Praktikumsskript SVP SoSe 2008 und WiSe

Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
Abteilung für Lehramtskandidaten der Chemie
Praktikumsskript zu sieben Versuchsgruppen
Sommersemester 2008 - Wintersemester 2008/09
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INHALTSVERZEICHNIS
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Vorbemerkungen ..............................................................................................................
1.
11
Schulversuche mit Namen .......................................................................................... 13
1.1 „Springbrunnenversuch“ ........................................................................................ 14
1.2 „Ölfleckversuch“ ................................................................................................... 15
1.3 „Thermitversuch“ .................................................................................................. 17
2.
Experimente in der Projektion ..................................................................................
19
a) mit der Videokamera
2.1 „Chemischer Garten“ ............................................................................................. 11
b) mit dem gekippten OH-Projektor und Demonstrationsspiegel
2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung ...................................................................... 13
2.3 Tücken einer Projektion ........................................................................................ 13
2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser) .......................................... 14
c) auf dem Lichttisch des OH-Projektors
2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess ......................................................................... 14
2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat ................................................................ 15
2.7 Fraktale Abscheidung von Silber ........................................................................... 16
3.
Modellversuche ...........................................................................................................
17
3.1 Modellversuche zur Kinetik ................................................................................... 18
3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht .................................................. 23
3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit ........................................................ 25
4.
Computerunterstütztes Experimentieren .................................................................. 28
4.1 Leitfähigkeitstitration ............................................................................................ 31
4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution) ........................................ 33
4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik ..................................................... 34
5.
Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen .............................................................. 37
5.1
5.2
5.3
5.4
6.
Analyse und Synthese des Wassers ............................................................................ 42
6.1
6.2
6.3
6.4
7.
Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium .............................................. 38
„Kerzentreppenversuch“ ........................................................................................ 38
Bildung von Stickoxiden …………………………………………………….......... 39
Der Sauerstoffgehalt der Luft ................................................................................ 41
Die Elektrolyse von Wasser (Hofmann’scher Zersetzungsapparat) ......................... 43
Die Solar-Wasserstoff-Technologie im Modellexperiment ..................................... 44
Die Synthese des Wassers (Eudiometer) ................................................................ 45
Zünden eines Wasserstoffballons ……………........................................................ 46
Darstellung und Bromierung eines Alkens ................................................................ 48
7.1 Die Darstellung des Alkens: Isobuten ................................................................... 49
7.2 Die Bromierung des Alkens ................................................................................... 50
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VORBEMERKUNGEN
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Die Kistenversuche und deren Intention
Die sieben Versuchsgruppen, für die das vorliegende Skript und eine feste Ausrüstung gestellt
werden, werden während des Semesters jeweils innerhalb eines halben Tages durchgeführt.
Zwei Praktikanten1 arbeiten jeweils zusammen.
Die Hauptintention der Versuchsgruppen ist die Reaktivierung und Festigung von praktischen
Fertigkeiten beim Umgang mit technischen Apparaturen und speziellen Experimentalaufbauten.
Hierzu zählen etwa das Arbeiten mit Gasen und Gasflaschen, mit elektrischen Geräten, mit
Geräten zur Projektion, mit Modellen oder mit dem Computer.
Die Aus- und Bewertung der Experimente
Protokolle zu den Kistenversuchen werden nicht erstellt. Stattdessen wird die Auswertung von
folgenden Maßnahmen geleitet:
1. Einige theoretische Auswertungen, insbesondere Berechnungen und graphische
Auftragungen, z. B. mit einer Tabellenkalkulation, werden am Versuchstag direkt
durchgeführt.
2. Am Versuchstag wird ein Gespräch mit dem Assistenten geführt. Dabei spielen sowohl die
theoretischen Grundlagen, die theoretische Auswertung als auch die Beurteilung der
Einsatzfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten im Unterricht eine entscheidende Rolle.
Unter der Rubrik „Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz“ sind zu jeder Versuchsgruppe
unterrichtsbezogene Fragestellungen notiert, die mit dem Assistenten besprochen und
diskutiert werden. Hier gibt es meist keine richtigen oder falschen Antworten, sondern nur
gut begründete oder weniger gut begründete Analysen.
3. Es wird vorausgesetzt, dass die Praktikanten zum Versuchstag über die theoretischen
Grundlagen des Experiments und über den Einsatz im Unterricht optimal informiert sind. Bei
unzureichender Vorbereitung werden die Versuche an einem anderen Tag durchgeführt.
Praktikumsbuch
Als einbändiges Praktikumsbuch wird empfohlen:
KARL HÄUSLER, HERIBERT RAMPF, ROLAND REICHELT; Experimente für den Chemieunterricht;
Verlag Oldenbourg; 2. Aufl. 1995.
Das Buch wird im Skript mit "HRR" zitiert.
1
Im Folgenden wird bei den Personengruppen stets die männliche Form gewählt.
Vorbemerkungen
2
Praktikumsordnung
1.
2.
3.
4.
Beim Experimentieren ist eine Schutzbrille zu tragen.
Rauchen, Essen und Trinken sind im Labor nicht gestattet.
Unbefugten ist der Zutritt zum Praktikumsraum nicht erlaubt.
Jeder Praktikant ist für den ordnungsgemäßen Zustand seines Arbeitsplatzes sowie des
übernommenen Inventars verantwortlich. Beschädigungen von Institutseigentum werden auf
Kosten des Urhebers behoben.
5. Das Arbeiten mit übelriechenden, stark giftigen oder aggressiven Substanzen, die als Gase
frei werden können, darf nur unter den Abzügen vorgenommen werden.
6. Entliehene Bücher und Zeitschriften dürfen nur auf den Schreibplätzen und nicht auf den
Labortischen benutzt werden.
7. Das Praktikum wird mit der ordnungsgemäßen Abgabe des Arbeitsplatzes und ausgeliehener
Geräte abgeschlossen.
Betriebsanweisungen
Die Betriebsanweisungen zum sicheren Arbeiten im Schulversuchspraktikum bestehen aus
1. der Laboratoriumsordnung und den Betriebsanweisungen des anorganisch-chemischen
Praktikums.
2. den Sicherheitsbelehrungen zum anorganisch-chemischen Praktikum und einer
Sicherheitsbelehrung, die Teil des Praktikumsseminars zum Schulversuchspraktikum ist.
Das Arbeiten mit Stahlflaschen
Grundlegende Handgriffe und Sicherheitsmaßnahmen bei der Benutzung von Gasflaschen
können dem zugehörigen Seminarskript (Kapitel 4) und dem Praktikumsbuch „HRR“ (S. 8-10)
entnommen werden. Sie sind bei fast allen Versuchsgruppen erforderlich.
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1. VERSUCHSGRUPPE:
SCHULVERSUCHE MIT NAMEN
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Geräte in der Kiste:
zu 1.1 1 Rundkolben mit Schliff (500 mL),
Korkring;
mit Korkring
1 Tropftrichter mit Schliff, Druckausgleich
und seitlichem Ansatz
1 kleiner Glastrichter
1 Schlauch (ca. 0,5 m lang)
1 Handpumpe (alternativ: Peleusball)
5 Klammern
6 Muffen
2 Rundkolben (2 L
1
1
1
1
1
1
1
bzw. 3 L) mit
dazu passend:
einfach durchbohrter Gummistopfen
zweifach durchbohrter Gummistopfen
Glasrohr (ca. 75 cm lang)
gebogenes Glasrohr
Plastikstopfen
Brenner mit Schlauch
Pulvertrichter
zu 1.2
1
1
1
1
Mikrobürette (10 mL)
Kristallisierschale (Ø = 19 cm)
kleiner PVC-Trichter
Bürettenklammer
1 Messzylinder (5 mL)
1 Lineal mit mm-Skalierung
1 Sieb
zu 1.3
3
1
1
1
1
1
1
1
Bechergläser (100 mL)
Mörser mit Pistill
Blumentopf aus Ton
Eisenring
Spatel
Rolle aus Pappe
Bogen Pappe
Schere
1 Uhrglas (Ø = 5 cm)
[Pulvertrichter aus 1.1]
1 Magnet
1 Feile
1 Pinzette
1 Hammer
1 Tiegelzange
1 Rolle Tesafilm
Chemikalien:
zu 1.1
Ammoniumchlorid (Xn)
50 %ige KOH (C)
1 %ige Phenolphthalein-Lösung
zu 1.2
Stearinsäure in Hexan
(6 mg pro 100 mL Lösung), F, Xi
Bärlappsporen
kleine Spritzflasche mit Aceton
zu 1.3.
Eisen(III)oxid
Aluminiumgrieß
Sand (mit Vorratsbehälter)
Magnesiumspäne (F)
Magnesiumband
Ausleihen:
3 Stative
1 Topf mit Sand
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen
4
Vor Beginn der Versuchsgruppe werden 15 g Eisenoxid zu Versuch 1.3 bereits in den
Trockenschrank (bei 120 °C) gestellt.
1.1 „Springbrunnenversuch“
(Löslichkeit und Basizität von Ammoniak)
Versuchsaufbau:
Ammoniak
Kalilauge
Handpumpe
Ammoniumchlorid
1. Tropftrichter (mit Druckausgleich und seitlichem Ansatz), Rundkolben und Schlauch werden
im Abzug wie abgebildet zu einem Gasentwickler zusammengebaut und mit zwei Klammern
am Stativ befestigt. Unter dem Kolben steht ein Bunsenbrenner.
2. In einen zweifach durchbohrten Gummistopfen ist erstens ein ca. 75 cm langes Glasrohr,
dessen eine Seite zu einer Düse ausgezogen ist, und zweitens ein kürzeres gebogenes
Glasrohr, an dem eine Handpumpe befestigt wird, gedreht (s. Abbildung).
Dieser Stopfen passt auf einen 3 L-Kolben (in der Abb. unten), der mit einer Klammer am
Boden des Stativs befestigt wird. Das lange Glasrohr ist so tief hereinzudrehen, dass es beim
Aufsetzen des Stopfens bis fast auf den Boden des Kolbens reicht.
Dieser Kolben wird mit Wasser, das mit einigen Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt ist,
vollständig gefüllt.
Auf der anderen Seite des großen Glasrohres wird ein einfach durchbohrter Gummistopfen
angebracht, der auf den weiteren, allerdings trockenen 2 L-Kolben (in der Abb. oben) passt.
Das Glasrohr soll an diesem Ende jedoch nur ca. 3-4 cm über dem Gummistopfen überstehen.
Versuchsdurchführung:
Im Abzug werden zu 26 g NH4Cl (0,5 mol) im Kolben des Gasentwicklers 100 mL 50 %ige Kalilauge (ca. 1 mol KOH) getropft. Durch vorsichtiges Befächeln mit kleiner entleuchteter Bunsenbrennerflamme wird die Freisetzung des Ammoniaks grob gesteuert. Der trockene 2 L-Kolben,
der mit der Öffnung nach unten an einem Stativ befestigt ist, wird mit Ammoniakgas gefüllt.
(Bis zum nächsten Versuchsschritt kann der Kolben auch vorübergehend mit einem Stopfen
verschlossen werden.)
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen
5
Der Kolben wird anschließend auf den vorbereiteten oberen Stopfen des langen Glasrohres
herabgelassen und verschlossen. Er wird mit einer Klammer am Stativ befestigt.
Mit der Handpumpe wird etwas Wasser in den oberen Kolben hochgedrückt, bis eine Fontäne
(„Springbrunnen-Effekt“) von selbst beginnt. Sofort ist dann die Handpumpe zu entfernen, da
ansonsten kein Wasser nachströmen könnte.
Wie rein war das hergestellte gasförmige NH3 im Kolben?
Information und Sicherheit:
1 L Wasser löst bei Zimmertemperatur ca. das 700-fache seines Eigenvolumens an Ammoniak.
Aufgrund einer Implosionsgefahr ist darauf zu achten, dass nur Rundkolben und keine
schadhaften Gefäße verwendet werden. Die durchbohrten Stopfen sind nicht zu klein zu wählen,
da ansonsten die Gefahr besteht, dass sie in das Glasgefäß gesaugt werden.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Wie würden Sie in der Sekundarstufe I die selbsttätige Fontäne erklären?
Lohnt sich die Demonstration dieses Versuchs im Unterricht? Wenn ja, unter welchen
inhaltlichen Aspekten?
1.2 „Ölfleckversuch“
(Bestimmung der Avogadro-Konstante)
Theoretische Grundlagen:
Eine Stearinsäurelösung in einem niedrig siedenden Lösungsmittel bildet nach dem Auftropfen
auf eine Wasseroberfläche einen großen Fleck, der sich nach dem Verdampfen des Lösungsmittels zu einer monomolekularen Schicht der Fettsäure zusammenzieht, in der alle Moleküle
gleich ausgerichtet sind. Diese Schicht kann durch vorheriges Aufstreuen von Bärlappsporen in
ihrer Ausdehnung sichtbar gemacht werden. (Alternativ wird Kohlepulver, Talkum oder
Schwefelpulver vorgeschlagen.)
Bei tropfenweiser Zugabe der Fettsäurelösung ist der Flächenzuwachs pro zugegebenem Tropfen
der Lösung zunächst annähernd konstant. Die Bärlappsporenschicht wird dabei immer weiter
zurückgedrängt, bis die Sporen sich allseitig berühren. Ein weiteres Auftropfen von
Fettsäurelösung bewirkt danach praktisch keinen Flächenzuwachs mehr, da der Widerstand der
Bärlappsporen nun dazu führt, dass sich mehrere Schichten der Fettsäuremoleküle
übereinanderschieben.
Versuchsdurchführung:
Eine flache Kristallisierschale (Durchmesser 25 - 30 cm) auf einem weißen Blatt Papier wird
etwa 1 cm hoch mit Leitungswasser gefüllt. Für die Bestimmung der Fläche ist es günstig, ein
Blatt mit cm-Skalierung zu verwenden (z. B. ein kariertes Papier), so dass man in der Durchsicht
die Längen direkt ablesen kann. Ersetzt man das Blatt durch eine transparente Folie mit cmSkalierung, lässt sich das Experiment auch mit dem Overhead-Projektor demonstrieren.
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen
6
Auf die Wasseroberfläche werden Bärlappsporen über ein sehr feines Sieb sparsam gestreut.
(Dazu eignet sich auch ein Stück Kunstseidenstrumpf, das wie ein Beutel geformt und mit
einigen Bärlappsporen gefüllt ist.)
Anschließend wird aus einer Bürette aus möglichst geringer Höhe ein
Tropfen der Stearinsäurelösung auf das Zentrum getropft. Das
Auftropfen muss "zügig" geschehen, weil sich ansonsten, wenn der
Tropfen zu lange an der Bürettenöffnung hängt, bevor er abfällt, die
Konzentration der Lösung durch Abdunsten des Lösungsmittels
deutlich erhöht. Es ist günstig, den ersten Tropfen auf ein Uhrglas
abzulassen oder mit einem Filterpapier abzustreifen.
(Stearinsäurelösung: 6 mg Stearinsäure pro 100 mL Lösung in Hexan)
Während des Versuchs sind Luftströmungen und Erschütterungen zu vermeiden. Der
"Stearinsäurefleck" breitet sich langsam aus. Der Durchmesser des sich bildenden Kreises ist zu
bestimmen. Da sich eher eine Ellipse als ein Kreis ausbildet, verwendet man den Mittelwert aus
dem kleinsten und größten Radius. 1
Anschließend wird die Schale ausgeleert, zweimal mit etwas Aceton aus einer Spritzflasche und
mehrfach mit Wasser gespült.
