Cola und Kurven

cola.gif Viktor Obendrauf


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Schaurige Spekulationen
Am 8. Mai 1886 hat ein amerikanischer Drogist namens John Styth Pemperton auf der Suche nach einem neuen Allheilmittel erstmals aus Wasser, Zucker, Kola -Nüssen, Coca-Strauchblättern und einigen bis heute (!) offiziell geheim gehaltenen (natürlichen) Aromastoffen ein Gebräu geschaffen, das letztlich nicht als Medizin gegen Abgeschlagenheit und Völlegefühl sondern als Erfrischungsgetränk einen unbeschreiblichen Siegeszug in über 160 Ländern der Welt antrat.
Im Zeitalter der Spurenanalytik und staatlichen Lebensmittelkontrollen dürfte die historisch gewachsene Geheimniskrämerei um das genaue Rezept jedoch nur mehr von der Werbeabteilung der Weltfirma wirklich ernst genommen werden. Trotzdem sind jedoch Gerüchte über verschiedene gesundheitsgefährdende Wirkungen durch unbekannte Inhaltsstoffe im Coke nie ganz verstummt. Vor allem der niedrige pH-Wert gibt immer wieder Anlaß zu schaurigen Spekulationen: Cola-Getränke könnten Fleisch zersetzen, ähnlich aggressiv würden Magenwände angegriffen. Verfärbte und gequollene Fleischstücke, die in Cola-Getränken gelagert worden waren, werden als Beweis angesehen. Daß ähnliche Effekte auch in Mineralwasser beobachtbar sind, weil im sauren Milieu u. a. dem Fleisch Stickstoff entzogen wird, ist schon weniger bekannt.
Der Gehalt an Phosphorsäure als Säuerungsmittel in Cola-Getränken scheint manchmal überhaupt suspekt: Sogar 0,1molare (=ca. 1%ige) Lösungen mit entsprechend phosphatierender Wirkung auf Eisen werden kolportiert.

Die süßen Fakten
Zu 99% besteht Coca-Cola aus Wasser und Zucker. Der rasch resorbierbare Zuckeranteil von 11% (!) ist es auch, der den Cola-Trinker munter macht. Der Coffeingehalt dürfte sich erst bei einem exzessiveren Cola-Konsum bemerkbar machen. Kaffee z. B. enthält nämlich drei- bis viermal soviel Coffein. Weitere Inhaltstoffe: Konzentrat (etwa drei Teile Coka- und ein Teil Cola-Extrakt), nicht deklarationspflichtige natürliche Aromastoffe, brauner Karamelzucker (Zuckerkulör E 150), Kohlensäure und Orthophosphorsäure als geschmackliche Abrundung. Die Orthophosphorsäure (E 338) als Säuerungsmittel für Cola-Getänke geriet wie die Phosphate vor etlichen Jahren in Verdacht, bei Kindern das hyperkinetische Syndrom hervorzurufen. Wissenschaftlich wirklich bestätigt konnte diese Theorie bis heute nicht werden. Anorganische Phosphorsäuren und Phosphate findet man natürlicherweise zum Glück in vielen Lebensmitteln. Phosphate gibt es vor allem in Eiern, Nüssen, Käse und Milch. Wenn Kinder von Cola-Getränken überaktiv werden, dürfte das eher am Coffein-Gehalt liegen. Die Behandlung eines "Zappelphilipp" wird wohl schwer auf eine phosphatarme Diät beschränkt bleiben können. Zuwenig Phosphat könnte sogar zu Knochenbildungsstörungen führen. Überschüssiges Phosphat wird normalerweise hormongesteuert ausgeschieden.

Die Bestimmung von E 338
Geräte und Material:
Als äußerst praktische Bürette dient eine 50 ml Kunststoffspritze, die direkt an einen handelsüblichen Venen-Katheder (inkl. Dreiweghahn) angeschlossen wurde. Diese chemikalienbeständige Kunststoff-Kombination ist in medizin-technischen Spezialgeschäften um ca. 70.- erhältlich und ermöglicht durch sehr kleine Tropfenbildung (ca. 70 Tropfen/ml) eine exakte Eichung des Tropfenzählers. Durch die Fixierung der Kanüle mittels passendem Vakuumschlauchstück direkt im Rohr des Tropfenzählers ist eine ausgesprochen bequeme Bedienung der Bürette möglich.

