Experimentelle Teil - BG/BRG Lerchenfeld, Lerchenfeldstraße 22

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Experimentelle und methodisch-didaktische
Chemie - Fortbildungsveranstaltung am
BG/BRG – Lerchenfeld
Klagenfurt
Einfache Versuche für den
chemischen Alltag für Unterund Oberstufe
Imst 3 – Regionales Netzwerk Kärnten
Klagenfurt, 22. November 2005
Dr. Helga Voglhuber
BG/BRG – Lerchenfeldstraße 22
9020-Klagenfurt
http://www.bglerch.asn-ktn.ac.at/
e-mail:[email protected]
Inhaltsverzeichnis:
Der neue Lehrplan – methodisch und experimentell ............................................ 3
Der neue Lehrplan ............................................................................................................... 6
Grundwissen bzw. -bildung und Basiskonzepte der Chemie ........................................... 7
Lernen durch Experimentieren und Modellieren ............................................................. 8
Experimentelle Teil ............................................................................................. 11
Struktur – Stoff – Eigenschaften....................................................................................... 11
Arbeitsblatt: Wo löst sich die Tinte? ......................................................................................... 11
Arbeitsblatt: Gallensäuren als Emulgierungsmittel ................................................................... 12
Arbeitsblatt: Wir trennen verschiedene Margarinearten............................................................. 13
Arbeitsblatt:
Unterscheidung von W/O und O/W-Emulsionen in ........................................ 15
Körperpflegemittel........................................................................................................................ 15
Arbeitsblatt:
Der Siedepunkt ist vom Druck abhängig ............................................. 16
Mischbarkeit Alkohol und Benzin – Entmischung durch Wasser ................................................ 17
Luft und Verbrennungsreaktionen................................................................................... 18
Wir untersuchen Verbrennungsprozesse ......................................................................... 18
Arbeitsblatt : Die Kerzenflamme in erhöhter Sauerstoffkonzentration ....................................... 18
N2O und CO2 – ihr Verhalten bei Verbrennungsreaktionen – und … .......................................... 19
Arbeitsblatt:
Auch SO2 entsteht bei Verbrennungsprozessen ................................................ 20
Arbeitsblatt:
Wir untersuchen unsere Raumluft ............................................................ 21
Welchen Einfluss haben die Sternspritzer auf unsere Gesundheit................................................ 21
Leittext: Ist unsere Raumluft gesund? .......................................................................................... 22
Leittext: Zusammensetzung der Wunderkerzen ........................................................................... 22
Wir beschreiben die Luft und was sonst mit ihr in einem Zusammenhang steht ......................... 23
Arbeitsblatt: Kalknachweis in der Tafelkreide - Kreidenschäume ............................................ 25
Arbeitsblatt:
Wir backen einen Kuchen.................................................................... 26
Arbeitsblatt:
Schwefel und Stahlwolle ..................................................................... 27
Neutralisation ..................................................................................................................... 29
Arbeitsblatt: .................................................................................................................................. 29
Demonstrationsexperiment : Vergleich verschiedener
Antacida/Neutralisation von
Magensaft ..................................................................................................................................... 30
Naturstoffe .......................................................................................................................... 31
Arbeitsblatt:
Wir isolieren Stärke aus Kartoffeln .................................................................. 31
Arbeitsblatt:
Inulinextraktion aus Wegwartewurzeln ............................................................ 32
Arbeitsblatt:
DNA – Extraktion aus Bananen ....................................................................... 33
Arbeitsblatt:
Phenole in Bananen .......................................................................................... 34
Arbeitsblatt:
Bananentinte ..................................................................................................... 35
Schokoladenrezept ........................................................................................................................ 36
Wärmeabsorption der Treibhausgase .............................................................................. 38
Leittext: Wärmeabsorption von Gasen ........................................................................................ 38
Arbeitsblatt 1: Messungen zum „Treibhauseffekt“ ...................................................................... 39
Arbeitsblatt 2: Messungen zum „Treibhauseffekt“ ...................................................................... 39
Modellexperimente: Was geschieht bei einer reversiblen Reaktion? ................. 41
Anhang ................................................................................................................ 47
Experiment 1: Strom aus Haargel ................................................................................................. 47
Experiment 2: Welche Metallpaare liefern mehr Spannung? ....................................................... 47
Experiment 3: Strom aus Kupfer- und Stahlküchenlappen........................................................... 48
Experiment 4: „Low cost“ Brennstoffzelle ................................................................................... 48
2
Der neue Lehrplan – methodisch und experimentell
Es werden einfache und kostengünstige Experimente in entsprechender methodischer Verpackung
vorgestellt.
„Naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen“ und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, sind
zwei Fähigkeiten, die auch im Rahmen des PISA-Programms getestet wurden.
Ein erfolgreicher Weg dahingehend, kann meiner Meinung nach nur über konkrete, praxisbezogene
Beispiele führen, anhand derer sich die Schülerinnen und Schüler möglichst frühzeitig mit
naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. In den von mir
vorgestellten experimentellen Beispielen wird von Alltagserfahrung, bzw. von Alltagsprodukten
ausgegangen, die Anlass für (mehr als eine) naturwissenschaftliche Fragestellung bieten.
Arten von Naturwissen
1. Das lebenspraktische Wissen
2. Das systematische Wissen der modernen Naturwissenschaft
3. Das verstehende Wissen
1. Die Menschen könnten nicht die tausenderlei Probleme des Alltags bestehen, ja, sie könnten nicht
überleben, wenn sie nicht über ein mehr oder weniger bewusstes Wissen über den praktischen
Umgang mit Dingen und Lebensformen der Natur verfügten. Dieses Wissen kann in sehr einfachen
Regeln strukturiert sein, z. B. in Form von Wenn-dann-Beziehungen, es kann aber auch komplexe
Wissenssysteme bilden, die lebenslange Erfahrung und Handhabung erfordern. Maßgebend ist, dass es
sich um Bestände von Naturwissen zum Bewältigen praktischer Problemsituationen im Interesse
vernünftiger Lebensgestaltung handelt. Als Beispiele ließen sich die Kenntnisse der Eigenschaften
verschiedener Materialien nennen, etwa von Wasser, Holz, Metall und Erde oder das Wissen um
Hygiene, Krankheiten und Heilungsprozesse, das Wissen um Tierhaltung und Landbau, das
Handwerkerwissen, das Alltagswissen um Ernährung, Kleidung, Schutz vor Kälte, Beherrschung von
Müdigkeit und vieles mehr. Derartiges Wissen hat in der gegenwärtigen Literatur Konjunktur.
Eine moderne Ausprägung eines solchen, in lebenspraktischen Tätigkeiten fundierten "Weltwissens",
wie Hans AEBLI gesagt hat, zeigt sich in den Bemühungen, Wissen zum vernünftigen Umgang mit
der Umwelt zu verbreiten. Dieses Wissen, aus welchen Quellen es immer geschöpft wird, empfiehlt
Handlungsweisen für eine sinnvolle, die Lebensgrundlagen erhaltende menschliche Praxis,
insbesondere auch dadurch, dass Gefährdungen für die Natur abgewehrt oder vermindert werden.
Während früher solches Wissen meist als nette, aber entbehrliche Zugabe sozusagen zur Illustration
des strukturorientierten Lerninhalts im Unterricht thematisiert wurde, sind heute Einschübe wie
„Alltagsärger mit der Wasserhärte“ oder „Der richtige Werkstoff muss es sein“ nicht mehr
wegzudenken und werden auch kaum im Chemieunterricht ausgelassen.
2. Welcher Art das "Naturwissen" der modernen Naturwissenschaft ist, kann an jedem beliebigen
Lehrbuchauszug vergegenwärtigt werden.
3. Will man die Grenzen des systematischen Wissens im Unterricht thematisieren - dies war übrigens
eine Hauptforderung WAGENSCHEINs - so wird man sich viel stärker als bisher auch um das
verstehende Wissen bemühen müssen. Das Besondere des "verstehenden" Wissens - es könnte auch
"hermeneutischen" Wissen gesagt werden - besteht darin, dass es den Entstehungs- und
Wirkungszusammenhang der unter (1) und (2) genannten Arten von Naturwissen aufzuklären bestrebt
ist.


Lernen ist ein aktiver und konstruktiver Prozess
Lernen erfolgt in bestimmten realen Situationen und ist damit an Kontexte gebunden
3


Lernen enthält wichtige Elemente der Selbststeuerung
Lernen ist ein sozialer Prozess
Schwierigkeiten beim Erlernen chemischer Inhalte




