Aufgabe III – Brilliantblaue Mundspülung

Mundspülungen werden in verschiedenen Geschmacksrichtungen angeboten und zur leichteren Unterscheidung eingefärbt. Um bei der Einfärbung immer die gleiche Intensität sicherzustellen, wird häufig die Vis-Spektroskopie eingesetzt.

Erläutere anhand der Strukturformel des Farbstoff-Moleküls Brillantblau FCF in Abbildung 2 die Grundlagen der Farbigkeit organischer Verbindungen (M 2).

Gib eine weitere mesomere Grenzstruktur an.

10 BE

Beurteile, ob sich Brillantblau FCF zum Anfärben basischer Lösungen eignet (M 2).

5 BE

Stelle eine Hypothese auf, zu welcher der drei Mundspülungen in Tabelle 1 sich das Spektrum (Abb. 1) zuordnen lassen könnte (M 1).

5 BE

Beschreibe eine experimentelle Vorgehensweise zur Ermittlung der Werte in Tabelle 3 ausgehend vom festen Farbstoff (M 2, M 3).

Berechne die Masse an Brillantblau FCF in $Formula: 20\ \mathrm{mL}$ $Formula: 20\ \mathrm{mL}$ Mundspülung (M 2, M 3).

15 BE

Diskutiere anhand von vier Argumenten den Einsatz des Farbstoffs Brillantblau FCF in Mundspülungen (M 1, M 2, M 3).

Hinweis: Solltest du in Aufgabe 4 keinen Wert berechnet haben, verwende den Ersatzwert für die Diskussion. Ersatzwert: $Formula: m = 0{,}030\ \mathrm{mg}.$ $Formula: m = 0{,}030\ \mathrm{mg}.$

5 BE

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Material 1: Farbstoffe in Mundspülungen

Farbstoffe sorgen für ein ansprechendes Aussehen von kosmetischen Produkten. So wird zum Beispiel die Farbe Blau dazu benutzt, um ein Frischegefühl zu suggerieren. Oft werden auch Mischungen mehrerer Farbstoffe verwendet. Farbstoffe werden auch in Mundspülungen eingesetzt. Mundspülungen sind meist schwach saure Lösungen. Bei der Anwendung der Mundspülung wird eine Menge von $Formula: 20\ \mathrm{mL}$ $Formula: 20\ \mathrm{mL}$ empfohlen. Tabelle 1 stellt die enthaltenen Farbstoffe und den Farbeindruck von drei ausgewählten Mundspülungen dar.

Tab. 1: Farbstoffe in verschiedenen Mundspülungen

Mundspülung	Farbstoff	Farbeindruck
1	Brillantblau FCF und Allurarot AC	lila
2	Brillantblau FCF	blau
3	Echtgrün FCF und Chinolingelb	grün

Die Absorptionskurve einer Mundspülung, gemessen als Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Diagramm der Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit zwei Maxima.

Abbildung 1: Absorptionskurve einer Mundspülung, gemessen als Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge

Quelle: Packungsaufschrift Listerine^® Mundwasser.

Material 2: Informationen zu Brillantblau FCF

Brillantblau FCF ist ein zugelassener Lebensmittelfarbstoff, der zum Färben von Getränken, Speisen, Medikamenten oder Kosmetika wie Mundwasser eingesetzt wird. Er kann unter anderem über Verletzungen ins Blut gelangen. In Versuchen mit Bakterienstämmen und Mäusen wurden keine Hinweise auf erbgutverändernde Stoffeigenschaften gefunden. Gibt man Brillantblau FCF Tieren in einer hohen Dosierung, kann es sich jedoch in den Nieren ablagern. Weitere Daten und Fakten zu Brillantblau FCF sind in Tabelle 2 dargestellt. Die erlaubte Tagesdosis für den Menschen wird als $Formula: 1\,\%$ $Formula: 1\,\%$ der höchsten Menge, die in Tierversuchen keine gesundheitliche Beeinträchtigung verursacht hat, definiert. Der sogenannte $Formula: \mathrm{LD}_{50}$ $Formula: \mathrm{LD}_{50}$ -Wert für Ratten bei oraler Aufnahme beschreibt die Stoffmenge, bei der $Formula: 50\,\%$ $Formula: 50\,\%$ der Versuchstiere sterben.

