Protokoll ()
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Philipps-Universität Marburg Fachbereich 15: Chemie Experimentalvortrag Anorganische Chemie Sommersemester 2009 Experimentalvortrag „Die vier Elemente“ Elisabeth Sieg LA modularisiert: Chemie, Englisch, DaF Geschwister-Scholl-Straße 3 35039 Marburg Matrikelnummer: 2132532 Email: [email protected] 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 4 2. Feuer 7 V1 „Vulkan“ 7 V2 „Feuer unter Wasser“ 8 3. Wasser 10 V3 „Springbrunnen“ 10 D1 „Wasseruntersuchungen“ 13 V4 „Nitritnachweis“ 15 4. Luft V5 „Luftverbrennung“ 5. Erde 17 17 21 V6 „Verkokung von Steinkohle“ 21 6. Die vier Elemente in der Alchemie 23 D2 „Die vier Elemente“ 23 V7 „Magisches Feuer“ 26 7. Die vier Elemente heute V8 „Brennstoffzelle“ 27 28 2 8. Schulrelevanz und didaktische Analyse 31 9. Quellenverzeichnis 32 9.1 Literaturverzeichnis 32 9.2 Internetquellen 32 9.3 Versuchsbeschreibungen 33 9.4 Abbildungen 34 3 1. Einleitung Schon seit tausenden von Jahren vor Beginn der Zeitrechnung ehrten Völker auf der ganzen Welt die vier Elemente Feuer, Erde, Wasser und Luft. Sie waren Teil von Ritualen, entsprachen Gottheiten und fanden sich in Gebräuchen der Menschen wieder. Der Elementbegriff Ursprung und Prägung des Begriffes „Element“ sind unbekannt. Man nimmt an, dass das lateinische Wort „elementum“ eine Neuschöpfung oder auch ein Kunstwort war. Anscheinend entstammt es dem Indogermanischen und wurde als „die Buchstaben, in denen die Welt geschrieben ist“ bezeichnet. Populär wurde der Begriff durch die Mathematik und Euklid. Die Ära der Griechen Im europäischen Kulturkreis brach durch die Griechen und die durch sie hervorgebrachten Naturphilosophen eine neue Zeit und Betrachtungsweise für die Elemente an. Man ging in der Antike von fünf Grundelementen (neben den bekannten vier noch Äther bzw. Chaos) aus, die als mythologische Gesamtheit fungierten. Die griechische Philosophie nahm jedoch als erste eine Abstraktion dieser Vorstellungen vor.1 Die Elemente sollten als „Bausteine“ betrachtet werden, eine erste „Verwissenschaftlichung“ der Theorie fand statt. Thales von Milet war einer der ersten griechischen Philosophen, der sich um etwa 600 v.Chr. die These aufstellte, dass alles aus Wasser entstanden sein sollte. Er beobachtete, dass Wasser für Lebewesen unentbehrlich war und dass es in verschiedenen Formen (z.B. Eis, Regen, Dampf) vorkam. Später (ca. 500 v.Chr.) erklärte Anaximenes von Milet Luft zu dem einzigen Urstoff, da er durch Umwandlung in verschiedene Formen übergehen könne. Heraklit (ca. 520 v.Chr.) machte schließlich das Feuer zu seinem Urstoff, „das Veränderlichste aller Erscheinungen“2 und Kernpunkt seiner Lehre. Empedokles Trotz dieser aufgestellten Theorien blieb die verwirrende Vielfalt der sinnlich wahrnehmbaren Vorgänge. Die beobachtete Natur war zu komplex, um sie mit einer der Theorien beschreiben zu können. 1 Treumann, Rudolf : Die Elemente- Feuer, Erde, Luft und Wasser in Mythos und Wissenschaft. 2 Engels, Siegfried : Auf der Spur der Elemente. 4 Empedokles (ca. 490 bis 430 v.Chr) stellte als Erster den Versuch an, die Beweglichkeit und Vielseitigkeit der Welt zu verstehen. Er definierte mehrere Stoffe, indem er die Erkenntnisse seiner Vorgänger zusammenfasste, die als gleich wichtig und unvergänglich galten. Die vier Urstoffe galten in seiner Theorie als „Wurzeln aller Dinge“ (rhizómata), die stetigen Veränderungen unterliegen. Diese sind ein Wechselspiel zwischen Liebe (Vermischung) und Hass (Entmischung). Empedokles gilt mit dieser Theorie als „Begründer der ersten chemischen Theorie“3 und als Begründer der „Vier-ElementeTheorie“ (Elementenlehre). Abbildung 1: Empedokles. Platon Die Weiterentwicklung der Vier-Elemente-Theorie erfolgt durch Platon (ca. 410 v.Chr.). Er postulierte, dass die Elemente aus demselben Urstoff bestehen würden. Dies sollte es möglich machen, sie ineinander überführen zu können. Er versuchte dies zu verdeutlichen, indem er die Elemente als geometrische Körper beschrieb. Dabei stand das Feuer für das Tetraeder, Luft für das Oktaeder, Wasser das Ikosaeder und Erde für den Kubus. Platon fügte noch ein fünftes Element hinzu, das er als „Universum“ bezeichnete und mit dem Dodekaeder beschrieb. Abbildung 2: Die platonischen Körper. 