Das Tropfenvolumen und damit die Menge Stearinsäure, die mit einem Tropfen aufgetragen
wird, ergibt sich aus einer zusätzlichen Messung: Aus der Bürette wird 1 mL Fettsäurelösung in
einen 5 mL-Messzylinder getropft und dabei die genaue Tropfenzahl für 1 mL festgehalten.
Damit ist die Bürette "geeicht" und es lässt sich angeben, welcher Anteil eines mL einen Tropfen
ausmacht. 1
Auswertung während des Praktikumstages:
Berechnen Sie die Avogadro-Konstante nach folgender Auswertung. Vergleichen Sie in Punkt 2
beide Varianten a und b hinsichtlich ihres Ergebnisses und ihrer Vereinfachungen bei den
Modellannahmen:
1. Berechnung des Flächenbedarfs für 1 mol Stearinsäuremoleküle:
Die Stearinsäurelösung enthält: 0,06 mg Stearinsäure pro mL.
Die Eichung der Bürette ergibt: n Tropfen pro mL.
Die Masse Stearinsäure pro Tropfen beträgt dann: ... ?
Mit der Masse Stearinsäure für einen Tropfen und der gemessenen Fläche ist zu berechnen,
welche Fläche von einem Mol (284 g) der Stearinsäure bedeckt wird.
1
Zur Optimierung der Werte würde man die Messungen mehrmals wiederholen und die Ergebnisse mitteln. Da es
bei den Kistenversuchen um die prinzipielle Vorgehensweise geht, wird darauf verzichtet.
Auch könnte man die Ellipse anstelle der vereinfachten Vorstellung des Kreises
wählen, da sie der Figur der sich ausbreitenden Schicht näher kommt. Die Fläche
A einer Ellipse berechnet sich über den Zusammenhang A = a b (s. Abb.) Die
Entscheidung zugunsten des Kreises fällt hier aufgrund der Vorkenntnisse der
Schüler: Ihnen ist die Flächeninhaltsformel eines Kreises bereits am Ende der 10.
Klasse bekannt.
a
b
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen
7
2. Berechnung des Flächenbedarfs eines Stearinsäuremoleküls:
Variante a (unter Verwendung der Messwerte)
Ermitteln Sie über die Dichte der Stearinsäure ( = 0,845 g/mL) das Volumen V der reinen
Stearinsäure, die sich in einem Tropfen der Lösung befindet.
Fassen Sie den sich ausbreitenden Tropfen geometrisch als
A
Zylinder auf. Mit Hilfe der Volumenformel V = h . A (h = Höhe
h
des Zylinders, A = Inhalt der Grundfläche) lässt sich die Höhe
h eines Stearinsäuremoleküls der monomolekularen Schicht
bestimmen.
Gehen Sie davon aus, dass das einzelne Molekül der Stearinsäure würfelförmig ist. Dann
entspricht die vorhin berechnete Höhe h der Kantenlänge dieses Würfels. Welche Fläche
nimmt dann das einzelne Molekül auf der monomolekularen Schicht ein?
Variante b (unter Verwendung von Daten aus dem submikroskopischen Bereich)
Für den Flächenbedarf eines Moleküls gehen wir vom Wert 27 . 10-16 cm2 aus.
Erklären Sie diesen Wert anhand folgender Modellvorstellung:
Beim Flächenbedarf eines Moleküls wird die Fläche eines Quadrats angenommen, dessen
Seitenlänge sich als Summe aus dem Atomdurchmesser des Kohlenstoffs (154 pm) plus dem
Abstand zweier C-H-Bindungen (218 pm) plus dem zweifachen Atomdurchmesser des
Wasserstoffs (148 pm) errechnet. Es wird ein Quadrat anstelle eines Kreises verwendet, damit
man insgesamt den Inhalt einer lückenlosen Fläche erhält, die kompatibel mit 1. ist.
Die Avogadro-Konstante, also die Zahl der Moleküle pro Mol, ergibt sich dann jeweils als
Quotient aus der Fläche für 1 Mol (aus 1.) und dem Flächenbedarf für ein Molekül (aus 2.).
1.3 „Thermitversuch“
Versuchsdurchführung:
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen
8
Der Versuch wird im Abzug durchgeführt.2 Die Bodenöffnung eines Blumentopfs aus
gebranntem Ton wird mit einem Stück Pappe abgedeckt. Eine Hülse aus Pappe ist
zurechtzuschneiden und zusammenzukleben, so dass der Durchmesser 4-5 cm beträgt und die
Höhe 1-2 cm niedriger als der Blumentopf ist. Der Blumentopf wird um die Hülse herum mit
Sand aus dem Vorratsgefäß (und nicht aus dem Topf) ausgekleidet, so dass nur ein winziges
Stück der Hülse übersteht.
15 g Eisen(III)oxid sind bereits im Trockenschrank bei 120 °C getrocknet worden. Dieses wird
im Mörser sehr sorgfältig mit 5 g Aluminiumgrieß gemischt. Das Gemisch schüttet man über
den Pulvertrichter in die Hülse und bedeckt es mit 2 g Magnesiumspänen. Den Blumentopf
hängt man in einen am Stativ befestigten Eisenring über eine mit Sand gefüllte Blechwanne
(oder Kochtopf) als feuerfeste Unterlage zum Auffangen des flüssigen Eisens.
Das Gemisch lässt sich mit einem aufgesteckten Magnesiumband als Zündschnur zünden. Dabei
sollte das Magnesiumband nicht sehr weit über den Rand der Papphülse hinausragen, da es
ansonsten nach der Zündung umknicken kann. Bei ungünstigen Witterungsverhältnissen sollte
es im Freien mit einem Kartuschenbrenner gezündet werden.
Nach dem Zünden sofort zurücktreten und den Sicherheitsabstand einhalten!
Bei erfolgreichem Verlauf tritt flüssiges Eisen aus. Zündet die Mischung nicht, so sollte man
unbedingt 5 min. warten, bevor man mit einem neuen Magnesiumband einen weiteren Zündversuch startet.
Nach dem Erkalten werden die produzierten Eisenstücke unter der Wasserleitung auf
Raumtemperatur abgekühlt, (evtl. auf einem Ziegelstein) mit einem Hammer zerkleinert und mit
einem Magneten geprüft. Der metallische Glanz zeigt sich, wenn man den dunklen
Metallregulus mit einer Feile bearbeitet.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
1. Schaffen Sie einen technischen bzw. praktischen Anwendungsbezug, den man in den
Unterricht integrieren könnte.
2. a) Welche Reduktionsmittel sind für Schulversuche im Rahmen der Redoxreaktionen (auf
Sauerstoffbasis, 8. Klasse) geeignet, um Eisenoxid zu reduzieren?
b) In welchen Schulversuchen kann umgekehrt Eisen als Reduktionsmittel dienen?
Schlagen Sie hierzu in Schulbüchern nach.
2
Der Versuch kann in der Schule auch mit der dreifachen Menge im Freien durchgeführt werden
(Literaturempfehlung für diesen Fall: 40 g Eisenoxid, 13 g Aluminiumgrieß und 5 g Magnesiumspäne zum
Zünden). Der Mindestsicherheitsabstand vom Reaktionsgefäß beträgt dann 3 m. Alle Schüler tragen eine
Schutzbrille.
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2. VERSUCHSGRUPPE:
EXPERIMENTE IN DER PROJEKTION
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Geräte in der Kiste:
Allg.
1 Projektionsküvette
8 Tropfpipetten mit Gummihütchen
6 Petrischalen
1 Laborboy
1 Makrospatel
2 Mikrospatel
zu 2.1 1 Becherglas
1 Holzstäbchen
zu 2.2 2 Kupferelektroden
1 Schaumstoffstreifen
zu 2.3 1 kleines Reagenzglas
1 Halterung für Reagenzgläser
zu 2.4 [Reagenzglas und Halterung aus 2.3]
1 Spritzflasche mit Wasser
1 Pinzette
zu 2.6 4 Wägeschiffchen
4 Erlenmeyerkolben (250 mL)
1 Messzylinder (100 mL)
1 Glastrichter
zu 2.7 Kristallisierschale
(Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm)
2 Krokodilklemmen
2 Büroklammern
FeCl2 . 4H2O
CuSO4 . 5H2O
FeCl3 . 6H2O
NiCl2 . 6H2O
MnSO4 . H2O
Schmirgelpapier
Chemikalien:
zu 2.1 Wasserglas
CoCl2 . 6H2O
Co(NO3)2 . 6H2O
zu 2.2 Phenolphthalein-Lösung (0,1 % in EtOH) Kaliumiodid (0,1 M)
Stärkelösung
zu 2.4 Cyclohexan (F; MAK 1050 mg/m3)
[Phenolphthaleinlösung aus 2.2]
Natrium (C)
zu 2.5 konz. NH3 (C; MAK 35 mg/m3)
Bromthymolblaulösung
Salzsäure (2 M) (Xi)
Natronlauge (0,5 M) (C)
zu 2.6 KMnO4 (Xn, O)
Natriumsulfit (Xi)
NaOH (Plätzchen)
zu 2.7 halbkonz. NH3 (C; MAK 35 mg/m3)
[Silbernitratlösung aus 2.3]
[Salzsäure (2 M) aus 2.5]
(C)
H2SO4 (6 M)
(C)
Ausleihen:
1
1
1
1
Videokamera mit Verbindungskabel
Fernseher auf Fernsehtisch
Overhead-Projektor
Leinwand
1 Abfallflasche für Silber
2 Klammern mit Muffen
1 Spannungsquelle
(0-250 V Gleichspannung)
1
1
4
2
Umlenkspiegel
Voltmeter
Kabel
Stativ
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
10
Vorbemerkung:
Schwach ausgeprägte und von
Schülertischen
aus
kaum
erkennbare
Effekte
bzw.
Experimente im Mikroansatz
können gegebenenfalls per
Videokamera plus Monitor
oder per Overhead-Projektor
(im Folgenden mit OHProjektor abgekürzt) plus Leinwand in aller Deutlichkeit und
mit optimalen Beobachtungsmöglichkeiten für alle Schüler
aufgezeigt werden.
In dieser Versuchsgruppe soll
untersucht
werden,
bei
welchen
Effekten
die
Vergrößerung
eine
eindrucksvolle,
möglichst
wenig verfälschte Darstellung
von Details erlaubt und bei
welchen
Effekten
mit
Einbußen zu rechnen ist.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Die folgenden Fragestellungen sind während der Versuchsdurchführung zu untersuchen:
1. Experimente in der Projektion sind gelegentlich nur „Schauversuche“ (Beispiel: Versuch 2.1).
Zählen Sie aus Schülersicht Vor- und Nachteile solcher „Schauversuche“ auf.
2. Beurteilen Sie bei einer Projektion die Demonstrationsmöglichkeiten
a) von Farbeffekten (Versuche 2.1, 2.2, 2.5, 2.6),
b) einer Gasentwicklung (Versuche 2.2, 2.4),
c) eines Niederschlags bzw. einer Feststoff-Abscheidung (Versuche 2.1, 2.3, 2.6, 2.7)
Unterscheiden Sie dabei die Projektion mit Videokamera und die Projektion mit OHP.
3. Welche Vor- und Nachteile hat
a) die Projektion mit Videokamera (Versuchsgruppe a) gegenüber der Demonstration mit
OH-Projektor (Versuchsgruppen b und c),
b) die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor (Versuchsgruppe b) gegenüber der
Demonstration auf dem Lichttisch (Versuchsgruppe c)?
4. Bei welchen der sieben Versuche wäre
a) die direkte Beobachtung in einem Lehrerdemonstrationsexperiment der indirekten
Beobachtung auf dem Monitor oder der Leinwand vorzuziehen?
b) die direkte Beobachtung in einem Schülerexperiment der indirekten Beobachtung auf dem
Monitor oder der Leinwand vorzuziehen? (Berücksichtigen Sie hierbei, ob ein Schülerexperiment sinnvoll bzw. aufgrund einzuhaltender Sicherheitskriterien oder aufgrund der
apparativen Möglichkeiten überhaupt realisierbar ist.)
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
11
a) Demonstration mit der Videokamera
2.1 „Chemischer Garten“
Anschluss und Einstellung der Kamera:
Die Kamera weist drei Buchsen auf:
o
o
o
Die mittlere obere Buchse wird mit dem Netzkabel versehen, die rechte Buchse bleibt unbenutzt
(sie ist für eine Tonübertragung gedacht). In die linke Buchse, die mit „Video“ beschriftet ist,
wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels zum Fernseher gesteckt. Das andere Ende dieses
Verbindungskabels wird mit dem Fernseher über das Scart-Kabel am unteren Eingang
verbunden. Nach Anschluss von Kamera und Fernseher an das Stromnetz wird der Schalter der
Kamera nach links, also in Richtung der Aufschrift „Video“, gedrückt (die andere Richtung ist
für eine Ton-übertragung vorgesehen). In der mittleren Stellung des Schalters ist die Kamera
nicht in Betrieb.
Mit einer beliebigen Programmtaste der Fernbedienung (z. B. 1 ) startet man den Fernseher und
durch Bedienen der Taste
die gewünschte Bildübertragung.
Die Scharfeinstellung der Kamera erfolgt mit der vorderen Drehvorrichtung an der Schutzkapsel
der Linse, die Einstellung des Zooms mit der Drehvorrichtung dahinter. Für die Projektion eines
farbigen Experiments (z. B. des „chemischen Gartens“) kann es auch günstig sein, die Farbeinstellung am Fernseher zu korrigieren. Man erreicht sie durch Drücken der Tasten „MENU“ und
, so dass die Kategorie „Colour“ erscheint. Nachdem die Farbintensität mit den Tasten < und >
optimiert worden ist, verlässt man den Regler durch erneutes Betätigen der „MENU“-Taste.
Anmerkung für den Praktikumsblock in den Semesterferien:
Die Kamera lässt sich zur Projektion von Experimenten auch an den Beamer anschließen, so dass ein
noch größeres Bild erzeugt werden kann. Man geht in gleicher Weise vor: In die linke Buchse der
Kamera, die mit „Video“ beschriftet ist, wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels gesteckt. Das
andere Ende wird mit der gelben Buchse „VIDEO 1“ an der oberen Leiste der Seitenfläche des Beamers
verbunden.
Der Beamer selbst wird zunächst über den Hauptschalter an der Seitenfläche und anschließend durch
Drücken des Feldes „STANDBY/ON“ auf der Oberseite in Gang gesetzt. Zur Bildübertragung ist der
Kanal umzustellen: Hierzu wird am Beamer auf den rechten Pfeil der Taste „MENU“ (auf der
Oberseite) zweimal gedrückt, bis die Übersicht aller Kanäle erscheint (RGB 1, RGB 2, VIDEO 1,
VIDEO 2, TEST, MUSTER). Durch Betätigen des unteren Pfeils
der Taste „MENU“ kann man die
Kanalwahl aktivieren (grün unterlegt) und ebenso den Kanal verschieben, bis „VIDEO 1“ angezeigt
wird.
Vorsicht beim Beenden des Beamers! Nachdem das Feld „STANDBY/ON“ mehrere Sekunden gedrückt
worden ist, wartet man mit dem Betätigen des Hauptschalters so lange, bis die Kühlung beendet ist. Dies
ist am abklingenden Geräusch zu erkennen. Ansonsten kann die teure Lampe des Beamers beschädigt
werden.
