Kaffee als Foto-Entwickler – Ein Beispiel für die Redoxchemie
Übersicht
Spickzettel
Schlüsselwörter: Lochkamera, Redoxchemie, Fotografie
Unterrichtsfächer: Chemie, Physik, Technik, Kunst
Weitere Fachbereiche: Projektwoche
Altersstufe der Schüler*innen: Klasse 9-13
Zeitrahmen: 4 Wochen mit 2 Stunden pro Woche oder Projektwoche
Anbindung an das Curriculum: Optik, Bildentstehung Lochkamera (Kl. 5/6 Niedersachsen), Redoxreaktionen (Kl. 9/10 Niedersachsen), organische Chemie (Kl. 12/13 Niedersachsen)
Kompetenzförderung: Durchführung von Experimenten
Dieses Unterrichtsprojekt von Kerstin Reinecke und Marina Radewagen wurde beim Nationalen Science on Stage Festival 2023 in Bayreuth vorgestellt. Mit dem Bau ihrer eigenen Lochkamera werden die Schüler*innen in die Fotografie eingeführt. Durch einfache Experimente mit selbst hergestelltem Entwickler auf Kaffeebasis entwickeln sie ein Verständnis für die Fotochemie.
Das gesamte Unterrichtsmaterial ohne Arbeitsblätter können Sie als pdf herunterladen.
Das gesamte Unterrichtsmaterial mit Arbeitsblättern finden Sie ganz unten als zip-Datei.
Überblick
Im optionalen ersten Teil wird die Bildentstehung bei der Lochkamera behandelt. Dieser Teil ist der physikalische Schwerpunkt. Nach dem Bau der Lochkamera aus einer Chips-Dose wird das Bild auf dem Schirm untersucht und Versuche zur Bildentstehung mit Blenden durchgeführt.
Im zweiten Teil wird das Bild mit der Lochkamera aufgenommen und mit Hilfe der drei Lösungen entwickelt. Dieser Teil wird im Chemieunterricht behandelt.
Im dritten Teil werden Experimente durchgeführt, die die Reduktion von Silberionen durch die Entwicklersubstanzen zeigen. Dieser Teil wird im Chemieunterricht behandelt.
In diesem Projektvideo vom Nationalen Science on Stage Festival erhalten Sie einen kurzen Überblick über das Projekt.
Hier finden Sie das Projektposter vom Nationalen Science on Stage Festival.
Das Projekt lässt sich auf zwei Gebiete teilen. Der physikalische Schwerpunkt ist die Bildentstehung bei der Lochkamera. Dazu wird zum Einstieg eine Lochkamera aus einer Chipsdose gebaut und das Bild untersucht. In Schülerexperimenten mit verschiedenen Blenden kann dann die Entstehung des Bildes verstanden werden. Dieser physikalische Teil ist optional.
Der chemische Teil des Projektes beschäftigt sich mit dem Festhalten des Bildes und der dahintersteckende Redoxchemie. Hierzu ist aus dem physikalischen Teil lediglich der Bau der Lochkamera aus der Chipsdose nötig. Die Lernenden können zunächst eng angeleitet, die Entwicklung in dem Caffenol-Entwickler durchführen und mit Hilfe einiger Experimente auf der Tüpfelplatte die Reduktion von Silberionen mit den Entwicklersubstanzen nachvollziehen. Hier besteht die Möglichkeit Redoxreaktionen einzuführen oder zu vertiefen. Im folgenden Schritt können die Lernenden die reduzierenden Substanzen im Kaffee ermitteln und andere Naturstoffe zur Entwicklung einsetzen, bei denen sie diese reduzierenden Bestandteile auch vermuten oder aufgrund von Recherchen finden.
Teil 1 – Die Bildentstehung bei der Lochkamera
Spickzettel
Unterrichtsfach: Physik
Thema: Im ersten Teil wird die Bildentstehung bei der Lochkamera behandelt. Nach dem Bau der Lochkamera aus einer Chipsdose wird das Bild auf dem Schirm untersucht und Versuche zur Bildentstehung mit Blenden durchgeführt.
