Die GDCh vergibt seit mehreren Jahren den "Themenpreis für die Verknüpfung von Theorie mit chemischer Praxis" im Rahmen des Wettbewerbs "Jugend forscht".
Damit prämiert die GDCh hervorragende experimentelle Arbeiten aus der Chemie mit fundierter theoretischer Begründung oder Herleitung. Der Preis ist mit 1000 Euro dotiert und wird, wie alle Sonderpreise, traditionell am Vorabend der Siegerehrung zum Bundeswettbewerb überreicht.
Der Preis unterstreicht, wie auch der GDCh-Abiturpreis, das Anliegen der GDCh junge Menschen zu bestärken, unsere Welt naturwissenschaftlich zu ergründen und zu verstehen.
Nicholas Dahlke (17) und Anna Perkovic (17), Hans-Thoma-Gymnasium, Lörrach, und phænovum Schülerforschungszentrum Lörrach-Dreiländereck
Ungelöstes Chemierätsel: Mpæmba – Unterkühlung mit Gedächtnis?
Der sogenannte Mpemba-Effekt besagt, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes. Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, untersuchten Nicholas Dahlke und Anna Perkovic die Kristallisation von heißem und von kaltem Wasser mithilfe einer selbst konstruierten Apparatur. Herzstück ist ein sehr dünner Schlauch, durch den synthetisches Öl und hochreines Wasser gepumpt wurden. Im Öl entstanden winzige Wassertröpfchen, die schlagartig auf minus 33 Grad Celsius abgekühlt wurden. Die Jungforschenden beobachteten, dass die unterschiedlichen Wassertemperaturen zu unterschiedlichen Nukleationsraten führen, also der Menge an Kristallisationskeimen, die gebildet werden. Mit ihren Versuchen konnten sie den Mpemba-Effekt nachvollziehen und präzise messen, das Rätsel des Effekts bleibt aber offen.
Das Preisträgerteam kann sich über ein Preisgeld in Höhe von 1000 Euro sowie für jedes Teammitglied eine einjährige kostenfreie Mitgliedschaft in der GDCh freuen.
Julia Trapp (15), Grafrath, Ernst-Reisinger-Gymnasium, Schondorf am Ammersee, und Alexander Christian Trapp (18), Grafrath, Julius-Lohmann-Gymnasium, Schondorf am Ammersee
Bio-Power: Entwicklung einer biochemischen Redox-Flow-Batterie
Redox-Flow-Batterien sind leistungsfähige Stromspeicher und eignen sich in Zeiten des Klimawandels gut als Reservoir für Strom aus Windrädern und Solaranlagen. Um eine möglichst hohe Energiedichte zu erreichen, werden jedoch zumeist giftige anorganische Vanadiumsalze genutzt. Julia Trapp und Alexander Christian Trapp setzten sich das Ziel, eine umweltfreundliche Redox-Flow-Batterie zu bauen. Dafür entwickelten sie eine Batteriezelle vergleichbarer Bauart, in der Hefe und Methylenblau eingesetzt werden. Deren Zellspannung erreichte gut 0,6 Volt, die Ladekapazität lag bei rund 2,6 Amperestunden pro Liter Methylenblau-Lösung. Aber das ist nur ein Anfang: Die Jungforschenden denken darüber nach, künftig Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie in einem ähnlich aufgebauten Stromspeicher einzusetzen.
Das Preisträgerteam kann sich über ein Preisgeld in Höhe von 1000 Euro sowie für jedes Teammitglied eine einjährige kostenfreie Mitgliedschaft in der GDCh freuen. Das Team erreichte außerdem den 2. Platz im Bundeswettbewerb in der Kategorie Chemie.