Versuchsdurchführung:
In einem 250 mL-Becherglas wird handelsübliches Wasserglas (Alkalisilikat) im Volumenverhältnis 1:2 mit dest. Wasser verdünnt, so dass das Becherglas bis knapp unter den Rand
gefüllt ist. Das Becherglas wird stabil auf dem Labortisch platziert. Jetzt wird die Kamera
optimal und scharf eingestellt, so dass das Becherglas den Bildschirm ausfüllt. Hinter das
Becherglas wird zur Kontrastierung weißes Papier als Hintergrund befestigt.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
12
Anschließend verteilt man vorsichtig und gleichmäßig auf dem Boden des Gefäßes etwa
erbsengroße Kristalle der bereitgestellten Schwermetallsalze (Cobaltchlorid und –nitrat,
Kupfersulfat, Eisen(II)- und Eisen(III)-chlorid, Nickelchlorid, Mangansulfat).
Eine Berührung des Spatels mit der Wasserglaslösung sollte möglichst umgangen werden; die
Lage der Salzkristalle kann eventuell mit einem Holzstäbchen korrigiert werden. Vermeiden Sie
stärkere Erschütterungen des Becherglases.
Beobachtungsaufgabe:
Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter Beobachtung? Achten Sie darauf, in
welchem Maße die einzelnen Farben originalgetreu abgebildet werden.
Information:
Heben Sie den chemische Garten bis zu Versuch 2.3 auf.
Möchte man in einem Schuleinsatz das Wachstum der Kristalle über mehrere Tage verfolgen
und die Oberfläche des Wasserglases für einen Transport aushärten lassen, kann man anstelle
des Becherglases auch ein Marmeladenglas verwenden und unverschlossen stehen lassen.
b) Versuche mit gekipptem OH-Projektor und Demonstrationsspiegel
Bei einer Projektion mit zweitem Spiegel ist es das Ziel, Gefäße im Strahlengang des Projektors
seitlich zu durchleuchten. Dafür ist die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor und einem
Demonstrationsspiegel verwendbar:
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
13
2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung
Versuchsdurchführung: 1
Eine schmale Projektionsküvette, die im Strahlengang des OH-Projektors steht,
wird mit einer 0,1 M Kaliumiodidlösung gefüllt. Man versetzt die Lösung mit 6
Tropfen einer alkoholischen Phenolphthaleinlösung, rührt um und setzt zwei
Kupferelektroden ein. Damit man in der Projektion die Gasbildung besser
beobachten kann, ist es günstig, die Kupferelektroden an ihrem freien Ende
Cu
leicht umzubiegen. Die Gasblasen „verstecken“ sich dann nicht entlang der
Elektrode, sondern können frei nach oben wandern (siehe Abbildung).
Um eine Durchmischung der beiden Elektrodenräume einzuschränken, wird in die Küvette zur
Abtrennung der Elektrodenräume ein mit der Iodid-Lösung getränkter Schaumstoffstreifen
gestellt.
An die Elektroden wird eine Gleichspannung von ca. 4 Volt angelegt.
Beobachtungsaufgaben:
- Die Elektrodenräume werden direkt und in der Projektion beobachtet.
- Werden die Erwartungen gemäß Reaktionsgleichung erfüllt?
- Nach wenigen Minuten ist ein vorsichtiges Umrühren in beiden Elektrodenräumen angebracht.
Werden dadurch in der Projektion die chemischen Prozesse und die Effekte besser sichtbar?
- In den Anodenraum werden wenige Tropfen einer Stärkelösung gegeben. Ergibt dies eine
Verbesserung für die Wahrnehmung des Produktes?
2.3 Tücken einer Projektion
Versuchsdurchführung:
a) Stellen Sie in den Strahlengang des gekippten OH-Projektors den in Versuch 2.1 hergestellten
„chemischen Garten“. Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter
Beobachtung?
b) In eine leere Projektionsküvette mit spezieller Reagenzglashalterung wird ein passendes
Reagenzglas eingesetzt, das zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist
Die Projektion zeigt eine wenig geeignete Abbildung der Reagenzgläser. Was stört?
Die Darstellung kann wesentlich verbessert werden, wenn die Projektionsküvette (nicht das
Reagenzglas!) im erforderlichen Ausmaß mit Wasser gefüllt wird. Womit ist die
Verbesserung zu begründen?
Entsorgung und Säuberung:
Geben Sie den gesamten Inhalt des „chemischen Gartens“ in den Schwermetallabfallbehälter.
Spülen Sie das Becherglas sofort und ordentlich! Wasserglas hinterlässt nämlich nach dem
Eintrocknen schwer entfernbare Flecken.
1
Anmerkung: Im HRR, Versuch 25.17, S. 192, ist die Elektrolyse einer Zinkiodidlösung im U-Rohr beschrieben.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
14
2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser)
Versuchsdurchführung:
Für diesen Versuch benutzen wir die Projektionsküvette mit der Reagenzglashalterung von
Versuch 2.3 b):
Es wird ein Reagenzglas benutzt und die Küvette ausreichend mit Wasser gefüllt.
Das Reagenzglas wird zur Hälfte mit Wasser, das mit einem Tropfen Phenolphthaleinlösung
versetzt ist, gefüllt und mit der gleichen Menge Cyclohexan überschichtet, so dass beide
Flüssigkeitsspiegel innerhalb des projizierten Bildausschnitts zu sehen sind.
Danach gibt man mit der Pinzette ein kleines Stückchen Natrium in das Reagenzglas und
beobachtet direkt und in der Projektion.
c) Versuche auf dem Lichttisch des OH - Projektors
Schneller umsetzbar als die Demonstration mit gekipptem OH-Projektor, jedoch mit
eingeschränkter Auswahl an Experimenten, ist die Durchführung von Versuchen auf dem
Lichttisch des OH-Projektors. Das relativ große Arbeitsfeld erlaubt es, gleichzeitig mit dem
Experiment Skizzen und Beschriftungen abzubilden.
2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess
Versuchsdurchführung:
Die bereitgestellte Bromthymolblaulösung wird durch tropfenweise Zugabe der verd. Natronlauge bzw. der verd. Salzsäure grün eingestellt (Die Bromthymolblaulösung färbt sich gelborange im sauren und blau im alkalischen Milieu.) Anschließend wird eine Petrischale in ganz
dünner Schicht mit dieser Bromthymolblaulösung gefüllt.
Eine Tropfpipette ohne Gummikappe wird mit Hilfe eines Stativs plus Klammer so ausgerichtet,
dass sich die Spitze ungefähr in der Mitte der Petrischale etwas über der Wasseroberfläche
befindet (nicht eintauchen).
Die Tropfpipette wird mit der Spitze in konz. NH3 getaucht und mit der Menge, die dabei
aufgenommen wird, über der Wasseroberfläche eingespannt.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
15
2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat
Lösungen, die anzusetzen sind:
KMnO4
NaOH
NaOH
H2SO4
Na2SO3
(50 mg in 100 mL Lösung) (Xn, O für KMnO4 als Festsubstanz)
(6 M; 24 g in 100 mL Lösung) (C)
(30 %ig) (C)
(6 M; 33 mL konz. H2SO4 in 100 mL Lösung) (C)
(2 g in 100 mL Lösung) (Xn)
Versuchsdurchführung:
Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu unterschiedlichen
Farbeffekten, die für eine Projektion benutzt werden können.
Die folgenden Versuche sollen in Bezug auf die Demonstration der Farbeffekte über die Wahl
der Reagenzmengen optimiert werden:
a) In die erste Petrischale wird die KMnO4-Lösung in geeigneter Verdünnung und Schichtdicke
als Vergleichslösung gefüllt.
b) In die zweite Petrischale kommt eine analoge KMnO4-Lösung, die dann mit einer Pipettenfüllung der 6 M H2SO4 und danach tropfenweise mit der Na2SO3-Lösung versetzt wird.
c) In die dritte Petrischale wird eine den Vorversuchen entsprechende KMnO4-Lösung gegeben,
der tropfenweise Na2SO3-Lösung zugesetzt wird.
Es wird sich in neutraler Lösung eine klare gelbbraune Färbung ergeben, die bei
Sulfitüberschuss länger haltbar sein soll und allmählich eine Ausfällung ergibt.
d) In der vierten Petrischale wird die KMnO4-Lösung mit mehreren Tropfen der 6 M
Natronlauge versetzt; danach wird Na2SO3-Lösung eingetropft.
Es soll ein Farbumschlag nach grün erfolgen, hervorgerufen durch MnO42 -Ionen.
e) In der fünften Petrischale wird der KMnO4-Lösung das gleiche Volumen der 30 %igen
Natronlauge zugesetzt. Nach Zugabe eines Tropfens der Na2SO3-Lösung sollen MnO43 Ionen und dadurch eine blaue Lösung entstehen.
(Wird ein Grünton erreicht, so war zu viel Sulfit zugesetzt worden; es kann dann etwas
KMnO4-Lösung zugetropft und vermischt werden.)
Information:
Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu Mn2+ (sauer),
Mangan(IV) (neutral) oder Mangan(V) bzw. Mangan(VI) (stärker alkalisch).
Bei Reduktion im Alkalischen soll sich laut Literatur bei pH > 12,5 eine Blaufärbung und bei
pH < 12 eine Grünfärbung ergeben. Aus der grünen Lösung soll allmählich MnO2 ausfallen.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion
16
2.7 Fraktale Abscheidung von Silber
Versuchsdurchführung:
Ca. 100 mL 0,1 M AgNO3-Lösung werden tropfenweise mit halbkonz. NH3-Lösung versetzt, bis
der braune Niederschlag wieder in Lösung gegangen ist. Diese Lösung füllt man in eine
Kristallisierschale (Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm) auf dem OH-Projektor.
Als Anode (positive Elektrode) wird eine einfach aufgebogene Büroklammer ganz am Rand der
Schale mit einer Krokodilklemme gehalten und vollständig in die Lösung gehängt.
Als Kathode wird eine einfach aufgebogene Büroklammer in der Mitte der Schale so platziert,
dass die Metallspitze auf die Oberfläche der Lösung aufgesetzt wird und sie gerade so berührt.
Taucht die Spitze zu tief ein, erfolgt keine Fraktalbildung.
Nach Einschalten des Stroms (Gleichstrom von 20 Volt) bildet sich augenblicklich an der
Kathode eine fraktale Struktur des abgeschiedenen Silbers.
(Nach dem Abheben der Struktur mittels eines untergeschobenen Rundfilters wäre der Versuch
wiederholbar.)
Entsorgung der Silberlösung:
Die ammoniakalische AgNO3-Lösung wird mit verd. HCl angesäuert und danach in die Flasche
für Silberrückstände gespült.
Information:
Für das tiefere Verständnis universeller Wachstums- und Selbstorganisationsprozesse in der
Natur ist der von B. B. MANDELBROT vor nahezu zwei Jahrzehnten eingeführte Begriff Fraktal
von zentraler Bedeutung, insbesondere im Rahmen der Chaostheorie. Fraktale haben häufig die
Eigenschaft der Selbstähnlichkeit, d. h. ein Ausschnitt aus dem Fraktal unterscheidet sich vom
gesamten Fraktal nur in seinem Maßstab, stellt also eine verkleinerte Kopie des Ganzen dar.
Fraktale bilden sich etwa bei sehr raschen Kristallisationen (z. B. Schneeflocken), wobei eine
Abscheidung an Eckpositionen begünstigt ist, weil dabei die frei werdende Energie besser
abgeführt werden kann; dadurch „läuft die Struktur auseinander“.
„Warum wird die Geometrie oft als kalt und trocken beschrieben?
Einer der Gründe liegt in ihrer Unfähigkeit, die Gestalt einer Wolke
zu beschreiben, eines Gebirges, einer Küstenlinie, eines Baumes.
Wolken sind nicht Kugeln, nicht glatt, und der Blitz schlägt nicht in
gerader Bahn ein ... Die Natur zeigt sich uns nicht einfach höher
geordnet, sondern sie weist ein ganz und gar unterschiedliches
Niveau von Komplexität auf. Die Zahl individueller Längenmaße in
diesen komplexen Strukturen ist in jedem Sinne unendlich groß.
Gerade die Existenz dieser Strukturen zwingt uns, jene Formen zu
erforschen, die Euklid als formlos beiseite stellt, regt uns an, die
Morphologie des scheinbar Amorphen zu untersuchen. Die
Mathematiker haben diese Herausforderung bisher nicht
angenommen, ja sie haben sich in zunehmendem Maße entschlossen,
vor der Natur zu fliehen, indem sie sich mit Theorien befassen, die
ohne jeden Bezug zu allem sind, was wir sehen und fühlen können.“
(MANDELBROT 1)
1
Zitat aus: H. W. ROESKY, K. MÖCKEL; Chemische Kabinettstücke; Verlag Chemie (1994), Seite 7 (3. Exp.)
_____________________________________________________________________________
3. VERSUCHSGRUPPE:
MODELLVERSUCHE
_____________________________________________________________________________
Geräte in der Kiste:
zu 3.1.1 1 Bürettenrohr (50 mL)
Kapillaren verschiedener Länge
2 Bechergläser (250 mL)
1 Quetschhahn
1 Trichter
1 Stoppuhr
1 Spritzflasche mit Wasser
zu 3.1.2 1 Geburtstagskerze mit Ständer
(Länge 6 cm,
0,5 cm)
zu 3.1.3 100 Centstücke
zu 3.1.4 50 rote Kugeln in einer Kiste
50 blaue Kugeln in einer Kiste
zu 3.1.5 2 Plastikschalen ohne Löcher
1 Plastikschalen mit 2 Löchern
1 Stück Vakuumschlauch
100 Stahlkugeln
zu 3.2
Glasrohre mit verschiedenen Radien
(2,5; 3 und 4 mm innerer Radius)
2 Messzylinder (100 mL)
zu 3.3
6 Gewichte mit Halterung
1 Lineal
Gummiringe
Ausleihe:
2 Stative
3 Klammern mit Muffen
1 Bürettenklammer
Gummi- oder PVC-Schläuche
1 Digitalwaage
1 Laptop mit Disketten
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
18
3.1 Modellversuche zur Kinetik
Vorbemerkung:
Die Kinetik bezieht die Dimension Zeit in die Überlegungen und Untersuchungen chemischer
Umsetzungen mit ein. Die Zeitabhängigkeit von Reaktionen ist häufig von entscheidender
Bedeutung. Das betrifft technische Umsetzungen, aber auch physiologische Vorgänge. Es ist
deshalb durchaus sinnvoll, Zeitabhängigkeiten chemischer Reaktionen in den Unterricht relativ
früh einzubeziehen. Dabei stellt sich die Aufgabe, komplexe Zusammenhänge in Lernschritte
aufzulösen und schrittweise zu erarbeiten.
Ein Problem der Kinetik besteht darin, dass die Reaktionsgeschwindigkeit eine abgeleitete Größe
und keine direkte Messgröße ist. Sie ist auch relativ unanschaulich, weil es bei chemischen
Reaktionen normalerweise keine bewegten Objekte gibt. Einen vereinfachten Zugang stellt
deshalb die Reaktionsdauer bis zu einem bestimmten Umsatz oder die Halbwertszeit dar.
Weiterhin können Modellversuche die Experimente und Erörterungen begleiten und ergänzen.