3 Engels, Siegfried : Auf der Spur der Elemente. 5 Aristoteles Aristoteles übernahm die Lehre seines Vorgängers und versuchte, seine Beobachtungen der Natur und deren Erscheinungen in seine Theorie einzubeziehen. Er schrieb den Elementen sinnlich wahrnehmbare Eigenschaften zu. Hierbei verfügten zwei Elemente immer über eine gemeinsame Eigenschaft, die es ihnen möglich machte ineinander überzugehen. Feuer besaß die Eigenschaften heiß und trocken, die Erde war trocken und kalt, das Wasser kalt und feucht und die Luft feucht und heiß. Diese Theorie zur Erklärung von chemischen Vorgängen blieb 2000 Jahre unwidersprochen und galt als Grundlage der Forschung der damaligen Zeit. Abbildung 3: Das aristotelische Elementenviereck. 6 2. Feuer Die Bändigung oder Zähmung des Feuers durch den Menschen liegt ungefähr 300.000 Jahre zurück.4 Seither gilt es als Licht- und Wärmespender und wird zur Vertreibung der Finsternis genutzt. Heraklit bezeichnete es in der Antike als Urelement. Im Mittelalter hielten die Alchemisten das Feuer für eine belebte Substanz, die sie beschwörten. Natürvölker beteten den Feuergott Java an. Ihrer Meinung nach sollte dieser in Vulkanen leben und bei dessen Ausbruch ihnen Fruchtbarkeit schenken. Der Vulkan galt seit jeher als Symbol des Feuers. Versuch 1: „Vulkan“ Chemikalien: Ammoniumdichromat (NH4)2Cr2O7 Aceton C3H6O T+, Krebserregend 2g 2 mL Geräte: feuerfeste Unterlage (z.B. Backblech), Aluminiumfolie, Schutzhandschuhe, Bunsenbrenner, Spatel, Pipette, 50 mL Becherglas Durchführung: In einen Abzug wird ein mit Aluminiumfolie abgedecktes Backblech gestellt. Das Ammoniumdichromat wird in Form eines Haufens auf die Unterlage gegeben (Schutzhandschuhe tragen!). Die Spitze des Haufens wird mit einigen Millilitern Aceton angefeuchtet. Danach wird die Spitze mit dem Bunsenbrenner entzündet. Beobachtung: Das orangene Ausgangsprodukt glüht, unter Funkenfreisetzung, nach Entzündung. Zurück bleibt ein grünes Reaktionsprodukt. Entsorgung: Die Rückstände werden gelöst und neutral in den Sammelbehälter für giftige anorganische Substanzen überführt. 4 Hoffmann Mary, Ray Jane: Erde, Feuer, Wasser, Luft. 7 Auswertung: Aceton (Propanon) wird zur einfacheren Entzündbarkeit des Ausgangsstoffes hinzugegeben. Bei der Reaktion zerfällt das orangene Ammoniumdichromat unter Freisetzung von Stickstoff und Wasser in grünes Chrom(III)oxid. Es findet eine exotherme Redoxreaktion statt. -3 +6 D +3 0 ( N H 4 )2 Cr 2O7( s) ¾¾ ® N 2( g) - +4H 2O(g ) - + C 2 O3(s ) Oxidation Reduktion Heute kommt das Feuer im Alltag noch in vielen Begriffen wie z.B. „Lagerfeuer“ und „anfeuern“ oder in Sprichwörtern wie „Spiel nicht mit dem Feuer“ vor. Die Menschen umgeben sich mit Kaminen, Kerzenlicht, Osterfeuern und Feuerwerk, um sich an Traditionen und Gebräuche zu erinnern. Chemisch ist das „Feuer“ eine exotherme Reaktion, eine Verbrennung (Oxidation) mit Flammenerscheinung, die sehr vielseitig sein kann. Da das verwendete Ammoniumdichromat krebserregend ist, ist die Durchführung des Versuches in der Schule verboten. Versuch 2: „Feuer unter Wasser“ Chemikalien: Kaliumpermanganat KMnO4 5g Ethanol C2H6O 1 mL Schwefelsäure(konz) H2SO4 C 5 mL Geräte: Stativmaterial, Demoreagenzglas, 3 50 mL Bechergläser, Spatel, Pipette 8 Durchführung: Das Reagenzglas wird zu ¼ mit Schwefelsäure gefüllt und in ein Stativ eingespannt. Mit derselben Menge an Ethanol wird die Schwefelsäure vorsichtig überschichtet (Reagenzglas etwas schräg halten oder einspannen). Das Kaliumpermanganat wird in das Reagenzglas gegeben, wenn sich zwei sichtbare Schichten gebildet haben (maximal 10 Spatelspitzen). Beobachtung: Nach dem Überschichten bilden sich zwei farblose Phasen aus. Nach Zugabe des Kaliumpermanganats findet an der Phasengrenze eine heftige Reaktion statt. Die Lösung im Reagenzglas färbt sich erst grünlich und dann braun. Entsorgung: Die Lösungen werden neutral in die anorganischen Abfälle gegeben. Auswertung: Das Kaliumpermanganat reagiert mit der konzentrierter Schwefelsäure zu Dimanganheptoxid (grün). KMnO4( s ) H 2 SO4( l ) K2 SO4( aq ) Mn2O7( aq ) H 2O An der Phasengrenze zerfällt das Heptoxid in Mangan(IV)oxid (braun) und Sauerstoff. 