Alkoholische Gärung und Analyse einfach erklärt: Der Prozess

Hast du schon einmal eine Flasche Apfelsaft im Sommer draußen vergessen? Nach ein paar Tagen riecht der Saft plötzlich seltsam, schmeckt nicht mehr süß und sprudelt, wenn man ihn öffnet. Was ist da passiert?

Du hast unabsichtlich ein chemisches Experiment zur alkoholischen Gärung und Analyse gestartet! Winzige Helfer aus der Natur haben den süßen Saft in ein völlig neues Getränk verwandelt. In diesem Artikel lernen wir, wie dieser Prozess – die alkoholische Gärung – genau funktioniert, wie Chemiker den entstandenen Alkohol herausfiltern und wie man schon vorher berechnen kann, wie viel Alkohol am Ende entsteht.

Vorwissen

• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu Gas wird (kocht). Beispiel: Wasser hat einen Siedepunkt von $100 \text{ }^{\circ}\text{C}$.
• Dichte: Gibt an, wie schwer eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit ist. Beispiel: Salzwasser hat eine höhere Dichte als normales Leitungswasser, weil das gelöste Salz es schwerer macht.
• Nachweisreaktionen: Ein Test in der Chemie, um einen unsichtbaren Stoff sichtbar zu machen. Beispiel: Die Glimmspanprobe zeigt uns, ob Sauerstoff in einem Reagenzglas ist.

Aufgabentyp 1: Was passiert bei der alkoholischen Gärung?

Wenn Fruchtsaft offen stehen gelassen wird, beginnt ein Prozess, den wir Gärung nennen. Damit das passiert, brauchen wir einen winzigen biologischen Helfer: die Hefe. Hefe wirkt wie ein biologischer Katalysator. Das bedeutet, sie treibt die chemische Reaktion an, ohne sich dabei selbst zu verbrauchen.

Manchmal muss man Hefe extra dazugeben (wie beim Backen). Aber auf ungewaschenem Obst, wie Weintrauben oder Äpfeln, sitzen von Natur aus wilde Hefen auf der Schale. Deshalb kann Traubensaft ganz von alleine gären!

Die Hefe ernährt sich von dem Zucker (wie Glucose oder Saccharose) im Saft. Dabei wandelt sie den Zucker in zwei völlig neue Stoffe um:

1. Alkohol (genauer gesagt: Ethanol), der in der Flüssigkeit bleibt.
2. Kohlenstoffdioxid (ein Gas), das als Bläschen aufsteigt.

Um zu beweisen, dass wirklich Kohlenstoffdioxid entsteht, leiten Chemiker das Gas durch sogenanntes Kalkwasser. Wenn das Kalkwasser trüb und milchig wird, ist das der eindeutige Beweis für dieses Gas.

Gärung im Labor

Zweck: Wir machen die Entstehung von Kohlenstoffdioxid bei der Gärung sichtbar.

Materialien: $100 \text{ ml}$ Apfelsaft, $5 \text{ g}$ frische Bäckerhefe, Erlenmeyerkolben, Stopfen mit Glasrohr, Reagenzglas, $10 \text{ ml}$ Kalkwasser.

⚠️ Sicherheitshinweis: Das entstehende Gas baut Druck auf. Die Apparatur darf nicht komplett verschlossen sein, das Gas muss in das Kalkwasser entweichen können.

Durchführung:

1. Löse die Hefe im Apfelsaft im Erlenmeyerkolben auf.
2. Fülle das Kalkwasser in das Reagenzglas.
3. Verschließe den Kolben mit dem Stopfen und führe das Glasrohr in das Kalkwasser.
4. Stelle den Kolben an einen warmen Ort und warte einige Stunden.

Beobachtung: Im Erlenmeyerkolben bildet sich Schaum. Bläschen wandern durch das Glasrohr in das Reagenzglas. Das durchsichtige Kalkwasser wird nach einiger Zeit milchig-trüb.

Erklärung: Die Hefe hat den Zucker abgebaut. Das aufsteigende Gas ist Kohlenstoffdioxid, was durch die Trübung des Kalkwassers eindeutig nachgewiesen wird.

Aufgabentyp 2: Wie trennt und findet man den Alkohol?

Nach der Gärung haben wir ein Gemisch aus Wasser, Resten der Hefe und dem neu entstandenen Alkohol. Um den reinen Alkohol herauszuholen, nutzen Chemiker einen Trick: die fraktionierte Destillation.