Anna-Yaroslava Bodnar (17), Alexander Csaba Baumgarten (18), Heinrich-Hertz-Gymnasium, Berlin
Dem Alu auf der Spur – Entwicklung von semiquantitativen Metallionen-Indikatoren
Bestimmte organische Moleküle bilden mit Metallionen farbige Komplexe und eignen sich daher gut für den Nachweis von Metallbelastungen in der Umwelt. Anna-Yaroslava Bodnar und Alexander Csaba Baumgarten entwickelten eine Testlösung für die Analyse von Aluminium. Sie mischten dafür drei chemisch ähnliche Komplexbildner, um hohe und niedrige Aluminiumkonzentrationen zu erfassen. Mit einem Computerprogramm simulierten die beiden das Mischungsverhältnis mit der besten farblichen Trennung und die dabei entstehenden Farben. Ihre fotometrischen Messungen im Labor bestätigten die berechnete Rezeptur und das Gleichgewichtsmodell, das die Anziehungskräfte der Farbstoffmoleküle zu den Aluminiumionen beschreibt. Ändert man die Auswahl der Moleküle, könnten auch Tests für andere Metalle simuliert werden.
Das Preisträgerteam erhielt bereits 2021 die Auszeichnung der GDCh. In diesem Jahr erreichten sie darüber hinaus den 3. Preis in der Kategorie Chemie.
Anna-Yaroslava Bodnar (16), Alexander Csaba Baumgarten (17), Heinrich-Hertz-Gymnasium, Berlin
Alu im Abendessen? – Indikator für die quantitative Analyse von Aluminium-Ionen
Aluminium steht im Verdacht, für Menschen gesundheitsschädlich zu sein. Anna-Yaroslava Bodnar und Alexander Csaba Baumgarten beschäftigten sich bereits länger mit der Frage, wie sich schnell und einfach der Aluminiumgehalt in Nahrungsmitteln bestimmen lässt. Sie nutzten dafür Farbstoffe, die mit Aluminium-Ionen Molekülkomplexe bilden. Als knifflig erwies sich das Mischen und Testen der Farbstoffe in einem optimalen Verhältnis, da wegen der Coronapandemie keine Laborversuche möglich waren. Die Jungforscherin und der Jungforscher verlegten das Labor daher ins Homeoffice: Mit dem Computer errechneten sie die Spektren der verschiedenen Molekülkomplexe und Farbstoffmischungen. Auf Basis dieser Formeln, so glauben die beiden, können einfach anwendbare Teststäbchen für zu Hause entwickelt werden.
Milena Wiegand (18), Erfurt, Max Asenow (18), Bad Berka, und Tina Munkewitz (18), Eisenach
Albert-Schweitzer-Gymnasium Erfurt, Institut für Organische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Textmarker für Proteine – Synthese neuer Thiazolderivate für die Fluoreszenzmikroskopie
Mithilfe fluoreszierender Farbstoffe können lebenswichtige Proteine in Zellen markiert und deren Stoffwechsel so sichtbar gemacht werden. Die Preisträger synthetisierten zwei neue Fluoreszenzfarbstoffe – Mataoblau I und Mataoblau II. Mit diesen färbten sie Bakterien, Krebszellen und pflanzliche Proben. Unter dem Fluoreszenzmikroskop konnten sie sehen, dass in den verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Eiweißstoffe blau markiert wurden: In den Bakterien sammelten sich die Farbstoffe an den Zellpolen, bei den Krebszellen im Bereich um den Kern. Für die komplexe Auswertung der Analysedaten entwickelten die Jungforscher eine Software, mit der sich die Daten schneller und einfacher verarbeiten lassen.
Die Jury beeindruckte besonders, dass Milena Wiegand, Max Asenow und Tina Munkewitz nicht nur eine interessante eigene Problemstellung entwickelten, sondern im Verlauf ihrer Forschungsarbeit das Potenzial der neuen Farbstoffe erkannten. Im Team brachte jeder seine Stärken ein, sodass die Jungforscher in einer besonders interdisziplinären Weise ein exzellentes Gesamtergebnis erzielten.
Für ihre Arbeit wurde sie nicht nur mit dem GDCh-Sonderpreis sondern auch mit dem Preis für die beste interdisziplinäre Arbeit der Bundesministerin für Bildung und Forschung, Anja Karliczek, MdB, ausgezeichnet.
