DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2011/2012 Teamname: Teamleiter

DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2011/2012
Teamname:
Teamleiter:
Klassenstufe (gesamt):
Bitte stellt sicher, dass eure Teamangaben in eurem Teambereich auf der DECHEMAXWebsite korrekt und aktuell sind, da wir nach diesen Angaben eure Urkunden nach der
ersten Runde ausstellen. Falls ihr nach der ersten Runde Änderungen an eurem Team
vorgenommen habt, müsst ihr diese hier angeben.
Altes Teammitglied
Neues Teammitglied
So können wir eure Protokolle am besten bewerten:
Schickt uns die Protokolle bitte per Post, es gilt das Datum des Poststempels. Einsendeschluss ist der 24. März 2012. Bitte verwendet keine Schnellhefter, Klarsichtfolien oder
ähnliches, sondern tackert die Blätter einfach zusammen. Notiert auf jeden Fall den Namen eures Teams, eures Teamleiters und aller Teammitglieder und die Klassenstufe auf
diesem Deckblatt und heftet es vor euer Protokoll. Am besten beschreibt oder bedruckt ihr
die Blätter beidseitig, das spart euch Papier und Porto. Weitere Informationen zu den Protokollen findet ihr auch in unseren FAQs unter http://dechemax.de/faq.
Ob euer Protokoll bei uns eingegangen ist, erfahrt ihr in eurem Teambereich oder unter
www.dechemax.de/protokolle.
Bitte dokumentiert eure Versuche mit Fotos.
Wir können eure Protokolle nicht zurückschicken und können euch auch im Einzelnen keine Auskunft zur Korrektur geben. Alle Rechte an den eingesandten Lösungen gehen an
die DECHEMA über, das schließt auch die Texte, Abbildungen und Muster ein, die von der
DECHEMA uneingeschränkt verwendet und zitiert werden können. Die DECHEMA kann
über die eingesandten Lösungen frei verfügen und insbesondere über deren Aufbewahrung oder Vernichtung nach der Auswertung frei entscheiden.
Manche Fragen sind für die unteren Klassenstufen noch recht schwierig. Das wissen wir.
Macht soviel ihr könnt – wir bewerten jede Klassenstufe getrennt.
Falls ihr zu Hause in der Küche experimentiert, informiert eure Eltern über die Versuche und fragt um Erlaubnis.
Vielleicht haben sie ja auch Lust, euch über die Schultern zuschauen.
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
Bitte beachtet beim Experimentieren einige Grundregeln:
 Während ihr eure Experimente durchführt, sollt ihr (in der Küche oder im Schullabor)
nichts essen oder trinken. Wenn ihr also in der Küche experimentiert, dann auch nicht
gerade dann, wenn Essen gekocht wird.
 Beachtet die Sicherheitshinweise der eingesetzten Stoffe.
 Achtet darauf dass ihr in gut gelüfteten Räumen arbeitet, damit eventuell entstehende
Dämpfe wieder abziehen können.
Teil A Kostbare Wärme!
In unserer ersten Runde habt ihr bestimmt schon gemerkt: Auch in der Chemie dreht sich
bei einem Blick in die Zukunft sehr vieles um die Themen Energie und Energieversorgung.
Wichtige Fragen sind: Aus welchen Quellen können wir unsere so dringend benötigte
Energie in Zukunft schöpfen, wie können wir gewonnene Energie speichern und andernorts verfügbar machen und – last but not least – wie können wir Energie sparen und so
unseren übermäßigen Verbrauch drosseln? Wer die Antworten auf diese Fragen hat, hat
mit Sicherheit wenigstens einen Nobelpreis verdient.
Wir wollen uns mit unseren Versuchen diese Thematik noch einmal genauer anschauen.
Ein paar Grundlagen vorweg:
Was ist Wärme?