Tab. 2: Daten und Fakten zu Brillantblau FCF

Kriterium	Daten und Fakten
Molare Masse	$Formula: 792{,}85\ \tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$ $Formula: 792{,}85\ \tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$
E-Nummer	E133
Erlaubte Tagesdosis	$Formula: 6\ \tfrac{\mathrm{mg}}{\text{kg Körpergewicht}}$ $Formula: 6\ \tfrac{\mathrm{mg}}{\text{kg Körpergewicht}}$
Ausscheidung über Kot und Urin (bei Ratten)	$Formula: 99\,\%$ $Formula: 99\,\%$
$Formula: \text{LD}_{50}$ $Formula: \text{LD}_{50}$ Ratte, oral	$Formula: 4\,600\;\tfrac{\mathrm{mg}}{\text{kg Körpergewicht}}$ $Formula: 4\,600\;\tfrac{\mathrm{mg}}{\text{kg Körpergewicht}}$
Entsorgung	nicht in die Kanalisation gelangen lassen
Schutzmaßnahmen zur sicheren Handhabung	Die Handhabung muss in einem gut gelüfteten Bereich erfolgen. Es ist eine geeignete Schutzausrüstung zu tragen. Die Verteilung von Staub verhindern. Hände und Gesicht nach Handhabung gründlich waschen. Bei Erzeugung von Staub oder Aerosolpartikeln einen am Ort angebrachten Abzug verwenden. Den Kontakt mit Haut, Augen und Kleidung vermeiden.

Strukturformel Brilliantblau FCF Farbstoff

Abbildung 2: Strukturformel von Brillantblau FCF

Chemische Strukturformeln eines Farbstoffs in unterschiedlichen Säure-Base-Formen mit Gleichgewichtspfeilen.

Abbildung 3: Reaktionen von Brillantblau FCF

Quellen:

Silva, M. M.; Reboredo, F. H.; Lidon, F. C.: Foods 2022, 11, 379.

World Health Organization & Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (2017). Evaluation of certain food additives: eighty-fourth report of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives. World Health Organization. https://apps.who.int/iris/handle/10665/259483

Material 3: Konzentrationsbestimmung von Brillantblau FCF in einer Mundspülung

Die Konzentration von Brillantblau FCF in einer Mundspülung soll mithilfe eines Fotometers bzw. eines Kolorimeters bestimmt werden. Zur Kalibrierung werden folgende Extinktionswerte bei einer Wellenlänge von $Formula: \lambda = 625\ \mathrm{nm}$ $Formula: \lambda = 625\ \mathrm{nm}$ und einer Küvettenlänge von $Formula: d = 1\ \mathrm{cm}$ $Formula: d = 1\ \mathrm{cm}$ ermittelt (Tab. 3):

Tab. 3: Extinktionswerte des Farbstoffs Brillantblau FCF bei $Formula: \lambda = 625\ \mathrm{nm},$ $Formula: \lambda = 625\ \mathrm{nm},$ $Formula: d = 1\ \mathrm{cm}$ $Formula: d = 1\ \mathrm{cm}$

Stoffmengenkonzentration in $Formula: \boldsymbol{10^{-6}\ \tfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}}$ $Formula: \boldsymbol{10^{-6}\ \tfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}}$	Extinktion

Bei der Durchführung der Messung zur Konzentrationsbestimmung erhält man die in Abbildung 4 dargestellte Absorptionskurve, gemessen als Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Diagramm der Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge, mit einem Maximum bei etwa 628 nm.

Abbildung 4: Absorptionsspektrum einer Mundspülung mit Brillantblau FCF, gemessen als Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge

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Erläuterung der Farbigkeit organischer Verbindungen

Die Farbigkeit organischer Moleküle beruht darauf, dass sie bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren. Das nicht absorbierte Licht bestimmt den wahrgenommenen Farbeindruck. Dieser entspricht der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts.

Strukturformel des Farbstoffs Brilliantblau FCF mit markiertem Chromophor, Auxochrom und Antiauxochromen.