Malek Sbeih (19), Weimar
Carl-Zeiss-Gymnasium Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fettlöser mit Lichtschalter: Synthese und Untersuchung fotochemisch schaltbarer Tenside
Tenside reinigen so wirkungsvoll, weil sie dank ihrer bipolaren Struktur Fett- und Ölpartikel fest einschließen und vom Wasser trennen. Malek Sbeih ging auf die Suche nach Tensiden, deren Funktion steuerbar ist und die recycelt werden können. Er stieß auf Spiropyrane – Moleküle, die sich bei Bestrahlung mit Licht verändern. Der Jungforscher koppelte Spiropyrane mit organischen Säuren und erhielt so durch Licht schaltbare Tenside: Unter UV-Licht bilden die Fettlöser kugelförmige Mizellen um Öl und Fett, die sich abfiltrieren lassen. Bei Bestrahlung mit grünem Licht dagegen zerfallen die Mizellen und die Tenside werden wieder frei. Nach Ansicht des Jungforschers ließe sich auf dieser Basis eine neue Methode entwickeln, mit der man vor allem bei Ölunfällen Meer- und Flusswasser reinigen könnte.
Die Jury überzeugte der Jungforscher mit seiner Kreativität und seinem fundierten Fachwissen. Mit seinem Projekt bewies er ein großes Maß der Eigenständigkeit und Zielstrebigkeit. Seine schriftliche Arbeit und auch seine Präsentation zeigten ein hohes wissenschaftliches Niveau.
Für seine Arbeiten wurde er nicht nur mit dem GDCh-Sonderpreis sondern auch mit dem ersten Preis in der Kategorie Chemie und dem Preis des Bundespatenunternehmens (Merck), einem Forschungsaufenthalt in Großbritannien ausgezeichnet.
Arta Safari (17),
Altes Gymnasium, Bremen, und Hybrid Materials Interfaces Group, Universität Bremen
Starke Kräfte in dünnen Schichten: Immobilisierung von Laccase für katalytische Anwendungen
Bestimmte Enzyme bilden auf Oberflächen Schichten aus, die nur eine Moleküllage dick sind. Arta Safari vermutet, dass sich aus solchen Monolayern hochwirksameKatalysatoren entwickeln ließen. Allerdings ist bislang nicht geklärt, welche Kräfte bei der Anlagerung wirken. Der Jungforscher simulierte am Computer die Wechselwirkungen des Enzyms Laccase mit Oberflächen sowohl aus Siliziumdioxid als auch aus Graphen, einer besonderen Form des Kohlenstoffs. Auf Siliziumdioxid, so fand er heraus, wird Laccase durch elektrostatische Wechselwirkungen festgehalten. Bei Graphen dagegen kommt es zur Überlappung der Ladungswolken von Enzymbausteinen und Kohlenstoff. Da diese Bindung besonders stark und von äußeren Faktoren unabhängig ist, wäre Graphen als Träger für Bio-Katalysatoren ideal.
Für seine Arbeiten wurde er nicht nur mit dem GDCh-Sonderpreis sondern auch mit dem dritten Preis in der Kategorie Chemie ausgezeichnet.
"Saubere Sache: Chemie die klammert – was die Umwelt nicht will!
Farbstoffe aus Abwässern herauszufiltern ist wichtig für Mensch und Umwelt, weil diese Substanzen oft schädlich und krebserregend sind. Felix Mende untersuchte in zahlreichen Messreihen mit porösen metallischen Materialien, wie diese die gefährlichen Stoffe an sich binden. Weil er mit seinen Versuchen eine gute Reinigungswirkung belegen konnte, weitete er seine Analysen auf Medikamente aus – mit Erfolg! Auch ein Antibiotikum konnte er aus dem Wasser entfernen. Die verwendeten Reinigungssubstanzen, sogenannte Metal-Organic Frameworks, sieht der Jungforscher als eine vielversprechende Lösung im Bemühen um sauberes Wasser. Seine Grundlagenforschung könnte künftig Kläranlagen zugutekommen und eventuell sogar helfen, Pestizide aus dem Wasser zu entfernen.