Durchführung:
Ca. 150 ml Cola-Getränk (kein Cola light!) werden in einem Becherglas mit einem kleinen Labor-Magnetrührer solange gerührt, bis kein entweichendes Kohlendioxid mehr beobachtbar ist. Von dieser Probe werden mittels Pipette genau 100 ml entnommen und mit 0,1 molarer Natronlauge (4,0 g NaOH-Plätzchen pro Liter Wasser) titriert. Der pH-Wert der Lösung wird gegen den Verbrauch an Natronlauge kontinuiertlich registriert (siehe auch Titelfoto dieser Ausgabe).
Der Verbrauch an NaOH bis zum ersten Äquivalenzpunkt der Phosphorsäure (bei rund pH 4,1-4,5) schwankt (offensichtlich je nach Restgehalt an Kohlendioxid) um 4,9 ml. Der zweite Äquivalenzpunkt ist durch diverse Pufferungen weit verschoben und zur Berechnung nicht geeignet. Der dritte Umschlag liegt theoretisch gar bei pH 12 und ist unter den Versuchsbedingungen nicht mehr beobachtbar. In Cola light ist u. a. auch Citronensäure enthalten, daher schon die Lage des 1. Äquivalenzpunktes nicht mehr exakt feststellbar.
Berechnung:
1 Mol Natronlaugenverbrauch bis zum 1. Äquivalenzpunkt entspricht 1 Mol Orthophosphorsäure in der Probe.
H3PO4 + NaOH ---> H2O + NaH2PO4
4,9 ml NaOH (c= 0,1 Mol/l) sind 0,49 mMol NaOH. Damit sind in 100 ml Cola-Getränk auch 0,49 mMol Orthophosphorsäure H3PO4 mit der Molmasse 98g/Mol.
0,49 mMol entsprechen somit 98g mal 0,00049 =0,048g (in 100 ml Cola-Getränk)
Somit ergibt sich der überraschend niedrige Gehalt an Phosphorsäure von unter 0,05 %Masse!

Ein kindersicherer Zauberkasten
Die titrimetrische Bestimmung von Orthohosphorsäure als Säuerungsmittel in Cola-Getränken war im Schullabor bislang ein eher wenig lustbetontes Unterfangen. Die intensive Färbung der Probe macht den Einsatz von Indikatoren unmöglich. Die mehrstufige Protolyse der Phosphorsäure war (bedingt durch den geringen Gehalt im Cola-Getränk) nur bei genauester Aufzeichnung der pH-Meßdaten wirklich gut erkennbar. Seit kurzem gibt es jedoch auch für jene österreichischen Schulen, die nicht schon stolze Besitzer der "Dibox" sind, das multifunktionelle Interface "Chembox" mit zugehöriger Windows-Software "Chemex", mit dem selbst eingefleischte "Computer-Flüchtlinge" unerwartete Erfolgserlebnisse haben werden. Die beschriebene Bestimmung der Orthophosphorsäure im vorliegenden Artikel ist nur ein Beispiel von unzähligen, auch viel einfacheren Möglichkeiten, die das digitale "pH- ,Thermo- ,Kondukto- ,Volu...meter" bietet.

Die Maus macht mobil
Alle spannungsliefernden Sensoren, wie pH-Elektroden, Leitfähigkeitsprüfer, Thermofühler, Kraftsensoren, Drucksensoren usw. und Impulssensoren (Tropfenzähler zur Volumsmesung) können nämlich in kürzester Zeit und kinderleicht mittels Windows-Bedienoberfläche geeicht und für verschiedenste Physik- und Chemieversuche zum Einsatz gebracht werden. Mittels Mausklick wählt man bequem zwischen den Karteikarten "Einstellen (Eichen)", "Messen" (Schreiber oder Großanzeige), "Info" und "Protokoll". Alle Meßbereiche und Einheiten der am Bildschirm groß darstellbaren Anzeigeinstrumente und des Y/t- bzw. X/Y-Achtkanal(!)schreibers können auf Knopfdruck nahezu beliebig verändert und gezielt angepaßt werden. Dabei benötigt man zur Installation der Chembox mit Chemex nicht einmal unbedingt einen 486er PC. Mit 4 MB-Ram arbeitet das Programm allerdings doch etwas zäh. Dafür kann man die Chembox ohne Eingriff in den PC direkt an die serielle Standardschnittstelle anschließen.
Der österreichische Einführungspreis von ATS 11.150.- + 15% MWSt. für Soft- und Hardware erscheint ausgesprochen günstig, wenn man bedenkt, wieviele digitale Meßgeräte (inkl. Großanzeige u. Dokumentation!) man als Paket dafür bekommt. Die Einsatzmöglichkeiten des meist schon an der Schule vorhandenen PC werden für den Physik/Chemieunterricht entscheidend und vor allem unkompliziert erweitert.
Wenn der Anbieter IBK den österreichischen Schulen auch noch bei den Zubehörpreisen (z. B. für das Schnittstellenkabel) etwas mehr entgegenkommt und vielleicht auch noch ein spezielleres Setpreis-Angebot bei den Sensoren ausheckt, könnte das neue Chemie/Physik-Lehr- und Experimentiersystem vor allem im noch unversorgten Hauptschul-bzw. Unterstufenbereich eine große Fan-Gemeinde erobern.

Literatur:
Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, Walter de Gruyter Verlag 1976
H. Larcher: "Die Cola ist 100", Bild der Wissenschaft Nr. 2 (1987) Seite 118 - 124
H.Belitz, W. Grosch: Lehrbuch der Lebensmittelchemie, 3. Auflage, Springer-Verlag 1987
IBK electronic+informatic GmbH: Manual zu Chemex 1.0 und Chembox CB2
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Kontakt mit dem Autor: Viktor Obendrauf





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