7 2 4 0 Mn2 O 7( aq ) 2 Mn O2( aq ) 1,5 O2( g ) Oxidation Reduktion Der entstandene reaktive Sauerstoff oxidiert das Ethanol zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. -3 -1 0 +4 -2 C H 3 C H 2OH (aq) + 3O 2(g) ® 2 C O2(g) - +3H2 O(g) Oxidation Reduktion 9 3. Wasser Schon Thales von Milet betrachtete das Wasser als unvergängliches Urelement, von dem alles Leben abhängt. Er soll gesagt haben: „alles ist Wasser und Wasser ist nicht erklärbar.“5 Wasser hat seit Jahrhunderten eine große Bedeutung für die Menschen, so wird es seit jeher in religiösen Zeremonien zu Waschungs- und Reinigungszwecken eingesetzt. „Das Element des Lebens“, wie das Wasser auch oft genannt wird, galt schon im Mittelalter als Symbol der Fruchtbarkeit und man sprach ihm magische Fähigkeiten zu. Neben „Jungbrunnen“ und Quellen umgaben sich die Menschen mit Wasserspielen wie z.B. dem Springbrunnen, um sich an diesem Element zu erfreuen. Versuch 3: „Springbrunnen“ Chemikalien: Ammoniak NH3 15 mL Kupfersulfat CuSO4 2g Entionisiertes Wasser H2O 500 mL Geräte: 1L Kolben, Ammoniakgasflasche, Hebebühne, Stativmaterial, Ventil, Gasflaschenhalter, dünner PVC-Schlauch, Unitestpapier, Doppelgebläse, Steigrohr, Woulff’sche Flasche Durchführung: Die Gasflasche wird angeschlossen und mit einem PVC-Schlauch verbunden, den man in den Abzug legt. In die Woulff’sche Flasche werden 4 Spatel Kupfersulfat gegeben und in 500 mL entionisierten Wasser gelöst. Die Apparatur wird mit Stopfen verschlossen. In den Kolben wird das Gas eingeleitet. Der Kolben ist vollständig gefüllt, wenn sich das angefeuchtete Unitestpapier blau färbt. Selbiger wird nun in das Stativ eingespannt und mit dem Rest der Apparatur verbunden. Mit dem Doppelgebläse wird ein Teil der Flüssigkeit durch das Steigrohr in den Kolben befördert. 5 Van der Sluis, Claudia: Reihe der vier Elemente Teil 1-4 (Erde, Wasser, Feuer, Luft). 10 Abbildung 4: Versuchsaufbau. Beobachtung: Die hellblaue Flüssigkeit steigt im Steigrohr auf und reagiert mit dem Gas im Kolben zu einer dunkelblauen Flüssigkeit. Abbildung 5: Kupfersulfat-Lösung. Abbildung 6: Blaue Lösung im Kolben. Entsorgung: Die Lösungen werden neutral in die anorganischen Abfälle gegeben. 11 Auswertung: Ammoniak dissoziiert im Wasser zu Ammonium- und Hydroxid- Ionen. NH3( g ) H 2O NH 4 ( aq ) OH ( aq) Das Kupfersulfat zerfällt im Wasser zu Kupfer-Ionen und Sulfat-Ionen. H 2O CuSO4( s) Cu 2( aq) SO4 2( aq) Diese hohe Löslichkeit erzeugt eine Volumenverringerung, die einen starken Unterdruck erzeugt. Die Kupfersulfat-Lösung strömt nun nach oben („Springbrunnen-Effekt“). Die Kupfer-Ionen (hellblau) reagieren mit Ammoniak zu einem tiefblauen TetraamminKupfer(II)-Komplex. Cu 2+(aq) +4NH ® [Cu(NH 3 )4 ](aq) 3(g) 2+ Wasser ist heutzutage allgegenwärtig. Zwei Drittel der Erdoberfläche sind von Meeren bedeckt. Seen, Flüsse, Niederschlag - überall wird das Wasser benötigt und ist für die Entstehung und die Erhaltung des Lebens entscheidend. In der Chemie wird Wasser mit der Formel H2O beschrieben. Es entsteht bei der Knallgasreaktion oder bei einigen Redoxreaktionen des Wasserstoffperoxids. Wasser liegt in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vor. Abbildung 7 : Struktur des gasförmigen Wassers. In der folgenden Demonstration wurde gezeigt, dass Flusswasser mehrere Ionen enthält und nicht nur aus einem Element besteht. 