„Spannung mit Effekt – Versuche mit plasmatischen Vorgängen bei der Elektrolyse in wässrigen Lösungen“
Wasser lässt sich mit Strom in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Benedikt Pintat hat durch seine Laborversuche entdeckt, dass bei dieser Elektrolyse noch mehr passiert: Unter besonders hoher Spannung bildet sich an den beiden Elektroden ein energiereiches Plasma, also ein Gemisch aus ionisierten Teilchen und Elektronen. An der Kathode macht sich das Plasma durch helles Leuchten und starke Hitze bemerkbar. An der Anode entlädt sich die hohe Energie durch Blitze, außerdem bildet sich auf dem Metall der Anode eine feste Beschichtung aus keramikähnlichen Oxiden. Gerade diese Beschichtung ist für die Industrie interessant, glaubt der Jungforscher. Je nachdem, welche Stoffe im Elektrolyten gelöst sind, ließen sich maßgeschneiderte, keramikbeschichtete Metallwerkstoffe erzeugen. (c) Jugend forscht e. V.
„Cavity – Analyse uniaxialer meso- und nanoporöser Systeme in anodisch oxidiertem Aluminium“
Im Rahmen seines Projektes gelang es dem siebzehnjährigen Hensel in herausragender Weise die Verknüpfung von Theorie und chemischer Praxis darzustellen. Nanostrukturen sind die Basis vieler Hightechprodukte, vom Katalysator über den selbstreinigenden Lack bis hin zur Sonnenmilch. Arne Hensel stellte mit einem elektrochemischen Verfahren nanoporöse Oberflächen sowie mithilfe eines Mikroreaktors dünne Schichten aus Aluminiumoxid her. Für die Analyse der Oberflächenstruktur nutzte der Jungforscher Farbstoffe als Sonden. So konnte er zum Beispiel die Parameter bestimmen, über die sich die Porengröße bei seinem Herstellungsprozess präzise steuern lässt. Sein Verfahren könnte zur effizienteren Produktion von organischen Leuchtdioden, sogenannten OLEDs, oder Membranen für Brennstoffzellen beitragen. (c) Jugend forscht e. V.
„Supramolekulare Wirt-Gast-Komplexe als Fluoreszenzmarker in der Tumordiagnostik und –therapie“
Im Rahmen seines Projektes gelang es dem achtzehnjährigen Salg in herausragender Weise die Verknüpfung von Theorie und chemischer Praxis darzustellen.
Salg hat einen Weg gefunden wie die Leuchtkraft von Fluoreszenzfarbstoffen verstärkt werden kann. Hierzu nutzte er Wirt-Gast-Komplexe, die für diese Anwendung bislang nicht erforscht wurden. Eine Erklärung, wie das funktioniert liefert der Preisträger hier.
Die Arbeit wurde von Dr. Roland Full, Lehrer am Hanns-Seidel-Gymnasium in Hösbach, betreut. Das langjährige GDCh-Mitglied Full hat in den vergangenen Runden bereits mehrere Teilnehmer im Wettbewerb unterstützt und dabei Bundessieger und Gewinner verschiedener Sonderpreise begleitet. Fulls vorbildliches Engagement zeichnete die GDCh 1996 mit dem Heinrich Roessler-Preis der Fachgruppe Chemieunterricht aus.
"Reaktionswege des Ferrocens und Troticens"
Im Rahmen seines Projektes gelang es dem sechzehnjährigen Spors in herausragender Weise die Verknüpfung von Theorie und chemischer Praxis darzustellen.
Dominik Spors Lieblingsfach war schon immer die Chemie. Ganz besonders faszinieren ihn Reaktionen, bei denen organische und anorganische Chemie aufeinandertreffen, beispielsweise bei metallorganischen Komplexen. Einige davon zeigen das typische Verhalten von Aromaten wie Benzol, gleichzeitig aber durch das zentrale Metallatom auch Eigenschaften wie den sogenannten Diamagnetismus. Am Beispiel von Ferrocen und Troticen untersuchte der Jungchemiker, wie Komplexe mit anderen metallhaltigen oder organischen Verbindungen reagieren und analysierte die Produkte mithilfe der Massenspektroskopie. Er stellte fest, dass die beiden chemisch ähnlichen Verbindungen sich in ihrer Reaktivität unerwartet stark unterscheiden. (c) Jugend forscht e. V.