das Vorwissen des Lernenden wird zu wenig berücksichtigt
chemische Begriffe sind zu schmal repräsentiert
die Abstraktionsfähigkeit der Lernenden wird häufig überschätzt
das Gelernte wird zu wenig gefestigt
Der entscheidende Faktor für die Konstruktion von Wissen ist vor allem das Vorwissen der
Lernenden, sein Umfang und seine Verankerung, d.h. seine Verknüpfung mit anderen
Wissenselementen. Jeder Lerner verfügt über andere Voraussetzungen - im kognitiven wie im
emotionalen Bereich.
Chemie ist ein Unterrichtsfach, das an das räumliche Vorstellungsvermögen und die Abstraktionskraft
hohe Anforderungen stellt. Durch die besonderen Möglichkeiten der (räumlichen) Veranschaulichung,
der verschiedenen, nebeneinander verfügbaren graphischen Darstellungen insbesondere beim
Aktivieren von Modellvorstellungen in der Chemie und der individuell wählbaren Zeit der
Betrachtung sollten sich diese Schwierigkeiten verringern lassen.
Chemieunterricht ist vorrangig Experimentalunterricht und sollte, wann immer möglich, SchülerExperimentalunterricht sein. Auf die vielfachen Vorteile, aber auch Schwierigkeiten dieser
Unterrichtsform wurde immer wieder hingewiesen. Diese Form des Unterrichts wird dann als
schwierig (und von den Schüler(inne)n als weniger interessant) empfunden, wenn es um die
Auswertung von Versuchen geht, bei denen (unterschiedliches) Vorwissen reaktiviert werden muss.
Dieser Arbeitsbehelf erhebt selbstverständlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es wurde
versucht, einfache Versuche zusammenzustellen sowie die im Chemikalienerlass, Entsorgungserlass
und Sicherheitserlass genannten Problembereiche exemplarisch zu erfassen. Das Skriptum ist
sparsam mit theoretischen Erläuterungen, um den gesteckten Rahmen nicht zu sprengen.
Die chemische Nomenklatur hält sich im Wesentlichen an die derzeit in Chemikalienkatalogen übliche
Schreibweise.
Es ist unbedingt notwendig, dass vor Versuchsbeginn die komplette
Versuchsbeschreibung und insbesondere die Sicherheitshinweise durchgelesen
werden. Die Gefahrenhinweise bei Chemikalien beschränken sich in erster Linie auf die
Angabe der R- und S-Sätze.
Beim Umgang mit Chemikalien sollten die nachstehenden Vorsichtsmaßnahmen immer
eingehalten werden - auch dann, wenn das Etikett keine Gefahrstoff-Kennzeichnung trägt:
 Bei allen Arbeiten ist die Schutzbrille zu empfehlen.
 Kontakt mit Haut, Augen und Schleimhäuten vermeiden.
 Spritzer auf der Haut sofort ausgiebig mit kaltem Wasser spülen.
 Wegen Resorptionsgefahr dabei niemals organische Lösungsmittel verwenden.
 Verätzte Augen im Liegen ausgiebig unter Schutz des unverletzten Auges mit Wasser
spülen.
Augenlider weit spreizen, das verätzte Auge nach allen Seiten bewegen. Anschließend
sofort augenärztliche Behandlung aufsuchen. Ätzstoff angeben.
 Mit ätzendem Stoff durchsetzte Kleidung sofort ablegen.
 Bei Unfällen oder Unwohlsein Arzt zu Rate ziehen.
4
Gefahrensymbole
Symbol
Bezeichnung
Wirkungen
Vorsichtsmaßnahmen
gesundheitsschädlich:
führen in größeren
Mengen zu gesundheitlichen
Schäden oder zum Tode
wie oben, Erbrechen verursachen, Gegengift,
Magen auspumpen
führen bei Berührung mit Haut oder
Augen zu Entzündungen
und reizen die Atemwege
nicht einatmen, nicht
berühren, Kontakt mit
den Augen vermeiden
C
zerstören Haut- und Körpergewebe, irreparable Augenschäden sind möglich
Berührung mit Haut und
Augen meiden, Schutzbrille und Handschuhe
hochentzündlich: F +
leichtentzündlich: F
entzündlich:
ohne
brennen und bilden mit
Luft explosionsfähige
Gemische
von offenen Flammen und
Wärmequellen fernhalten,
Flaschen immer schließen
brandfördernd:
bei Mischung mit brennbaren
Stoffen entstehen explosionsgefährliche Gemische
nicht mit brennbaren Stoffen mischen, Reibung meiden, sauber aufbewahren
explodieren durch Schlag,
Reibung, Funkenbildung,
Feuer oder durch
Hitzeentwicklung
anmeldepflichtig, nicht
reiben, stoßen, Feuer-,
Wärmeentwicklung meiden
N
sind für Wasser- oder Bodenorganismen giftig und können
Ökosysteme schädigen
nur im Sondermüll entsorgen, keinesfalls in die
Umwelt gelangen lassen
sehr giftig:
T+
giftig:
T
Zusatz:krebserzeugend
führen in geringen Mengen zu
schweren gesundheitlichen
Schäden oder zum Tode
nicht einatmen, berühren,
verschlucken, bei Vergiftungen Arzt aufsuchen
Xn
reizend:
Xi
ätzend:
O
explosionsgefährlich:
E
umweltgefährdend:
Viele Stoffe in unserem Haushalt müssen auf der Verpackung Gefahrensymbole tragen.
Wir machen einen kleinen Blick in den Putzmittelschrank, ins Badezimmer, in die Küche, in den
Bastelraum, in die Garage und finden zahlreiche Beispiele.
5
Der neue Lehrplan
1. Kernstofflehrplan
Der Lehrplan ist kein Rahmenlehrplan mehr. Es ist ein Kernstofflehrplan. Der Unterricht muss
so angelegt werden, dass die formulierten Ziele erreicht werden können. Der vorgeschriebene
Lehrstoff muss auf jeden Fall abgedeckt werden. Aus den angegebenen Inhalten kann nicht
ausgewählt werden. Sie müssen im Unterricht behandelt werden.
2. Ein Lehrplan für zwei Jahrgangsstufen
Der Lehrstoff ist nicht mehr wie bisher in die beiden Jahrgangsstufen 7. und 8. Klasse aufgeteilt.
Er ist für beide Jahrgänge gültig. Die Verteilung der Inhalte nehmen die Chemielehrerinnen
und Chemielehrer selbstständig vor. Damit wurde ein großer Freiraum für die Lehrfreiheit
geschaffen und Inhalte können für fächerübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht
besser mit anderen Unterrichtsfächern etwa mit Biologie oder Physik koordiniert werden. Es
braucht daher auch die klassische Fachsystematik nicht mehr streng eingehalten zu werden,
also allgemeine und anorganische Chemie in der 7. Klasse bzw. organische Chemie und Biochemie
in der 8. Klasse. Relevante Teile der organischen Chemie und Biochemie können auch
bereits im Rahmen der allgemeinen Chemie unterrichtet werden. Es ist z.B. durchaus didaktisch
sinnvoll schon im Rahmen des Themas „Kovalente Bindung“ bzw. im Anschluss an die
entsprechende Theoriebildung Kohlenstoffverbindungen und ihre Derivate zu thematisieren.
Die organischen Säuren lassen sich sachlogisch in die Protolysetheorie einbauen. Organische
Reaktionen müssen nicht mehr abgekoppelt von Reaktionen anorganischer Verbindungen behandelt
werden.
3. Ein Lehrplan für drei Schultypen
Es war eine Vorgabe des Bundesministeriums, dass es nur mehr maximal zwei Varianten des
Chemielehrplans geben soll. In der klassischen Oberstufe existieren aber drei Schultypen aus
der Sicht der Chemie: der gymnasiale Zweig, das Realgymnasium
der Sicht der Chemie: der gymnasiale Zweig, das Realgymnasium mit Darstellender Geometrie
und das Realgymnasium ohne Darstellende Geometrie. Es sollten daher alle drei Formen in
einem Lehrplan berücksichtigt werden. Dies ist im Lehrstoffteil auch gelungen. Die zusätzlichen
Inhalte für das Realgymnasium bzw. das Realgymnasium ohne Darstellende Geometrie sind
entsprechend gekennzeichnet.
4. Didaktische Grundsätze
Einen wesentlich breiteren Raum als früher nimmt dieser Teil im Lehrplan ein. Dieser Part ist
für die sinngemäße Umsetzung des neuen Lehrplans auch sehr wichtig. Er bietet aber auch
Hilfestellungen für die Lehrerinnen und Lehrer an.
Die im Lehrstoffteil des Lehrplans formulierten Ziele und fachlichen Inhalte sollen im Hinblick
auf die Reihenfolge und den Tiefgang so gewählt werden, dass die Entwicklung und Anwendung
der für die Chemie wichtigen fachlichen Grundkonzepte verwirklicht werden können. Es
handelt sich dabei um folgende Konzepte:
Teilchen-Konzept: Die erfahrbaren Phänomene der stofflichen Welt und deren Deutung auf
der Teilchenebene werden konsequent unterschieden
Struktur-Eigenschafts-Konzept: Art, Anordnung und Wechselwirkung der Teilchen bestimmen
die Eigenschaften eines Stoffes
Donator – Akzeptor - Konzept: Säure-Base-, Redox- und Komplexbildungsreaktionen lassen
sich als Protonen- und Elektronenübertragungen- bzw. Elektronenpaarverschiebungen beschreiben
Energiekonzept: Alle chemischen Reaktionen sind mit einem Energieumsatz verbunden
Größenkonzept: Stoff- und Energieumsätze können quantitativ beschrieben werden
Gleichgewichtskonzept: Reversible chemische Reaktionen können zu einem dynamischen
Gleichgewichtszustand führen
Die Umsetzung der Konzepte erfolgt über die im Lehrstoffteil genannten Inhalte. Die Auswahl
6
Grundwissen bzw. -bildung und Basiskonzepte der Chemie1
Basiskonzepte: Vernetztes und abstrahiertes Grundwissen
Abb.: BLK-SINUS Chemie,
bayer. Schulset 4,
zusammengestellt von StRin
W. Habelitz-Tkotz ;
Über das Verhalten der Materie - Basiskonzepte:






Stoff – Teilchen Konzept
Struktur – Eigenschaftskonzept
Donor – Acceptorkonzept
Energie-(Entropie) – Konzept
Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit und des chemischen Gleichgewichtes
(Größenkonzept)
In der Kognitionsforschung besteht heute Übereinstimmung, dass Wissen situiert (an bestimmte
Bezugsfelder, Situationen angepasst) erworben wird. Im Kontext ist Wissen leicht wieder
reaktivierbar. Schwierigkeiten ergeben sich immer beim Anwenden des erworbenen Wissens. Um
diesem „Lernproblemfeld“ Abhilfe zu schaffen, gilt es für das Was? Entsprechende Basiskonzepte zu
schaffen, die für den Schüler das Wie? im Umgang mit dem erlernten Wissen ermöglichen. Dieser auf
wechselseitig angelegte Impulse ausgerichtete Prozess wird immer wieder ausgelöst und eingesetzt, so
1
: Anfangsunterricht Naturwissenschaften; Praxis der Naturwissenschaften Chemie; Aulis Verlag
S 22 ff, Heft 4/2005
7
dass allmählich die vorhandene Wissensstruktur wie auch ihre Bezüge zu Phänomenen aus dem Alltag
verbreitert und vielfältiger nutzbar werden: „Lernen wird verständnisvoll“
Es ist als „überholt“ zu betrachten, wonach Lernen in der Übernahme vorgefertigter Wissensbestände
besteht, die nicht essentiell auf Vorkenntnissen aufbauen.
Einsichten und Verständnis zentraler chemischer Bergriffe“ werden als so genannte „Basiskonzepte“
bezeichnet. Bestimmtes Theorie-, Fakten- und Konzeptwissen, also grundsätzliche Tatbestände von
übergeordneten Prinzipien und Gesetzmäßigkeiten, deren Verstehen die Grundlage für
verständnisvolles Weiterlernen und Problemlösen darstellen sind in folgenden fünf Basiskonzepten
formuliert.
Für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht sind folgende zentrale Konzepte angeführt, die
sowohl unmittelbar anschlussfähig an die Erfahrungswelt der Kinder als auch gleichzeitig tragfähig für
die Entwicklung eines Theorie-, Fakten- und Konzeptwissen:
1. Konzept der Erhaltung; „Auf der Welt geht nichts verloren“ (nur verschwendet!)
2. Konzept der Energie: „Mit der Energie kann man was tun“
3. Konzept der Wechselwirkung: “Dinge kann man beeinflussen, Dinge beeinflussen sich
gegenseitig“
Lernen durch Experimentieren und Modellieren
Modellbegriff und Erkenntnistheoretischer Aspekt
Realistische Auffassungen
Naiver Realismus
Es gibt eine reale Welt; sie ist so beschaffen, wie wir sie wahrnehmen.
Kritischer Realismus
Es gibt eine reale Welt; sie ist aber nicht in allen Zügen so beschaffen,
wie sie uns erscheint.
Wir nehmen an, dass es eine reale Welt gibt, dass sie gewisse
Strukturen hat und dass diese Strukturen teilweise erkennbar sind. Wir
prüfen, wie weit wir mit diesen Hypothesen kommen.
Hypothetischer
Realismus
Vorstellungen über die „Dingwelt“ und über das Funktionieren dieser Welt hat bereits das
Vorschulkind. Es sieht, was es weiß, zieht daraus seine persönlichen Schlüsse und ist damit völlig
zufrieden. Mit zunehmender Erfahrung wird das heranwachsende Kind kritischer, ändert zwar die
Interpretation über naturwissenschaftliche Erscheinungen, aber auf seine Weise. Dieses
„naturwissenschaftliche Weltbild“ bezeichnet man Vorerfahrung der Schüler oder Präkonzepte2.
Unterrichtsansätze, die naturwissenschaftliche
Denk- und Arbeitsweisen für den Unterricht als
wichtig erachten, müssen sich mit dem
kindlichen Weltbild auseinandersetzen. Der
Modellbegriff im kindlichen Weltbild ist ein
völlig anderer als in den abstrakten
Naturwissenschaften. Doch in beiden
Bereichen sind sie erfolgreiche
Arbeitsmethoden. Über Modelle lassen sich im
Unterricht wichtiges Fachwissen, Fähigkeiten
und Kompetenzen erarbeiten.
Modellwelt
Vereinfachen
und
Auswählen
Siehe Abschnitt 2.3
Untersuchen
und
Bauen
Vermuten
und
Annehmen
Erklären
und
Verstehen
Modell
Phänomen
Beobachten
2
- die geschaffene Welt
Messen
Beschreiben
Erfahrungswelt – die wahrnehmbare Welt
8

Im Alltag sind mentale Modelle wichtig, um sich zu orientieren und Entwicklungen zu
veranlassen
In der Wissenschaft tragen Modelle in den unterschiedlichsten Ausprägungen dazu bei, komplexe
Zusammenhänge besser zu verstehen, Vorhersagen zu treffen, umfassendere Theorien zu
entwickeln und zu überprüfen.