12 Demonstration 1: „Wasseruntersuchungen“ Chemikalien: Aquamerck Compact Laboratory for water analysis von Merck Proben: Lahnwasser, Volvic - Stilles Mineralwasser, entionisiertes Wasser, Leitungswasser Geräte: Aquamerck Compact Laboratory for water analysis von Merck, pH-Meter Durchführung: Nacheinander werden die Schnellnachweise für Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen sowie für den pH-Wert mit dem Aquamerck Compact Laboratory durchgeführt. Anschließend wird der pH-Wert aller Lösungen mit einer pH-Elektrode bestimmt. Beobachtung: Nach Zugabe der Nachweislösung werden die Proben auf eine farbige Skala gestellt, um den Gehalt an Ionen im Wasser zu bestimmen. Abbildung 8: Ammoniumnachweis des Lahnwassers. Abbildung 9: Nitratnachweis (links) Volvic, (rechts)Lahnwasser. Abbildung 10: Nitritnachweis des Lahnwassers. 13 Der pH-Wert der entsprechenden Lösungen kann vom pH-Meter abgelesen werden. Abbildung 11: pH-Messung en des Lahnwassers. Entsorgung: Alle Lösungen werden neutral in die organischen Abfälle gegeben. Auswertung: Die Ergebnisse der Schnellnachweise und der pH-Messungen sind in der unteren Tabelle zusammengefasst. Tabelle 1: Messwerte der Wasserproben und erlaubte Grenzwerte Wasser Lahn Volvic entionisiert Leitung Grenzwerte pH Nitrat /mg/L Nitrit /mg/L Ammonium /mg/L 7,7 10 0,3 - 0,4 0,4 7 5 0 0 5,5 0 0 0 8 10 0 0 9,5 25 10 0,5 Alle untersuchten Wasserproben liegen innerhalb der erlaubten Grenzwerte. Eine andere Möglichkeit des Nitrit-Nachweises kann mit Hilfe von Lunges-Reagenz durchgeführt werden 14 Versuch 4: „Nitritnachweis“ Chemikalien: Lunge I (Sulfanilsäure) C6H7NO3S Lunge II (1-Naphthylamin) C10H9N Essigsäure C2H4O2 Wasserprobe (Lahnwasser) - 2 mL Entionisiertes Wasser H2O 2 mL Lunges-Reagenz Blindprobe 2 mL 2 mL Geräte: Reagenzglasständer, 3 Reagenzgläser, Pipette, Spatel Durchführung: In Reagenzglas 1 wird entionisiertes Wasser, in Reagenzglas 2 die Lahnwasserprobe und in Reagenzglas 3 die Blindprobe gegeben. Danach gibt man in jedes Reagenzglas 5-10 Tropfen Lunges-Reagenz. Beobachtung: In Reagenzglas 1 tritt keine Verfärbung ein. Reagenzglas 2 färbt sich leicht rosa. In Reagenzglas 3 ist eine deutliche rosa-rote Färbung zu erkennen. Abbildung 12: Lahnwasserprobe mit Lunges-Reagenz. Entsorgung: Die Lösungen werden neutral in die organischen Abfälle gegeben. Auswertung: Die Sulfanilsäure reagiert mit den Nitrit-Ionen in der Lahnwasserprobe zu einem DiazoniumSalz. Dieses reagiert mit 1-Naphthylamin zu einem roten Azofarbstoff, der die Anwesenheit von Nitrit-Ionen nachweist. Im entionisierten Wasser sind keine Ionen enthalten, deshalb findet kein Farbumschlag statt. 15 1-Naphthylamin Werden Nitrit-Ionen in einem Gewässer nachgewiesen, führt man dies meist auf fäkale Verunreinigungen zurück. Andere Ursachen können eine unvollständige Mineralisation oder ein Sauerstoffmangel sein. Dabei werden Nitrate zu Nitriten reduziert.6 Nitrite sind cancerogen und mutagen. Sie können durch die Nahrung z.B. über Pökelsalze, aber auch durch die Reduktion von Nitraten entstehen, die in der Mundhöhle stattfindet. Für Säuglinge bis zum vierten Lebensmonat sind Nitrite äußerst bedenklich, da sie noch nicht über das Enzym Methämoglobinreduktase verfügen. Wenn nun z.B. durch Trinkwasser mehr als 100 g/ L Nitrat zugeführt und im Magen-Darm-Trakt zu Nitriten (Nitrosaminen) reduziert werden, kann dies zu einer Methämoglobinämie führen.7 Dabei wird der rote Blutfarbstoff Hämoglobin (Fe2+-Ionen) zu Methämoglobin oxidiert (Fe3+-Ionen). Bei diesem Vorgang verliert der Blutfarbstoff seine Fähigkeit, Sauerstoff zu transportieren. Typische Symptome sind Kopfschmerz, Übelkeit und Atemnot. Kollaps und Tod treten bei einem Methämoglobingehalt des Blutes von 60 bis 70 % auf.8 6 Becker, Harald: Bestimmung von Nitrat, Nitrit und Ammoniak in Gewässerproben. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBgesundheitarbeitsplatz/Methaemoglobinaemie.php 8 Pschyrembel: Klinisches Wörterbuch 257. Auflage. 