Dieser Artikel ist Teil einer Reihe von Experimenten, die den Schülern beibringen sollen, wie Wissenschaft gemacht wird, von der Erstellung einer Hypothese über die Gestaltung eines Experiments bis hin zur Analyse der Ergebnisse mit Statistiken. Sie können die Schritte hier wiederholen und Ihre Ergebnisse vergleichen — oder dies als Inspiration verwenden, um Ihr eigenes Experiment zu entwerfen.
Für die Herstellung von Bonbons zu Hause werden nur zwei Zutaten benötigt – Wasser und Zucker. Viel Zucker, wie ich herausfand, als ich 2018 ein Bonbonexperiment durchführte (und das süße Zeug ausging). Die meisten Rezepte empfehlen, etwa dreimal so viel Zucker wie Wasser zu verwenden. Das ist so viel, es scheint wie eine Verschwendung. Um zu sehen, ob ich mit weniger davonkommen könnte, führte ich ein anderes Experiment durch.
Spoiler: Weniger Zucker ist nicht die Antwort.
In meinem vorherigen Experiment habe ich gezeigt, dass Samenkristalle für die Herstellung von Steinbonbons sehr wichtig sind. Ein paar Körner Zucker auf einen Stock oder eine Schnur zu geben, fördert die Bildung größerer Kristalle. Dies beschleunigt die Herstellung von Süßigkeiten.
Ich hatte berechnet, dass ich 52 Plastikbecher mit einer Zuckerlösung füllen müsste, um genügend Bonbons für dieses Experiment herzustellen. Aber das Bonbonrezept verwendete mehr Zucker als ich erwartet hatte und mir ging es schnell aus. Das liegt daran, dass das Rezept ein Kilogramm (8 Tassen) Zucker pro 300 Gramm (2,7 Tassen) Wasser benötigte. Das ist ein Zucker-Wasser-Verhältnis von 3:1. Am Ende musste ich mein Experiment mit nur 18 Plastikbechern durchführen.
Am Ende hat alles geklappt und ich konnte meine Hypothese testen. Aber ich fragte mich, ob ich weniger Zucker und mehr Wasser hätte verwenden können. Um das herauszufinden, war ein weiteres Experiment in Ordnung.
Supergesättigter Zucker
Die Herstellung von Bonbons beginnt mit dem Auflösen von Zucker in Wasser. Das Verhältnis von Zucker zu Wasser im Rezept ist jedoch so hoch, dass sich der Zucker ohne Hilfe nicht auflöst. Egal wie viel ich rühre, es gibt einfach zu viel Zucker.
Das ändert sich, wenn die Wassertemperatur steigt. Wenn sich Wasser erwärmt, bewegen sich einzelne Wassermoleküle immer schneller. Diese schnellen Moleküle können die Zuckerkristalle, die ins Wasser geworfen wurden, leichter aufbrechen. Bald löst sich der ganze Zucker im Wasser auf und das Wasser wird klar.
Diese Lösung ist jedoch nicht stabil. Es ist eine supergesättigte Lösung. Das Wasser enthält mehr Zucker, als es bei Raumtemperatur halten kann. Wenn das Wasser abkühlt, fällt der Zucker langsam aus und wird wieder fest. Wenn die Zuckerkristalle etwas zu befestigen haben — wie ein Stock oder ein Stück Schnur mit ein wenig Zucker bereits darauf – werden sie dazu neigen, dort zu befestigen. Im Laufe der Zeit klammern sich genügend Zuckerkristalle aneinander, um ein Stück Steinbonbon herzustellen.
Aber wie supergesättigt muss meine Lösung sein, um Rock Candy herzustellen? Um dies herauszufinden, beginne ich mit einer Aussage, die ich testen kann — einer Hypothese. Meine Hypothese ist, dass die Verwendung eines niedrigeren Verhältnisses von Zucker zu Wasser in meiner Lösung weniger Steinbonbons produziert als eine Mischung mit einer hohen Zuckerkonzentration.
Süßigkeiten kochen
Um diese Hypothese zu testen, habe ich drei Chargen Rock Candy hergestellt. Die erste Charge ist meine Kontrolle – das ursprüngliche Bonbonrezept mit einem Verhältnis von Zucker zu Wasser von 3: 1, einer übersättigten Lösung. Eine zweite Charge verwendete ein Zucker-Wasser-Verhältnis von 1:1. Diese Lösung ist gesättigt – der Zucker geht unter Rühren und vielleicht ein wenig Hitze in Lösung. Die dritte Gruppe hat eine Lösung mit einem Zucker-Wasser-Verhältnis von 0,33:1. Diese Lösung ist nicht gesättigt, der Zucker löst sich bei Raumtemperatur im Wasser auf.
Ich kann nicht für jede Testbedingung nur ein Stück Rock Candy herstellen. Ich muss mein Experiment wiederholen und genug Bonbons herstellen, um einen Unterschied zwischen den drei Gruppen festzustellen. Für dieses Experiment bedeutete das, 12 Chargen von Rock Candy für jede Gruppe zu kochen.