Kurzerläuterungen zur Reaktionsordnung:
Bezeichnet man mit [A]t die Konzentration des Stoffes A nach t Zeiteinheiten und entsprechend
mit [A]0 die Konzentration zu Beginn der Reaktion, so gelten die folgenden Zusammenhänge:
Beschreibung
Reaktion nullter Ordnung
Reaktion erster Ordnung
Reaktionsgeschwindigkeit ist
unabhängig von der Konzentration des Ausgangsstoffes A
Reaktionsgeschwindigkeit ist
direkt proportional zur
Konzentration des
Ausgangsstoffes A
differentielles
Geschwindigkeitsgesetz
integriertes
Geschwindigkeitsgesetz *)
Halbwertszeit T
d[A ]
= k . [A]t0 = k
dt
[A]t = k . t + [A]0
T=
[ A]0
2k
d[A ]
= k . [A]t1 = k . [A]t
dt
ln [A]t = k . t + ln [A]0
T = ln 2
k
*) geeignet zur graphischen Auftragung
Auswertung während des Praktikumstages:
Wählen Sie drei der fünf vorgeschlagenen Versuchsteile aus, die Sie am Praktikumstag
durchführen und auswerten.
Zu diesen drei Versuchsteilen soll sowohl das Geschwindigkeitsgesetz nach nullter Ordnung als
auch das Geschwindigkeitsgesetz nach erster Ordnung überprüft werden, indem man
entsprechend der vorletzten Zeile der obigen Tabelle
zur Überprüfung der nullten Reaktionsordnung [A]t gegen t und
zur Überprüfung der ersten Reaktionsordnung ln[A]t gegen t
aufträgt.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
19
Welche Messgrößen in den Versuchsanordnungen jeweils der Konzentration und einer
Zeiteinheit entsprechen, zeigt die folgende tabellarische Übersicht:
Versuchsnummer
[A]t = Konzentration
(nach t Zeiteinheiten)
eine Zeiteinheit
3.1.1
Volumen in der Bürette
eine Sekunde
3.1.2
Masse der Kerze
ohne Kerzenständer
eine Sekunde
3.1.3
Zahl der Centstücke
mit der Zahl nach oben
ein Schüttelvorgang
3.1.4
Zahl der roten Kugeln
eine Ziehung
3.1.5
Zahl der noch nicht
durchgefallenen Kugeln
sechsmaliges Hinund Herkippen
Am Praktikumstag wird die graphische Auftragung unter Zuhilfenahme einer
Tabellenkalkulation - und damit effektiv und zeitsparend - umgesetzt. Ein Laptop mit dem
Programm EXCEL steht zur Verfügung. Speichern Sie die Diagramme für den anschließenden
Ausdruck auf Diskette.
Hinweise zur Auswertung mit Excel:
A
Zeit [s]
1
1
2
2
3
4
4
5
5
(erfundene Zahlenwerte)
B
C
D
E
Messwert A(t)
40
61
84
91
lnA(t)
Zeit [s]
1
2
4
5
kopieren
=LN(B2)
kopieren
1. Eingabe der Werte:
Geben Sie bereits während der Versuchsdurchführung Ihre Werte in die ersten beiden Spalten ein: in die
erste Spalte die Zeit, in die zweite Spalte den zugehörigen Messwert.
2. Transformation der Werte:
Zur Berechnung von ln[A]t geben Sie in Tabellenzelle C2 die Formel =LN(B2) ein. Excel erfährt durch das
Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung. Verändern Sie testweise und nur
vorübergehend den Wert in Zelle B2 und Sie stellen fest, dass der Wert in Zelle C2 sofort angepasst wird.
Mit Hilfe der Eingabe einer Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens nutzen: Kopieren
Sie die Formel aus C2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die untere rechte Ecke
der Zelle C2 mit der Maus anklicken und – während Sie die Maus gedrückt lassen – den Rahmen der Zelle
C2 nach unten über die anderen Felder ziehen. Die Formel aus C2 wird dann automatisch angepasst, z. B.
greift Excel in Zelle C5 auf Zelle B5, aber nicht mehr auf B2, zurück. Dies können Sie – nach dem
Anklicken der Zelle C5 – an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette x = verfolgen.
3. Erstellen des Diagramms:
Markieren Sie mit der Maus gleichzeitig die beiden Spalten, deren Werte gegeneinander aufgetragen werden
sollen. Bei der Auftragung von t gegen ln [A]t ist es daher günstig, die Spalten A und C zuvor in die Spalten
D und E nebeneinander zu kopieren.
Wählen Sie dann in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“ die
Variante „Punkt (XY)“. Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
20
4. Erstellen einer Ausgleichsgeraden mit Geradengleichung:
Klicken Sie das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der
Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort
- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und
- in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“.
Drücken Sie anschließend „OK“.
3.1.1 Das Kapillarflussmodell
Erläuterungen:
Für die Durchflussgeschwindigkeit in einer Kapillare gilt das Hagen-Poisseuillesche Gesetz:
4
dV = r p ,
dt
8 l
wobei V das Volumen des fließenden Stoffes in der Kapillare,
dessen
Viskositätskoeffizienten, r bzw. l Radius bzw. Länge der Kapillare und p den Druck der auf der
Kapillare lastenden Flüssigkeitssäule bezeichne.
Bei gegebener Kapillarabmessung und gleicher Substanz ( = const.) gilt dann
dV = const. . p,
dt
d. h. die Strömungsgeschwindigkeit ist dem Druck proportional und nimmt deshalb mit der
Höhe der Flüssigkeitssäule ab.
Wählt man nun eine Versuchsanordnung, bei der an
ein Bürettenrohr über eine Schlauchverbindung eine
Kapillare in waagerechter Stellung angeschlossen ist,
so ist der Druck p proportional zur Höhe der Flüssigkeitssäule in der Bürette und wegen des konstanten
Querschnittes der Bürette auch proportional zur
jeweils vorhandenen Flüssigkeitsmenge V.
Daher gibt es Konstanten k’ und k mit
dV = k’ . p = k . V
dt
Aus dieser Vorüberlegung ließe sich bereits ableiten,
ob sich theoretisch diese Versuchsanordnung als
Modell für eine Reaktion nullter Ordnung oder als
Modell für eine Reaktion erster Ordnung eignet.
Bemerkung:
Verschiedene Geschwindigkeitskonstanten bzw. Reaktionsgeschwindigkeiten lassen sich durch
Variation der Kapillarabmessungen oder durch Verwendung von Flüssigkeiten mit
unterschiedlichen Viskositätskoeffizienten simulieren.
(Wasser mit = 1,002 g , Aceton mit = 0,316 g , Butanol mit = 2,62 g )
cm s
cm s
cm s
In einer Vereinfachung entspricht dieser Vorschlag dem Versuch 35.11. im HRR (S. 255), bei
dem die Viskositäten verschiedener Alkohole über einen Auslauftest aus einer Bürette qualitativ
verglichen werden.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
21
Versuchsdurchführung:
Es wird eine Bürette ohne Hahn verwendet, die seitlich in einer Olive endet.
Zur Erleichterung des Ablesens sollte eine möglichst lange Kapillare gewählt werden.
In einem Becherglas wird das auslaufende Wasser gesammelt.
Die Kapillare muss waagerecht so eingespannt sein, dass der Wasserstand in der ausgelaufenen Bürette mit der untersten Bürettenmarkierung (50 mL-Markierung) übereinstimmt.
Dazu ist ein Testauslauf durchzuführen und die Höhe der Kapillare einzuregulieren.
Anschließend wird die Bürette bis zur Null-Markierung mit Wasser gefüllt.
Mit einem Probelauf wird ein geeignetes Zeitintervall für die Messpunkte festgelegt. Mit dem
Quetschhahn wird die Tropfgeschwindigkeit reguliert.
Lesen Sie in Abhängigkeit von der Zeit t an der Bürettenmarkierung den Wert des bereits
ausgelaufenen Volumens V ab. (Zum Zeitpunkt t = 0 hat V aufgrund der Skalierung der Bürette
den Wert Null. Nach Beendigung des Auslaufens ist V = 50 mL.)
Während V die Produktkonzentration und damit den Umsatz kennzeichnet, entspricht im Modell
die Differenz V = 50 V der Konzentration [A]t. Dies ist dasjenige Volumen, das sich zur
Zeit t oberhalb der 50 mL-Markierung der Bürette befindet und das damit alleine zum Druck der
Flüssigkeitssäule beiträgt.
3.1.2 Abbrennen einer Kerze
Versuchsdurchführung:
Den Kerzenständer stellt man auf die Waage und tariert die Waage auf „Null“. Anschließend
wird eine Geburtstagskerze zusammen mit dem Kerzenständer gewogen – die Anzeige gibt die
„Netto“-Masse der Geburtstagskerze an.
Man zündet die Kerze an und bestimmt alle 30 Sekunden ihr Gewicht. Es werden so viele Werte
aufgenommen, dass eine graphische Auftragung möglich ist.
3.1.3 Münzenwurf
Versuchsdurchführung:
Als Ausgangszustand (Zeitpunkt Null) stellen wir uns vor, dass 100 Centstücke mit der Zahl „1“
nach oben auf der Tischplatte liegen.
Anschließend werden 100 Cents in einem Becher sorgfältig geschüttelt und auf die Tischplatte
geschüttet: Diejenigen Centstücke, die mit der Zahl nach oben sichtbar sind, werden ausgezählt
und weiterverwendet.
Man wiederholt diesen Vorgang mit der nun reduzierten Anzahl an Centstücken, und zwar so
lange, bis nur noch fünf Cent oder weniger übrig bleiben.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
22
3.1.4 Kugeltausch
Versuchsdurchführung:
In einer Kiste befinden sich 50 rote Kugeln, in einer anderen Kiste 50 blaue Kugeln. Für die
Simulation gelten die folgenden „Spielregeln“:
Das Gefäß mit den roten Kugeln ist das Reaktionsgefäß. Hieraus erfolgen die Ziehungen.
Bei jeder Ziehung wird „blind“, also mit verschlossenen Augen, genau eine Kugel gezogen.
Wird eine rote Kugel gezogen, so wird sie gegen eine blaue Kugel ausgetauscht, die dann in
das Reaktionsgefäß gegeben wird.
Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird sie unverändert in das Reaktionsgefäß zurückgelegt.
Die Simulation wird spätestens beendet, wenn sich nur noch 25 rote Kugeln im
Reaktionsgefäß befinden.
Information:
Man kann die Spielregeln vielfältig modifizieren:
a) Simulation einer Reaktion 2. Ordnung:
Hierzu zieht man jeweils zwei Kugeln. Ein Kugeltausch gegen zwei blaue Kugeln erfolgt nur
dann, wenn man zwei rote Kugeln gezogen hat.
b) Simulation einer Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt:
Man stellt die gleiche Anzahl Kugeln einer dritten Farbe, etwa gelb, bereit. Wie ursprünglich
zieht man genau eine Kugel. Handelt es sich dabei um eine rote Kugel, so wird sie gegen eine
blaue Kugel ausgetauscht. Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird diese nun durch eine gelbe
Kugel ersetzt. Unverändert werden nur die gelben Kugeln zurück in das Reaktionsgefäß
gegeben.
(Schema: rot
blau
gelb)
c) Simulation einer Gleichgewichtsreaktion:
Die ursprünglichen Spielregeln ändert man derart ab, dass man auch beim Ziehen einer blauen
Kugel diese gegen eine rote austauscht.
3.1.5 Kugel-Loch-Modell
Erläuterungen:
Das Kugel-Loch-Modell stellt eine sehr starke Vereinfachung bezüglich einer chemischen
Reaktion dar:
A + B + Lösungsmittel
P
A
B
Lösungsmittel
P
= Kugel ( 5,5 mm)
= Loch ( 9 mm)
= Fläche zwischen den Löchern
= durchgefallene Kugel
Ein Nachteil des Modells ist die konstante "Konzentration" an B. Dieser Sachverhalt lässt sich
mit der Annahme eliminieren, dass B in großem Überschuss gegenüber dem Partner A vorliegt
und deshalb seine Konzentration bei der Reaktion praktisch konstant bleibt (die Reaktion lässt
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
23
sich damit unabhängig von B betrachten). Im Geschwindigkeitsgesetz drückt sich dies wie folgt
aus:
d[A ]
x
y
x
= k1 . [A]t . [Löcher]t = k . [A]t
dt
wegen [Löcher] = konstant
(wobei x die Reaktionsordnung bezüglich A und y die Reaktionsordnung bezüglich B beschreibe).
Weiter ist zu beachten, dass es sich im Modell um eine irreversibel verlaufende Reaktion
handelt. Ein chemisches Gleichgewicht lässt sich mit dieser Versuchsanordnung nicht darstellen.
Kästen mit verschiedener Lochzahl ermöglichen Experimente mit verschiedenen Konzentrationen
an B. Die Anfangskonzentrationen an A können variiert werden. Reaktionsfolgen lassen sich mit
gestapelten Kästen, die jeweils mit Löchern versehen sind, darstellen.
Versuchsdurchführung:
Als Anfangsbedingungen werden gewählt: [A]0 = 100, [B]0 = 2, also ein Kasten mit 2 Löchern
und 100 Kugeln. Damit beim Schütteln keine Kugeln das System nach oben verlassen können
(Konkurrenzreaktion), deckt man die Versuchsanordnung mit einem weiteren Kasten ab.
Nun wird das System sechs Mal über einem Stück Vakuumschlauch hin und her gekippt. Dieses
sechsmalige Hin- und Herkippen stelle eine Zeiteinheit dar.
Dann werden [A] oder [P] ([A] + [P] = 100) ausgezählt.
Danach kippt man weitere sechs Mal hin und her und zählt erneut aus (= zweite Zeiteinheit).
Dies setzt man bis zu einer Gesamtreaktionsdauer von sechs Zeiteinheiten (mit je sechs Kippbewegungen) fort.
3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht
Erläuterungen:
Chemische Modellexperimente stellen stets nur eine reduzierte Verwirklichung der im Original
ablaufenden Vorgänge dar. Die Reduktion kann dabei unter Umständen so stark sein, dass das
Original kaum noch wieder zu erkennen ist.
Gerade zum Hebermodell findet man zahlreiche Diskussionen über das Pro und Contra in
gängigen fachdidaktischen Zeitschriften. Dieses Modell hat den Vorteil, dass es sich wegen des
sehr einfachen Geräteaufwandes auch mit einer größeren Anzahl von Schülern in kleinen
Gruppen als Schülerexperiment ausführen lässt. Es lässt sich für eine Reaktion nach 1. Ordnung
verwenden und außerdem erweitern zu einem Modell für das chemische Gleichgewicht oder für
eine Reaktionsfolge mit Zwischenprodukten.
Versuchsdurchführung:
Der erste Messzylinder ist mit 50 mL Wasser gefüllt, der zweite ist leer. Das
Flüssigkeitsvolumen im ersten Messzylinder stellt die Konzentration des Edukts, das
Flüssigkeitsvolumen im zweiten Messzylinder die Konzentration des Produkts dar.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
24
Um die Reaktion „ablaufen“ zu lassen, wird jetzt aus
beiden Messzylindern unter Benutzung von Glasrohren
unterschiedlichen Durchmessers umgefüllt, bis praktisch
keine Veränderung mehr auftritt.
Für jeden Hubvorgang werden beide Rohre bis auf den
Boden des Messzylinders getaucht, mit einem Finger
verschlossen und das fixierte Wasservolumen gleichzeitig
in den jeweils anderen Messzylinder überführt. So ein
Hubvorgang stellt eine Zeiteinheit mit den Anteilen der
Hin- und Rückreaktion dar.