- Chipsdose
- Transparentpapier
- schwarzes Tonpapier bzw. dünner schwarzer Fotokarton
- Schere, Klebeband
- Pin oder kleiner Schraubendreher
- leuchtender Gegenstand, z.B. eine Weihnachtsdekoration wie ein leuchtendes Rentier (Rudolph)
- Mobiltelefon oder Tablet
Lochkameras
Blick durch die Lochkamera
Versuchsaufbau: Entstehung eines Bildes
Bunte Lichtflecken auf dem Schirm
Das Leuchttier Rudolph
Teil 2 – Fotografieren mit der Lochkamera
Spickzettel
Unterrichtsfach: Chemie
Thema: Im zweiten Teil wird das Bild mit der Lochkamera aufgenommen und mit Hilfe der drei Lösungen entwickelt.
- Lochkamera aus Teil 1 mit Deckel (Transparentpapier und äußere Verdunklung aus Tonpapier entfernt)
- Pappe, Bleistift, Schere
- Mobiltelefon oder Tablet mit der App "Lampe" bzw. rote LEDs
- Einmalhandschuhe Latex- oder Nitrilhandschuhe)
- gummiüberzogene Pinzette oder Holzklammern
- Kunststoffkisten mit DIN A4 Grundfläche
- doppelseitiges Klebeband
- schwarzes Panzertape
- Fotopapier Schwarz-Weiß (z.B. Vintage Pearl von Rollei)
- Instant-Kaffee
- Waschsoda (Natriumcarbonat)
- Vitamin C (Ascorbinsäure)
- Essigsäure, 2%-Lösung
- Natriumthiosulfat
- Kaliumdisulfit
- nach Belieben: Rotwein, schwarzer Tee, Möhrensaft, Rote-Bete-Saft
Die Chipsdose
Zunächst wird eine Schablone zum Ausschneiden des Films angefertigt. Dazu wird die Dose auf ein Stück Pappe gestellt und mit Bleistift umrandet und diese Form dann etwas enger ausgeschnitten. Dies ist die Vorlage zum Ausschneiden des Fotopapiers. Auch der Einsatz eines großen Lochstanzers ist möglich. Die schwarze Tülle und das Transparentpapier an der Öffnung der Chipsdose wird entfernt. Der Deckel der Chipsdose wird mit schwarzem Panzertape lichtdicht abgeklebt. Das Innere der Chipsdose wird mit schwarzem Tonpapier ausgelegt. Auf das Loch wird ein Stück schwarzes Panzertape gelegt.
Das Fotopapier
Der Raum muss verdunkelt werden. Auch Notausleuchten müssen abgedunkelt werden. Das Fotopapier ist anders als Fotofilm nicht extrem lichtempfindlich. So wird Restlicht, dass am Rande von Rollläden noch zu erkennen ist, wenig Schaden anrichten. Als Beleuchtung werden rote LEDs aufgebaut. Alternativ kann eine App auf dem Smartphone genutzt werden, bei der sich das Telefon als Lampe einsetzen lässt. Die Schülerinnen und Schüler erhalten ein Stück quadratisches Fotopapier. Es sollte beim Verteilen mit der lichtempfindlichen Seite auf den Tisch gelegt werden. Dieses Stück Fotopapier wird noch für die Lochkamera passend zugeschnitten und mit der lichtempfindlichen Seite ins Innere der Dose zeigend in den Deckel eingeklebt.
Die Belichtung
Der nächste Schritt kann bei Licht durchgeführt werden. Die bestückten Lochkameras werden auf einen stabilen Untergrund gelegt. Es ist Tageslicht zum Belichten nötig. Kunstlicht erzielt keine gut sichtbaren Ergebnisse. Der Tapestreifen wird zum Belichten abgezogen. Je nach Helligkeit dauert die Belichtung zwischen 30 Sekunden und drei Minuten. Bei einem wolkenlosen Sommermittag reichen 30 Sekunden. Ein eher trüber Wintertag benötigt bis zu drei Minuten. Nach der Belichtungszeit wird der Tapestreifen wieder auf das Loch geklebt.