Das Wesen von Modellen zu erfassen ist keineswegs trivial und stellt viele Lernende vor große
Herausforderungen. Dies trifft insbesondere für ein tieferes Verständnis der Mikrowelt auf atomarer
Ebene zu, deren Strukturprinzipien sich grundlegend von der makroskopischen Arbeitswelt
unterscheiden. Für den Schüler ist es anfänglich nicht verständlich, dass einzelne Metallatome oder
Wassermoleküle völlig andere Eigenschaften aufweisen als jene im makroskopischen Bereich.
Um den hohen Abstraktionsgrad der Modelle zu bewältigen, empfiehlt es sich eine Lernumgebung mit
„Hands –On“ (Experimente) und „Minds – On“ (arbeiten mit verschiedenen Modellen zur
Interpretation der experimentellen Ergebnisse) zu arbeiten.
Experimentierverlauf:
Thema
Durchführung
Beobachtung(en)
Kl. Forschungsfrage
Vermutung/Hypothese
Ev. Planung eines weiteren Experimentes (zur Überprüfung der Vermutung)
Beobachtung(en)
Bestätigung/Verwerfung der Vermutung/Hypothese
Das Experiment und das Konstruieren von Lösewegen und Erkenntnisen
sind wichtige LERNAKTE










Beobachten
Beschreiben
Definieren
Begründen
Hypothesenkonstruktion
Entwicklung von Bestätigungskonzepten
Formulieren von Fragen
Entdecken von Alternativen und Möglichkeiten
Zusammenhänge erkennen
Entscheidungen treffen: „Aufgrund von ….
9
Basiskonzepte der Chemie und zugehörige Grundwissensbegriffe
- Mittelstufe -
Protonen
Struktur - Eigenschafts - Relation
Atomkern
Neutronen
Atome
Atomhülle / Elektronenhülle
Elektronen
polares Molekül / Dipolmolekül
unpolares Molekül
Kationen
Anionen
Moleküle
Teilchen
Ionen
Wechselwirkungen
zwischen den Teilchen
und innerhalb der Teilchen
zwischenmolekulare Kräfte
(Dipol-Dipol-WW)
Elemente
bei Salzen
Analyse
homogene Gemische
bei Molekülen
Stoffe
Gasgemisch
Homolyse
Oxidation
chemische Reaktion
heterogene Gemische
Nebel / Schaum
Reduktionsmittel
Redoxreaktion
Reduktion
Umsetzung
Rauch
Oxidationsmittel
Säure
saure Lösung
Base
basische Lösung
Protolyse
Synthese
Hierarchien
der
Grundwissensbegriffe
Größen - Konzept
Salzbildung
Molekülbildung
Energie - Konzept
System
Umgebung
Dichte
Reaktionswärme bei
konst. Volumen
Molare Masse
Umrechnungsgrößen
Reaktionsenthalpie
Avogadro-Konstante
Bildungsenthalpie
Molare Enthalpieänderung
Energie
Masse
Volumen
Teilchenanzahl
Heterolyse
Stoffgemische
Suspension
Molares Volumen
Elektrolyse
Fällungsreaktion
Haufwerk / Feststoffgemisch
Emulsion
Wasserstoffbrückenbindung
Donator - Akzeptor - Konzept
Reinstoffe
Legierung
Lösung
Van-der-Waals-Kräfte
Ion-Dipol-Wechselwirkung
Molekulare Stoffe
Salze
unpolare Atombindung
Metallische Bindung
Verbindungen
Ionengitter
polare Atombindung
Atombindung
Ionenbindung
schwache
Wechselwirkungen
Stoff - Teilchen - Konzept
Molekülgitter
starke
Wechselwirkungen
Quantitätsgrößen
Größen
innere
Energie
Änderung der
inneren Energie
Reaktionswärme
Reaktionswärme bei
konst. Druck
Bindungsenthalpie
Gitterenthalpie
Hydratationsenthalpie
Lösungsenthalpie
Stoffmenge
exotherme Reaktion
Enthalpieänderung
endotherme Reaktion
Stoffmengenkonzentration
Massenkonzentration
Massenanteil
Arbeit
Gehaltsgrößen
Volumenanteil
BLK-Sinus Chemie, bayerisches Schulset 4,
Pilotschule: Emil-von-Behring Gymnasium
Buckenhofer Str. 5, 91080 Spardorf
erstellt von StRin Waltraud Habelitz-Tkotz
Experimentelle Teil
Struktur – Stoff – Eigenschaften
Arbeitsblatt:
Wo löst sich die Tinte?
Name:
Datum:
Materialien: 1 Reagensglas, Wasser, Öl (Paraffinöl) Tintenlösung, Spülmittel
Durchführung:









Füge ca. 1cm hoch Wasser ins Reagensglas
Überschichte das Wasser ca. 1cm hoch mit Öl
Tropfe von oben die Tinte dazu
BEOBACHTE GUT
Tropfe nochmals von oben die Tinte dazu
BEOBACHTE
Wiederhole wie oben
Füge jetzt Spülmittel dazu und schüttle
BEOBACHTE
Beobachtungen und Erklärung: Fertige Zeichnungen an
Knifflige Fragen für junge ForscherInnen
 Welche Aufgabe hat das Spülmittel in diesem Experiment übernommen?
11
Arbeitsblatt:
Gallensäuren als Emulgierungsmittel
Leittext: Cholsäure ist chemisch
3a, 7a, 12a-Trihydroxy-5ß-cholan-24-säure.
Sie gehört zu den Steranen. Es ist ein hervorragendes
Emulgierungsmittel bei der Fettverdauung.Das Molekül
trägt auf der einen Seite alle unpolaren und auf der
anderen alle polaren Reste. Wie bei der Seife kann nun
Gallensäure den Kontakt zwischen dem polaren Wasser
und dem unpolaren Fett herstellen.
Materialien: 2 RG, RG-Ständer, Pflanzenöl,Gallensäure (= Cholsäure) (Na-Salz) (Fluka 27029),
Lebensmittelfarbe oder Tinte
Durchführung:





Fülle in ein Reagenzglas 5 ml Wasser
In ein zweites 5 ml Lösung von Cholsäuresalz (w = 20 %)
Füge in beide Gläschen 1 Tropfen frisches Pflanzenöl
Färbe die Mischungen mit Lebensmittelfarbe oder Tinte
Verschließe beide Gläschen mit Gummistopfen und schüttle kräftig.
Beobachtungen und Erklärung: Fertige Zeichnungen an
Gallensäuren setzen die Oberflächenspannung herab (Entwickle dazu ein Experiment)
Jedes System strebt den Zustand mit minimaler potentieller Energie an, denn der ist am stabilsten.
Das gilt offenbar auch für den Zustand der Emulsion. Deshalb schieben sich die Gallensäuremoleküle
geradezu begierig zwischen die beiden
Phasen Wasser und Fett. Folglich ist der
Prozess der Wechselwirkung des
Systems Wasser/Gallensäuren/Fett auch
exotherm (genau: exergon). Zur
Minimierung der potentiellen Energie
trägt darüber hinaus auch die Minimierung der Oberfläche bei gegebenem Volumen bei. Daher
nehmen die mit Tensiden überzogenen Fetttröpfchen möglichst Kugelgestalt an.
12
Arbeitsblatt: Wir trennen verschiedene Margarinearten
Name:
Datum:
In den Supermärkten gibt es unterschiedliche Margarinearten, wie „Becel“, „Du darfst“, „Fastenbutter“ usw.
Sie werden auch Kalorien arme Margarinearten verkauft. Mit Hilfe eine einfachen Experimentes kommst du
hinter das Geheimnis dieser Supermarktprodukte.
C&G: 3- 4 Reagenzgläser, größeres Becherglas, Brenner, Drahtnetz, Dreifuß, Spatel, verschiedene
Margarinearten, Butter, Ceres, Spatel. Küchenrolle, Schutzbrille!!!
Durchführung:

Füll das Becherglas ca. zur Hälfte mit Wasser und erwärme dieses am Drahtnetz. Achte darauf, dass
das Becherglas außen trocken ist, sonst kann es beim Erwärmen zerspringen!!!!
Nummeriere die Reagenzgläser und deine Margarinesorten, damit du späterweißt, in welchem RG
sich welche Margarinesorte befindet.
Gib nun mittels einer Spatel die Margarinearten in je ein RG (1-2 cm hoch)
Stelle nun deine RG mit den Margarineproben in das Wasserbad und beobachte



Trage deine Beobachtungen ein:
Nr.
Margarineart
Beobachtungen
1
2
3
4
Zusammenfassung meiner Beobachtungen; fertige auch eine Zeichnung an:
1
2
3
4
Text: ________________________________________
13
Arbeitsblatt:
Unterscheidung verschiedener Margarinearten
Name:
Datum:
Materialien: Weiße Fliese (oder Petrischale), Margarine oder Butter, Diätmargarine mit
Wasseranteil, Glasstab, kleine Spatel, Lebensmittelfarbe rot
Durchführung:




Trag auf eine Fliese die Margarinearten auf
Streue eine kleine Spatelspitze rote Lebensmittelfarbe darüber und verteile sie
gleichmäßig
Lass ca. eine Minute einwirken und rühre anschließend mit dem Glasstab um
Trag das Ergebnis in die Zeichenvorlage ein
Beobachtungen und Ergebnis:
Margarine
Diätmargarine
Formuliere eine Erklärung für dein Ergebnis Formuliere eine Erklärung für dein Ergebnis
14
Arbeitsblatt:
Unterscheidung von W/O und O/W-Emulsionen in
Körperpflegemittel
Name:
Datum:
Emulsionen sind „Mischungen“ aus Wasser und Fett (z.B. wie die Milch). Besteht der Hauptteil
einer Körperpflege aus Fett und darin befinden sich etwas Fettteilchen, dann heißt dies W/O
Emulsion (Öl in Wasser). Umgekehrt, besteht der Hauptteil aus Wasser und nur wenig Öl ist
darin enthalten, dann spricht man von einer O/W.
Materialien: Weiße Fliese, Körpercreme (z.B. Nivea), Körperlotion, Körpermilch oder
Sonnenschutzmilch, Glasstab, kleine Spatel, Lebensmittelfarbe rot
Durchführung:




Trag auf eine Fliese die Kosmetika auf
Streue eine kleine Spatelspitze rote Lebensmittelfarbe darüber und verteile sie
gleichmäßig
Lass ca. eine Minute einwirken und rühre anschließend mit dem Glasstab um
Trag das Ergebnis in die Zeichenvorlage ein
Beobachtungen und Ergebnis:
Körpercreme
Körperlotion
Formuliere eine Erklärung für dein Ergebnis Formuliere eine Erklärung für dein Ergebnis
15
Arbeitsblatt:
Der Siedepunkt ist vom Druck abhängig
Name:
Datum:
Mit diesem Experiment kannst du feststellen, dass Wasser weit unter 100°C sieden kann.
Materialien: Heißes Wasser (Aceton), Spritze, Nadel, Gummistopfen
Durchführung:






Bring etwas Wasser zum Sieden und lass es kurz abkühlen
Sauge vorsichtig 2-3 mL Wasser in die mL Spritze hoch
Verschließe die Spritze mit einer Nadel, die in einem Gummistopfen steckt
(Dein Lehrer gibt dir dies, damit du dich nicht stichst)
Zieh vorsichtig den Spritzenstempel nach hinten
Beobachte!!!
Mit Aceton kann derselbe Versuch durchgeführt werden bereits bei Raumtemperatur
durchgeführt werden, also Aceton (Nagellackentferner) NICHT VORHER
ERHITZEN!!!!!
Beobachtungen und Erklärung: Fertige eine Zeichnung an.
16
Leittext:
Alkohol als Kraftstoff,
kann ohne weiteres Benzin ersetzen (in den neuen Flex-Fuel-Autos), ist bei weitem billiger als
Benzin. Brasilien bietet 99%igen Alkohol, der in jedem Verhältnis mit Benzin mischbar ist, zu 25
Eurocent pro Liter an. Bioethanol wird aus nachwachsendem Rohstoff produziert.
Vorteile:
geringe Anpassungsarbeiten am Motor
Tank und Kraftstoffleitung müssen alkoholresistent sein.
Ventile aus einem härteren Metall, da Alkohol heißer verbrennt.
Dazu noch die evtl. noch Motorsteuerung und größere Einspritzdüsen.
Nachteile:
Derzeit noch kein Tankstellennetz.
Mehrverbrauch von ca. 30% wegen geringeren Energiegehalts von Alkohol
Hochprozentiger Alkohol (96%) mischt sich gut mit Benzin, aber nur solange der Wassergehalt
nicht zu hoch ist. Alkohol ist hygroskopisch und zieht Wasser an. Dies wirkt sich negativ auf die
Verbrennungsleistung aus
Arbeitsblatt
Mischbarkeit Alkohol und Benzin – Entmischung durch Wasser
Materialien: Kleine RG, Spiritus 96%, Feinbenzin, Wasser, Tinte, Tropfpipette
Durchführung:





Im kleinen RG Spiritus und Benzin im Verhältnis 1:1 mischen, schütteln
Mittels Tropfpipette 1-2 Tropfen Wasser dazu tropfen
Beobachten
Schütteln
Beobachten
Wiederholung mit Tintenlösung statt Wasser
 Wie oben Spiritus und Benzin 1:1 mischen
 1-2 Tropfen blaue Tinte dazu tropfen
Beobachtungen und Ergebnis: Fertige auch eine Zeichnung an
Erklärung:
Solange der Wassergehalt niedrig ist, mischen sich Benzin und Spiritus bestens über die unpolaren
17
Molekülteile der Mischungskomponenten. Wasserzufuhr bewirkt die Wechselwirkung (HBrücken) zwischen der OH-Gruppe vom Ethanol und dem Dipol Wasser. Dabei fällt auf, dass
geringe Wassermengen (1-2 Tropfen) Benzin und Spiritus fast vollständig trennen.
Luft und Verbrennungsreaktionen
Wir untersuchen Verbrennungsprozesse
Verbrennungsdreieck
Damit Feuer brennen
kann, braucht es
Wärme (Zündtemperatur)
Fehlt eine Voraussetzung, fällt das Dreieck zusammen. Das Feuer
erlischt.



Brennstoff: Das Material muss brennbar sein.
Sauerstoff: Ohne den notwendigen Sauerstoff kann kein Feuer entstehen oder erhalten
werden.
Zündtemperatur: Wenn der Stoff die jeweilige Zündtemperatur nicht erreicht, kann
ebenfalls kein Feuer entstehen oder erhalten werden.
Arbeitsblatt : Die Kerzenflamme in erhöhter Sauerstoffkonzentration
Materialien: Marmeladeglas, 10 %iges H2O2, Teelicht,
Spatel, Braunsteinmischung (MnO2 + ein paar
Körnchen KMnO4)
Durchführung: Zunächst wird Sauerstoff aus H2O2
hergestellt
 Ca. 2ml H2O2 ins Glas gießen.
 Teelicht anzünden, dünne Spatel hineinstecken und
vorsichtig in das Glas stellen
 Nun etwas Braunsteinmischung hinzufügen.
 Das Glas verschließen
18
Beobachtungen:
Das Wasserstoffperoxid beginnt sich rasch zu zerlegen. Die Kerzenflamme wird im
geschlossenen Glas immer größer und leuchtet sehr hell. Es entwickelt sich viel
Wasserdampf, trotzdem brennt das Teelicht weiter.
Es wird so viel Wärme frei, dass sich nicht nur das Glas sehr stark erhitzt, sondern sogar das
Paraffin des Teelichtes schmilzt.
Reaktionsgleichung:
MnO2
H2O2  H20 + ½ O2 + E
Ergebnis:
Bei erhöhter Sauerstoffkonzentration laufen die Verbrennungsprozesse viel rascher ab.
In der Zeiteinheit wird nicht nur mehr Brennstoff verbrannt, sondern es wird auch sehr
viel Energie frei. Das Reaktionsprodukt „Wasserdampf“ stört den Brennverlauf kaum.
N2O und CO2 – ihr Verhalten bei Verbrennungsreaktionen – und …
„Was haben Sahnekapseln, Autotuning und Narkosegas gemeinsam?“
Ist N2O und CO2 die Eigenschaft Wärmestrahlung zu
absorbieren gemeinsam, so ist ihr chemisches Verhalten
völlig anders. CO2 unterbindet eine Verbrennung und
wird deshalb auch als Feuerlöscherfüllung verwendet.
N2O hingegen wird in Verbrennungsmotoren über eigens
dafür gebaute Spezialventile in den Verbrennungsraum
eingespritzt, um bei Autorennen verlässliche Leistungen
zu erzielen. Lachgas wird auch als Narkosegas
verwendet, doch muss es gemeinsam mit Sauerstoff dem
Patienten zugeführt werden. N2O ist also in völlig
unterschiedlichen Alltagssituationen anwendbar.
Um das Brennverhalten des N2O zu zeigen, haben wir uns folgendes einfaches
Experiment ausgedacht. Als Lachgasquelle verwendeten wir Sahnekapseln.
Materialien: Standzylinder, Uhrglas, Holzspan, Sahnekapsel, Gasdruckkorkenzieher, mit
Ventil und Schlauch
(alternativ: schon fast leere Sahnesprühdose enthält noch genügend N2O)
Durchführung:



Sahnegaskapsel in die Kapselhalterung drehen und Schlauch anstecken
Lachgas in den Standzylinder füllen und mit Uhrglas verschließen
Holzspan entzünden und in Standzylinder halten
Beobachtungen: Der Glimmspan glüht stark auf
Erklärung: N2O spaltet den Sauerstoff ab, der das Abbrennen des Holzspanes ermöglicht.
19
Arbeitsblatt:
Auch SO2 entsteht bei Verbrennungsprozessen
Wie entsorgt man dieses?
Was ist Nassentschwefelung?
Name:
Datum:
In unseren fossilen Brennstoffen befindet sich auch Schwefel. Man ist sehr bemüht,
diesen aus den Erdölprodukten zu befreien, doch das gelingt nicht zu 100%. Deshalb
gelangt sein Verbrennungsprodukt SO2 auch in unsere Atmosphäre. Industrielle
Anlagen und Fernheizwerke verhindern den SO2-Ausstoß durch die so genannte
Nassentschwefelung.
Dieses Verfahren kannst du in folgendem Experiment durchführen.
Materialien: Becherglas, Uhrglas, Tiegelzange, Schwefelstreifen,
Universalindikator, Schlemmkreide (Kalkpulver)
Durchführung:







Fülle das Becherglas 2 cm hoch mit Wasser
Gib ein paar Tropfen Indikator dazu
Zünde ein kleines Stück Schwefelstreifen an und halte dieses mit der Tiegelzange in
das Becherglas
Verschließe dabei mit dem Uhrglas das Becherglas
BEOBACHTE!!!! UND NOTIERE DAS ERGEBNIS
Gib jetzt 2-3 große Löffel Schlemmkreide dazu
Schwenke das Becherglas
Beobachtungen und Ergebnis: Fertige eine Zeichnung an
Kommentare für den Lehrer:
20
Das stechend riechende SO2 löst sich im Wasser, der Indikator färbt sich rot. Nach Zugabe
der Schlemmkreide verfärbt sich die rote Indikatorlösung in eine blass gelbe. Der SO2Geruch ist beseitigt.
Schwefelige Säure
Calciumsulfit + CO2
Wird dazu noch viel Luft eingeblasen, so entsteht Gips CaSO4
H2SO3 + CaCO3 + ½ O2
Arbeitsblatt:
CaSO4 + CO2
Wir untersuchen unsere Raumluft
Welchen Einfluss haben die Sternspritzer auf unsere Gesundheit
Name:
Datum:
Wunderkerzen bestehen aus Eisen- und Aluminiumpulver, welche mit Stärkekleister
vermengt sind. Eingebettet in diese Mischung ist die Sauerstoff spendende Substanz Nitrat
(Bariumnitrat, Kaliumnitrat). Durch das Abbrennen einer Wunderkerze bilden sich
gesundheitsschädliche Gase, wie NO und NO2. Wenn du dieses Experiment durchgeführt
hast, kannst du selbst entscheiden, ob es empfehlenswert ist, Sternspritzer in geschlossenen
Räumen anzuzünden.
Materialien: Marmeladeglas, kleine Kartoffel (oder Knetmasse), Sternspritzer, weißes Blatt
Papier
Durchführung:




Halbiere eine kleine Kartoffel und lege sie auf das Blatt
Stecke den Sternspritzer hineinstecken und entzünde ihn
Stülpe das Marmeladeglas darüber
BEOBACHTE!!
Beobachtungen und Ergebnis: Fertige eine Zeichnung an
Kommentar für den Lehrer
21
Der Sternspritzer kann auch im geschlossenen Gefäß abbrennen. Es entstehen Stickoxide,
Metalloxide und Russteilchen, die sich am Papier absetzen. Die hohe NO2 – Konzentration ist
schon allein durch die braune Färbung im Marmeladeglas erkennbar.
Nach dem Hochheben des Marmeladeglases breitet sich ein beißender Geruch aus.
Unsere Raumluft
Leittext: Ist unsere Raumluft gesund?
Mit unserer Raumluft steht es nicht immer zum Besten. Nicht nur ein Klassenzimmer ist nach jeder
Unterrichtstunde zu lüften, sondern auch zu Hause sollte man für Frischluft im eigenen Zimmer
sorgen. Stark belastet wird die Raumluft durch Zigarettenrauch, aber auch durch die all zu sehr
beliebten Sternspritzer zur Weihnachtszeit oder bei Parties. Der Funkenregen in den Sternspritzern ist
auf die verbrennenden Aluminium- und Eisenteilchen zurückzuführen. Damit dies leicht und schnell
erfolgen kann, ist in der Sternspritzermischung eine Sauerstoff spendende Substanz enthalten, die man
Nitrat nennt. (Ähnlich wie beim Schwarzpulver). Beim Verbrennungsprozess entsteht aus dem Nitrat
das giftige Stickstoffdioxid, NO2. Nun haben wir im Zimmer eine Luftzusammensetzung von Gasen,
welche auch in den Autoabgasen enthalten sind. Im Verbrennungsmotor reagieren in der Hitze
Sauerstoff und Stickstoff zu den Stickoxiden. Stickoxide sind giftige Gase.
Zusatzinformationen:
Werden Stickoxide im Wasser gelöst, so bildet sich Salpetersäure HNO3. Ihre Salze heißen Nitrate.
Diese haben eine vielseitige Verwendung. Sie werden in Feuerwerkskörpern, aber auch als
Düngemittel eingesetzt.
Arbeitsauftrag:
 Suche in deinem Schulbuch oder Lexikon nach den Begriffen Stickoxide, Salpetersäure, Nitrate.
Schreibe für dich wichtige Informationen darüber heraus.
Als Orientierungshilfe: Voraussetzungen für die Bildung von Stickoxiden; Salpetersäure entsteht
durch Lösen von Stickoxiden, Nitrate sind die Salze der Salpetersäure; Nitrate als Sprengstoffe
und als Düngemittel
Leittext: Zusammensetzung der Wunderkerzen
Nitrate haben eine vielseitige Verwendung. Der Sauerstoffe, der im Nitrat gebunden vorliegt, bewirkt
eine so gute Verbrennung, sodass Nitrate in Leuchtraketenmischungen verwendet werden. Auch zum
Starten von Verbrennungsreaktionen, wie z.B. jener unsere Wunderkerzen, mischt man sie den
„Brennstoffen“ bei.
Bei den Wunderkerzenbrennstoffen handelt es sich um Eisen- und Aluminiumpulver, welche mit
Stärkekleister vermengt sind. Eingebettet in diese Mischung ist die sauerstoffspendende Substanz
Nitrat (Bariumnitrat, Kaliumnitrat)
Lehrerinformationen: (Für Fertigstellung des obigen Leittextes)
Eine Wunderkerze besteht aus : 55 Tl Ba(NO3)2 , 5 Tl Al, 25 Tl Fe, 15 Tl Dextrin
Begleitnebenreaktion ist NOx-Bildung
Wunderkerze brennt auch in Stickstoffatmosphäre
Schwarze Kappe auf Wunderkerze ist Ba(NO3)2 Zündtemp 675°C, KNO3 270°C
2Ba(NO)3
2BaO + 2N2 + 5 O2
22
Der so emittierte Sauerstoff soll dann mit den metallen zu den entsprechenden Metalloxiden reagieren.
4 Fe + 3O2
4 Al + 3O2
2 Fe2O
2 Al2O3
Die Zersetzungstemperatur von Ba(NO3)2 beträgt 675°C, im Sauerstoffstrom 540°C. Man darf deshalb
annehmen, dass ein wesentlicher Teil des Sauerstoffs aus dem Bariumnitrat direkt mit den Metallen
reagiert. Das Kaliumnitrat zersetzt sich bei 270°C und entzündet das Bariumnitrat.
10 Al + 3Ba(NO)3
3BaO + 3 N2 + 5 Al2O3
Bildung der nitrosen Gase: 2 Al + 3Ba(NO)3
3 BaO + 6 NO2 + Al2O3
Spiel: Zuordnung der Begriffe rund um die Luft
Wir beschreiben die Luft und was sonst mit ihr in einem Zusammenhang steht
Spielmaterial: 20 Spielkarten mit Begriffen über die „Luft“ (Zahl variabel)
Spielfläche: Je nach Klassengröße Tische in Kreis- oder U-Form angeordnet
Spielvorbereitung: Jeder Begriff wird ausgeschnitten und auf eine Karteikarte geklebt (oder das ganze
Blatt auf einen Karton kleben, laminieren und ausschneiden) (oder überhaupt
einfacher: die Begriffe auf einen Zettel schreiben)
Spielverlauf: Jeder Schüler/-in oder kleine Gruppe erhält (zieht) eine Begriffskarte. Alle Schüler/innen erhalten die Aufgabe, einen Kurzvortrag zum jeweiligen Begriff vorzubereiten, der
Definition, Erläuterungen und Beispiele beinhaltet.
Nach einer entsprechenden Vorbereitungszeit (5-7 Minuten) nennt ein Schüler/-in den
entsprechenden Begriff, trägt dazu vor und platziert das Kärtchen auf der Spielfläche. Die übrigen
Kärtchen werden nach den Kurzvorträgen zusammenhängend geordnet. Diese Anordnung wird in
den Heften protokolliert. Mind-map
Diese Spielmöglichkeit lässt sich auf andere Themen erweitern und lässt viele
Variationsmöglichkeiten offen.
23
Liste der Begriffe: Kopiervorlage
Luft – ein
Gemenge
Sauerstoff
Schwefeldioxid
Stickoxide
Gips
Heizgase
Smog
Treibhausgas
Wann brennt
ein Stoff?
Temperaturumkehr
Photosynthese
Nitrate als
Sauerstofflieferant
Stickstoff
Kohlendioxid
RauchgasAutokatalysator
entschwefelung
Kalk
Saurer Regen
Lindeverfahren
Bleichwirkung
des
Sauerstoffs
Brennstoffe
Heizen – eine
chemische
Reaktion zur
Energiegewinn
Wie kam der
Schwefel in
unsere
Brennstoffe?
CO2 als
Feuerlöscher
Unterrichtsvorschlag: Planung der Unterrichtseinheit „Rund um das Grillen“
24
Arbeitsblatt: Kalknachweis in der Tafelkreide - Kreidenschäume
Materialien: Mörser, Pistill, einige Reagensgläser, Reagensglasständer, Kelchgläser3, Spatel,
Spritzflasche, runde weiße Kreide bzw. Farbkreiden, Zitronensäure, verdünnte Salzsäure,
Spülmittel
Durchführung:
 Kleine weiße und Farbkreidestücke (1 cm lang) im Mörser zermahlen
 Kreidemehl mit einem gehäuften Spatel Zitronensäure versetzen und vermengen
 Die Mischungen in die Reagensgläser füllen
 Mit Wasser aus der Spritzflasche versetzen
Beobachtungen/Ergebnis: Fertige eine Zeichnung an
25
Bunte Schäume steigen in den Reagensgläsern hoch. Ungelöste Kreidebestandteile und
Farbpigmente setzen sich am Boden ab
Erklärung:
Durch die Wasserzugabe wird die Zitronensäure aktiv und zerlegt den Kalk. Das dabei
entstandene CO2 lässt gefärbte Schäume entstehen.
Weiterführendes Lehrer-Experiment:
Statt der Reagenzgläser können z. B. große Kelchgläser verwendet werden.
Arbeitsblatt:
Wir backen einen Kuchen
Name:
Datum:
Mit diesem Experiment kannst du feststellen, warum man Backpulver zum Kuchenbacken
verwendet.
Materialien: Alufolie, Mehl, Wasser, Zucker, Speisesoda, 2 Kerzen (Teelicht), Becherglas,
Kunststofflöffel, Klemme
Durchführung:






Forme aus Alufolie (ca. 7x7 cm) 2 kleine Kuchenformen
Rühre eine Masse aus Mehl, Wasser und etwas Zucker an
Fülle davon einen Teil in eine Kuchenform
Gib zur restlichen Kuchenmasse etwas Speisesoda und rühre gut um
Fülle diese in die 2 Kuchenmasse
„Backe“, erhitze beide Kuchenmassen über den Kerzen
26
Beobachtungen und Ergebnis: Fertige eine Zeichnung an.
Formuliere eine Erklärung (Hypothese) für deine Beobachtungen:
Reaktionsgleichung für die Speisesodazersetzung:
Wärme
2 NaHCO3
Speisesoda
CO2 + Na2CO3
__________________+ Natriumcarbonat__
Na-Hydrogencarbonat
Arbeitsblatt:
Schwefel und Stahlwolle
Name:
Datum:
Mit diesem Experiment kannst du feststellen, dass Schwefel und Eisen recht „lautstark“
miteinander regieren können
Materialien: Reagenzglas, Klemme, Schwefelpulver, Stahlwolle, Brenner, Schutzbrille
Durchführung:




Gib etwas Schwefelpulver (ca. 1 cm hoch) in das RG
Stecke ein kleines Stück feine Stahlwolle ca. 2 über das S-Pulver
Erhitze den Schwefel
Beobachte und lausche
27
Beobachtungen und Ergebnis: Fertige eine Zeichnung an.
Formuliere eine Erklärung (Hypothese) für deine Beobachtungen:
Reaktionsgleichung:
________________________________________________________
Eisen + Schwefel
28
Neutralisation
Arbeitsblatt:
Was geschieht, wenn man eine Säure mit Lauge versetzt?
Einführender Text: Säuren und Laugen ergeben bekanntlich Salze. Doch wie erfolgt der
Reaktionsverlauf einer solchen Neutralisationsreaktion? Wie verhalten sich die pH-Werte während des
Reaktionsverlaufs? Hat die Säureart einen Einfluss auf den Reaktionsablauf? Kann man den genauen
Endpunkt der Neutralisation erkennen? Wie äußert sich der Laugenüberschuss? Die Antwort auf diese
Fragen gibt dir das nächste Experiment.
Materialien: Fliese, Indikatorpapier, Glasstab, 2 kleine Bechergläser, 2 10 mL Spritzen, 2
Tropfpipetten mit mL-Anzeige, 1 Blatt A4, Bleistift, HCl (1 mol/L oder 0,1
mol/L), Speiseessig 5%, NaOH (1 mol/L oder 0,1 mol/L)
Durchführung:
 Die weiße Fliese auf das A4-Blatt legen und mit Bleistift umrahmen
 mL und pH-Werte 1-14 eintragen (in 1 cm Abständen)
 aus dem pH-Papier kleine quadratische Stücke vorbereiten
 in ein kleines BG 10 HCl mit der Spritze
geben und das
BG beschriften
 in einem 2 BG befindet sich die NaOH (beschriften)
 Mit dem Glasstab in die HCl tauchen und den Anfangs-pH
messen
 Dieses Ergebnis auf die Fliese legen (0 mL; pH=1)
 Jetzt mit der Tropfpipette 1 ml NaOH zur HCl geben, mit dem
Glasstab umrühren, wieder pH-Wert messen, das pH-Papier
wieder auf die Fliese legen usw.
 Trage deine Ergebnisse auf ein Blatt Papier ein
pH
mL NaOH
c=0,1 mol/L
Beobachtungen:
Erklärung:
Lehrerinformation: Es ergibt sich auf der Fliese durch die pH-Papierstücke eine schöne
Neutralisationskurve
Variante: Neutralisation von Speiseessig: 5 mL Speiseessig in ein kleines Becherglas geben und
wie oben (mit NaOH c= 1 mol/L) verfahren
29
Antacida
Leittext: Antacida
Sodbrennen (Pyrosis) ist eine brennende Empfindung in der unteren Speiseröhre, die durch den
Rückfluss des sauren Mageninhalts hervorgerufen wird. Sodbrennen kann Folge einer überreichen
Mahlzeit, reichlich Alkohol und Nicotin, einer Übersäuerung durch Früchte, Nüsse etc. bei
empfindlichen Personen sein. Arzneimittel gegen Sodbrennen heißen Antacida. Es handelt sich dabei
um Substanzen, die den Magensaft (Salzsäure) neutralisieren. Die Wirkstoffe sind basisch reagierende
Substanzen. Dazu gehören „Bullrichsalz®“, enthält Speisesoda (Natriumhydrogencarbonat
NaHCO3), „Rennie®“, enthält Calcium- und Magnesiumcarbonat CaCO3  MgCO3 sowie Maaloxan
und Tepilta, die Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 und Aluminiumhydroxid Al(OH)3 enthalten. Antacida
haben auch Nachteile. Sie bewirken, dass die Magensäure immer wieder neu nachgebildet wird, und
man somit gezwungen ist, ständig zu diesen Arzneien zu greifen. Aus diesem Grund gibt es heute
gegen Sodbrennen Medikamente, die die Säurebildung erst gar nicht zulassen.
Reaktionsgleichungen:
NaHCO3 + HCl
NaCl + H2CO3 Zerfall in H2O und CO2
CaCO3  MgCO3 + 4HCl
CaCl2 + MgCl2 + 2 H2CO3
Mg(OH)2 + 2HCl
MgCl2 + 2 H2O
Al(OH)3 + 3 HCl
AlCl3 + 3 H2O
Vergleich verschiedener
Antacida/Neutralisation von Magensaft
Demonstrationsexperiment :
Materialien:
3 Standzylinder, Kunststofflöffel, Wasser, HCl (1 mol/l), Universal-indikator,
verschiedene Antacida, die Speisesoda (z.B. Rennie), Ca/Mg-CO3 und eine basische AlVerbindung zum Säurebinden enthalten. Alle Tabletten zermörsern!
Durchführung:

Die Standzylinder mit ca. 5 mL HCl versetzen und mit Wasser auffüllen (=Magensaft)

Universalindikator dazugeben

In jeden Standzylinder ein Antacidum geben
Beobachtungen: Zeichen die Ergebnisse ein!
A
B
C
A:_______________________________________________
B:_______________________________________________
C:_______________________________________________
Lehrerinformation:
Aufgrund der unterschiedlichen Antacidazusammensetzung stellen sich
unterschiedliche End-pH-Werte ein.
30
Naturstoffe
Arbeitsblatt:
Wir isolieren Stärke aus Kartoffeln
Name:
Datum:
Aus rohen Kartoffeln kann ganz leicht die Stärke isoliert werden
Materialien: 2 Bechergläser, Küchenreibe, Messer, Reibschale, Kaffee(Tee)filter, Kartoffel,
Fliese, Betaisodona-Lösung
Durchführung:






Kartoffel mit der Küchenreibe aufreiben oder mit dem Messer sehr klein schneiden
Mit wenig Wasser übergießen und in der Reibschale die Kartoffelmasse fest
zerreiben
Die Masse in einen Kaffeefilter geben, das Wasser in ein Becherglas abpressen
Das Filtrat einige Zeit absitzen lassen (ev. darüber stehende Lösung dekantieren)
Entnimm mit der Spatel etwas vom Bodensatz und gib ihn auf eine Fliese oder in ein
Reagenzglas
Tropfe etwas von der Betaisodonalösung (diese enthält Iod) dazu
Beobachtungen und Ergebnis:
Vervollständige die Zeichnungen:
Bodensatz enthält _______________
Bodensatz und Betaisodonalösung (Iodlösung): Zeichne das Ergebnis in Farbe ein
Die Stärke ist im Wasser löslich und bildet mit einer Iodlösung eine Blaufärbung.
31
Arbeitsblatt:
Inulinextraktion aus Wegwartewurzeln
Name:
Datum:
Leittext: Inulin (Oligofructose) ist in Dahlienknollen, Artischocken,
Topinambur, Wegwartewurzeln (Zichorien), etc. enthalten. Inulin ist
vom menschlichen Organismus nicht metabolisierbar und wird deshalb
gerne als Ballast- bzw. Füllstoff in fettarmen Joghurts und einigen
„Light-Margarinarten“ eingesetzt.
Farbloses hygroskopisches Pulver, leicht löslich (kolloidal) in heißem
Wasser, unlöslich in Alkohol und Ether, relativ resistent gegen Alkalien.
Inulin ist ein lineares Fructan mit 20–30 Fructofuranose-Einheiten in β(2 →1)-Bindung und enthält 2–5% Glucose (blockiert das reduzierende
Ende der Kette).
Materialien: Kaffeemühle, Heizplatte (Brenner, Dreifuß, Netz), 400 mL Becherglas,
Trichter, Erlenmeyer, Filter, Glasstab, Kristallisierschale, Messzylinder,
Wegwartewurzeln, Wasser, Spiritus (F), Resorcin, HCl, Reagenzglas
Durchführung:




Wegwartewurzeln in der Kaffeemühle zerkleinern
Ca. 35 g mit ca. 100 mL Wasser 5-10 Minuten auskochen
Lösung filtrieren
Filtrat in eine Kristallisierschale geben und mit ca. 80 – 100 mL Spiritus darüber gießen
Analytik (Seliwanow-Nachweis auf Fructose)


Eine Spatelspitze des Inulins ins RG geben
mit etwas Resorcin und 1 ml HCl verd. Versetzen und erhitzen
Beobachtungen und Ergebnis:
Inulin ist im heißen Wasser löslich, im Spiritus unlöslich. Der weiße Inulinniederschlag
füllt sich fett an.
Die Seliwanow-Probe auf Fructose wird rot.
Erklärung:
Ethanol konkurriert mit dem Inulin um die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen.
Liegt Ethanol im Überschuss vor, so fällt Inulin als weißer Niederschlag aus.
Fructosenachweis:
Mit HCl entsteht aus Fructose das Hydroxymethyfurfural, welches mit dem Resorcin den
roten Farbstoff bildet.
32
Arbeitsblatt:
DNA – Extraktion aus Bananen
Name:
Datum:
Dies ist eine grobe Methode, um DNA und RNA aus pflanzlichem Gewebe zu isolieren. Sie zeigt aber
die Grundprinzipien der DNA-Extraktion aus Geweben auf. Das Gewebe wird zunächst mechanisch,
die Zell- und Kernmembranen durch die Tensidwirkungen eines Haushaltsreingers zerstört. Die
Zellreste werden herausgefiltert, die Nukleinsäuren gelangen durch die groben Poren eines
Kaffeefilters ins Filtrat.
Materialien: 250-mL-Becherglas, Kaffeefilter, Messer, 50 mL-Messzylinder, Mörser,
Pistill, Pipette, Reagenzglas, Reagenzglasständer, Schneideunterlage. Banane, Natriumcitratdihydrat, Kochsalz, Spülmittel, demineralisiertes Wasser, eiskalter Spiritus
Extraktionspuffer: - 44 g Natriumcitrat-dihydrat , - 8,8 g Kochsalz
mit Wasser auf einen Liter auffüllen
Durchführung:







- 100 mL Spülmittel -
Eine halbe kleine Banane in feine Würfel schneiden und in ein Becherglas geben
30 mL Extraktionspuffer dazugeben
Das Gemisch 5 min lang bei Zimmertemperatur stehen lassen
Den Inhalt des Becherglases in einen Mörser geben und mindestens 5 min lang gut
mit dem Pistill zerreiben
Die erhaltene Suspension durch einen Kaffeefilter filtrieren (kein Laborfilter!) -->
Filtrat.
Ein Reagenzglas ca. 2 cm hoch mit eiskaltem (!) Spiritus füllen
Mit einer Pipette vorsichtig etwa ebenso viel Filtrat in den Spiritus tropfen
Beobachtungen und Ergebnis:
Die nun unlösliche DNA ist als Klumpen sichtbar
Weiterführendes Experiment:
Nach dem Isolieren des Klumpens kann die DNA mit Fuchsinschwefliger Säure oder mit
Toluidinblau angefärbt werden. Der Nachweis ist positiv, wenn sich der Klumpen nach Zugabe von
Wasser nicht mehr entfärben lässt.
33
Arbeitsblatt:
Leittext:
Phenole in Bananen
„Das Braunwerden von Lebensmittel
Lebensmittel werden braun wenn:
 Phenole zur Verfügung stehen



Ein passendes Enzym (Polyphenoloxydase) zur Oxidation
vorhanden und aktiv ist.
Sauerstoff (als Oxidationsmittel) zur Verfügung steht.
Kein Stoff vorhanden ist, der leichter als die Phenole vom
Sauerstoff der Luft oxidiert werden kann.
Materialien: Brenner, Dreifuß, Drahtnetz, Becherglas, Tiegelzange, Uhr mit
Sekundenzeiger,
Durchführung:

2 Bananenlängsstreifen werden a) 5 – 15 sec., b) 1 – 2 Minuten zur Hälfte in
kochendes Wasser gehalten und dann an die Luft gebracht
Beobachtungen und Ergebnis:


Zu a): Nach dem Herausnehmen wird an der Luft eine Braunfärbung des gesamten
eingetauchten Teiles beobachtet
Zu b): Das eingetauchte Stück ist kaum (nur etwas) braun geworden, jedoch starke
Braunfärbung am nicht eingetauchten Bananenteil
Erklärung:

Beim langen Kochen werden die Enzyme (Phenoloxidasen – oxidieren die Phenole,
folglich Braunfärbung) zerstört. Deshalb bleiben Bananenschalen nach langem
Kochen und anschließendem Luftkontakt weiß. (Überlege: Angeschnittener Apfel
und Apfelkompott!!!)