Lesen Sie nach jeder Übertragungsoperation das Volumen
in beiden Messzylindern ab und geben Sie Ihre Werte
direkt in eine Datei der Tabellenkalkulation Excel ein:
1. Spalte: Zeit,
2. Spalte: Volumen in Messzylinder 1,
3. Spalte: Volumen in Messzylinder 2.
Um die Zahl der Messwerte zu begrenzen, kann die Zahl der Hubvorgänge (d. h. die Zeiteinheiten), nach denen abgelesen wird, mit Fortschreiten der Reaktion stetig erhöht werden.
Auswertung während des Praktikumstages:
1. Lassen Sie mit Hilfe der Tabellenkalkulation die Werte für beide Messzylinder in ein
gemeinsames Diagramm graphisch auftragen (Volumen gegen Zeiteinheiten).
Markieren Sie hierzu alle drei Spalten und wählen Sie in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den
Befehl „Diagramm“, dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend
können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.
2. Theoretische Überlegung:
Welche der im Modellsystem beobachtbaren Größen entsprechen
a) der momentanen Geschwindigkeit der Hinreaktion bzw. Rückreaktion,
b) der Geschwindigkeitskonstanten,
c) der Gleichgewichtskonzentrationen?
Information:
Um eine Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt zu simulieren, würde man drei
Messzylinder (stellvertretend für Edukt, Zwischenprodukt und Endstoff) verwenden und wie
folgt vorgehen: Der erste Messzylinder wäre mit Wasser gefüllt, der zweite und dritte
Messzylinder wären zu Beginn leer. Dann würde man aus dem ersten Messzylinder Wasser mit
einem weiten Rohr in den zweiten Messzylinder und gleichzeitig aus dem zweiten Messzylinder
mit einem etwas engeren Rohr Wasser in den dritten Messzylinder überführen. Zwei derartige
Hubvorgänge stellen eine Zeiteinheit dar.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
25
3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit
Die maximale Nutzarbeit, die einem System mit potentieller Energie entnommen werden kann
(z. B. einer Batterie ihre potentielle chemische Energie), ergibt sich bei reversibler Reaktionsführung. Ein Modell soll das Prinzip der Annäherung an eine reversible Führung am Beispiel der
potentiellen Energie eines gereckten Gummibandes, das benutzt wird, um Nutzarbeit zu leisten,
zeigen.
Versuchsbeschreibung:
Sechs Gewichte werden von einem Gummiband gehalten. Die in diesem System enthaltene
potentielle Energie, die benutzt werden kann, ein Gewicht zu heben, soll in unterschiedlichem
Ausmaß genutzt werden.
1) Grenzfall ohne Gewinnung von Nutzarbeit:
Die sechs Gewichte werden heruntergenommen; das Gummiband schnerrt zusammen.
Es wird praktisch keine Nutzarbeit (zum Heben der Gewichte) gewonnen; der Ablauf wird
irreversibel geführt.
2) Übergang zur Gewinnung von Nutzarbeit:
Nur einzelne Gewichte werden nacheinander heruntergenommen. Die verbleibenden
Gewichte der Masse m werden eine jeweils kleine Strecke gehoben, die durch Messen der
Bodenhöhe h vor und nach dem Herunternehmen der Gewichte erfasst werden muss.
Nutzarbeit = m . h . g [J = kg . m2/s2] mit g = 9,81 m/s2.
3) Grenzfall mit maximaler Nutzarbeit:
Es werden winzig kleine Gewichtsanteile heruntergenommen. Damit wird immer ein
maximaler Gewichtsanteil um kleine Strecken gehoben. Die Versuchsführung ist für diesen
Grenzfall reversibel. Die Nutzarbeit entspricht der Integration dieses Vorganges.
Versuchsdurchführung:
6 Gewichte von je ca. 100 g stehen zur Verfügung. Es sollen damit vier Versuchsreihen mit
unterschiedlicher Nutzarbeit ausgeführt werden.
Die Höhen hi der Gewichte sind zu messen, d. h. der Abstand der Labortischplatte von der
Bodenfläche des unteren der anhängenden Gewichte. Dabei bezeichnet der Index i die Anzahl
der anhängenden Gewichte. 1
m gibt diejenige Masse der gehobenen bzw. verbleibenden Gewichte an, durch die folglich eine
Nutzarbeit geleistet wird.
Zum Verständnis der Bezeichnungen ist die folgende Abbildung zu Versuchsteil c) aufschlussreich:
1
Man kann die Höhen auch jeweils zwischen anderen Punkten, z. B. von der Labortischplatte bis zum unteren
Ende des Gummibandes, bestimmen. Die Messmethode muss jedoch in allen Versuchsteilen konsequent
weitergeführt werden. Keinesfalls darf die Höhe des oberen Gewichts von der Laborttischplatte gewählt werden,
da ansonsten auch die Dicke der Gewichte mitbetrachtet würde!
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
26
Abbildung zu
Versuchsteil c)
h0 – h2
h2 – h4
h4 – h6
Tischplatte
h6
m = 0,4 kg m = 0,2 kg
h2 – h4
h4 – h6
m = 0 kg
h0 – h2
a) einmalige Gewichtsentnahme:
Es werden alle sechs Gewichte auf einmal entfernt. Bestimmen Sie die Höhendifferenz h =
h0 – h6 von der Ausgangsposition (h6) bis zum Endzustand (h0).
Bei diesem Vorgang wird keine Nutzarbeit gewonnen (m = 0 kg).
b) zwei Gewichtsentnahmen:
Es werden zweimal je drei Gewichte entfernt.
Die zuerst verbleibenden drei Gewichte werden um h = h3 – h6 gehoben, wobei Nutzarbeit
gewonnen wird (m = 300 g = 0,3 kg).
Für den zweiten Vorgang ergibt sich keine Nutzarbeit (m = 0 kg).
c) drei Gewichtsentnahmen (siehe obige Abbildung)
Gemäß obiger Abbildung werden dreimal je zwei Gewichte entfernt.
Dadurch werden vier Gewichte um h4 – h6 und zwei Gewichte um h2 – h4 gehoben.
Die insgesamt gewonnene Nutzarbeit ergibt sich als Summe der Nutzarbeit aus diesen beiden
Prozessen. Das Entfernen der letzten beiden Gewichte ergibt wieder keine Nutzarbeit.
d) sechs Gewichtsentnahmen:
Es wird sechsmal immer nur ein Gewicht entfernt. Bei fünf der sechs Hebevorgängen ergibt
sich eine Nutzarbeit.
Auswertung während des Praktikumstages:
1. Übertragen Sie die folgende Tabelle sinnvoll in eine EXCEL-Tabelle und ergänzen Sie.
Lassen Sie, wenn möglich, die Werte durch Eingabe einer Formel mit Hilfe von EXCEL
berechnen. Beachten Sie die Einheiten.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche
27
Anzahl der
Gewichtsentnahmen
Masse, die
angehoben wird
m [in kg]
Höhendifferenzen
h [in m]
Nutzarbeit
(Einzelbeträge)
[in J]
Nutzarbeit
(Summe)
[in J]
a)
1
0
h0 – h6
...
...
b)
2
0,3
0
h3 – h6
h0 – h3
...
...
c)
3
0,4
0,2
0
h4 – h6
h2 – h4
h0 – h2
...
...
d)
...
...
...
...
...
2. Tragen Sie mit Hilfe von EXCEL die insgesamt gewonnene Nutzarbeit (letzte Spalte der
Tabelle) graphisch gegen die Anzahl der Gewichtsentnahmen auf (vier Datenpunkte).
3. Ermitteln Sie aus der Auftragung durch Extrapolation den Wert der insgesamt zu
gewinnenden Nutzarbeit für zwölf 50 g-Gewichte (also insgesamt 600 g = 0,6 kg), von denen
immer nur ein Gewicht entfernt wird.
Welchen Wert erhalten Sie schätzungsweise für den Grenzfall der maximalen Nutzarbeit
0, 6
maximale Nutzarbeit = 9,81
h dm = … ?
0, 0
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Wählen Sie aus allen Modellen der Versuchsgruppe 3 eines aus, das Sie im Unterricht am
ehesten einsetzen würden, und begründen Sie, was Ihnen an diesem Modellversuch gefällt und
was das Modell im Unterricht leisten kann.
Wählen Sie andererseits mit Begründung auch ein Modell aus, das Sie im Unterricht am ehesten
nicht einsetzen würden. In welchen Punkten (z. B. bei der Durchführung, bei der Auswertung)
ist der Modellversuch möglicherweise schwieriger zu verstehen und komplexer gestaltet als der
zu demonstrierende Sachverhalt?
_____________________________________________________________________________
4. VERSUCHSGRUPPE:
COMPUTERUNTERSTÜTZTES EXPERIMENTIEREN
_____________________________________________________________________________
Geräte in der Kiste:
zu 4.1
1
6
2
2
1
Messkolben (50 mL)
Bechergläser (250 mL)
Vollpipetten (5 mL)
Vollpipetten (10 mL)
Vollpipette (50 mL)
1
1
1
1
1
Messzylinder (100 mL)
Peleusball
Trichter, klein
Stoppuhr
kleiner Rührmotor mit Rührkern
zu 4.2
1 Kolbenpipette (5 mL)
1 Kolbenpipette (2 mL)
3 Bechergläser (50 mL)
3 Kolbenpipetten (1 mL)
zu 4.3
2 Vollpipetten (10 mL)
2 Erlenmeyerkolben (100 mL)
2 Reagenzgläser mit Ständer
2 Küvetten (kleine Reagenzgläser)
1 kleiner Spatel
[Peleusball aus 4.1/2]
Chemikalien:
zu 4.1
0,1 M NaOH (Xn)
Phenolphthalein-Lösung
ca. 0,1 M HCl
ca. 0,1 M Essigsäure
zu 4.2
Ethanol (p. a.) (F)
[0,1 M NaOH aus 4.1]
tert.-Butylbromid (F)
zu 4.3
5.10-5 M Kristallviolett-Lösung (Xn)
0,5 M NaOH (C)
Ausleihen:
PC mit Monitor und Drucker
Software
AD-Wandler (ADW-16)
RGB-Anschlusskabel
RS-232 Übertragungskabel
3 Klammern mit Muffen
Perfusor
pH-Meter
Leitfähigkeitsmessgerät mit Kabel
Einstabmesskette 3
Colorimeter CO 65 mit Filter Nr. 6
Stativ
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
29
Vorbemerkung:
Dem Vordringen der Computer in fast alle Lebensbereiche des Menschen sollte nicht eine
Verweigerungshaltung im Bereich der Schule gegenüber stehen. Der Schüler hat einen Anspruch
darauf, aktuelle Bezüge in seinem Unterricht wiederzufinden. Im Übrigen ist eine kritische
Auseinandersetzung mit diesem Medium höher zu bewerten als eine kritiklose bis euphorische
Übernahme von neuen Technologien.
Neben der gesellschaftlichen Relevanz dieses Themas ermöglicht es der Computer, den Ablauf
des Chemieunterrichts in bestimmten Einsatzbereichen zu erleichtern.
Vorteile des Computers bei der Messwerterfassung:
1. Anzeige von Messwerten und Graphen
Der Computer lässt sich über einen AD-Wandler an nahezu jedes Gerät mit einem Gleichspannungsausgang anschließen. Der Messwert kann so erfasst und auf einen Großbildschirm,
z. B. einen Fernseher, für jeden Schüler sichtbar übertragen werden.
Auch die graphische Darstellung des Verlaufs einer Messgröße ist möglich. Gerade bei
Messreihen kann das Aussehen des Graphen wesentlicher als die einzelnen Zahlenwerte sein.
2. Verarbeitung der Werte
Ermittelte Messwerte lassen sich abspeichern, ausdrucken, vor allem aber ohne großen
Zeitaufwand umrechnen (z. B. mit einer Tabellenkalkulation). Nicht immer sind nämlich die
am Messgerät angezeigten Werte selbst wichtig, oft müssen z. B. Differenzen oder ein
Logarithmus gebildet werden. Gleichartige Umrechnungen vieler Tabellenwerte sind
zeitraubend, fehlerträchtig und alles andere als motivierend und lenken oft vom eigentlichen
Versuchsergebnis ab. Allerdings sollte der Schüler die PC-unterstützten Umrechnungen nicht
als „Black-box“ gebrauchen, sondern die Rechenoperationen zumindest nachvollziehen
können.
Mit dem Computer besteht außerdem die Möglichkeit, mehrere Messreihen aufzunehmen und
zum Vergleich in einem gemeinsamen Koordinatensystem graphisch exakt darzustellen.
3. Zeitraffer und Zeitlupe
Mit dem Computer lassen sich sowohl schnelle als auch extrem langsame Vorgänge gut
verfolgen. So sind Langzeitmessungen möglich, ohne den Unterricht durch andauerndes
Ablesen von Messwerten zu stören.
Auch bei einer raschen Reaktion, deren Ablauf in Abhängigkeit von der Zeit erfasst werden
soll, eröffnet die Registrierung mit dem Computer eine intensivere und detailliertere
Besprechung und Diskussion der Ergebnisse, die ansonsten aufgrund der Messwertdichte
eventuell überhaupt nicht zugänglich wären. Allein vom Zeitaufwand lässt sich bei einem
klassischen Verfahren mit der Analyse von Einzelproben eine solche Messwertdichte in der
Schule auf keinen Fall realisieren.
Das kürzest mögliche Zeitintervall zwischen zwei Messungen hängt von der Arbeitsgeschwindigkeit des Rechners und des AD-Wandlers ab. Mit dem in unseren Versuchen
verwendeten ADW-16 können maximal 6,5 Messwerte pro Sekunde ermittelt werden.
Allerdings hängt die Aufzeichnungsgeschwindigkeit auch von der verwendeten Software ab.
Je umfangreicher der Programmablauf ist, desto weniger Messwerte können pro Sekunde
ermittelt werden.
Beispielhaft sollen diese für eine Messwerterfassung typischen Punkte in den Versuchen 4.1 bis
4.3 bei einer Leitfähigkeits-, bei einer pH-Wert- und bei einer Extinktionsmessung demonstriert
werden.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
30
Über die Messwerterfassung hinaus findet der Computer in den folgenden unterrichtlichen
Situationen Anwendung:
Simulation
Der Computer lässt sich zur Simulation physikalischer und chemischer Phänomene einsetzen,
z. B.
- bei der Simulation großtechnischer Verfahren
(Ein solcher Einsatz kann sich als sinnvoll erweisen, wenn bei der Simulation
Versuchsparameter geändert werden können oder wenn der apparative Aufwand bei der
experimentellen Durchführung in keinem Verhältnis zum Ergebnis stünde.)
- bei Modellversuchen
(beispielsweise zur kinetischen Gastheorie)
Molekülmodellierungen
Molekülmodellierungen sind modellhafte Abbildungen berechneter komplizierter Molekülstrukturen oder Orbitale. Im Schulbereich wird vielfach eine einfache dreidimensionale
Darstellung verwendet, bei denen die Atomsorten als unterschiedlich große, farbcodierte
Kugeln dargestellt werden; die benötigten Bausteine - Atome und funktionelle Gruppen kann der Benutzer nach eigener Wahl zusammenbauen.
Lernprogramme
Fertige Lernprogramme werden für alle Fächer angeboten. Sie erheben den Anspruch, für
einen handlungsorientierten Unterricht geeignet zu sein. Leider verlangen sie von den
Schülern oft nicht sehr viel mehr das Ausfüllen von Lücken und unterscheiden sich dann
kaum von einem kleinschrittig aufgebauten Arbeitsblatt.