Ich habe schon einmal Rock Candy für ein Experiment gemacht. Dieses Mal habe ich ein paar Änderungen vorgenommen:
- Messen und schneiden Sie 36 saubere Schnurstücke ab. Stellen Sie sicher, dass genügend Schnur vorhanden ist, um einen Stock über der Tasse zu binden, während Sie die Schnur immer noch in die Zuckerlösung baumeln lassen.
- Tauchen Sie ein Ende der Schnur 12,7 Zentimeter (5 Zoll) in eine Tasse sauberes Wasser und rollen Sie es dann in einen kleinen Haufen Zucker. Zum Trocknen beiseite stellen.
- Stellen Sie 36 Plastik- oder Glasbecher auf.
- In einem großen Topf Wasser und Zucker unter Rühren zum Kochen bringen. Behalte deinen Mix im Auge. Wenn das Wasser zum Kochen kommt, sollte der Zucker in Lösung gehen und das Wasser wird klar.
- Mischen Sie für Ihre 3:1-Lösung 512 Gramm (4 Tassen) Wasser und 1,5 Kilogramm (12 Tassen) Zucker. Ich machte zwei Chargen, die insgesamt etwa 8 Tassen Wasser und 24 Tassen Zucker verwendeten.
- Für die 1:1-Lösung gleiche Mengen Zucker und Wasser in den Topf geben und zum Kochen bringen. Für 12 Tassen Wasser benötigen Sie also 12 Tassen Zucker.
- Für die 0,33: 1-Lösung sollten 15 Tassen Wasser und 5 Tassen Zucker ausreichend sein.
- Sobald die Lösung klar ist, fügen Sie Lebensmittelfarbe hinzu, um eine gewünschte Farbe zu erhalten. Ich habe Rot für meine 3: 1-Lösung, Grün für meine 1: 1-Lösung und Blau für meine 0,33: 1-Lösung verwendet.
- Wenn Ihre Lösung heiß ist, sollten Sie einige Minuten warten, bevor Sie sie in die Becher gießen. Wenn die Tassen aus dünnem, billigem Kunststoff bestehen, können sie durch die heiße Flüssigkeit schmelzen und durchhängen. (Das ist mir passiert; Meine roten Tassen waren unten traurig und schlaff.)
- Gießen Sie mit einem Messbecher 300 Milliliter (10 Flüssigunzen, etwas mehr als eine Tasse) der Lösung in jede Tasse. Möglicherweise müssen Sie eine oder zwei weitere Chargen jeder Lösung herstellen, bis Sie genug haben, um alle 12 Tassen in jeder Gruppe zu füllen.
- Wiegen Sie jede Saite, bevor Sie sie in die Lösung tauchen. Verwenden Sie eine Skala, um die Masse jeder Saite in Gramm zu ermitteln (jede von mir wog etwa ein Gramm). Sobald Sie die Masse notiert haben, tauchen Sie den Stab vorsichtig in eine Tasse Zuckerlösung und befestigen Sie ihn. Stellen Sie sicher, dass die Schnur den Boden oder die Seiten der Tasse nicht berührt. Ich band jede Schnur an einen Holzspieß, der über mehrere Tassen gelegt wurde.
- Stellen Sie alle Tassen an einen kühlen, trockenen Ort, an dem sie nicht gestört werden.
- Warten Sie. Wie lange? Sie werden anfangen zu sehen, Zuckerkristalle bilden sich nach einem Tag oder so. Aber wenn Sie Süßigkeiten essen möchten, sollten Sie mindestens fünf Tage warten.
Nehmen Sie am Ende des Experiments die Waage wieder heraus. Ziehen Sie jede Schnur aus der Tasse, stellen Sie sicher, dass sie nicht tropft, und wiegen Sie sie ein zweites Mal. Solltest du es essen? Vielleicht nicht.
Haben Sie Ihre Daten und essen sie auch?
Um herauszufinden, wie viel Bonbon Sie in jeder Gruppe hergestellt haben, subtrahieren Sie das Gewicht jeder Saite zu Beginn des Experiments vom Gewicht der mit Bonbons überzogenen Saite. Das wird Ihnen sagen, wie viele Gramm Zuckerkristalle gewachsen waren.
Am Ende meines fünftägigen Experiments erstellte ich eine Tabelle mit meinen Ergebnissen, wobei jede Gruppe eine eigene Spalte erhielt. Unten berechnete ich den Mittelwert — das durchschnittliche Kristallwachstum — für jede Gruppe.
Meine supergesättigte Kontrollgruppe wuchs durchschnittlich 10,5 Gramm Süßigkeiten. Die Süßigkeiten sahen rosa und lecker aus. Aber meine anderen Gruppen wuchsen im Durchschnitt – null Gramm Süßigkeiten. Sie sahen aus wie matschige blaue oder grüne Schnurstücke. Einige der Tassen wuchsen sogar Schimmel. (Grob. Iss die nicht.)
