 5l 60g 2l 3% 0.75M 13.7 30g 1l Die Reaktion verläuft exotherm, langsam Plättchen zum Wasser hinzugeben und einrühren. HCl Die Lauge muss am Ende auch wieder neutralisiert werden. Idealerweise wird ebenfalls eine starke Säure dazu verwendet. HCl hat gegenüber anderen den Vorteil, dass bloss «Salzwasser» entsteht, welches in dieser Menge problemlos über den Abfluss entsorgt werden kann. Es wird weniger Stoffmenge benötigt werden, als NaOH gelöst wurde (Verlust durch Teig). Die nötigen Verdünnungen errechnen sich mit Masse 1 Masse 2 . Es gilt dabei, Volumen1 Volumen 2 wie oben erwähnt: Zuerst muss die effektiv vorhandene Stoffmenge und Volumen bestimmt werden, welche aber auf der Verpackung und Beiblättern enthalten sein sollte. Eine Anleitung zur Neutralisierung ist im Anhang. Erprobung Es bietet sich dringend an, vor dem erstmaligen Durchführen mit einer Klasse das Rezept selbst einmal auszuprobieren, idealerweise vor Ort. So können auch die Beispielsdokumente mit eigenen Bildern ergänzt werden und mögliche Probleme werden vorher erkannt. Durchführung Für die Durchführung sollten 3 Lektionen einberechnet werden, idealerweise mit einem Unterbruch nach der ersten Lektion (Theorie/Mittag), so dass die Teigstücke auskühlen und fester werden können. Die SuS können den Teig nach Anleitung in Gruppen (3-4) selbst kneten, ev. mit einer Maschine zur Hilfe. Man lässt den Teig etwas aufgehen und teilt ihn dann in einzelne Stücke (Brezeln/Brötchen) auf, die man formt und auf Bleche legt. Im Anschluss kommen die Teigstücke in den Kühlschrank, wo sie während ca 1h fest werden sollten. Dies vereinfacht das Laugen. In der Zwischenzeit kann man eine Sequenz zur Löslichkeit einbauen und die NaOHLösung herstellen. Die Teigstücke werden während 30-50s in die Lauge gegeben und dann abgetropft. Besonders unten, wo sie aufliegen, ist ein Abtupfen mit Haushaltspapier sinnvoll, da dort die Hitze oft weniger gross ist und möglicherweise Teile des NaOH nicht komplett umgesetzt werden (seifig/scharf). Das Haushaltspapier sollte nicht in Kehricht, in den Personen noch reinfassen könnten. Nach dem Laugen und Abtupfen wird nach Ermessen etwas grobkörniges Salz darübergestreut und Schnitte in die Teigstücke gemacht, welche dann weisse Muster ergeben. Teflonbeschichtete oder Silikonpapiere bieten sich an, eventuell kann man beim Erproben des Rezepts auch verschiedene Unterlagen ausprobieren. Die Bleche kommen während 15-25 min (je nach Grösse der Teigstücke und gewünschter Bräune) in den auf 200C vorgeheizten Ofen. Unterhitze ist zusätzlich sinnvoll, damit auch das NaOH auf der Unterseite vollständig reagiert. Möglichst rasch nach dem Backen sollte man das Gebäck vom Blech/Papier entfernen und zum Abkühlen stellen. Nachbereitung Die NaOH-Lösung wird verdünnt und mit Salzsäure versetzt. NaOH HCl NaCl H2O. Dazu ist etwas weniger Mol Salzsäure nötig, als Mol NaOH anfangs gelöst wurden (Verlust durch Teig). Die Reaktion verläuft wiederum stark exotherm. Ein Zusatz von Eis ist sinnvoll. Danach wird das Salzwasser im Abfluss entsorgt. Kosten Die Kosten für die Backzutaten belaufen sich auf 10.- und sollten zu einem grossen Teil in der normalen Schulküche schon vorhanden sein. NaOH oder die Lauge variieren im Preis, sollten aber nicht über 40.- für 1kg Pellets kosten (reines NaOH, lange Zeit verwendbar). Anhang Sicherheitsdatenblatt Natriumhydroxid NaOH.pdf Sicherheitsdatenblatt Salzsäure HCl.pdf Herstellung von Laugengebäck Herstellung_Laugeng ebaeck.pdf Unterlagen für die Unterrichtseinheit Herstellung NaOH.docx Neutralisierung.docx Anleitung Brezel.docx Quellenangaben Brezel FAQ. Häufig gestellte Fragen. Brezel-Bäcker. Chloralkali-Elektrolyse. Wikipedia DE. (05.06.2019) Chlorierung. Wikipedia DE. (05.06.2019) Chlorwasserstoff. Wikipedia DE. (05.06.2019) Dichtewerttabelle von Salzsäure. Das Periodensystem der Elemente Online. (05.06.2019) Groups.io: Diskussion Laugenbrezel Brezel and Pretzel Soft Pretzels with Old World Taste. (05.06.2019) Herstellung von Laugengebäcken. Meistermarken – Ulmer Spatz. k.pdf (05.06.2019) Hydrochloric Acid. Wikipedia EN. (05.06.2019) Hydrogen chloride. Wikipedia DE. (05.06.2019) Industrial Production of Sodium Hydroxide: Processes Equations. academy/lesson/industrial-production-of-sodium-hydroxide-processes-equations.html (05.06.2019) Laugenbrezel, Laugengebäck. Traditionelle Herstellung von Laugengebäck verschiedener Formen in Österreich. laugenbrezel_gebaeck.html (05.06.2019) Laugenbrezeln und Laugengebäck. (05.06.2019) Laugen-Brezel selbst gemacht. Schweizer Radio und Fernsehen. (05.06.2019) Lehrplan 21 für die Volksschule des Kantons Bern. Abschnitte NT und WAH. Deutschschweizer Erziehungsdirektoren-Konferenz (D-EDK) (05.06.2019) Maillard-Reaktion. Wikipedia DE. (05.06.2019) Natriumhydroxid. Wikipedia DE. (05.06.2019) Natronlauge. (05.06.2019) Salzsäure. Seilnacht. (05.06.2019) Sodium Hydroxide. Wikipedia EN. (05.06.2019) Sodium Hydroxide and Chlorine Production by Electrolysis. AUS-e-TUTE. (05.06.2019) Verfahren zur Elektrolyse von Natriumchlorid. Chemieunterricht.de (05.06.2019)