Dieser Trick funktioniert, weil Stoffe bei unterschiedlichen Temperaturen kochen. Wasser kocht erst bei $100 \text{ }^{\circ}\text{C}$, aber Alkohol kocht schon bei $78 \text{ }^{\circ}\text{C}$. Wenn wir unser Gemisch also vorsichtig erhitzen, verdampft der Alkohol zuerst. Der Dampf wird in einem kühlen Rohr wieder flüssig und tropft in ein neues Gefäß. Das nennt man das Destillat.

Wichtig: Man muss das Thermometer genau beobachten! Wenn die Temperatur deutlich über $78 \text{ }^{\circ}\text{C}$ steigt, muss man die Destillation beenden, da sonst das Wasser anfängt zu kochen und sich wieder mit dem Alkohol vermischt.

Um zu beweisen, dass wir wirklich Alkohol gewonnen haben, gibt es zwei Tests:

• Physikalischer Nachweis (Brennprobe): Wenn man das Destillat erhitzt und die aufsteigenden Dämpfe an einem Glasrohr anzündet, brennen sie mit einer bläulichen Flamme. Alkohol ist nämlich leicht brennbar.
• Chemischer Nachweis: Man gibt ein spezielles Testmittel namens Cer(IV)-ammoniumnitrat-Reagenz zum Destillat. Wenn Alkohol vorhanden ist, verfärbt sich die Lösung auffällig rot.

Aufgabentyp 3: Wie viel Alkohol entsteht am Ende?

Winzer wollen schon vor der Gärung wissen, wie stark ihr Wein später wird. Die Regel ist einfach: Je mehr Zucker im Traubensaft (dem sogenannten Most) ist, desto mehr Alkohol kann die Hefe daraus machen.

Aber wie misst man den Zucker? Zucker macht den Saft schwerer (er erhöht die Dichte). Winzer messen diese Dichte und nennen das Ergebnis das Mostgewicht. Die Einheit dafür heißt Grad Oechsle (abgekürzt: $^{\circ}\text{Oe}$).

Gemessen wird das Mostgewicht mit einem Aräometer (einer Senkwaage, die in schwerem Saft weiter oben schwimmt) oder einem Refraktometer (einem Gerät, das misst, wie stark der Saft das Licht bricht).

Wenn wir die Dichte $\rho$ (gesprochen: Rho) der Lösung in Gramm pro Liter ($\text{g/l}$) kennen, können wir alles berechnen. Dafür nutzen wir drei Formeln:

• Mostgewicht berechnen: $\text{Mostgewicht} = \left(\frac{\rho(\text{Lösung})}{\text{g/l}} - 1000\right)^{\circ}\text{Oe}$

• Massenkonzentration des Zuckers berechnen: $\beta(\text{Zucker}) = \frac{\text{Mostgewicht}}{1^{\circ}\text{Oe}} \cdot 2 \frac{\text{g}}{\text{l}}$

• Maximale Volumenkonzentration des Alkohols berechnen: $\sigma(\text{Alkohol}) = \frac{\text{Mostgewicht}}{8^{\circ}\text{Oe}} \%$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du aus der Dichte eines Saftes den späteren Alkoholgehalt berechnen sollst, gehe immer in diesen drei Schritten vor:

1. Nimm die Dichte der Lösung (in $\text{g/l}$) und ziehe einfach $1000$ ab. Das Ergebnis ist dein Mostgewicht in $^{\circ}\text{Oe}$.
2. Nimm die Zahl deines Mostgewichts aus Schritt 1 und multipliziere sie mit $2$. Das Ergebnis ist die Menge an Zucker in $\text{g/l}$.
3. Nimm wieder die Zahl deines Mostgewichts aus Schritt 1 und teile sie durch $8$. Das Ergebnis ist der maximale Alkoholgehalt in Prozent ($\%)$.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Gärung: Hefe wandelt Zucker in Alkohol und Kohlenstoffdioxid um.
• Trennung: Alkohol wird durch Destillation abgetrennt, weil er schon bei $78 \text{ }^{\circ}\text{C}$ kocht.
• Nachweis: Kohlenstoffdioxid trübt Kalkwasser. Alkohol brennt und färbt Cer(IV)-ammoniumnitrat rot.
• Vorhersage: Je höher die Dichte des Saftes (Mostgewicht in $^{\circ}\text{Oe}$), desto mehr Zucker ist enthalten und desto mehr Alkohol entsteht.