Der Bananenschalenteil, der nicht ins heiße Wasser taucht, wird vom heißen
Wasserdampf in seiner Zellmembran geschädigt. Luftsauerstoff kann eintreten, die
Phenoloxidasen werden wirksam, Braunfärbung tritt ein.
34
Arbeitsblatt:
Bananentinte
Die Erkenntnisse aus dem vorigen Experiment – Phenole in den Bananen – werden genützt, um etwas
Nützliches für den“Alltag“ herzustellen.
Früher stellte man Tinte ausGalläpfel (enthält Gallussäure,eit Phenolkörper) und Eisen her.
Unsere Bananentinte ist ähnlicher Zusammensetzung.
Materialien: 2 überreife Bananen, Brenner, Dreifuß, Drahtnetz, großes Becherglas, Messer,
Sieb, Eisen (Pulver/Nägel), Essig,
Durchführung:







Die Schalen der beiden Bananen mit einem Messer zu kleinen Würfeln schneiden
In 300 mL Wasser weich kochen
Schalenreste abseihen
Zur Lösung Eisen (Pulver/Nägel) und etwas Essig geben
Erhitzen, Lösung einengen
Erneut abseihen
In Flasche abfüllen
Beobachtungen und Ergebnis:
Eine tief blauschwarze bis schwarze Lösung ist entstanden
Erklärung:
Die Bananenschalen enthalten Gerbstoffe (Phenole). Die Gerbstoffe bilden mit Eisen(III)-Ionen
schwarze bis blauschwarze Verbindungen. Auf dieser Basis hat man früher bei uns aus den
Eichengalläpfeln die Eisengallustinte gewonnen.
Johannisbeerentinte mit Glitzereffekt:
Statt Bananen Johannisbeeren aufkochen. Wegen der kristallisierenden Ascorbinsäure kommt
es zum Glitzereffekt.
35
Schokoladenrezept
Zutaten: Fett (Kakaobutter oder Palmfett), Kakaopulver, Staubzucker
Diese 3 Zutaten werden in folgenden Mengenverhältnissen vermengt.
2/6 Fett, 1/6 Kakaopulver, 3/6 Staubzucker
Für 90 g Schoko sind dies: 30 g Fett, 15 g Kakaopulver, 45 g Staubzucker
Durchführung:





Kakaopulver und Staubzucker gut vermengen
Einen Topf zu ¼ seines Inhaltes mit Wasser füllen und dieses heiß werden lassen
(Das ist das Wasserbad zum sanften Schmelzen des Fettes)
In einen anderen Topf, der in den größeren gut passt, gib nun das Fett (Kakaobutter)
(30 g).
Bald beginnt die Kakaobutter zu schmelzen
In die geschmolzene Kakaobutter jetzt das Kakaopulver/Zucker-Gemisch einrühren;
lange rühren, das ist wichtig für die Geschmacksqualität
Die flüssige Schoko in Formen gießen und erkalten lassen
Wenn die Schoko mehr nach Zucker schmeckt, dann muss beim nächsten Versuch länger
gerührt werden.
Du kannst auch Nüsse dazu geben!
Gutes Gelingen!
36
Zusammensetzung der Luft ( 1m3)
Luft ist nicht gleich Luft, auch wenn die Komponenten immer dieselben sind, so ist die
quantitative Zusammensetzung der Spurengase doch von Ort zu Ort anders. Dies ist aber für
das natürliche Gleichgewicht und für unser Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung.
Unsere Atmosphäre – ihr Aufbau, ihre Zusammensetzung und ihre Funktionen
Die Erde ist von einer Atmosphäre umgeben, welche aus verschiedenen Gasen besteht. Dieses
Gasgemisch ist unsere Luft. Die Erdanziehungskraft verhindert, dass die Gase in das Weltall
entweichen. Diejenige Schicht, in der das Leben, sowie das Wettergeschehen ablaufen, wird
Troposphäre genannt. Sie ist an den Polen nur etwa 8 km, in den Tropen aber bis zu 15 km
dick. Das ist im Vergleich zur Größe der Erde mit 12 000 km Durchmesser relativ wenig!
Für die Wetter- und Klimasituationen sind unsere Luft und ihre Zusammensetzung
ausschlaggebend.
in 1 m3 Luft
780 L
N2
208 L
O2
9,3 L Ar
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
H2
N2O
CO
Xe
O3
FCKW
78%
20,8%
0,93%
0,033%
0,002%
0,0005%
0,0002%
0,0001%
0,00006%
0,00003%
0,00002%
0,00001%
0,000003%
0,0000001%
In 1 m3 Luft
~780 L
~208 L
~ 9,3 L
~ 0,33 L
~ 20 mL
~ 5 mL
~ 2 mL
~ 1 mL
< 1 ml
< 0,1 ml
< 0,1 ml
< 0,1 ml
< 0,1 ml
< 1 ml
37
Würfelbauanleitung im Anhang S 21
Wechselwirkung zwischen Lufthülle und Sonnenstrahlung
Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt
Die Sonne schickt Strahlung verschiedenster Wellenlängen auf die Erde. Der sehr
kurzwellige, energiereiche Teil dieser Strahlung wird schon beim Auftreffen auf die äußerste
Atmosphäre reflektiert, wodurch wir vor dieser Strahlung geschützt sind. Der übrige Teil der
Sonnenstrahlung gelangt jedoch bis zur Erdoberfläche. Dort wird die kurzwelligere Strahlung
der Sonne in Infrarotstrahlung, also Wärme, „umgewandelt“ und wiederum reflektiert. Ein
gewisser Prozentsatz dieser Wärmestrahlung dringt durch die Lufthülle unserer Erde wieder
in den Weltraum, ein bestimmter Anteil wird aber zurückgehalten. Diese Tatsache
gewährleistet auf der Erde eine Durchschnittstemperatur von etwa +15° Celsius, sonst würde
sie nur ca. – 18° betragen, es wäre also viel zu kalt.
Dafür verantwortlich sind jene Gase, die in der Luft nur spurenweise vorkommen wie CO2,
CH4, N2O aber auch der Wasserdampf. Sie sind die Verursacher des so genannten natürlichen
Treibhauseffektes, der für die Möglichkeit von Leben auf der Erde, wie wir es kennen,
unbedingt notwendig ist. Sie absorbieren die Wärmestrahlung und verhindern dadurch eine zu
starke Wärmeabstrahlung von der Erde ins All.
In der Wechselwirkung zwischen unserer Lufthülle mit der Sonne entsteht erst jene Wärme
auf unserer Erde, welche Leben ermöglicht.
Nun kommt es in unserer Zeit jedoch zu vermehrtem Ausstoß von Kohlendioxid und den
anderen "Treibhausgasen", was zur Folge hat, dass die Wärmestrahlung verstärkt von unserer
Lufthülle „aufgenommen“ wird. Die logische Auswirkung hiervon ist eine globale
Temperaturerhöhung und damit verbundene Klimaveränderungen. Man spricht dabei vom so
genannten anthropogen verursachten Treibhauseffekt.
Weil die „Treibhausgase“ oder „klimarelevanten Gase“ aber nur in sehr kleinen Mengen in
unserer Lufthülle enthalten sind, machen sich bereits geringe prozentuelle Zunahmen stark
bemerkbar und ziehen folglich große Veränderungen im Wärmehaushalt unserer Atmosphäre
mit sich.
Wärmeabsorption der Treibhausgase
Leittext: Wärmeabsorption von Gasen
Unsere Atmosphäre enthält neben Stickstoff und Sauerstoff viele andere Gase in sehr
geringen Mengen. Man nennt sie folglich Spurengase. Doch sie sind für die Temperaturen auf
unserer Erde von großer Bedeutung. Ohne diese Spurengase CO2, N2O (Lachgas und CH4
(Methan) wäre es auf unserer Erde viel zu kalt ( ca. -18 °C).
38
Geringe Erhöhungen der Spurengaskonzentrationen bewirken jedoch eine unerwünschte
Erwärmung unserer Atmosphäre (Treibhauseffekt).
Für die Erwärmung einer Gashülle ist auch der farbliche Untergrund von Bedeutung. Die
Erde weißt an ihrer Oberfläche dunkle Zonen (Landmassen) und helle Zonen auf (Schnee,
Gletscher, Polkappen) auf.
Treibhauswirksamkeit
CO2
CH4
N2O
20 mal stärker als CO2
200 mal stärker als CO2
Anteil am
Treibhauseffet
ca. 61 %
ca. 19%
ca. 4%
___________________________________________________________________
Arbeitsblatt 1: Messungen zum „Treibhauseffekt“
Messung 1: Bei hellem und dunklem Untergrund
Messung 2: Auf verschiedene Gase
Zielsetzung: Mit diesen Experimenten überprüft man die Wirkung der Sonnenstrahlen auf die
Erdoberfläche und auf unterschiedliche Gase (Fähigkeit Wärmestrahlung zu absorbieren)
Materialien:
Große Glaswanne, Stativ, Infrarotlampe, Stoppuhr, schwarzer und weißer Untergrund,
elektronisches Thermometer, verschiedene Gase
Durchführung 1:






Glaswanne mit hellem Papier unterlegen
Am Stativ die Infrarotlampe montieren und über der Glaswanne positionieren
Lampe einschalten und Temperaturanstieg im Zeitintervall messen (30 sec)
Werte in die Tabelle eintragen und Graphik zeichnen
~~
Glaswanne mit dunklem Papier unterlegen und nochmals messen
Daten zum Vergleich in dieselbe Graphik eintragen
Arbeitsblatt 2: Messungen zum „Treibhauseffekt“
Materialien:
Große Glaswanne, Stativ, Infrarotlampe, Stoppuhr, schwarzer und weißer Untergrund,
elektronisches Thermometer, verschiedene Gase