Vorteile, die solche Lernprogramme dennoch bieten können, die allerdings auch nicht
überschätzt werden dürfen, sind:
- individuelle Anpassung an das Arbeitstempo und die Arbeitsweise der Schüler,
- Wahl des Schwierigkeitsgrads bei der Stoffaneignung,
- sofortige Selbstkontrolle der Ergebnisse,
- Sekundärmotivation über die Arbeit mit dem Medium Computer.
Programmierung
Mit ausreichenden Programmier-Kenntnissen, z. B. in der Programmiersprache PASCAL,
können die Schüler selbst Programme zur Auswertung experimentell ermittelter Werte
erarbeiten. Das Erstellen eines Programms bedeutet zunächst einmal intensive Auseinandersetzung mit der Struktur des Problems. Diese Beschäftigung kann den Lernerfolg nachhaltig
verstärken.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
31
4.1 Leitfähigkeitstitration
Erläuterungen:
Titrationen sind ein wesentlicher Bestandteil der analytischen Chemie. Normalerweise wird im
Chemieunterricht nur eine klassische Endpunkttitration, z. B. mit Indikatoren, durchgeführt.
Diese lässt sich visuell gut aufarbeiten und ist vom Zeitbedarf günstiger als eine
diskontinuierliche Titration über die Leitfähigkeit, den pH-Wert oder die Temperatur. Das
fortlaufende Stoppen der Titerzugabe und Ablesen eines Messwertes ist zeitaufwendig und für
Schüler wenig attraktiv.
Wichtigster Nachteil einer Endpunkttitration ist aber, dass der zeitliche Verlauf der Messgrößen
(wie z. B. die Leitfähigkeit) nicht verfolgt werden kann. Der Computer liefert die Möglichkeit,
Messwerte in kleinen Zeitabschnitten aufzuzeichnen und innerhalb kurzer Zeit auszuwerten.
Da der Computer nur in der Lage ist, Messdaten in Abhängigkeit von der Zeit aufzuzeichnen,
muss bei der Titration das Volumen zugegebener Lauge, Säure oder sonstiger Titerlösungen in
Form einer Zeitangabe ausgedrückt werden. Hierfür wählen wir einen sogenannten „Perfusor“
mit einer gesteuerten Spritze. Dieses Gerät liefert innerhalb eines festen Zeitintervalls immer
dasselbe Volumen und wird im Krankenhaus zur genauen und kontinuierlichen Dosierung von
Infusionslösungen eingesetzt. 1
Vorbereitungen:
Die Spritze des Perfusors wird mit 0,1 molarer Natronlauge gefüllt. Die Zutropfgeschwindigkeit
wird am Gerät auf 99 mL/h eingestellt. Aus diesem Wert ist zu berechnen, wie viele Sekunden
für das Auslaufen von 100 mL Titerlösung benötigt werden. Denn in der Parametertabelle des
Computerprogramms muss dieses Ergebnis anschließend eingegeben werden: Die Parametertabelle erscheint durch Anklicken des entsprechenden Feldes in der Registerkarte am unteren
Bildschirmrand; die Eingabe erfolgt dort unter der Rubrik „Zeit für 100 x-Achseneinheiten“.
Bedienung des Computerprogramms
Es empfiehlt sich vorab, die folgenden Bedienungsschritte durchzuführen, ohne dass dabei
bereits titriert wird („Leerdurchlauf“).
1. Löschen bisher erstellter Messdaten:
Durch Anklicken des Feldes Rücksetzen in der linken Bildschirmleiste werden alte Messdaten
entfernt.
Dies sollte vor jeder Aufnahme einer neuen Messreihe geschehen. Ausnahme bilden die drei
Messreihen in Versuch 4.2, deren zugehörige Diagramme miteinander verglichen und daher
zwischenzeitlich nicht gelöscht werden sollen.
2. Beginn der Messung:
Durch Anklicken des Feldes Aufzeichnen werden augenblicklich die ersten Messwerte
erhoben.
1
Aussortierte Geräte werden von Krankenhäusern auf Anfrage abgegeben. Steht ein solcher Perfusor nicht zur
Verfügung, setzt man häufig eine gleichlaufende Bürette ein, die innerhalb eines festen Zeitintervalls unabhängig
von der Füllhöhe immer das gleiche Volumen liefert. Eine große Flasche mit großem Durchmesser und mit einem
Auslauf nach unten ist für diese Verwendung besonders zweckmäßig. Die Titrierlösung tropft durch eine
Kapillare gleichmäßig aus, solange sich der Flüssigkeitsspiegel in der Vorratsflasche nicht stark ändert. Vor der
Durchführung des Experiments ist dann die Auslaufzeit für ein fest definiertes Volumen aus der gleichlaufenden
Bürette zu ermitteln
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
32
3. Beendigung der Messung:
Durch Anklicken des Feldes Esc in der linken Bildschirmleiste (bzw. durch Drücken der EscTaste) kann die Messung abgebrochen werden, sofern die Titration beendet ist.
4. Anzeigen der erstellten Graphik:
Durch Anklicken des Feldes aktuelle Graphik in der linken Bildschirmleiste - nach
Beendigung der Messung - erhält man die graphische Auftragung der Messwerte.
5. Anzeigen der gemessenen Werte:
Durch Anklicken des Feldes Wertetabelle in der Registerkarte am unteren Bildschirmrand
lassen sich die Messwerte anzeigen und gegebenenfalls über das Tabellenkalkulationsprogramm Excel weiterverarbeiten (wie in Versuch 4.3).
Versuchsdurchführung:
a) Leitfähigkeitstitration einer starken Säure mit einer starken Base:
10 mL der Salzsäure unbekannter Konzentration (ca. 0,1 mol/L) werden in einem 250 mLBecherglas vorgelegt und mit 100 mL dest. Wasser verdünnt. Die Elektrodenflächen sollten gut
mit der Lösung bedeckt sein. Die Vorlage wird mit einigen Tropfen Phenolphthaleinlösung
versetzt, um den Umschlagspunkt auch visuell anzuzeigen. Die Lösung muss gut gerührt
werden, so dass eine gleichmäßige Verteilung erreicht wird.
Das Leitfähigkeitsmessgerät wird durchgehend im Messbereich 10-3 belassen und keinesfalls
geändert.
Um einen gleichmäßigen Zulauf zu ermöglichen, sollte der Perfusor bereits vor der Messung
gestartet worden sein. Man beginnt mit der Messung, sobald der erste Tropfen Natronlauge die
Säure erreicht.
Anmerkung:
Die Zutropfgeschwindigkeit ist unabhängig davon, ob die Kanüle in die Flüssigkeit hineinragt
oder oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gehalten wird.
b) Leitfähigkeitstitration einer schwachen Säure mit einer starken Base:
Die Messung aus a) wird mit Essigsäure statt Salzsäure wiederholt.
Auswertung während des Praktikumstages:
Die graphische Auftragung der Messwerte gegen den Laugenverbrauch soll jeweils ausgedruckt
und diskutiert werden. Die Konzentration der Salzsäure und der Essigsäure werden berechnet.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
33
4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution)
Vorbemerkung:
Der Mechanismus der SN1- und SN2-Reaktionen wird in der Schule häufig mit der alkalischen
Hydrolyse von Alkylhalogeniden eingeführt. Die alkalische Hydrolyse von tert.-Butylbromid ist
ein Beispiel für eine SN1-Reaktion. Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der
Polarität des Lösungsmittels unterstreicht das Vorliegen einer ionischen Zwischenstufe.
Versuchsdurchführung:
Vorbemerkung:
Die Verbindungskabel zum AD-Wandler werden an die Buchsen auf der Rückseite des pHMeters angeschlossen. Der Perfusor wird bei diesem Experiment nicht eingesetzt!
Becherglas
Nr. 1
Nr. 2
Nr. 3
Ethanol
21 mL
17 mL
20 mL
Wasser
1 mL
5 mL
2 mL
Natronlauge (0,1 M)
1,5 mL
1,5 mL
1,5 mL
tert.-Butylbromid
1,5 mL
1,5 mL
1,5 mL
Ethanol, Wasser und Natronlauge werden gemäß der beiden Spalten Nr. 1 und Nr. 2 der obigen
Tabelle in zwei Bechergläsern vorgelegt und gut gemischt. Die pH-Messkette wird jetzt in das
erste Becherglas gestellt und mit einer Klammer am Stativ befestigt.
Die Computeraufzeichnung wird gleichzeitig mit der Zugabe von tert.-Butylbromid gestartet.
Um eine gute Durchmischung zu erreichen, muss sofort nach Zugabe des tert.-Butylbromids gut
umgeschwenkt bzw. gerührt werden.
Die Messung kann beendet werden, sobald der pH-Wert im sauren Bereich liegt.
Die graphische Auftragung der pH-Werte gegen die Zeit soll zu beiden Messreihen ausgedruckt
werden, wobei anschließend die Daten nicht durch Anklicken des Feldes Rücksetzen gelöscht
werden sollen.
Nach Beendigung der zwei Messungen sollen die beiden Graphen zum Vergleich in einem
gemeinsamen Koordinatensystem angezeigt und ebenfalls ausgedruckt werden. Dies geschieht
durch Anklicken des Feldes in der linken Bildschirmleiste.
Auswertung während des Praktikumstages:
1. Interpretieren Sie die Ergebnisse und beziehen Sie sich dabei auf den Reaktionsmechanismus.
2. Wie müsste sich der Kurvenverlauf ändern, wenn man die Messung mit einem weiteren
Becherglas, das gemäß Spalte Nr. 3 der obigen Tabelle befüllt ist, wiederholt?
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
34
4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik
Bei Reaktionen, die mit einer Farbänderung verbunden sind, lässt sich der zeitliche Verlauf mit
Hilfe eines Photometers verfolgen. Der Einsatz eines Computers kann sich dabei als sinnvoll
erweisen, da sich mit ihm Zeit-Umsatz-Kurven auch von relativ raschen Reaktionen aufzeichnen
lassen. Auf diese Weise soll am Beispiel der Reaktion von Kristallviolett mit Hydroxidionen die
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration aufgezeigt werden.
Theoretische Einführung:
Das Reaktionsschema lautet:
Das Geschwindigkeitsgesetz, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit v mit den sich ändernden
Konzentrationen bei einer gegebenen Temperatur verknüpft ist, lautet hier („Krist“ abgekürzt):
v =
d[Krist ]
= k1 [Krist ] x [OH ] y
dt
mit einer Konstanten k1.
Wenn ein hoher Überschuss an Lauge (0,5 M NaOH) eingesetzt wird, bleibt die HydroxidionenKonzentration während der Reaktion nahezu konstant. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt
dann nur noch von der Kristallviolettkonzentration ab:
v =
d[Krist ]
= k [Krist ] x
dt
mit einer Konstanten k.
Der Exponent x stellt die Ordnung der Reaktion bezüglich der Kristallviolettkonzentration dar.
Man erhält bei einem hohen Laugenüberschuss für diese Reaktion eine Kinetik 1. Ordnung (x =
1). Die integrierte Form des Geschwindigkeitsgesetzes 1. Ordnung lautet dann:
ln[Krist ] t = k t + ln[Krist ]0 ,
wobei [Krist]t die Kristallviolettkonzentration zur Zeit t und [Krist]0 entsprechend zu Beginn
angibt (vgl. Erläuterungen zu Versuch 3.1).
Da die Reaktionsgeschwindigkeit unter den gegebenen Bedingungen nur von der Kristallviolettkonzentration abhängt und das Additionsprodukt mit OH -Ionen farblos ist, kann die Reaktion
colorimetrisch über die Farbänderung verfolgt werden.
Gemessen wird die Transmission T (in %), die mit der Extinktion E über den folgenden
Zusammenhang verknüpft ist:
E = lgT
(Beispiel: Transmission T = 5 % bedeutet T = 0,05 und damit E = lg0,05.)
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
35
Die Extinktion E ist der jeweiligen Konzentration an Kristallviolett direkt proportional und kann
deshalb in das Geschwindigkeitsgesetz eingesetzt werden:
ln E t = k t + ln E 0
Wird lnEt gegen t aufgetragen, erhält man bei Reaktionen 1. Ordnung eine Gerade mit der
Steigung k (k = Geschwindigkeitskonstante) .
Versuchsdurchführung:
a) Messung der Transmission
Mit der 0,5 M NaOH wird auf 100 % Transmission am Messgerät eingestellt.
Zur Bestimmung der Zeit-Umsatz-Kurve werden 10 mL Kristallviolettlösung der vorgegebenen
Konzentration in einen 100 mL-Erlenmeyerkolben und 10 mL Natronlauge in ein Reagenzglas
pipettiert. Beide Lösungen werden anschließend im Erlenmeyerkolben vereinigt, kurz
umgeschwenkt und außerhalb des Gerätes in die Küvette überführt (zu 2/3 gefüllt).
Die Messung wird sofort gestartet und - sobald die Transmission einen konstanten Wert (nahe
100 %) erreicht hat - direkt beendet.
b) Bearbeitung der gemessenen Werte mit ‚Excel’
Ziel ist es, nach einer Reaktion 1. Ordnung graphisch aufzutragen. Aus der Steigung der
Geraden soll die Geschwindigkeitskonstante k und anschließend die Halbwertszeit ermittelt
werden.
Um die Möglichkeiten des Computers sinnvoll und optimal zu nutzen, sollen die Messwerte
direkt am Versuchstag und zeitsparend mit der Tabellenkalkulation ‚Excel’ ausgewertet werden:
B
1
2
3
4
5
6
7
8
Zeit [s]
1
2
3
4
5
6
7
(erfundene Zahlenwerte)
C
D
E
F
Transmission
40
61
75
84
91
96
99
Extinktion
Zeit [s]
1
2
3
4
5
6
7
ln(Extinktion)
= LOG10(C2/100)
kopieren
=LN(D2)
kopieren
Es folgen einige Kurzanleitungen zur Tabellenkalkulation ‚Excel’.
Die Ausführungen gelten, falls Ihre Tabelle in Spalte B die Werte für die Zeit und in Spalte C
die Werte für die Transmission aufweist, und orientieren sich damit an der oben abgebildeten
Tabelle.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren
36
Lassen Sie in Spalte D die Extinktion aus der Transmission errechnen:
1. Schritt:
Geben Sie in Tabellenzelle D2 die Formel = LOG10(C2/100) ein. Das Computerprogramm erfährt
durch das Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung, nämlich:
„Dividiere die Zahl, die in Zelle C2 steht, durch 100, bilde hiervon den dekadischen Logarithmus und
ändere das Vorzeichen.“ (Die Division durch 100 ist erforderlich, um die Transmission in Prozent, also
auf Hunderstel, umzurechnen.) Sollte als Ergebnis die Zahl Null in der Zelle erscheinen, ist die Zahl
der Dezimalstellen zu erhöhen: die zugehörige Formatierung erreicht man über die rechte Maustaste.
Verändern Sie testweise und nur vorübergehend den Wert in Zelle C2; Sie stellen dann fest, dass der
Wert in Zelle D2 sofort angepasst wird.
Mit Hilfe der Eingabe einer solchen Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens (2.
Schritt) nutzen:
2. Schritt:
Kopieren Sie die Formel aus Zelle D2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die
untere rechte Ecke der Zelle D2 mit der Maus anklicken und - während Sie die Maus gedrückt lassen den Rahmen der Zelle D2 nach unten über die anderen Felder ziehen.