Unterscheiden sich die drei Gruppen voneinander? Es schien sicherlich, als wäre die supergesättigte Gruppe anders. Aber um sicher zu sein, musste ich einige Statistik — Tests durchführen, die meine Ergebnisse interpretieren.
Der erste Test, den ich machte, war eine Varianzanalyse oder ANOVA. Dieser Test wird verwendet, um die Mittelwerte von drei oder mehr Gruppen zu vergleichen. Es gibt kostenlose Rechner, die diesen Test für Sie online ausführen. Ich habe den bei Good Calculators benutzt.
Dieser Test gibt Ihnen zwei Ergebnisse, einen F-Wert und einen p-Wert. Ein F-Wert ist eine Zahl, die angibt, ob sich drei oder mehr Gruppen voneinander unterscheiden. Je höher der F-Wert, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich die Gruppen in irgendeiner Weise voneinander unterscheiden. Mein F-stat war 42.8. Das ist sehr groß; Es gibt einen großen Unterschied zwischen diesen drei Gruppen.
Der p-Wert ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit. Es misst, wie wahrscheinlich es ist, dass ich allein durch Zufall einen Unterschied zwischen meinen drei Gruppen feststellen würde, der mindestens so groß war wie der, über den ich berichte. Ein p-Wert von weniger als 0,05 (oder fünf Prozent) wird von vielen Wissenschaftlern als statistisch „signifikant“ angesehen.“ Der p-Wert, den ich von guten Taschenrechnern erhalten habe, war so klein, dass er als 0 gemeldet wurde. Es gibt eine 0-prozentige Chance, dass ich zufällig einen so großen Unterschied sehe.
Aber das sind nur Zahlen, die einen Unterschied zwischen den drei Gruppen melden. Sie sagen mir nicht, wo der Unterschied liegt. Liegt es zwischen der Kontrollgruppe und der 0,33: 1-Gruppe? Die 1: 1-Gruppe und die 0,33: 1-Gruppe? Beides? Weder noch? Ich habe keine Ahnung.
Um zu lernen, muss ich einen weiteren Test durchführen. Dieser Test wird als Post-hoc—Test bezeichnet – einer, mit dem ich meine Daten weiter analysieren kann. Post-hoc-Tests sollten nur verwendet werden, wenn Sie ein signifikantes Ergebnis zu analysieren haben.
Es gibt viele Arten von Post-hoc-Tests. Ich habe Tukeys Reichweitentest verwendet. Es werden alle Mittel zwischen allen Gruppen verglichen. Es wird also das Verhältnis 3: 1 mit dem Verhältnis 1: 1, dann 3: 1 zu 0,33 zu 1 und schließlich 1: 1 zu 0,33 zu 1 verglichen. Für jeden gibt der Bereichstest des Tukeys einen p-Wert an.
Der Reichweitentest meines Tukeys zeigte, dass sich die 3: 1-Kontrollgruppe signifikant von der 1: 1-Kontrollgruppe unterschied (ein p-Wert von 0,01, eine einprozentige Chance auf einen Unterschied). Die 3: 1-Gruppe unterschied sich ebenfalls signifikant von der 0,33: 1-Gruppe (ein p-Wert von 0,01). Die 1: 1- und 0,33: 1-Gruppen unterschieden sich jedoch nicht voneinander (was zu erwarten war, da beide ein durchschnittliches Kristallwachstum von Null aufwiesen). Ich habe ein Diagramm erstellt, um meine Ergebnisse anzuzeigen.
Dieses Experiment scheint ziemlich klar zu sein: Wenn Sie Bonbons wollen, brauchen Sie viel Zucker. Die supergesättigte Lösung ist ein Muss, damit der Zucker auf Ihrer Schnur auskristallisieren kann.
Aber es gibt immer Dinge, die ein Wissenschaftler in jeder Studie besser machen kann. Zum Beispiel hatte ich drei Gruppen mit unterschiedlichen Mengen an Zucker im Wasser. Aber eine andere gute Kontrolle – eine Gruppe, in der sich nichts ändert — wäre eine ohne Zucker im Wasser. Das nächste Mal, wenn ich mir Süßigkeiten machen möchte, muss ich noch ein Experiment machen.
Materialien Liste
Granuliert zucker (6 taschen, $6,36 jeder)
Grill spieße (pack von 100, $4,99)
Klar kunststoff tassen (pack von 100, $6,17)
String ($2,84)
Große topf (4 quarts, $11,99)
messbecher ($ 7.46)
Klebeband ($ 1.99)
Lebensmittelfarbe ($ 3.66)
Rolle Papierhandtücher ($ 0.98)
Nitril- oder Latexhandschuhe ($ 4.24)
Kleine digitale Waage ($ 11.85)