"Detektion und Eigenschaften reduktiver Komplexe basierend auf der ECL des Luminols"
Mit Luminol können Kriminalisten noch geringste Spuren von Blut nachweisen, weil das Molekül mit Katalysatoren wie dem Hämoglobin sehr empfindlich reagiert und dabei leuchtet. Jean-Marc Mörsdorf und Benjamin Morbach stießen bei ihren Experimenten auf Reaktionsmechanismen, mit denen Luminol durch verschiedene Metall-Komplexe zum Leuchten gebracht wird. Außerdem fanden sie einen chemischen Weg, den Komplex nach der Luminiszenz wieder zu reaktivieren, sodass die Reaktion von Neuem beginnen kann. Dieser Zyklus senkt die notwendige Menge an Oxidationsmitteln und ermöglicht eine besonders genaue Detektion von Blut und anderen Stoffen auf Oberflächen. (c) Jugend forscht e. V.
"Warum pfeift es bei der Eisensulfidsynthese?"
Im Rahmen ihreses Projektes gelang Ali Karaca, Björn Bankowski und Daniel Lamonski in herausragender Weise die Verknüpfung von Theorie und chemischer Praxis darzustellen.
„Gibt man Schwefelpulver und Eisenwolle in ein Reagenzglas und erhitzt den Schwefel, kann es zu einem Pfeifton kommen. Mit diesem Phänomen wollten wir uns auseinandersetzen. In allen einschlägigen Lehrbüchern kann man lesen, dass der Ton aufgrund der stark exothermen Reaktion zustande kommt. Wir standen dieser Aussage kritisch gegenüber und wollten den wahren Grund für dieses Phänomen erfahren. Dazu gingen wir schrittweise vor: Zunächst gelang es uns, durch die Optimierung des Ausgangsversuchs einen reproduzierbaren Ton zu erzeugen. Dann haben wir durch die Veränderung einzelner Parameter (Eisenwolle: Länge und Struktur, Reagenzglasvolumen, Reagenzglasöffnung) untersucht, wie der Ton beeinflusst wird.
Das Ergebnis dieser Versuchsreihen war, dass sich die Tonfrequenz durch die genannten Parameter ändert. Weiterhin stellten wir fest, dass das Reagenzglas der Resonanzkörper des Tons ist. Durch die Verhinderung der chemischen Reaktion zwischen Schwefel und Eisen konnten wir zeigen, dass auch dabei ein Pfeifton entsteht und somit die Reaktion nicht der Grund für die Tonentstehung ist.
Basierend auf diesen Ergebnissen entwickelten wir folgende Theorie: Der aufsteigende Schwefelgasstrom wird an den Eisenwollefasern gebrochen und sorgt damit für Druckschwankungen im Reagenzglas, die letztlich Schwingungen erzeugen, die man als Ton wahrnehmen kann. Dieses entspricht dem Prinzip der Tonentstehung bei einer Blockflöte.
In weiterführenden Versuchen stellten wir fest, dass der Ton auch ohne den Einsatz von Schwefel erzeugt werden kann. Daraus schlossen wir, dass es sich hierbei um ein physikalisches Phänomen, den thermoakustischen Effekt, handelt. Dieser basiert auf dem thermodynamischen Kreisprozess, bei dem die Luft aufgrund von Temperaturdifferenzen über und unter der Eisenwolle zum schwingen gebracht wird.“ (c) Nachrichten aus der Chemie
"Neues aus der molekularen Küche: Cyclodextrin schützt Vitamin C"
„Man nehme Obst- und Gemüsesäfte, gebe Cyclodextrin dazu und fertig ist die Vitamin C –Spritze.“ Da ist die Kernaussage von Timo Imhof und Thomas Fuchs, den beiden 16jährigen Schülern vom Hanns-Seidel-Gymnasium in Hösbach (Landkreis Aschaffenburg), die beim Bundeswettbewerb „Jugend forscht“ 2009 den Sonderpreis der Gesellschaft Deutscher Chemiker erhalten haben. Timo und Thomas traten mit der Frage den Wettbewerb an, ob Vitamin C-Verluste beim Pasteurisieren von Obstsäften und Einkochen von Marmeladen akzeptiert werden müssen, oder ob es ein Rezept dagegen gibt.