7 16 4. Luft Die Luft und der Himmel stellten für die Menschen seit Urzeiten etwas Unerklärliches und Geheimnisvolles dar. Der Himmel gilt in vielen Religionen als Wohnung der Götter. Mit ihnen wurden lange Zeit Wetterphänomene wie z.B. die Winde assoziiert. In der heutigen Zeit weiß man, dass „Luft“ ein Gasgemisch der Erdatmosphäre ist, das aus 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und weiteren Gasen besteht.9 Überdies ist sie für die Atmung der Lebewesen und die Photosynthese unentbehrlich. Der folgende Versuch kann auch zur Demonstration von Gewittern genutzt werden. Der hier entstehende elektrische Flammbogen entspricht einem Blitz. Versuch 5: „Luftverbrennung“ Chemikalien: Stickstoff N2 10 mL Sauerstoff O2 10 mL Methylorange C14H14N3NaO3S 1 mL Entionisiertes Wasser H2O 50 mL Geräte: Stativmaterial, Scheidtsche Kugel, 1 Paar Hochspannungselektroden, Gaswaschflasche 200 mL, Gummigebläse, Hochspannungstransformator Durchführung: In die Gaswaschflasche werden 50 mL entionisiertes Wasser mit einigen Tropfen Methylorange Indikator gegeben. Danach werden alle Geräte mit Gummistopfen und –ringen fixiert. Die Apparatur sollte in einem Abzug aufgebaut werden. Der Hochspannungstransformator sollte außerhalb des Abzugs stehen. Erst nachdem die Apparatur vollständig aufgestellt ist, wird der Abzug geschlossen und eine Speisespannung von 10 - 15 V eingestellt. Nachdem die Scheidtsche Kugel sich mit dem Gas gefüllt hat, wird die Apparatur von dem Transformator getrennt. Mit dem Gummigebläse wird das Gas in die Gaswaschflasche geleitet. 9 Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 17 Abbildung 13: Versuchsaufbau. Beobachtung: Es tritt ein Lichtbogen zwischen den Elektroden auf. Die Scheidtsche Kugel füllt sich mit einem braunen Gas. Abbildung 14: Scheidtsche Kugel gefüllt mit braunem Gas. Der Indikator in der Waschflasche verfärbt sich nach Einleiten des Gases von gelb nach orange. Abbildung 15: (links) Waschflasche vor (rechts) nach Einleitung des Gases. 18 Entsorgung: Alle Lösungen werden neutral in die organischen Abfälle gegeben. Auswertung: Im Lichtbogen findet bei Temperaturen von 1900-1950°C eine Redoxreaktion statt. Der in der Scheidtschen Kugel enthaltene Luftstickstoff und Luftsauerstoff reagieren zu dem farblosen Stickstoffmonoxid-Gas. Reduktion 0 2 2 0 N 2( g ) O 2( g ) 2 N O ( g ) Oxidation Fällt die Temperatur ab, findet eine spontane Reaktion statt; Stickstoffmonoxid reagiert mit Sauerstoff zu dem braunen Gas Stickstoffdioxid. Reduktion 2 4 2 0 2 N O ( g ) O 2( g ) 2 N O 2(g ) Oxidation Wird das entstandene Gas nun in die Gaswaschflasche eingeleitet, entsteht Salpetersäure. Reduktion +4 +5 +2 3 N O2( g ) + H 2O(l ) ® 2 H N O3( aq ) + N O( g ) Oxidation Die Säure dissoziiert im Wasser. HNO3( aq ) + H 2O ® H 3O + (aq ) + NO 3- (aq ) Die dabei entstandenen H3O+-Ionen reagieren mit dem Indikator zu dem orangenen HIndKomplex. 19 H3O( aq) Ind ( aq) HInd( aq) H2 O Methylorange gehört zu den Azofarbstoffen und wird als Indikator eingesetzt. Der Umschlagsbereich liegt bei einem pH-Wert von 3,1-4,4 Rot nach Gelborange.10 Abbildung 16: Struktur von Methylorange. Abbildung 17: Umschlagsbereich Methylorange. Als Blitze bezeichnet man elektrische Entladungen zwischen Gebieten unterschiedlicher Raumladungen. In der Natur gibt es täglich 45.000 Blitze, sie entstehen, weil zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre ein permanentes elektrisches Feld existiert. In diesem Feld fließt ein Ionenstrom von 1000 A. Da der Erdboden den negativen Pol bildet, werden die in den Wolken initiierten negativen Ladungen zur Erdoberfläche transportiert, um den Stromfluss abzubauen. Das Spannungsfeld entlädt sich beim Blitz durch einen schnellen Kurzschluss, der sich auf 300.000°C erhitzt und sich explosionsartig ausdehnt. Diese Ausdehnung setzt sich in Form von Schallwellen fort, die als „Donnerknall“ oder „Donnergrollen“ wahrgenommen werden. Das Licht des Blitzes verbreitet sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s).11 