Wärme ist der Energiegehalt eines Körpers. Sie stellt sich in ungeordneter Bewegung seiner Moleküle / Atome dar. Die Bewegungen können Translation (Bewegung von A nach
B), Rotation (wie ein Kreisel) sowie Schwingungen (ähnlich wie ein Uhrenpendel) umfassen. Zusammengenommen heben sich die Bewegungen auf, so dass der Körper sich nicht
von der Stelle bewegt.
Was ist die Temperatur?
Die Temperatur beschreibt die Verteilung der Energie über die verschiedenen Bewegungsarten. Sie ist ein Maß für die durchschnittliche Wärmeenergie einer Substanz .
Das ist jetzt reine physikalische Chemie und nicht wirklich leicht zu verstehen.
Anhand eines kleinen Alltagsbeispiels könnt ihr aber bestimmt erklären, was der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme ist:
Es ist frisch serviert. Auf einem Teller befinden sich zwei dampfende Knödel, auf dem andern nur einer. Beide wurden gerade demselben Topf entnommen und haben die gleiche
Temperatur. Auf dem Teller mit den 2 Knödeln ist jedoch die doppelte Wärmemenge vorhanden wie auf dem Teller mit nur einem Knödel.
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
1. Wie viel Wärme kann eine Substanz speichern?
Die Wärmekapazität beschreibt die Wärmemenge, die eine Substanz enthält:
Bezogen auf die Masse einer Substanz: C=ΔQ/(m x ΔT)
Q= Wärme
c= Wärmekapazität (spezifische)
m = Masse
ΔT= Temperaturdifferenz
Messung der Wärmekapazität von Wasser
Was ihr braucht:
2 gleich große Herdplatten
2 gleich große Töpfe mit Deckeln, passend zu den Herdplatten
1 Thermometer (0-120 °C)
1 Küchenwaage oder 1 Messbecher
Topf A mit 1 Liter (1 kg) kaltem Wasser aus dem Hahn füllen und Deckel aufsetzen.
Topf B mit 0,5 Liter (0,5 kg) kaltem Wasser aus dem Hahn füllen und Deckel aufsetzen.
Dreht beide Herdplatten auf volle Leistung und setzt die Töpfe auf. Messt jede Minute die
Temperatur in jedem Topf und schreibt diese auf, bis das Wasser kocht.
0 min
Topf A
Topf B
1 min
2 min
...
1 kg
H2O
0,5 kg
H2O
Schaltet im Anschluss die Herdplatten aus, gießt das Wasser ab und wartet, bis die Töpfe
wieder Raumtemperatur haben. Führt das Experiment erneut durch, vertauscht dabei die
Töpfe auf den Herdplatten.

Wozu dient dieses Vorgehen?
Sollte es eine Gebrauchsanweisung für den Herd geben, so könnt ihr die dortigen Angaben der Leistung P (Energie pro Zeit) für die Herdplatten verwenden. Sonst nehmt einfach
1000 W (J/s).

Berechne c für den Temperaturbereich von 20 - 80°C.
Bsp:
t= 5 min = 300 s, 1 kg Wasser
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
C=ΔQ/(m x ΔT)
ΔQ = P x t
C= P x t/(m x ΔT)
C= 1000 J/s x 300 s / (1 kg x 60°C)= 5000 J/(kg K)
Die tatsächliche Wärmekapazität von Wasser beträgt: Cm= 4,18 kJ/(kg x K).
Euer errechneter Wert dürfte etwas höher ausgefallen sein.

Warum ist das wohl so?
2. Phasenübergang
Wärme kann nicht nur in fühlbarer (sensibler) Wärme gespeichert werden, sondern auch
in dem Aggregatszustand einer Substanz (latente Wärme).
Experiment:
Was ihr braucht:
1 Herdplatte
1 Topf mit Deckel, passend zur Herdplatte
1 Thermometer (0-120 °C)
1 Küchenwaage oder 1 Messbecher
Friert 0,5 Liter (kg) Wasser im Gefrierschrank ein. Holt das entstandene Eis aus dem Gefrierschrank und zerkleinert es. Stellt die Herdplatte wie oben auf volle Leistung und stellt
den Topf mit dem Eis darin mit einem Deckel abgedeckt auf die Platte. Messt jede Minute
die Temperatur in dem Topf unter Rühren und notiert sie, ebenso wie andere Beobachtungen, bis das Wasser 5 min gekocht hat.