„Im Zentrum unserer Arbeit stand der Vitamin C-Stress in der Küche“, so Timo und Thomas. Und so wiesen sie u. a. nach, dass in einer wässrigen Lösung der Vitaminverlust nach vierstündigem Stehen bereits über 10 Prozent betrug und dass kräftiges Umrühren (Luftsauerstoffeintrag) und Hitze besonders wirksame Vitamin C-Killer sind. Vor allem beim Erhitzen im Dampfkochtopf waren die Verluste gewaltig. Der Zusatz von Cyclodextrin, einem erlaubten Lebensmittelzusatzstoff, konnte die Verluste bei höheren Temperaturen um über 80 Prozent mindern. Die Schüler analysierten nicht nur die Vitamin C-Gehalte, sondern auch die räumliche Struktur der Wirt-Gast-Beziehung von Cyclodextrin und Vitamin C. Das Thema ihrer Arbeit nannten sie übrigens „Neues aus der molekularen Küche: Cyclodextrin schützt Vitamin C“. Und sie hatten beim Bundeswettbewerb vom 21. bis 24. Mai in Osnabrück auch Produkte aus ihrer molekularen Küche im Angebot: selbst gepresster Orangensaft, pasteurisierter Kiwi-Saft sowie Marmeladen von der Mango und der Kiwi.
"Synthese von Opalen"
Erstmals seit 2003 hat die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) beim diesjährigen 43. Bundeswettbewerb „Jugend forscht“ wieder einen Sonderpreis vergeben. Prämiert wurde eine Arbeit aus der Chemie, die Theorie und Praxis besonders erfolgreich verknüpft. Das Siegerteam, Felix Brunner, Raphaela Baumann und Johanna Kaltenbach von der Georg-Kerschensteiner-Schule in Müllheim (Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald), erhielt den mit 1.000 Euro dotierten Sonderpreis für die mit einfachen Mitteln geglückte Synthese von Opalen.
„Mich hat es beeindruckt, dass es diesem Schülerteam gelungen ist, mit den einfachen Mitteln, die einer Schule zur Verfügung stehen, einzig aufgrund sehr guter theoretischer Kenntnisse aus den Materialwissenschaften und intelligent durchgeführter Experimente künstliche Opale herzustellen“, äußerte bewundernd der ehemalige GDCh-Präsident Professor Dr. Henning Hopf nach der Preisverleihung am 24. Mai. Dies sei ein schönes praktisches Beispiel aus der Chemie mit Alltagsbezug, das fast schon handwerklichen Charakter habe. Sehr erfreulich fand Hopf insgesamt das hohe Niveau der Präsentationen beim Bundeswettbewerb „Jugend forscht“, der vom 22. bis 25. Mai in Bremerhaven stattfand.
Von 2004 bis 2007 wurde der GDCh-Sonderpreis Jugend forscht nicht vergeben, da er zunächst nur als einmaliges Ereignis für das Jahr der Chemie 2003 vorgesehen war. In den Folgejahren engagierte sich die GDCh immer mehr in der Jugendförderung, so dass der Sonderpreis 2008 wieder aufgenommen wurde und seitdem jährlich verliehen wird.
"Diffusionsgeschwindigkeit in wässriger Lösung"
Wer seinen Kaffee mit Milch trinkt, kennt das Phänomen, mit dem sich Julia Drehmer, Angela Marx und Kathrin Brandt beschäftigt haben. Ohne Einwirkung von äußeren Kräften vermischen sich Kaffee und Milch zu einer homogenen Flüssigkeit. Verursacht wird diese so genannte Diffusion durch die selbstständige und ungeordnete Bewegung von Ionen, Atomen und Molekülen. Die Schülerinnen interessierte, ob die Vermischung mit einer bestimmten, unveränderlichen Geschwindigkeit abläuft. Dazu untersuchten sie den Diffusionsweg von Permanganat-Ionen und Kupfer(II)-Ionen in verschiedenen Zeitabständen. Ergebnis: Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von der Art der Ionen und ihrer Konzentration ab. Auch Ort und Zeit des Vermischungsvorgangs spielen eine Rolle. (c) Jugend forscht e. V.
zuletzt geändert am: 03.06.2024 11:41 Uhr von M.Mielck