10 11 http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_moran.htm http://www.weather-consult.com/Wettererscheinungen/Gewitter/ 20 5. Erde Die Griechen sahen „Gaia“ (= Mutter Erde) als wichtigste Göttin an, die im Gegensatz zum „Vater im Himmel“ immer im Zusammenhang mit Fruchtbarkeit und als Quelle des Lebens gesehen wurde. Auch die Griechen waren es, die unserem Planeten seinen Namen gaben. Der Begriff der „Erde“ wird in unserem Kulturkreis sehr vielseitig eingesetzt. Neben dem Boden kann auch unser Planet oder ein Lebensraum gemeint sein. Die Erde wird oft auch als das „schwarze Element“ bezeichnet. Dieser Begriff beschreibt die Verbundenheit mit dem Boden und den darin vorkommenden Bodenschätzen. Neben Silber und Gold versuchen die Menschen auch noch heute, in den Tiefen des Erdreichs auf Reichtümer zu stoßen und finden neben Metallen und Salzen auch Kohle. Versuch 6: „Verkokung von Steinkohle“ Chemikalien: Steinkohle (gemörsert) 2g Geräte: Stativmaterial, Reagenzglashalter, Hebebühne, Bunsenbrenner, 2 Stopfen, 2 Reagenzgläser, 2 Glasrohre, Feuerzeug Durchführung: Das erste Reagenzglas wird mit Steinkohle befüllt und schräg in die Apparatur eingespannt. Jenes wird mit dem Bunsenbrenner erwärmt, bis ein gelbliches Gas durch die Apparatur strömt. Dieses wird am Ende des zweiten Reagenzglases entzündet. Abbildung 18: Versuchsaufbau. 21 Beobachtung: Nach dem Erwärmen der Steinkohle strömt ein gelbliches Gas durch die Apparatur. Im zweiten Reagenzglas setzt sich eine braune Flüssigkeit ab und ein Gas lässt sich entzünden. Abbildung 19: Entzündetes Gas. Entsorgung: Beide Reagenzgläser können getrocknet in den Feststoffabfall gegeben werden. Auswertung: Beim Erhitzen von Steinkohle entstehen zwei Bestandteile. Der braune, flüssige Steinkohlenteer und das Leuchtgas. D Steinkohle( s ) ¾¾ ® Leuchtgas( g ) - + Steinkohlenteer(l ) Dieses wurde bei dem Versuch entzündet. Leuchtgas wurde früher zu Heiz- und Beleuchtungszwecken genutzt und ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Hauptbestandteile sind Wasserstoff, Methan und Kohlenstoffmonoxid. Steinkohlenteer entsteht ebenfalls bei der Verbrennung von Steinkohle. Er setzt sich aus verschiedenen aromatischen Verbindungen zusammen. Hauptbestandteile sind Naphthalin, Phenanthren und Kresole, die durch fraktionelle Destillation voneinander getrennt, gereinigt und in der Farbstoffindustrie eingesetzt werden. Leuchtgas - H2 - Methan - CO - N2 - CO2 45 - 50% 15 - 35% 10 - 20% 5 - 10% 1 - 2% Steinkohlenteer Abbildung 20: Bestandteile Leuchtgas und Steinkohleteer. - Naphthalin - Phenanthren - Kresole - Benzol - Anthracen - Phenol 6% 4% 2% 1-2% 1% 1% 22 6. Die vier Elemente in der Alchemie Im Altertum und im Mittelalter war die Chemie noch keine einheitliche Wissenschaft. Man unterschied die praktische Chemie (z.B. Metallurgie, Färberei, Bergbau), die Naturphilosophie (z.B. Entstehung und Aufbau der Welt, Atomtheorie) und die Alchemie. Die späte europäische Alchemie (16. bis Mitte 18. Jahrhundert) beschäftigte sich mit den vier folgenden Theorien: die Vier-Elementen-Lehre des Aristoteles, die Lehre von der Transmutation, die Schwefel-Quecksilber-Theorie und die Idee vom Stein der Weisen. Die aristotelische Elementenlehre bildete die Grundlage und Rechtfertigung für die damaligen Alchemisten, dass eine Transmutation der Metalle möglich war. Wenn schon die vier Elemente ineinander umgewandelt werden konnten, so sollten die Metalle, die aus den vier Elementen aufgebaut waren, dies auch tun. Man ging speziell in der Schwefel-Quecksilber-Theorie davon aus, dass alle anderen Stoffe aus den primären Teilchen, den vier Elementen, aufgebaut sein sollten. Auf der zweiten Stufe sollten die zwei hypothetischen Substanzen „Schwefel“ und „Quecksilber“ zusammenwirken um die tertiären Teilchen, die Metalle, zu bilden.12 Die vier Elemente „Schwefel“ und „Quecksilber“ Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Blei, Eisen Abbildung 21: Die vier Elemente der Alchemie. Abbildung 22: Schwefel-Quecksilber-Theorie. Auf den Jahrmärkten der damaligen Zeit konnte man die „vier Elemente“ eingeschlossen in einem Glas erwerben. 