Glaswanne mit hellem Papier unterlegen
39






(Am Stativ die Infrarotlampe montieren und über der Glaswanne positionieren)
Glaswanne mit CO2 aus der Sahnekapsel füllen
Lampe einschalten und Temperaturanstieg im Zeitintervall messen (30 sec)
Werte in die Tabelle eintragen und Graphik zeichnen
~~
Glaswanne mit CH4 (N2O) füllen und nochmals messen
Daten zum Vergleich in dieselbe Graphik eintragen
T °C
Temperaturverlauf
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
Zeit (sec)
Beobachtungen:
Interpretiere deine Ergebnisse
40
Modellexperimente: Was geschieht bei einer reversiblen
Reaktion?
Ein Modellversuch gibt Auskunft!
Um herauszufinden, wie sich die Konzentrationen der Edukte und Produkte bei einer
reversiblen Reaktion im Laufe der Zeit verändern, müsste man aufwändige chemische
Untersuchungen vornehmen. Für uns ist es einfacher, einen Modellversuch durchzuführen,
bei dem die Vorgänge, die in der Realität ablaufen, sehr verkürzt, aber dennoch
wirklichkeitsnah wiedergegeben werden.
Als Modellversuch dient uns ein „Streichholzspiel“, mit dessen Hilfe eine einfache reversible
Reaktion untersucht werden soll:
A
B
Spielregeln
1.
Spieler A erhält zu Beginn 50 Streichhölzer, Spieler B erhält keines.
2.
Spieler A gibt in jedem Spielzug jeweils 1/2 der gerade in seinem Besitz befindlichen
Streichhölzer an Spieler B, Spieler B gibt gleichzeitig 1/10 seiner Streichhölzer an
Spieler A. (Gebrochene Zahlen werden gemäß den üblichen Regeln gerundet.)
3.
Nach jedem Spielzug notieren beide Spieler sowohl die Anzahl der gerade von ihnen
jeweils abgegebenen Streichhölzer als auch die neue Anzahl der Streichhölzer in ihrem
Besitz nach dem Tausch.
Spieler A
Nummer des
Spielzuges
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Anzahl der
eigenen
Streichhölzer
50
Spieler B
Anzahl der
abgegebenen
Streichhölzer
Anzahl der
eigenen
Streichhölzer
50
Anzahl der
abgegebenen
Streichhölzer
41
Zusatzspiel
Wiederholen Sie das Spiel mit denselben Spielregeln, wobei nun Spieler B zu Beginn 50
Streichhölzer erhält und Spieler A keines. Was können Sie feststellen?
42
Was geschieht bei einer reversiblen Reaktion?
Auswertung des Modellversuchs
Aufgaben
1. Notieren Sie, wodurch im Modellversuch die folgenden chemischen Größen dargestellt werden:
c (Edukte)
= c (A) entspricht__________________________________________
c (Produkte) = c (B) entspricht ___________________________________________
Reaktionszeit entspricht _________________________________________________
Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion (kHin) entspricht __________________
Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion (kRück) entspricht__________________
Reaktionsgeschwindigkeit der Hinreaktion (kHin • c (A) ) entspricht
______________________________________________________
Reaktionsgeschwindigkeit der Rückreaktion (kRück • c (B) ) entspricht
________________________________________________________________
2. Ergänzen Sie die Beschriftungen der Achsen in den folgenden Diagrammen und tragen Sie in
beide jeweils die Werte für Spieler A und Spieler B ein:
Anzahl der Streichhölzer von
A bzw. B [=_______bzw._____]
60
50
40
30
20
10
0
Nummer des Spielzuges [=_________________________]
Anzahl der von A bzw. B abgegebenen
Streichhölzer [=_______bzw. ____]
60
50
40
30
20
10
0
Nummer des Spielzuges [=_________________________]
43
Erläuterungen
Vor Beginn des Versuches muss noch einmal klargestellt werden, dass der Tausch immer
gleichzeitig (über Kreuz) vollzogen werden muss und erst danach beide Spieler ihre
Streichhölzer zählen dürfen.
Das „Zusatzspiel“ ist für schnellere Gruppen gedacht, wodurch diese bei der Auswertung
ergänzen können, dass sich das Gleichgewicht bei einer Reaktion unabhängig von der
Ausgangslage immer in derselben Weise einstellt. Neben der Veränderung der Anfangszahlen
an Streichhölzern kann auch der Bruchteil der abzugebenden Streichhölzer verändert werden.
Damit würde man eine neue Reaktion simulieren, bei der sich ein anderes Gleichgewicht
einstellt.
Lösungen
Spieler A
Nummer des
Spielzuges
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Anzahl der
eigenen
Streichhölzer
50
25
15
11
9
8
8
8
8
Anzahl der
abgegebenen
Streichhölzer
25
13
8
6
5
4
4
4
4
Spieler B
Anzahl der
eigenen
Streichhölzer
0
25
35
39
41
42
42
42
42
Anzahl der
abgegebenen
Streichhölzer
0
3
4
4
4
4
4
4
4
Zusatzspiel: Trotz der veränderten Ausgangssituation stellt sich nach einer Weile dasselbe
Ergebnis ein.
Erläuterung
Die Übertragung des Modellversuchs auf die Realität bereitet den Schülerinnen und Schülern
erfahrungsgemäß Schwierigkeiten, weshalb die erste Aufgabe nach einer „Probierphase“
zügig gemeinsam besprochen werden sollte.
Als Kennzeichen des chemischen Gleichgewichtes können folgende Punkte herausgearbeitet
werden:
- Es handelt sich um ein „dynamisches“ Gleichgewicht, d. h., Hin- und Rückreaktion laufen
weiterhin nebeneinander ab,
-
die Konzentrationen der Edukte und Produkte bleiben dabei konstant,
-
die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion sind gleich.
Lösungen
Soll das chemische Gleichgewicht rein phänomenologisch behandelt werden, kann der
Arbeitsbogen folgendermaßen vereinfacht werden: Bei der ersten Aufgabe werden die letzten
vier Punkte weggelassen, bei der zweiten Aufgabe die zweite Grafik. So wird dennoch der
dynamische Charakter des Gleichgewichts bei konstanten Konzentrationen deutlich.
Zu 1.:
c (Edukte) = c (A) entspricht Streichhölzer im Besitz von Spieler A
c (Produkte) = c (B) entspricht Streichhölzer im Besitz von Spieler B
Reaktionszeit entspricht Nummer des Spielzugs
44
Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion (kHin) entspricht 1/2
Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion (kRück) entspricht 1/10
Reaktionsgeschwindigkeit der Hinreaktion (kHin • c (A) ) entspricht Anzahl der von Spieler A
abgegebenen Streichhölzer
Reaktionsgeschwindigkeit der Rückreaktion (kRück • c (B) ) entspricht Anzahl der von Spieler
B abgegebenen Streichhölzer
45
Zu 2.:
Anzahl der Streichhölzer von A bzw. B
[= c(A) bzw. c(B)]
60
50
50
41
40
42
42
42
42
8
8
8
8
39
35
30
25
20
15
11
10
9
0
0
Nummer des Spielzuges [= Reaktionszeit]
Anzahl der von A bzw. B abgegebenen
Streichhölzer [RG hin bzw. RG rück]
30
25
25
20
15
13
10
8
6
5
4
4
5
4
4
4
4
4
3
0
0
Nummer des Spielzuges [Reaktionszeit]
46
Anhang
Fachdidaktische Hinweise
Elektrochemische Schülerexperimente sind oft mit großem Aufwand verbunden. Die
Bausätze sind nicht immer billig, die Elektrolytlösungen müssen hergestellt und auch entsogrt
werden.
Ein einfacher und billiger Elektrolyt ist Haargel. Es ist ein organischer Polyelektrolyt und
besteht meistens aus Polyacrylat. Dieses eignet sich bestens als Elektrolyt für
Batterieexperimente. Als Elektroden dienen Aluschälchen und Kohlestäbchen, um z.B. ein
Trockenbatteriemodell vorzustellen, aber auch Stahlstifte, verzinkte Nägel, Kupfernägel,
Messingschrauben, Büroklammern, Münzen etc. (Experiment 2). Auch ein Stahl- und Kupferküchenlappen in eine Kochsalzlösung getaucht, lassen Spannung entstehen. (Experiment 3)
Rasierscherblätter erweisen sich als ein billiges Elektrodenmaterial. Sie bestehen aus Stahl
und sind mit einer dünnen Platinschicht überzogen und sind für Elektrolyse- bzw.
Knallgasreaktionen bestens geeignet. (Experiment 4)
Methodenvorschlag:
Die folgenden Experimente können als Stationenbetrieb durchgeführt werden. Am Ende
formieren sich Gruppen, die sich ein Experiment aussuchen und dieses in Form eines
Plakates protokollieren. Das Experiment kann natürlich wiederholt werden. Zum
Abschluss werden alle Plakate im Schülergremium vorgestellt.
Experiment 1: Strom aus Haargel
Materialien: Aluschälchen vom Teelicht, Filterpapier, kleine Kohleelektrode, Krokoklemmen,
Haargel, 2 Stromkabel, Strommessgerät
Durchführung:
 Schneide ein Stück Filterpapier aus, damit es in den Boden des Alu-Schälchen passt
 Fülle Haargel in das Alu-Schälchen und stecke die Kohleelektrode in die Mitte hinein
 Stecke die Kabel mit Hilfe der Krokoklemmen folgend an und verbinde diese mit dem
Messgerät:
 Aluschälchen zum Minus-Pol
 Kohlestab zum Plus-Pol
Experiment 2: Welche Metallpaare liefern mehr Spannung?
Materialien: Haargel, Petrischale (Uhrglas oder Kunststoffkappen), verschiedene kleine
Metallgegenstände (Stahlnägel, verzinkte Nägel, Messingschrauben, Graphitstäbe, Alustreifen aus
einer Coladose geschnitten usw.) Spannungsmessgerät, Krokoklemmen
Durchführung:
 Trage auf die Petrischale eine Haargelschicht auf
 Kombiniere deine Elektrodenpaare, stecke sie ins Haargel
 Schließe sie ans Messgerät an
 Trage deine Ergebnisse in die Tabelle ein
47
Metallpaar
Zn/C
Zn/Cu
Zn/Fe
Volt
Metallpaar
Zn/Al
Stahl/Cu
Al/Fe
Volt
Metallpaar
Al/Cu
Al/C
Volt
(Stahl)
Arbeitsauftrag: Welches Elektrodenpaar ergibt die größte, welches die geringste Spannung?
Experiment 3: Strom aus Kupfer- und Stahlküchenlappen
Material: Kleine Glaswanne (oder großes BG), Küchenlappen aus Stahl und Kupfer, 2 Kabel,
2 Krokoklemmen, Kochsalz
Durchführung:





Glaswanne zur Hälfte mit Wasser füllen
1-2 Löffel Salz hinzufügen, umrühren
Mittels Krokoklemmen je ein Kabel an die Küchenlappen anstecken
Kupferlappen in den Minuspol, den Stahllappen in den Pluspol des
Messgerätes stecken
Beide Lappen in die Salzlösung halten (nicht berühren lassen)

Entstandene Spannung notieren
Weiteres Experiment: Ein Schüler nimmt je einen Lappen in seine Hände und misst die
Spannung.
Experiment 4: „Low cost“ Brennstoffzelle
Materialien: 250 mL Becherglas, 2 Krokoklemmen, 2 Kabel, 4,5 V Batterie, 2
Rasierscherblätter Strommessgerät, NaOH conc.
Durchführung:
 Fülle das BG zu ¾ mit NaOH
 Rolle die Scherblätter zusammen, befestige sie mit den Krokoklemmen, stecke die
Kabel hinein
 Stelle die Scherblätter in die NaOH; VORSICHT: Sie dürfen sich nicht berühren
 Schließe jetzt die Batterie an und lass die Elektrolyse ein paar Minuten laufen
 Stecke ab und schließe die Kabel an das Strommessgerät
Informationen: Für Umwandlung in Leittext
Elektrolyseprozess:
Elektrische Energie wird (großteils) in chemische Energie umgewandelt.
48
Redox-Reaktionen laufen an den Elektrodenoberflächen mit dem Elektrolyt ab. Dabei bilden sich die
Gase Wasserstoff und Sauerstoff, die an der Elektrodenoberfläche haften.
Elektrodenreaktionen:
Reduzierende Elektrode, Kathode, Minuspol: : 4H2O + 4eOxidierende Elektrode, Anode, Pluspol:
4OH-
2H2 + 4OHO2 + 2H2O + 4e-
Galvanischer Prozess:
Chemische Energie wird (großteils) in elektrische Energie umgewandelt.
Zwischen den verschiedenen Gaselektroden und dem Elektrolyt finden Redox-Reaktionen statt, durch
welche die elektrische Energie gewonnen werden kann.
Elektrodenreaktionen:
Oxidierende Elektrode, Anode, Minuspol: 2H2 + 4OH4 H2O + 4e- (-0,87V)
Reduzierende Elektrode, Kathode, Pluspol :
O2 + 2H2O + 4e
4OH(+0,36V)
Gesamtreaktion: E0Kathode – E0Anode
2H2 + O2
2H2O
(+1,23V)
49
Arbeitsblatt: Entwicklung der elektrochemischen Spannungsreihe
Materialien: Fliese, Metallpulver: Li, Mg, Zn, Fe, Cu, HCl verd., HCl conc., HNO3,
Phenolphthalein
Durchführung:




Fliese auf ein Blatt Papier legen (siehe Zeichnung !!!)
Metallpulver auftragen
1-2 Tropfenden Säuren hinzufügen
Gut beobachten
H2O
HCl verd
HCl conc
HNO3
Phenolphth.
Li
O
O
O
O
Mg
O
O
O
O
Zn
O
O
O
O
Fe
O
O
O
O
Cu
O
O
O
O
Beobachtungen:
Erklärungen:
Die elektrochemische Spannungsreihe obiger Metalle:
50
51
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