Die Lösungen
Die drei Lösungen werden angesetzt und in Plastikwannen gefüllt. Die Wannen sollten so beschaffen sein, dass man während des Entwicklungsvorgangs das Foto durch vorsichtiges Anheben schwenken kann. Auch die Verwendung von Glaswannen ist möglich. Es dürfen keine Metallschüsseln eingesetzt werden. Die Fotos werden bei Verdunkelung aus den Kameras genommen und zunächst in die Entwicklerlösung gegeben. Es sollte zwischen zwei und fünf Minuten dauern, bis das Bild zu erkennen ist. Dann wird das Bild in die Stopperlösung gegeben und für zwei Minuten geschwenkt. Im Anschluss kommen die Fotos in die Fixierlösung. Zum Hantieren der Fotos sollten entweder Pinzetten mit Gummiüberzug eingesetzt werden oder die mit Nitrilhandschuhen geschützten Hände.
In einem Liter Wasser (Aqua dest., sehr weiches Leitungswasser (Härtegrad 1) hat auch funktioniert) werden 56 g Waschsoda gelöst. In dieser Lösung werden 16 g Vitamin C gelöst. Wenn die Lösung klar ist, werden nach und nach 40 g Instantkaffee zugefügt. Dabei kräftig rühren lassen. Der Entwickler ist gebrauchsfertig, wenn der Instantkaffee vollständig gelöst ist.
Die Entwicklung kann zwischen einer und fünf Minuten dauern. Die Fotos sollten unter Schwenken beobachtet werden.
Die 40 g Instantkaffee können auch durch andere Naturstoffe ersetzt werden. So kann das Wasser durch einen Liter Rote Bete-Saft ersetzt werden. Oder ein großer Esslöffel voll Rote Bete-Pulver wird in einem Liter Wasser gelöst. In beiden Fällen werden 56 g Waschsoda und 16 g Vitamin C zugesetzt.
Bei schwarzem Tee werden zehn Beutel schwarzer Tee mit 250 ml kochendem Wasser aufgegossen und dann zehn Minuten lang stehen gelassen. Die Teebeutel werden entfernt und die Lösung mit 750 mL kaltem Wasser aufgefüllt. Die Lösung muss Raumtemperatur haben, bevor Waschsoda (56 g) und Vitamin C (16 g) zugefügt werden.
Bei allen Versuchen gilt, dass auf einen Liter Saft, Lösung etc. 56 g Waschsoda und 16 g Vitamin C kommen sollten.
Essigsäure als 2%-Lösung
Die Stopperlösung und Fixierlösung bleiben bei Veränderung der Entwicklerlösung jeweils unverändert.
Die Fotos sollten zwei Minuten lang in der Stopperlösung geschwenkt werden.
200 g Natriumthiosulfat (Na2S2O3) werden in einem Liter Wasser (Aqua dest., sehr weiches Leitungswasser (Härtegrad 1) hat auch funktioniert) gelöst. In dieser Lösung werden 20 g Kaliumdisulfit (K2S2O5) gelöst. Natriumthiosulfat lässt sich auch über den Aquariumsbedarf beschaffen. Kaliumdisulfit, auch Kaliumpyrosulfit genannt, kann über Baumärkte beschafft werden, es ist ein Konservierungsmittel in der Weinherstellung.
Die Fotos sollten fünf Minuten in der Fixierlösung bleiben. Danach sollten die Bilder für mindestens zehn Minuten bis zu einer halben Stunde gewässert werden. Zwischendurch muss das Wasser erneuert werden. Zum Trocknen die Fotos an einer Wäscheleine mit Holzklammern aufhängen oder auf aufsaugendem Papier flach auflegen.
Alternativ kann man die Fixier- und Stopperlösung als fertiges Konzentrat kaufen (z.B. von Macofix und Macostop von macodirect). Diese Stocklösungen müssen nach Packungsangabe mit Wasser verdünnt werden.