Macht ein Diagramm, in dem ihr das das Temperaturprofil über der Zeit auftragt
(also x-Achse: Zeit, y-Achse: Temperatur).
Was fällt auf?
Warum?
3. Wärmeübergang:
Wärme fließt immer von einem warmen zu einem kalten Körper. Dabei kommen verschiedene Mechanismen zum Einsatz:
a) Konvektion:
Dieses Wort kennt ihr vielleicht aus dem Wetterbericht. Unter Konvektion versteht man
das Aufsteigen von weniger dichter (wärmerer) Luft, Gas, oder Flüssigkeiten gegenüber
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
ihrer dichteren (kälteren) Umgebung. Insgesamt wird dabei Wärme von unten nach oben
transportiert.
b) Wärmeleitung:
Unter Wärmeleitung versteht man den Transport von Wärme durch einen Stoff hindurch.
Die Geschwindigkeit der Wärmeleitung ist stark stoffabhängig. Metalle sind generell recht
gute Wärmeleiter, poröse Materialien hingegen isolieren in der Regel recht gut.
Experiment:
Was ihr braucht:
1 Herdplatte
1 Topf, passend zur Herdplatte
1 Metallbecher
1 Keramikbecher
beide Becher solltet ihr nebeneinander in den Topf stellen können. Wenn ihr keinen Metallbecher habt, könnt ihr auch andere Becher verwenden, es sollten nur unterschiedliche
Materialien sein. Metall eignet sich aber für den Versuch besonders gut.
1 Thermometer (0-120 °C)
1 Küchenwaage oder 1 Messbecher
Stellt 0,5 Liter Wasser (kg) in einen Topf auf die Herdplatte und erhitzt dieses bis 80°C.
Versucht, das Wasser möglichst bei der Temperatur zu halten. Füllt die Becher mit 100 ml
(g) kaltem Wasser und stellt sie in den Topf. Messt jede Minute die Temperatur im Wasser
der Becher und schreibt sie auf. (Wenn ihr es schafft, die Wassertemperatur einigermaßen
konstant zu halten, könnt ihr die Versuche mit den Bechern auch nacheinander durchführen). Zeichnet die Temperaturverläufe in ein (T,t)-Diagramm auf (x-Achse: Zeit in Minuten,
y-Achse: Temperatur).
 Beschreibt die Unterschiede.
c) Strahlung:
Jeder Körper gibt in Abhängigkeit von der Temperatur elektromagnetische Strahlung an
die Umgebung ab. In den meisten Fällen können wir diese Strahlung nicht wahrnehmen.
Allerdings wissen wir, dass beim Schmieden rotglühendes Eisen kälter ist als weißglühendes. Die Sonne transportiert den größten Teil ihrer Wärmeenergie als Strahlung auf die
Erde. Umgekehrt nimmt ein Körper auch Strahlung auf und zwar abhängig von seiner Farbe.
Experiment:
Was ihr braucht:
1 weißes T-Shirt
1 schwarzes T-Shirt
Fenster zur Südseite
Sonnenschein 
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
Lege beide T-Shirts für 15 min in die Sonne.
 Welches der beiden T-Shirts wird wärmer?
 Warum?
4. Optimierungsversuch
Ihr habt nun die folgenden Wärmetransportarten kennengelernt:
 Konvektion
 Wärmeleitung
 Strahlung
Immer, wenn wir Energie/Wärme nutzen, geht ein Teil davon (als Wärme) über eben diese
Wege verloren. Daher gibt es eine Menge Anstrengungen, zum Beispiel das Beheizen
einer Wohnung oder das Kochen so zu optimieren, dass möglichst wenig Wärme verlorengeht.
