Tollens-Probe

Hast Du Dich schon einmal im Spiegel, oder zur Weihnachtszeit in einer Christbaumkugel, betrachtet und Dich gefragt, wie dieser Spiegeleffekt überhaupt zustande kommt? Der Effekt hat etwas mit der Tollens-Probe zu tun, die auch Silberspiegelprobe genannt wird. Entwickelt wurde sie von Bernhard Tollens.

Mithilfe der Tollens-Probe kannst Du nicht nur Spiegel herstellen, sondern auch Aldehyde nachweisen. Aber wie genau funktioniert das?

Nutzen der Tollens Probe

Der Name Silberspiegelprobe kommt daher, dass diese Reaktion früher genutzt wurde, um Spiegel herzustellen. Ist eine Aldehyd-haltige Verbindung vorhanden, bildet sich ein silbriger Belag an der Wand des Reagenzglases, der sogenannte Silberspiegel. Dabei handelt es sich um elementares Silber.

Da die Tollens-Probe zum Nachweis von Aldehyden beziehungsweise reduzierenden funktionellen Gruppen dient, ist es wichtig, dass Du verstehst, wie diese Moleküle aussehen.

Bei diesen Molekülen handelt es sich um Zuckermoleküle, also Saccharide. Diese können Mono-, Di- oder Oligosaccharide sein. Reduzierende Zucker sind diejenigen Saccharide, die, wenn sie sich in einer Lösung befinden, eine freie Aldehyd-Gruppe besitzen.

Eine Aldehyd-Gruppe ist eine COH-Gruppe (Carbonylgruppe), die sich am Ende eines Moleküls befindet.

In der folgenden Abbildung siehst Du die offenkettige Form von Glucose in der D- und L-Form mit der Aldehyd-Gruppe, die rot eingekreist ist.

Abbildung 1: Glucose in der D- und L-Form

Reaktionsgleichung der Tollens-Probe

Um die Tollens-Probe zu verstehen, solltest Du Dich zuerst mit der Redoxreaktion vertraut machen. Auf dieser basiert der Nachweis. Fasst Du alle einzelnen Reaktionsschritte zusammen, kannst Du folgende, vereinfachte Reaktionsgleichung aufstellen:

$\mathrm{R}-\mathrm{CHO}+2{\mathrm{Ag}}^{+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{R}-\mathrm{COOH}+2\mathrm{Ag}\downarrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Eine Aldehyd-Gruppe (R-CHO) reagiert mit Silberionen (Ag⁺) unter basischen Bedingungen (OH^-) zu einer Carbonsäure (R-COOH), elementarem Silber (Ag) und Wasser (H₂O).

Durchführung der Tollens-Probe

Für die Tollens-Probe benötigst Du eine Silbernitratlösung. Es ist wichtig, dass Du für die Herstellung der Lösung und alle weiteren Schritte destilliertes Wasser benutzt. Reguläres Leitungswasser enthält Chloridionen, die mit dem Silbernitrat zu Silberchlorid reagieren würden. Das hätte zur Folge, dass Du den Versuch nicht mehr durchführen kannst.

Um die Silbernitratlösung mit der ungefähren Konzentration von 0,1 $\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{l}}$ herzustellen, musst Du 1,7 g Silber(I)-nitrat in 50 ml destilliertem Wasser lösen und diese Lösung anschließend mit Wasser auf 100 ml auffüllen.

Es ist wichtig, dass Du bei der Tollens-Probe genau auf die Reihenfolge der einzelnen Schritte achtest, da der Nachweis sonst nicht wie gewünscht erfolgen kann.

Schritt 1: Herstellung der Tollens-Reagenz

Zunächst musst Du den Stoff herstellen, den Du für die Tollens-Probe benötigst: das Tollens-Reagenz. Dafür gibst Du die gerade angesetzte Silbernitratlösung in ein Reagenzglas. Dann fügst Du destilliertes Wasser hinzu.

Das Silbernitrat (AgNO₃) zerfällt in wässriger Lösung zunächst vollständig in seine Ionen. Zwei Silberionen (Ag⁺) reagieren nun mit zwei Hydroxidionen (OH^-) des Wassers zu Silber-(I)-oxid (Ag₂O) und Wasser.

$2{\mathrm{Ag}}^{+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{Ag}}_2\mathrm{O}\downarrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Silber-(I)-oxid ist unlöslich in Wasser und verursacht einen bräunlichen bis gräulichen Niederschlag.

Jetzt gibst Du so lang eine Ammoniaklösung (NH₃) zu Deinem Reagenzglas, bis sich der braune Niederschlag komplett auflöst. Dabei bildet sich aus dem unlöslichen Silberoxid der sogenannte Silberdiamminkomplex ([Ag(NH₃)₂]⁺).