Die Formel aus Zelle D2 wird dann automatisch angepasst; z. B. greift das Computerprogramm in Zelle
D5 auf Zelle C5, aber nicht mehr auf C2 zurück. (Dies können Sie - nach dem Anklicken der Zelle D5
- an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette × = verfolgen.)
Kopieren Sie die Daten aus Spalte B in Spalte E.
Wiederholen Sie analoge Schritte zur Vervollständigung der Tabelle, wie sie oben angedeutet ist
(Spalte F).
Erstellen Sie ein Diagramm, das ln(E) in Abhängigkeit von der Zeit darstellt:
Markieren Sie dazu mit der Maus die beiden Spalten E und F. Wählen Sie in der Bildschirmleiste
„Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“.
Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.
Lassen Sie in das betreffende Diagramm eine Ausgleichsgerade hineinlegen und deren Geradengleichung bestimmen:
Klicken Sie dazu das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der
Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort
- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und
- in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“.
Drücken Sie anschließend „OK“.
_____________________________________________________________________________
5. VERSUCHSGRUPPE:
DAS ARBEITEN MIT GASEN – REDOXREAKTIONEN
_____________________________________________________________________________
Geräte in der Kiste:
Allg.
2 gebogene Glasröhrchen mit Düse
(für Stahlflaschen)
1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch
1 Tiegelzange
1 Spatel
1 Schere
zu 5.1
1 Becherglas (250 mL)
1 Standzylinder
1 Glimmspan
zu 5.2
1 großes, breites Becherglas
1 DC-Kammer
1 Glasplatte
1 treppenartig geknickter Blechstreifen
3 Teelichter (Kerzen)
zu 5.3
2 Kolbenprober (100 mL), dazu passend
1 Dreiwegehahn
1 Reaktionsrohr; dazu passend:
2 durchbohrte Stopfen mit Glasrohrstücken
zu 5.4
1 Vierhalskolben mit 2 Verbindungsstücken
1 Waschflasche
1 Peleusball
2 Graphitelektroden mit Schraubverbindung
1 Tropfpipette
Chemikalien:
zu 5.1/2 CO2-Flasche
Sand
zu 5.3
Kupferspäne (oder Kupferdrahtnetz)
zu 5.4
Bromthymolblaulösung
Magnesiumband
0,1 M NaOH (Xi)
Ausleihe:
2 Stative
4 Klammern mit Muffen
2 kleine Klammern
1 Vakuumschlauch
Gummi- oder PVC-Schläuche
1 Hochspannungstransformator
(50 und 23000 Windungen)
1 Netzgerät (25 V; 12 A)
4 Kabel
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen
38
5.1 Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium
Versuchsdurchführung:
Zuerst stellt man einen langsamen Gasstrom von CO2 aus der
Stahlflasche ein.
Anschließend wird der Boden eines Standzylinders mit Sand
bedeckt. Dann wird dieses Gefäß mit CO2 gefüllt und dabei
mit einem brennenden Glimmspan der Füllstand kontrolliert.
In den mit CO2 gefüllten Standzylinder wird ein am
Bunsenbrenner entzündetes Magnesiumband (ca. 10 cm) mit
der Tiegelzange eingeführt.
Magnesium
Kohlenstoffdioxid
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Nennen Sie mindestens eine Fragestellung, die - als Thema einer Unterrichtsstunde - vom Lehrer
aufgeworfen und die dann anhand des Versuchs untersucht und überprüft werden könnte.
Welche Klassenstufe betrifft jeweils diese Fragestellung? Beantworten die von Ihnen gemachten
Beobachtungen die vorgeschlagene Fragestellung ausreichend?
5.2 „Kerzentreppenversuch“
Versuchsdurchführung:
(angelehnt an „HRR“, Versuch 22.4, S. 166)
Auf einen treppenartig geknickten Blechstreifen, den
man - wie abgebildet - in eine DC-Kammer führt, stellt
man insgesamt drei Teelichter.
In ein großes Becherglas wird CO2 aus der Stahlflasche
eingeleitet.
Dann „gießt“ man zügig das CO2 über der DC-Kammer
an der Seite mit der am niedrigsten angebrachten Kerze
aus, so dass die Kerzen der Reihe nach von unten nach
oben erlöschen. Dabei soll ein Großteil der Becherglasöffnung mit einer Glasplatte abgedeckt werden, damit
das CO2 nicht zu großflächig ausströmt und alle drei
Kerzen gleichzeitig löscht.
Gegebenfalls muss man CO2 in das Becherglas zum
Ausgießen nachfüllen.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Schaffen Sie einige vor allem praktische Anwendungsbezüge dieses Experiments, die man in
den Unterricht integrieren könnte.
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen
39
5.3 Bildung von Stickoxiden
Versuchsaufbau:
Elektroden
Pumpe oder
Peleusball
Glaskolben
Trafo
BromthymolblauLösung
25 V / 12 A
Die Apparatur wird gemäß Abbildung aufgebaut (Die vier durchbohrten Stopfen werden durch
zwei Verbindungsstücke aus Glas und zwei Schraubverbindungen an den Elektroden ersetzt.)
Die in den Vierhalskolben hineinragenden Graphitelektroden sollen einen Abstand von ca. 1-2
mm aufweisen. Sie werden mit den Polen eines Hochspannungstransformators und diese mit
einem Netzgerät zur Erzeugung von Wechselspannung (Symbol ~) verbunden. Mit Hilfe des
Transformators (50 und 23000 Windungen, s. „Information“ unten) soll die Netzspannung auf
ca. 5.000 V angehoben werden.
In der Waschflasche befindet sich destilliertes Wasser, versetzt mit einigen Tropfen
Bromthymolblau-Lösung. Die Lösung in der Waschflasche ist mit der bereitgestellten 0,1 M
NaOH tropfenweise auf neutral (grüne Färbung) oder sehr schwach alkalisch (blaue Färbung)
einzustellen; das verwendete destillierte Wasser ist nämlich gegebenenfalls schwach sauer.
Versuchsdurchführung:
Vorsicht beim Umgang mit Hochspannung! Lebensgefahr! Gute Isolierung beachten!
Niemals beide Elektroden gleichzeitig berühren! Erst einschalten, wenn die Apparatur vollständig aufgebaut ist! Unbedingt ausschalten, wenn Veränderungen vorgenommen werden!
Die am Netzgerät regulierte Spannung wird langsam auf ca. 10 Volt erhöht, bis ein kräftiger
Funkenstrom überschlägt (bei der erzeugten Hochspannung).
Wenn sich die Kugel mit braunem Gas gefüllt hat, wird abgeschaltet und erst danach die Pumpe
angestellt oder der Peleusball bedient, so dass ein leichter Gasstrom durch die Waschflasche
hindurch erzeugt wird .
Informationen zum Transformator:
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, einer Primärspule mit der Windungszahl N1 und
einer Sekundärspule mit der Windungszahl N2, die entweder auf den Schenkeln eines einfach
geschlossenen Eisenkerns oder auf dem mittleren Schenkel eines zweifach geschlossenen
Eisenkerns sitzen. Legt man an die Primärspule eine Wechselspannung U1 an, so wird in der
Sekundärspule eine Wechselspannung U2 induziert, für die die folgende Beziehung gilt:
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen
40
U2
N
= 2.
U1
N1
Bei U1 = 10 V und den Windungszahlen 23000 und 50 beträgt also die erzeugte Hochspannung
10 V 5.000 V.
U2 = 23000
50
Diese Daten entsprechen dem im Schulversuchspraktikum verwendeten Transformator. Wie er
über Kabel einerseits an die Spannungsquelle und andererseits an die Elektroden im
Vierhalskolben angeschlossen wird, zeigen die folgenden Abbildungen:
Anschluss an
die Elektroden
des Vierhalskolbens
A
Anschluss an
die Elektroden
des Vierhalskolbens
E
Ansicht
von oben
Diese Spule besteht
aus 23000 Windungen
Diese Spule besteht
aus 50 Windungen
Durch Anschluss der
beiden Kabel an die
linke untere Ecke und
an die rechte obere
Ecke
wird
der
Transformator
im
obigen Experiment zu
100 % ausgenutzt.
Würde man das obere
Kabel tiefer stecken, so
würde man die Netzspannung entsprechend
nicht so stark anheben.
VOLT
4
4
Anschluss
an die
Spannungsquelle
2
6
4
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Für welche alltäglichen Prozesse steht dieses Experiment Modell?
Anschluss
an die
Spannungsquelle
Ansicht
von der
Seite
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen
41
5.4 Der Sauerstoffgehalt der Luft
Versuchsaufbau:
Quarzrohr
mit Kupfer
3-Wege-Hahn
Versuchsdurchführung:
Eine schulübliche "Luftanalyse“ benutzt Kolbenprober und Kupfer zur Bindung des Sauerstoffs
bei erhöhter Temperatur.
Machen Sie sich die Versuchsdurchführung anhand der Abbildung selbst klar:
- Warum benötigt man zwei Kolbenprober?
- Welche Funktion hat der an einer Seite des Reaktionsrohrs eingebaute Dreiwegehahn?
- Warum wird das Reaktionsrohr erhitzt?
Nach Versuchsende ergibt sich ein Messwert (1. Messwert) für den Sauerstoffgehalt, bei dem
das tote Volumen der Apparatur als Fehler eingeht. Dieser Fehler wird völlig ausgeschlossen,
wenn Sie folgendermaßen vorgehen:
Lassen Sie hierzu nach dem Versuchsende, bei dem fast nur Stickstoff in der Apparatur vorliegt,
diesen aus dem gefüllten Kolbenprober ab, und füllen Sie den Kolbenprober erneut mit genau
100 mL Luft. Danach wird das Reaktionsrohr noch einmal erhitzt. Die nach dem Abkühlen
gemessene Volumenabnahme ist dann genau auf 100 mL Luft bezogen (2. Messwert).
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Vor allem in der Orientierungsstufe wird zur Bestimmung des Sauerstoffanteils der Luft der
sogenannte „Lichterschiffversuch“ eingesetzt (vgl. „HRR“ Versuch 6.7, S. 72). In einer besser
funktionierenden und schneller realisierten Variante befestigt man (mit flüssigem Wachs) in der
Mitte einer Glaswanne eine Kerze, so dass sie aufrecht steht. Anschließend gibt man gefärbtes
Wasser in die Glaswanne. Stülpt man einen Standzylinder (oder eine kleinere verschlossene
Gaso-meterglocke mit Skalierung) über die Kerze, steigt der Wasserstand innerhalb des Gefäßes
höher als außerhalb. Dabei füllt der erhöhte Wasserstand ziemlich genau 1/5 des Standzylinders
aus.
Beurteilen Sie abschließend, ob dieser Versuch als Ersatz oder als Ergänzung zu dem von Ihnen
durchgeführten Versuch 5.4 geeignet ist oder ob Sie ihn überhaupt nicht einsetzen würden.
Untermauern Sie Ihr Urteil mit Vorteilen und Schwachstellen (auch fachlicher Art) des
Experiments.
_____________________________________________________________________________
6. VERSUCHSGRUPPE:
ANALYSE UND SYNTHESE DES WASSERS
_____________________________________________________________________________
Geräte in der Kiste:
zu 6.1
1
4
1
1
Hofmann’scher Zersetzungsapparat
Kabel
Becherglas (400 mL)
Trichter
zu 6.2
Vollständig zusammengebaute Apparatur:
1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch
2 Reagenzgläser
Glimmspäne
1 Stoppuhr
Heliocentris Energiesysteme GmbH,
Rudower Chaussee 5,
12489 Berlin
zu 6.3
3 Explosionsbüretten mit Platinelektroden
3 Glaswannen
2 Bananenstecker
2 Glasrohrstücke (kapillar verengt)
1 Zündfunkengeber
zu 6.4
Luftballons
1 Kerze, an einem langen Zeigestab befestigt
lange Schnur
Chemikalien:
zu 6.1
Schwefelsäure (30 %-ig), Xi
zu 6.3
H2-Flasche, F
zu 6.4
[H2-Flasche aus 6.3]
O2-Flasche, O
Ausleihen:
1 Spannungsquelle 1
1 Ampèremeter
1 Voltmeter
1 Schutzscheibe
Gummi- oder PVC-Schläuche
1
3
2
6
8
Stative
Klammern (groß)
Klammern (klein)
Muffen
Als Spannungsquelle verwenden wir für die Elektrolyse von Wasser ein Gerät, welches variabel max. 60 Volt
Gleichspannung bei etwa 0,5 Ampère liefert.
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers
43
6.1 Die Elektrolyse von Wasser
(Hofmann’scher Zersetzungsapparat)
Versuchsdurchführung:
Anstelle eines bei Elektrolysen häufig eingesetzten U-Rohres
verwenden wir den Hofmann’schen Zersetzungsapparat (siehe
Abbildung), der mit 30 %-iger Schwefelsäure als Elektrolyt befüllt
wird. Hierzu öffnet man die Hähne der beiden Zersetzungsrohre und
lässt durch die Kugel des mittleren Rohres langsam so viel
Schwefelsäure einfließen, dass die beiden äußeren Schenkel bis in die
Hähne gefüllt sind.
Die Platinelektroden werden über ein Voltmeter und ein Amperemeter
mit einer Spannungsquelle verbunden.
a) die Zersetzungsspannung
Die Spannung wird in 0,2 Volt-Schritten erhöht und jeweils die
Stromstärke notiert. Nähern Sie sich dabei jedem 0,2-Volt-Schritt durch
vorsichtiges Regulieren langsam von unten an, so dass der jeweilige
Wert nicht kurzzeitig extrem überschritten wird. Nach dem Erreichen
der Zersetzungsspannung (woran erkennbar?) wird die Messung mit der
Aufnahme von drei weiteren Werten fortgesetzt.
b) das Volumen der Gase
Für die weitere Elektrolyse wird nun konstant eine Spannung von etwa 20 V eingestellt und die
zugehörige Stromstärke notiert. Während der Elektrolyse werden die Volumina der sich
bildenden Gase zehn Minuten lang minütlich abgelesen. Danach wird weiter elektrolysiert, bis
sich der Kathodenraum fast ganz gefüllt hat.
c) Nachweise der Gase
„Knallgasprobe“:
Das Gas, welches im Kathodenraum entsteht, wird durch die Knallgasprobe als Wasserstoff
nachgewiesen. Man fängt dazu in einem Reagenzglas ca. 20 mL Gas auf und bringt sofort die
Mündung des Reagenzglases senkrecht nach unten weisend an die Bunsenbrennerflamme.
„Glimmspanprobe“:
Im Anodenraum entsteht Sauerstoff. Man fängt ihn ebenfalls in einem Reagenzglas auf und führt
rasch einen glimmenden Holzspan ein.
Auswertung während des Praktikumstages:
zu a)
Tragen Sie die Messwerte per Hand graphisch auf (Stromstärke gegen Spannung), und
diskutieren Sie den Verlauf kurz.
Warum verwenden wir keine Natriumchloridlösung anstelle der Schwefelsäure?
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers
44
zu b)
Verhalten sich die Volumina der frei werdenden Gase wie 2:1?
Formulieren Sie die „Hypothese von Avogadro“, und erklären Sie, warum sie erforderlich ist,
wenn man aus dem Versuchsergebnis (etwa im Unterricht) die Formel des Wassers als H2O
bestätigen möchte.