Die Abbildungen geben einen Überblick über die nötigen Arbeitsschritte und die eingesetzten Materialien. Eine genaue Beschreibung findet sich auf dem Arbeitsblatt 2 "Bildentwicklung".
Aufnahme mit der Lochkamera
Fotopapier
Kommerzielle Fotochemie
Wannen für die Fotochemie
Caffenol
Caffenol-Entwickler ansetzen
Zutaten Caffenol
Teil 3 – Die Fotochemie als Beispiel für Redoxreaktionen
Spickzettel
Unterrichtsfach: Chemie
Thema: Im dritten Teil werden Experimente durchgeführt, die die Reduktion von Silberionen durch die Entwicklersubstanzen zeigen.
- Tüpfelplatte
- Pipette
- Erlenmeyerkolben oder Bechergläser
- Waschsoda (Natriumcarbonat)
- Instant-Kaffee
- Schwarzer Tee
- Vitamin C (Ascorbinsäure)
- Rote-Beete-Saft oder -pulver
- Möhrensaft oder -pulver
- Verschiede Obst- und Gemüsesäfte (Traubensaft, Apfelsaft)
Zubereitung der Lösungen
Aus den wird eine Lösung von 20 g Pulver auf 50 mL Wasser angesetzt. Diese 50 mL Lösung werden mit einem Teelöffel Waschsoda versetzt.
Ein Teebeutel (schwarzer Tee) wird mit 50 mL kochendem Wasser übergossen und so lange stehen gelassen, bis der Tee Raumtemperatur hat. Dann wird ein Teelöffel Waschsoda zugefügt.
Ein Teelöffel Instant-Kaffee wird in 50 mL Wasser aufgelöst und mit einem Teelöffel Waschsoda versetzt.
Ein Teelöffel Ascorbinsäure wird in 50 mL Wasser gelöst.
Die Säfte werden direkt eingesetzt. Jeder Saft wird einzeln genutzt. Es können beliebige Säfte ausgewählt werden. Liegen Gemüse- oder Obst-Pulver vor, so wird ein Teelöffel des jeweiligen Pulvers in 50 mL Wasser gelöst.
Reduktion von Silbernitrat mit den Lösungen
Auf eine Tüpfelplatte wird jeweils ein Tropfen jeder Lösung in eine einzelne Vertiefung gegeben. Zu jeder Lösung wird ein Tropfen der Silbernitratlösung gegeben.
Die Verwendung einer weißen Tüpfelplatte macht es leichter, die Veränderungen der Lösungen zu beobachten.
Das elementare Silber fällt schwarz aus.
→ AB 3 "Chemie der Fotografie" als docx und als pdf
→ Lösungsblatt als docx und als pdf
→ Bild "Entstehung des latenten Bildes" von AB 3 als png
→ Die Schaubilder aus der Bildergalerie als pdf
Das elementare Silber fällt schwarz aus
Schaubild: Reaktion bei der Entwicklung durch Kaffeeentwickler
Schaubild: Stoppbad
Schaubild: Fixierung
Ausblick
Es bieten sich vielfältige Erweiterungen des Projektes an. Viele verschiedene Pflanzenextrakte lassen sich als Entwickler testen. Alles, was Polyphenole enthält, sollte zu Ergebnissen führen.
Ein weiterer Weg ist das Belichten von mit Pflanzenextrakten behandeltem Papier. Ein Beispiel ist hier der Einsatz von Kurkuma mit anschließender Natronbehandlung.
Über die Autorin
Seit 20 Jahren unterrichtet Kerstin Reinecke an verschiedenen niedersächsischen Gymnasien die Fächern Chemie und Physik. Besondere Freude bereitet ihr das Entwickeln neuer Unterrichtseinheiten mit ganz vielen Experimenten zum Mitmachen, um in allen Lernenden den Spaß an den Naturwissenschaften zu entfachen. Daher unterstützt sie auch Schülerinnen und Schüler, die an Wettbewerben wie Jugend forscht oder den Science Olympiaden teilnehmen möchten.
Unterrichtsmaterialien
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