${\mathrm{Ag}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2{\left[\mathrm{Ag}{\left({\mathrm{NH}}_3\right)}_2\right]}^{+}+2{\mathrm{OH}}^{-}$

Am besten schüttelst Du das Reagenzglas ein wenig, während Du den Ammoniak hinzugibst. Du hast alles richtig gemacht, wenn sich wieder eine klare Lösung in Deinem Reagenzglas befindest. Der entstehende Silberdiamminkomplex wird auch als Tollens-Reagenz bezeichnet. Nun kannst Du damit den eigentlichen Nachweis starten.

Schritt 2: Die Tollens-Probe

Zu der eben hergestellten Tollens-Reagenz gibst Du jetzt die Substanz in wässriger Lösung hinzu, die Du testen möchtest. Danach musst Du wieder schütteln, damit sich die Substanzen gut vermischen.

Das Reagenzglas stellst Du in ein heißes Wasserbad (> 70 °C) und bewegst es danach nicht mehr. Jetzt musst Du abwarten.

Nach ein paar Minuten erhältst Du das Ergebnis: Handelt es sich bei Deiner zu testenden Substanz um ein Aldehyd, bildet sich ein silbriger Belag an der Wand des Reaktionsgefäßes aus – der sogenannte Silberspiegel.

Ist Deine Testsubstanz jedoch kein Aldehyd, passiert nichts.

Um zu verstehen, wie diese Reaktion genau funktioniert, kannst Du Dir folgende Abbildung anschauen:

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Redoxreaktion. Die Aldehydgruppe (R-CHO) reagiert also mit den zwei Silberdiamminkomplexen ([Ag(NH₃)₂]⁺) und den zwei Hydroxidionen (OH^-).

Wie Du siehst, wird dabei der Kohlenstoff der Aldehydgruppe oxidiert. Seine Oxidationszahl erhöht sich von +I auf +III. Dabei werden zwei Elektronen (e^-) abgegeben. Die Reduktionsreaktion kannst Du etwas vereinfachen, wenn Du statt des Silberdiamminkomplexes nur die Silberionen betrachtest.

Tollens Probe bei Glucose und Fructose

Die Tollens-Probe kann mit Glucose durchgeführt werden. Hierbei musst Du jedoch eines beachten. Liegt die Glucose in einer Ringform vor, kommt es zu keiner Reaktion, da die Aldehyd-Gruppe nicht erreichbar ist. In der Ringform liegt die Aldehyd-Gruppe als Halbacetal gebunden vor. In einer wässrigen Lösung liegt meistens ein Gemisch der offenkettigen Form und der Ringform vor. Die beiden Formen stehen dabei im Gleichgewicht zueinander.

Abbildung 4: Glucose in der offenkettigen Form und in der Ringform

Neben Glucose fällt die Probe auch bei Fructose positiv aus. Fructose hat zwar keine Aldehyd-Gruppe, aber eine Ketogruppe. Das ist eine nicht endständige Carbonylgruppe (C=O). Durch die Keto-Enol-Tautomerie kann die nicht reduzierende Ketogruppe in eine reduzierende Aldehyd-Gruppe umgewandelt werden. Die reduzierende Form wird Endiol-Form genannt.

Durch diese Reaktion wird aus Fructose, Mannose und Glucose gewonnen. Wegen dieser Keto-Enol-Tautomerie fällt die Tollens-Probe auch bei Fructose positiv aus und die Reaktion kann auf der gleichen Art, wie bei Glucose, stattfinden.

Mit dem Zweifachzucker Saccharose verläuft die Tollen-Probe negativ. Es liegt kein Halbacetal vor, weshalb die Möglichkeit der Ausbildung einer offenkettigen Form mit einer Aldehydgruppe nicht besteht. Bei Maltose und Lactose fällt die Tollens-Probe positiv aus, da diese Zweifachzucker Aldehydgruppen ausbilden können.

Entsorgung der Lösung

Die Tollens-Reagenz muss jedes Mal neu hergestellt werden, da sich nach längerer Zeit das explosive Silbernitrit (Ag₃N) bilden würde.

Nachdem Du das Reagenzglas aus dem Wasserbad rausgeholt hast, schüttest Du die restliche Silberlösung in die übrig gebliebene Substanzlösung. Dies ist nun Dein Abfallgefäß. Danach solltest Du das Reagenzglas 2–3 Mal mit klarem Wasser ausspülen – das Spülwasser schüttest Du dann auch in das Abfallgefäß.

Danach stellst Du das Reagenzglas wieder in ein Wasserbad, das heißer als 70 °C sein sollte. Nach 8–10 Minuten kannst Du etwas beobachten: Es hat sich Silber am Boden des Reagenzglases abgesetzt. Dieses kannst Du abfiltrieren, waschen und in den normalen Hausmüll entsorgen. Die restliche Lösung jedoch muss in einen Behälter für Schwermetalle. So hast Du die Lösung richtig und ohne jegliche Gefahr entsorgt.