12 Weyer, Jost: Die Alchemie im lateinischen Mittelalter. 23 Demonstration 2: „Die vier Elemente“ Chemikalien: Sand SiO2 5g Sudan III C22H16N4O 1 Spatelspitze Ethanol C2H5OH 10 mL Entionisiertes Wasser H2O 10 mL Kupfersulfat CuSO4 2 Spatel Kaliumcarbonat K2CO3 5g Toluol C7H8 10 mL Geräte: 1 Demoreagenzglas, Pipette, Spatel, 2 x 250 mL Bechergläser Durchführung: Ethanol und Wasser werden im Verhältnis 1:1 gemischt. Dann wird so lange Kaliumcarbonat zugegeben, bis eine gesättigte Lösung entsteht und sich die alkoholische Phase von der Salzlösung trennt. In die Lösungen wird etwas Kupfersulfat gegeben. Das Demoreagenzglas wird zu 1/5 mit Sand und zu je einem weiteren Fünftel mit dem dem Gemisch gefüllt. Über dem Sand befinden sich nun zwei Flüssigkeitsphasen. Das Toluol wird mit Sudan III versetzt und dann ebenfalls hinzugegeben. Beobachtung: Es entstehen drei Phasen über dem Sand, die wässrige wird blau, die organische rot und die mittlere Phase bleibt farblos. Entsorgung: Alle Lösungen werden neutral in die organischen Abfälle gegeben. Der Sand kann getrocknet in die Feststofftonne gegeben werden. Auswertung: Die Demonstration beruht auf der Unmischbarkeit der unterschiedlichen Phasen. Gibt man zu dem Ethanol-Wasser-Gemisch eine gesättigte Salzlösung schwimmt dieses auf derselben und ist mit Kohlenwasserstoffen praktisch nicht mehr mischbar. Die nun entstandene wässrige Salzlösung färbt sich mit Kupfersulfat hellblau und die organische Toluol Phase nach Zugabe von Sudan III rot. Der feinkörnige Sand täuscht eine vierte Phase vor. 24 Toluol (Sudan III) Ethanol und Wasser Kaliumcarbonat mit Kupfersulfat in Wasser Sand Abbildung 23: „Die vier Elemente“. Abbildung 24 : Struktur Sudan III. Die vier Elemente dienten in der damaligen spirituellen Alchemie als „konservierte“ magische Charakteristiken, man verband Geisterglaube und Mystisches mit chemischen Experimenten. 25 Versuch 7: „Magisches Feuer“ Chemikalien: Ammoniumnitrat NH4NO3 O Ammoniumchlorid NH4Cl 0,5 g Strontiumchlorid SrCl2 0,5 g Zinkpulver Zn Entionisiertes Wasser H2O F 4g 4g 1 Pipette Geräte: Porzellanschale, Spatel, Holzspatel, Waage Durchführung: In eine Porzellanschale werden 4 g Ammoniumnitrat, 0,5 g Ammoniumchlorid und 0,5 g Strontiumchlorid vorsichtig gemischt. Anschließend wird das Zinkpulver hinzugegeben und erneut gemischt. Das fertige Gemisch in den Abzug stellen und mit einem Tropfen Wasser entzünden. Beobachtung: Nach der Zugabe von Wasser sprüht das Gemisch Funken und wird heiß. Entsorgung: Die Reste werden vorsichtig aus der Porzellanschale entfernt, in Wasser gelöst und dann in die anorganischen Abfälle gegeben. Auswertung: Nach der Zugabe von Wasser findet eine exotherme Reaktion statt, die durch die ChloridIonen katalysiert wird. Zink wird oxidiert zu Zinkoxid und das Ammoniumnitrat wird komproportioniert. 26 Die Betrachtungsweise der Alchemie zerfiel gegen Ende des 18. Jahrhunderts. Ihre naturwissenschaftliche Komponente mündete in die moderne Chemie, während die spirituellen Elemente von Vereinigungen wie z.B. den Rosenkreuzern weitergepflegt wurden. Die Aristotelische Theorie wurde erst 1661 von Robert Boyle angezweifelt und 1787 von Lavoisier entkräftet. Praktische Chemie, Naturphilosophie und Alchemie wuchsen zu einer einheitlichen Wissenschaft zusammen, die eine der zahlreichen Grundlagen für die heutige Chemie lieferten. 