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