Brillantblau FCF besitzt ein ausgedehntes System konjugierter Doppelbindungen, das als Chromophor bezeichnet wird. Innerhalb dieses Systems können $Formula: \pi\text{-}$ $Formula: \pi\text{-}$ Elektronen über mehrere Atome delokalisiert werden.

Durch die Aufnahme von Energie in Form von Absorption von Photonen werden Elektronen vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) in das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) angeregt.

Zusätzlich wird die Lichtabsorption durch bestimmte funktionelle Gruppen beeinflusst:

Auxochrome Gruppen: Eine tertiäre Aminogruppe kann aufgrund ihres freien Elektronenpaars Elektronendichte in das konjugierte System einbringen. Sie wirkt damit als Elektronendonator mit einem positiven mesomeren Effekt (+M-Effekt).
Antiauxochrome Gruppen: Ein positiv geladenes Stickstoffatom kann Elektronendichte aus dem konjugierten System aufnehmen und besitzt somit einen negativen mesomeren Effekt (−M-Effekt).

Das Zusammenwirken dieser Gruppen begünstigt die Elektronendelokalisierung. Dadurch verkleinert sich die Energiedifferenz zwischen den beteiligten Molekülorbitalen. Zur Elektronenanregung reicht folglich Licht geringerer Energie und damit größerer Wellenlänge aus.

Angabe einer mesomeren Grenzstruktur

Mögliche mesomere Grenzstruktur:

Mesomere Grenzstruktur Brilliantblau FCF

In alkalischem Milieu reagiert Brillantblau FCF mit Hydroxid-Ionen, wobei am zentralen Kohlenstoffatom eine Hydroxygruppe gebunden wird.

Durch diese strukturelle Veränderung wird das konjugierte Doppelbindungssystem unterbrochen. Das Chromophor verkleinert sich, wodurch mehr Energie für die Anregung der Elektronen erforderlich wird. Infolgedessen verschiebt sich die Absorption zu kürzeren Wellenlängen, die vermutlich außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. Der Farbstoff verliert dadurch seine ursprüngliche intensive Färbung.

Brillantblau FCF ist somit für das dauerhafte Einfärben basischer Lösungen ungeeignet, da seine farbgebende Struktur unter diesen Bedingungen verändert wird.

Das dargestellte Spektrum zeigt zwei deutliche Absorptionsmaxima bei ungefähr $Formula: 500\ \text{nm}$ $Formula: 500\ \text{nm}$ und $Formula: 625\ \text{nm.}$ $Formula: 625\ \text{nm.}$

Bei etwa $Formula: 500\ \text{nm}$ $Formula: 500\ \text{nm}$ wird Licht aus dem blaugrünen bis grünen Spektralbereich absorbiert. Daraus ergibt sich ein rötlicher beziehungsweise purpurroter Farbeindruck. Die Absorption bei ungefähr $Formula: 625\ \text{nm}$ $Formula: 625\ \text{nm}$ betrifft dagegen den roten Spektralbereich. Das entsprechende Komplementärlicht erscheint blaugrün. Durch die Überlagerung dieser Farbeindrücke entsteht eine violette beziehungsweise lilafarbene Mischfarbe.

Somit lässt sich das Spektrum am ehesten Mundspülung 1 zuordnen. Diese enthält Brillantblau FCF und Allurarot AC und besitzt laut Tabelle 1 einen lilafarbenen Farbeindruck.

Beschreibung der experimentellen Durchführung

Zunächst wird aus festem Brillantblau FCF eine wässrige Stammlösung mit einer Stoffmengenkonzentration von $Formula: 5\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 5\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ hergestellt. Dazu wird eine zuvor berechnete Masse des Farbstoffs abgewogen, gelöst und die Lösung auf ein festgelegtes Volumen aufgefüllt.

Anschließend werden durch geeignete Verdünnungen Kalibrierlösungen mit den Konzentrationen $Formula: 1\cdot10^{-6},\,$ $Formula: 1\cdot10^{-6},\,$ $Formula: 2\cdot10^{-6},\,$ $Formula: 2\cdot10^{-6},\,$ $Formula: 3\cdot10^{-6},\,$ $Formula: 3\cdot10^{-6},\,$ und $Formula: 4\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 4\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ hergestellt. Für eine Kalibrierlösung mit $Formula: 2\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 2\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ können beispielsweise $Formula: 4\ \text{mL}$ $Formula: 4\ \text{mL}$ der Stammlösung mit destilliertem Wasser auf $Formula: 10\ \text{mL}$ $Formula: 10\ \text{mL}$ ergänzt werden.