In der Sekundarstufe II kann man anhand der Abscheidungen beim Hofmannschen
Zersetzungsapparat das erste Faradaysche Gesetz bestätigen und sowohl die Faraday- als auch
die Avogadro-Konstante bestimmen:
Die Faraday-Konstante entspricht der Ladung (in Coulomb) von 1 mol elektrischer
Elementarladungen. Bezüglich des Experiments gibt dies die Ladungsmenge Q an, die zur
Abscheidung von 1 mol H+-Ionen (in Form von Wasserstoff) erforderlich sind.
Ermitteln Sie unter Berücksichtigung der registrierten Stromstärke denjenigen Wert für die
Faraday-Konstante, den Ihr Experiment liefert (Literaturwert: 96500 C/mol; 1 C = 1 As).
Berechnen Sie schließlich unter Verwendung der Elementarladung e = 1,6 . 10
die Avogadro-Konstante.
19
C auch
6.2 Die Solar-Wasserstofftechnologie im Modellexperiment
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung:
Mit der Apparatur lassen sich die Funktionsweisen von PEM-Elektrolyseuren und PEMBrennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membrane = Protonen-Austausch-Membran)
demonstrieren. Ein Spannungsmessgerät wird angeschlossen, da maximal eine Spannung von 2
V eingestellt werden darf und eine Überschreitung zur Zerstörung der Apparatur führen kann.
Wasservorratsbehälter
Gasspeicher
Elektrolyseur
Brennstoffzelle
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers
45
Zur Durchführung wird die Solarzelle auf der Südseite außerhalb des Praktikumssaales
aufgestellt. Die Wasservorratsbehälter und die Gasspeicher werden durch Schläuche miteinander
verbunden und vollständig mit destilliertem Wasser gefüllt. Auf die Wasservorratsbehälter
werden die Gummistopfen aufgesetzt. Die Solarzelle schließt man an den Elektrolyseur an, der
mit dem Wasservorratsbehälter verbunden wird. Nach fünf Minuten werden die entwickelten
Gasvolumina, die sich letztlich in den Gasspeicherröhren sammeln, ermittelt.
6.3 Die Synthese des Wassers (Eudiometer)
Versuchsanordnung und –durchführung:
Drei dickwandige, einseitig geschlossene Glasröhren (Explosionsbüretten bzw. Eudiometerrohre), die eine mL-Unterteilung haben, besitzen eingeschmolzene Platinstifte. Die Röhren
werden mit Wasser gefüllt und tauchen mit der Öffnung nach unten mindestens 10 cm tief in je
eine pneumatische Glaswanne.
Bei der Versuchsdurchführung ist unbedingt zu beachten:
Die Eudiometerrohre werden zweifach mit Klammern, die fest angezogen werden müssen, an
Stativen befestigt!
Schutzscheibe oder Abzug ist zu verwenden! Alle Anwesenden tragen eine Schutzbrille!
Damit die Gase rein genug sind, müssen die Schlauchverbindungen vorher mit dem jeweiligen
Gas gut gespült werden! Eine Sicherheitsflasche sollte bei der Gasentnahme entfallen.
Die Glasdüse sollte spitz ausgezogen und der Gasstrom nur schwach sein, damit kleine
Gasblasen einzeln dosiert werden können. Lassen Sie sich beim Einfüllen der Gase Zeit!
Mit einer gebogenen Glasrohrdüse werden in die drei Eudiometerrohre (I) 4 mL, (II) 6 mL und
(III) 8 mL Wasserstoff eingefüllt und die tatsächlich vorgelegten Mengen genau abgelesen.
Genau abgelesene Volumina sind zur Interpretation des Versuchs viel wichtiger, als dass die
angegebenen Werte genau erreicht werden.
Danach gibt man in gleicher Reihenfolge (I) 6 mL, (II) 3 mL und (III) 2 mL Sauerstoff hinzu
(Schlauch vorher spülen) und liest wieder genau ab.
Nun werden die Buchsen der Platindrähte an den Zündfunkengeber angeschlossen und dieser
durch Drücken aufgeladen. Wenn die Zündung nicht erfolgt, so dürfen die Kontakte auf keinen
Fall berührt werden!
Unter heftiger Explosion erfolgt die Zündung des Knallgasgemisches. Dabei darf kein Gas unten
aus dem Eudiometerrohr entweichen. Wenn das geschieht, ist das Eudiometerrohr nicht tief
genug eingetaucht worden.
Nach der Reaktion werden die Restvolumina abgelesen. Auf die Nachweise der Restgase wird
wegen der geringen Mengen verzichtet.
Auswertung während des Praktikumstages:
Welche Restvolumina sind, ausgehend von den tatsächlich eingefüllten Mengen, zu erwarten?
Wie gut ist die Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis?
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers
46
6.4 Zünden eines Wasserstoffballons
Versuchsdurchführung:
Sicherheitshinweis:
Warnen Sie alle Umstehenden, bevor Sie die Zündung vornehmen!
Es wird einer Stelle des Experimentiertisches gearbeitet, an der sich
rundum keine brennbaren Gegenstände oder Chemikalien befinden,
da der Ballon mit großer Flamme verbrennt (alternativ: im Abzug).
Man bläst einen Luftballon mit etwas Wasserstoff auf (Durchmesser ca. 15 cm), verknotet ihn
und befestigt ihn mit einer dünnen Schnur am Tisch (z. B. an den Türgriffen des Unterschranks).
Der Wasserstoffballon darf sich nicht zu nah an der Raumdecke befinden. Mit der an einem
langen Zeigestab befestigten Kerze wird er entzündet. 1
Anwendung:
Am 6. Mai 1937 ereignete sich ein folgenschweres
Unglück: Das Luftschiff „Hindenburg“ war von
Frankfurt aus zu einer 60-stündigen Fahrt über den
Atlantik nach New York gestartet. Die Passagiere
reisten darin so bequem wie auf einem
Luxusdampfer, denn es war mit seinen 245 Metern
mehr als zweimal so lang wie ein Fußballfeld. In
seiner Hülle befanden sich beachtliche 200 Millionen
Liter Wasserstoff. Zu der Zeit, als bereits der
Landeplatz in Sicht kam, lag ein Gewitter über der
Stadt. Kurz vor der Landung, beim Anflug auf den
Ankermast, wurde eine Gaszelle undicht. Eine
elektrostatische Aufladung der lackbeschichteten
Außenhaut führte wahrscheinlich zu einer
1
Zur Steigerung des Effekts könnte man auch mehrere nebeneinander aufgereihte Luftballons aufhängen, so dass
eine optisch und akustisch gut wahrnehmbare kleine Kettenreaktion erfolgt.
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers
47
Funkenbildung, die den ausströmenden Wasserstoff zur Zündung brachte. Was dann geschah, schilderte
ein Reporter in einer Live-Übertragung für den Rundfunk: „Der Zeppelin gleitet auf den Landemast zu.
Die ersten Taue fallen zu Boden. Man kann von hier aus direkt in die Gondeln sehen. Die Passagiere
stehen an den Fenstern und winken. Sie hatten eine gute Fahrt über den Ozean… Was ist das? Feuer!
Das Schiff brennt! Von hinten kommen Flammen heraus, sie erfassen das ganze Schiff! Es ist
schrecklich! Das ganze Schiff brennt! Man kann nicht helfen! Jetzt stürzt das Heck auf die Erde, es
schlägt auf. Menschen springen heraus. Es ist eine furchtbare Katastrophe! Da kommen die ersten
Ambulanzwagen. Das Schiff ist ein einziges Meer von Flammen. Es ist etwas Furchtbares passiert: Das
herrliche Schiff ist nur noch ein Gerippe. Wie viele Menschen mögen darin umgekommen sein?...“
Innerhalb von 30 Sekunden stand das 245 m lange Luftschiff in Flammen. 32 Menschen starben, wie
durch ein Wunder überlebten 62 Passagiere und Besatzungsmitglieder.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Bringen Sie die Versuche der Versuchsgruppe 6 in eine mögliche unterrichtliche Reihenfolge
zum Thema „Wasser“ in der neunten Jahrgangsstufe, bei dem u. a. „Wasserstoff als
Energieträger“, „die chemische Formel von Wasser“ und „die Zweiatomigkeit einiger
elementarer Gase“ behandelt werden sollen.
Nennen Sie dazu Fragestellungen, die im Unterricht aufgeworfen werden können und die dann
zu den vier Versuchen führen. Welche Versuche könnten dann ergänzt werden?
Auf diese Weise sollen Sie ein kurzes Rahmenprogramm der genannten problemorientierten
Unterrichtseinheit skizzieren. Die Sichtung von Schulbüchern kann hilfreich sein.
„Gestern haben wir den Unterschied zwischen
Wasser und Wasserstoff kennen gelernt.“
_____________________________________________________________________________
7. VERSUCHSGRUPPE:
DARSTELLUNG UND BROMIERUNG EINES ALKENS
_____________________________________________________________________________
Geräte in der Kiste:
zu 7.1
1
1
1
1
1
1
Gasometer (komplett 1000 mL)
Thermometer (bis 100 °C)
Erlenmeyerkolben (200 mL, mit Schliff)
Gasableitungsrohr mit Schliff NS 29
großer Laborboy
Kristallisierschale (Ø = 18 cm)
zu 7.2
1 Saugflasche, 250 mL,
überzogen mit Buchfolie
1 Hahn mit Stopfen für Saugflasche
1 Dreiwegehahn
4 Glasmurmeln oder Kieselsteine
1
1
1
1
1
1
Glaswanne (Ø = 20 cm)
Becherglas (1000 mL)
Rührkern
gebogenes Glasröhrchen (mit Stahlwolle)
Trichter
Messzylinder (50 mL)
1
1
1
1
graduierte Pipette (0,2 mL)
Becherglas (250 mL)
Kolbenprober (100 mL)
Pinzette
Chemikalien:
zu 7.1
tert. Butanol (F, Xn)
konz. Schwefelsäure, C
zu 7.2
Brom, C (MAK-Wert 0,7 mg/m3)
Natriumthiosulfat
(zur Entsorgung von Bromresten)
Schlifffett
NaOH-Plätzchen, C
Ausleihen:
3
4
6
1
Stative
Klammern
Muffen
Rührmotor mit Heizplatte
Handschuhe
2 Stielkugeln
Gummi- oder PVC-Schläuche
1 Digitalwaage (mit mindestens 2 Dezimalen)
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens
49
7.1 Die Darstellung des Alkens: Isobuten
Versuchsaufbau:
Isobuten
Versuchsdurchführung:
Die Apparatur wird wie abgebildet aufgebaut.
40 mL tert. Butanol und 4 mL konz. H2SO4 werden in den Erlenmeyerkolben vorgelegt. Stopfen
und Schlauchverbindungen zum Gasometer werden auf Dichtigkeit überprüft.
Nun wird das Wasserbad auf der Kochplatte unter ständiger Temperaturkontrolle erhitzt. Unter
Rühren entwickelt sich Isobuten bei 65-70° C (nicht über 75° C erhitzen!) Das entstandene Gas
wird im Gasometer aufgefangen. Man verfährt dabei so, dass man zweimal 200 mL Gas auffängt
und vollständig wieder ablässt (Spülen der Apparatur), bevor man anschließend 900 mL
Isobuten im Gasometer sammelt.
Mit einer kleinen Menge des Gases wird beim zweiten Spülgang an einer Austrittsdüse mit
Rückschlagsicherung eine Brennprobe gemacht.
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens
50
7.2 Die Bromierung des Alkens
Versuchsaufbau:
zum Gasometer (Alken)
Versuchsdurchführung:
Eine Stielkugel wird auf einer Waage (mit mindestens 2 Dezimalen) genau gewogen
(Leergewicht = Wägung 1). Sie wird mit einer kleinen Menge Brom etwa bis zur Hälfte
(maximal 0,6 g!) gefüllt.
Den Abfüllvorgang im Abzug vornehmen! Vorsicht beim Abfüllen: Schutzhandschuhe tragen!
Zum Füllen benutzt man zweckmäßigerweise eine fein ausgezogene Eppendorf-Pipette. Nach
der Füllung mit Brom wird die Stielkugel abgeschmolzen und zurückgewogen, wobei das
abgeschmolzene Stielende mitgewogen wird (Füllgewicht = Wägung 2).
Danach wird die Apparatur wie abgebildet zusammengesetzt. Vorher gibt man drei dicke
Glaskugeln mit hinein.
Zunächst wird die Luft aus dem Reaktionsgefäß (Saugflasche) mit dem in 7.1 hergestellten
Alken aus dem Gasometer verdrängt. Dazu werden aus dem Gasometer dreimal 100 mL
Isobuten in den Kolbenprober gedrückt und anschließend aus dem Kolbenprober durch den
geöffneten aufgesetzten Hahn der Saugflasche abgelassen. Nach Schließen des Hahns wird mit
dem Kolbenprober eine ausreichende Menge Isobuten (90-100 mL) aus dem Gasometer gesaugt
und der Gasometerhahn ebenfalls geschlossen.
Da das gesamte Reaktionsgefäß mit dem Alken beschickt ist, muss sichergestellt sein, dass die
Menge Brom, bezogen auf die Menge Isobuten im Kolbenprober, im Unterschuss vorliegt (159,8
mg Brom entsprechen 22,4 mL Isobuten.)
Die Apparatur darf jetzt weder Über- noch Unterdruck haben (etwa durch Klemmen des
Kolbenprobers). Das Volumen des Alkens im Kolbenprober wird genau abgelesen.
Durch Schütteln wird danach die Stielkugel im Reaktionsgefäß von den Glaskugeln
zertrümmert. Das Gefäß wird bis zur völligen Entfärbung des Broms geschwenkt.
Schließlich ermittelt man das verbrauchte Volumen an Isobuten.
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens
51
Entsorgung:
Das entstandene Produkt 1,2-Dibrom-2-methyl-propan ist toxisch. Wir entsorgen es sofort durch
eine alkalische Hydrolyse, bei der 1,2-Dihydroxy-2-methyl-propan entsteht. Dazu geben wir
wässriges Ethanol und einige NaOH-Plätzchen in die Saugflasche, schwenken gut um und lassen
mindestens 15 Minuten stehen (weitere Entsorgung über den Abguss).
Aufgabe:
Informieren Sie sich vorab über die in 7.1 und 7.2 ablaufenden Reaktionsmechanismen.
Auswertung während des Praktikumstages:
Über das Molvolumen des gasförmigen Alkens (22,4 L), das in 7.2 experimentell ermittelte
Volumen des Alkens und die eingesetzte Menge Brom wird berechnet, wie viele Mol Brom sich
mit einem Mol Alken umgesetzt haben.
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:
Nennen Sie Vor- und Nachteile beim Unterrichtseinsatz dieses Versuchs gegenüber folgender
Variante zur Demonstration einer elektrophilen Additionsreaktion:
Man füllt in einen Standzylinder 1-Hexen und versetzt dieses tropfenweise mit Brom. Zusätzlich
verwendet man in einem Vergleichsversuch n-Hexan anstelle von 1-Hexen.
(wesentliche Beobachtungen:
Die Entfärbung erfolgt bei 1-Hexen schlagartig und bei n-Hexan überhaupt nicht - höchstens erst
dann, wenn man den Standzylinder belichtet. Außerdem beobachtet man dann bei n-Hexan die
Bildung eines Nebels, der sich bei der Überprüfung mit einem Indikatorpapier als sauer erweist.)