Wer bei euch zu Hause einen Induktionsherd verwendet und die Kartoffeln im Dampfdrucktopf kocht, hat mit Sicherheit schon seinen Energieverbrauch minimiert. Ganz anders
sieht es oft noch in Entwicklungsländern aus, wo in der Regel ein großer Topf auf dem
offenen Feuer steht und nur ein viel zu kleiner Teil des knappen Brennholzes zur Zubereitung der Speisen genutzt wird.
Könnt ihr aus einfachen Mitteln (ausgehend von einer Konservendose als Topf und einem
Stövchen mit Teelicht als Energiequelle) eine ‚Kochstelle‘ so optimieren, dass möglichst
wenig Energie verbraucht wird?
Erklärt uns eure Ideen und schickt uns ein Foto eurer Kochstelle.
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
Teil B Selfmade-Wärmekissen
Hat man erst einmal Energie gewonnen, zum Beispiel aus regenerativen Energien wie
Sonne oder Windkraft, muss man sie speichern können, um sie im Bedarfsfall auch wieder
abzurufen. Denn manchmal scheint die Sonne, manchmal weht der Wind... aber eben nur
manchmal - ihr kennt das ja.
Chemiker machen sich Gedanken über die chemische Speicherung von Energie, zum
Beispiel in Form von Latentwärmespeichern.
Eine Art von Latentwärmespeicher ist in den letzten Jahren recht beliebt geworden: die
sogenannten Taschenwärmer. In diesen ist das Salz Natriumacetat-Trihydrat ,das Natriumsalz der Essigsäure, an das drei Wassermoleküle gebunden oder angelagert sind –
man spricht von einer Hydrathülle.
Kurz gesagt, funktioniert das Wärmekissen etwa so: Erwärmt man das Salz (mit wenig
Wasser), löst es sich in dem wenigen zugegebenen Wasser und dem Wasser der eigenen
Hydrathülle (also den 3 H2O), die sich bei höherer Temperatur aus dem Verbund löst. Dazu muss man Energie zuführen. Beim Abkühlen bleibt die (übersättigte) Lösung zunächst
flüssig (hier wird also die Wärme in Form einer metastabilen Lösung gespeichert). Erst
durch einen kleinen Anreiz von außen (bei den Taschenwärmern das Knicken des Metallplättchens) beginnt die Kritallisation und damit die Freisetzung der Wärme.
Bei den folgenden Versuchsanweisungen solltet ihr ziemlich genau so arbeiten, wie es
hier steht. Das Ganze kann gut funktionieren, ist aber ähnlich schwierig herzustellen wie
einer von Severus Snapes anspruchsvolleren Zaubertränken.
Nehmt euch Zeit für diesen Versuch. Da ihr lange Trocknungs-/ Reaktionszeiten habt, ist
es schwierig, alles an einem Tag durchzuziehen.
1 Herstellung von Natriumacetat
Achtet darauf, dass ihr in gut gelüfteten Räumen arbeitet. Der Geruch der Essigsäure ist stechend. Benutzt Schutzbrillen und Schutzkleidung und beachtet die Sicherheitshinweise der Chemikalien!
Da Natriumacetat-Trihydrat nicht einfach so gekauft werden kann, wollen wir es selbst
machen:
was ihr braucht:
Soda (60 g) (zum Beispiel aus der Drogerie)
Essigessenz (200 ml)
Wasser
einen kleinen Topf
evtl. eine kleine Pfanne (auf keinen Fall Mamas Beste mit der guten Beschichtung)
Thermometer (0-120 °C)
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
Gebt 60 g Soda in einen Topf oder Becherglas und gebt dann langsam die Essigessenz
hinzu (Vorsicht – schäumt stark).
Am besten lasst ihr die Mischung über Nacht stehen, damit die beiden Substanzen gut
miteinander reagieren können.
Erwärmt die wässrige Mischung in einer Pfanne oder einem Topf oder einer Pfanne auf
dem Herd auf niedriger Stufe.