Für die photometrische Messung wird eine Wellenlänge von $Formula: 625\ \text{nm}$ $Formula: 625\ \text{nm}$ eingestellt. Die Küvetten besitzen eine Schichtdicke von $Formula: 1\ \text{cm}.$ Nach einem Nullabgleich mit destilliertem Wasser werden die Extinktionen der einzelnen Kalibrierlösungen ermittelt.

Aus den erhaltenen Messwerten wird eine Kalibriergerade erstellt, bei der die Extinktion gegen die Stoffmengenkonzentration aufgetragen wird

Berechnung der Masse an Brilliantblau FCF

Zuerst muss die Stoffmengenkonzentration ermittelt werden. Diese kann aus den in Tabelle 3 gegebenen Messwerten mithilfe einer Kalibriergeraden bestimmt oder über das Lambert-Beersche Gesetz berechnet werden.

Aus den Messwerten in Tabelle 3 lässt sich eine Kalibriergerade konstruieren:

Diagramm mit linear steigendem Zusammenhang zwischen Stoffmengenkonzentration und Extinktion.

Die Extinktion bei einer Wellenlänge von $Formula: 625\ \text{nm}$ $Formula: 625\ \text{nm}$ ist in Abbildung 4 mit ca. Formula: 0{,}11 angegeben. Ablesen von der Kalibriergeraden liefert somit eine Stoffmengenkonzentration von ca. $Formula: 1{,}2\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}.$ $Formula: 1{,}2\cdot10^{-6}\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}.$

Alternativ kann die Stoffmengenkonzentration über das Lambert-Beersche Gesetz berechnet werden. Zunächst muss der Extinktionskoeffizient $Formula: \varepsilon$ bei $Formula: 625\ \text{nm}$ $Formula: 625\ \text{nm}$ ermittelt werden.

$Formula: E=\varepsilon\cdot c\cdot d$ $Formula: E=\varepsilon\cdot c\cdot d$

$Formula: \begin{array}{rlll} \varepsilon_1&=&\dfrac{E}{c\cdot d} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}084}{1\cdot10^{-6}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 1\;\text{cm}} \\[5pt] &=&84\cdot10^3\;\dfrac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} \varepsilon_1&=&\dfrac{E}{c\cdot d} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}084}{1\cdot10^{-6}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 1\;\text{cm}} \\[5pt] &=&84\cdot10^3\;\dfrac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}} \end{array}$

Dies wird für die restlichen vier Wertepaare in Tabelle 3 wiederholt, um einen Durchschnittswert für den Extinktionskoeffizienten bei $Formula: 625\ \text{nm}$ zu erhalten. Dieser entspricht auch der Steigung der Kalibriergeraden.

$Formula: \begin{array}{rlll} \varepsilon&=&\dfrac{\varepsilon_1+\varepsilon_2+\varepsilon_3+\varepsilon_4+\varepsilon_5}{5} \\[5pt] &=&\dfrac{(84+89{,}5+94{,}3+93{,}8+92{,}4)\cdot10^3\;\frac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}}}{5} \\[5pt] &=&90{,}8\cdot10^3\;\dfrac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} \varepsilon&=&\dfrac{\varepsilon_1+\varepsilon_2+\varepsilon_3+\varepsilon_4+\varepsilon_5}{5} \\[5pt] &=&\dfrac{(84+89{,}5+94{,}3+93{,}8+92{,}4)\cdot10^3\;\frac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}}}{5} \\[5pt] &=&90{,}8\cdot10^3\;\dfrac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}} \end{array}$

Bei einer Wellenlänge von $Formula: 625\ \text{nm}$ $Formula: 625\ \text{nm}$ beträgt die Extinktion der untersuchten Mundspülung laut Abbildung 4 etwa Formula: 0{,}11. Damit ergibt sich für die Stoffmengenkonzentration:

$Formula: \begin{array}{rlll} c&=&\dfrac{E}{\varepsilon\cdot d} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}11}{90{,}8\cdot10^3\;\frac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}}\cdot 1\;\text{cm}} \\[5pt] &\approx&1{,}2\cdot10^{-6}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} c&=&\dfrac{E}{\varepsilon\cdot d} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}11}{90{,}8\cdot10^3\;\frac{\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{cm}}\cdot 1\;\text{cm}} \\[5pt] &\approx&1{,}2\cdot10^{-6}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Nun kann für ein Volumen von $Formula: 20\ \text{mL}$ die Stoffmenge berechnet werden:

$Formula: \begin{array}{rlll} n&=&c\cdot V \\[5pt] &=&1{,}2\cdot10^{-6}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot20\cdot10^{-3}\;\text{L} \\[5pt] &=&2{,}4\cdot10^{-8}\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} n&=&c\cdot V \\[5pt] &=&1{,}2\cdot10^{-6}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot20\cdot10^{-3}\;\text{L} \\[5pt] &=&2{,}4\cdot10^{-8}\;\text{mol} \end{array}$

Mit der molaren Masse von Brilliantblau FCF $Formula: \bigl(M=792{,}85\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ $Formula: \bigl(M=792{,}85\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ ergibt sich für die Masse:

$Formula: \begin{array}{rlll} m&=&n\cdot M \\[5pt] &=&2{,}4\cdot10^{-8}\;\text{mol}\cdot792{,}85\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &\approx&1{,}9\cdot10^{-5}\;\text{g} \\[5pt] &=&0{,}019\;\text{mg} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} m&=&n\cdot M \\[5pt] &=&2{,}4\cdot10^{-8}\;\text{mol}\cdot792{,}85\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &\approx&1{,}9\cdot10^{-5}\;\text{g} \\[5pt] &=&0{,}019\;\text{mg} \end{array}$

Somit sind etwa $Formula: 0{,}019\ \text{mg}$ Brilliantblau FCF in $Formula: 20\ \text{mL}$ der Mundspülung enthalten.

Pro-Argumente:

Geringe gesundheitliche Belastung: Die berechnete Farbstoffmasse von $Formula: 0{,}019\ \text{mg}$ $Formula: 0{,}019\ \text{mg}$ je Anwendung liegt deutlich unterhalb der angegebenen akzeptablen täglichen Aufnahmemenge von $Formula: 6\ \text{mg}$ $Formula: 6\ \text{mg}$ pro Kilogramm Körpergewicht. Selbst bei einem versehentlichen Verschlucken wäre die aufgenommene Menge entsprechend gering.
Positive Wirkung auf die Produktwahrnehmung: Eine blaue Färbung wird häufig mit Sauberkeit und Frische verbunden. Der Farbstoff kann daher das Erscheinungsbild der Mundspülung verbessern und die Kaufbereitschaft erhöhen.

Contra-Argumente:

Gesundheitliche Risiken bei hohen Mengen: Tierversuche zeigen, dass sich der Farbstoff bei hoher Dosierung in den Nieren anreichern und diese potentiell schädigen kann. Auch wenn die Konzentration in der Mundspülung wesentlich niedriger liegt, sollte dieses mögliche Risiko (v. a. bei unsachgemäßer Verwendung) berücksichtigt werden.
Mögliche Umweltbelastung: Laut den Materialangaben soll Brillantblau FCF nicht in die Kanalisation gelangen. Da Mundspülungen üblicherweise nach der Anwendung ausgespuckt werden, ist dies bei einer alltäglichen Nutzung kaum zu vermeiden.

Fazit:

Der Einsatz kleiner Mengen Brillantblau FCF in Mundspülungen ist vertretbar. Die Vorteile überwiegen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch die anhand der Materialien erkennbaren gesundheitlichen Risiken. Die potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt bleiben jedoch ein Nachteil.

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Lerninhalte in Chemie

Aufgabe III – Brilliantblaue Mundspülung

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Material 1: Farbstoffe in Mundspülungen

Material 2: Informationen zu Brillantblau FCF

Material 3: Konzentrationsbestimmung von Brillantblau FCF in einer Mundspülung

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