Vorsicht: Wenn zu stark erwärmt wird und noch viel Essigsäure vorhanden ist, kann das
unangenehme Dämpfe produzieren – also auf ausreichend Lüftung achten!
Erwärmt nie zu stark! Prüft die Temperatur mit einem Thermometer und achtet darauf,
dass ihr unter 58 °C bleibt, sonst habt ihr nachher Natriumacetat ohne Hydrathülle.
Wenn alle Flüssigkeit verdampft ist, tropft ihr noch einmal ein wenig Essigsäure zu. Erst,
wenn die Mischung nicht mehr schäumt, könnt ihr davon ausgehen, dass die Umsetzung
vollständig stattgefunden hat. Natriumacetat Trihydrat kristallisiert in langen Nadeln aus,
die ungefähr so aussehen:
Trocknet das Salz vollständig,
damit ihr nachher mit den richtigen Mengen Wasser hantieren könnt. Das kann etwas
dauern!
Fragen:
1. Formuliert die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Natriumactetat.
2. Weshalb schäumt es, wenn ihr die beiden Substanzen zusammengebt? Was entsteht?
2 Das Wärmekissen
Jetzt gilt es, eine übersättigte Lösung von Natriumacetat herzustellen:
was ihr braucht:
 euer selbsthergestelltes Natriumacetat
 einen Filter (Kaffeefilter)
 einen Trichter
 ein weiteres Gefäß
DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011
Wahrscheinlich habt ihr in Topf/Pfanne ein ziemlich festgebackenes Salz.
Behaltet einen Krümel eures Salzes zurück.
Löst euer Salz in 10 ml (maximal 20 ml – ein wenig verdampft auch wieder) Wasser und
erwärmt es.
Das Wasser befeuchtet zunächst das Salz nur und es sieht aus, als ob es viel zu wenig
wäre. Beim Erwärmen (zunächst auf niedriger Stufe auf der Herdplatte) ändert sich dies
aber.
Fragen:
1. Was könnt ihr beobachten?
2. Was passiert in diesem Moment?
Wenn ihr das Gemisch noch in einer Pfanne habt, wäre es jetzt die beste Zeit, umzuziehen - am besten in einen Topf oder ein Becherglas, aus dem man gut ausgießen kann.
Wenn ein wenig Flüssigkeit im Topf/Becherglas steht, könnt ihr die Temperatur höher stellen, so lange, bis die Flüssigkeit kocht.
Stellt einen Löffel/einen Spatel in das Wasser, damit es keinen Siedeverzug gibt und
euch alles entgegenspritzt!
Wenn der ganze Feststoff gelöst ist, filtriert ihr die noch heiße Flüssigkeit (Vorsicht, verbrennt euch nicht!) in ein sauberes (!) Gefäß, stellt das Thermometer hinein und lasst dieses so lange stehen, bis die Flüssigkeit auf ca. 20 °C abgekühlt ist. Lasst diese Flüssigkeit
ganz in Ruhe stehen – Kleinigkeiten können genügen, um die Kristallisation anzuregen.
Nach dem Abkühlen kratzt ihr einfach ein wenig mit dem Thermometer an der Topf/Glaswand. Wenn das nicht reicht, werft den Krümel Natriumacetat, den ihr zurückbehalten habt, in die Lösung.
Fragen/Aufgaben:
1. Beschreibt, was passiert
2. Wie ändert sich die Temperatur?
3. Erklärt die Temperaturänderung.
Eine Anmerkung:
Wir haben lange überlegt, ob wir diesen Versuch anbieten sollen, weil er nicht ganz einfach ist. Lasst euch nicht entmutigen, wenn nicht alles klappt. Versuche können auch mal
schiefgehen – das ist einfach so. In diesem Fall schreibt uns, was bei euch passiert ist,
und versucht zu begründen, warum es wohl nicht funktioniert hat. Das ist uns lieber, als
wenn ihr über irgendetwas fabuliert, was gar nicht so passiert ist.
Euer DECHEMAX-Team