7. Die vier Elemente heute Nachdem die Elemente-Theorie von Lavoisier wiederlegt wurde, verschwand sie aus dem naturwissenschaftlichen Denken und verlor an Bedeutung. Dennoch finden wir die Elemente heute noch in erstaunlich vielen Begrifflichkeiten und Sprichwörtern des alltäglichen Lebens wieder. Kunst und Literatur verwenden die ElementeSymbolik als Bilder und Motive und in der Esoterik ist die Elemente-Philosophie immer noch vorherrschende Lehre. Mit der Zeit haben sich jedoch die Bezeichnungen und das Verständnis der Elemente verändert. Die „Erde“ wird heute kaum mehr als Element, sondern als Boden bezeichnet. Das Element des Feuers ist dem Energiebegriff gewichen. Der Bezug zur Natur geht immer mehr verloren und die Menschen versuchen sich durch Sport z.B. Drachenfliegen, Schwimmen oder Naturheilverfahren wieder mit den Elementen zu identifizieren und sie zu beherrschen. Durch die Umweltverschmutzung und den Klimawandel besinnen sich die Menschen immer mehr auf die Natur und des Menschen Abhängigkeit von ihr. Viele Projekte im Umweltschutz und der Ökologie werden gefördert. Man beginnt, die Elemente wieder durch neue Energiequellen zu nutzen. Wind-, Wassser-, Solar- und Erdenergien sollen in Zukunft eine Alternative zu Kohle und Atomkraft bieten. Im Rahmen dieser Forschungen steht auch die Brennstoffzelle als neue Energiequelle im Vordergrund. 27 Versuch 8: „Brennstoffzelle“ Chemikalien: Methanol CH3OH T, F Kaliumhydroxid KOH C Wasserstoffperoxid H2O2 C, O Geräte: Magnetrührer, Messgerät, Tonzylinder, Platinelektrode, versilberte Graphitelektrode, 2 Kabel, 1 Kontakt, Stativmaterial Durchführung: Es werden eine 5 molare Kaliumhydroxid-Lösung, eine Wasserstoffperoxid-Lösung (w = 0,3) und eine einmolare Wasserstoffperoxid-Lösung hergestellt. Der Tonzylinder wird mit der KOH-Lösung gewässert und zu ¾ mit ihr befüllt. Anschließend werden ¼ Methanol-Lösung hinzugegeben und eine platinierte Platineleketrode in die Lösung eingetaucht. In ein 150-mLBecherglas werden etwa 75 mL KOH-Lösung mit einem kleinen Rührfisch gegeben und eine versilberte Graphitelektrode mittels Stativ in die Lösung eingetaucht. Der befüllte Tonzylinder wird nun in das Becherglas gestellt und auf einem Magnetrührer platziert. Die beiden Elektroden werden über einen Motor verbunden. Anschließend werden 20 mL Wasserstoffperoxid-Lösung in kleinen Portionen an die Graphitelektrode gegossen. Abbildung 25: Versuchsaufbau. 28 Beobachtung: Nach Zugabe des Wasserstoffperoxids dreht sich der Motor. Entsorgung: Die Elektroden werden mit entionisierten Wasser abgespült und können wiederverwendet werden. Methanol wird neutral in die giftigen organischen Abfälle gegeben. Kaliumhydroxidund Wasserstoffperoxid-Lösung werden neutral in die anorganischen Abfälle gegeben. Auswertung: An der Silberkathode findet die Reduktion statt: Oxidation 2 0 +1 -1 -2 - 0 2 H O2( aq ) ® 2 O H(-aq ) + O2( g ) - O2( g ) 2 H 2O 4e 4 O H ( aq ) Reduktion Reduktion An der Platin-Anode die Oxidation: 2 4 C H 3OH 8OH ( aq ) C O32 ( aq ) 6 H 2O 6e Oxidation Die Gesamtreaktion lautet: Reduktion 2 1 4 2 C H 3 OH 3H 2 O 2 2OH ( aq ) C O3 2 ( aq ) 6 H 2 O Oxidation 29 Brennstoffzellen sind Primärbatterien, die im Zuge der Wasserstoffverbrennung freigesetzte chemische in elektrische Energie umwandeln. Der Vorgang wird als „elektrochemische Verbrennung“ bezeichnet. Sie liefern dadurch Strom, dass der porösen negativen Elektrode ununterbrochen gasförmiger Brennstoff (H2, CO) und der porösen positiven Elektrode ständig gasförmiges Oxidationsmittel (Luft, O2) zugeführt wird. Das als Reaktionsprodukt gebildete Wasser wird kontinuierlich abgeführt, während die beiden Elektroden durch einen ionendurchlässigen (elektronen- und gasundurchlässigen) Elektrolyten voneinander getrennt sind. Brennstoffzellen können zur stationären oder mobilen Stromerzeugung eingesetzt werden.13 Abbildung 26: Aufbau Brennstoffzelle. 13 Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 30 8. Schulrelevanz und didaktische Analyse Die didaktische Analyse des Experimentalvortrags basiert auf dem G8 Lehrplan für Hessen. Die Versuche des Experimentalvortrags lassen in verschiedenen Klassenstufen anwenden. In den Klassen 7 und 8 lässt sich das Thema „die vier Elemente“ sehr gut einbinden. Man kann ein Projekt für die Schüler gestalten, indem sie die vier Elemente entdecken und so gleichzeitig das Arbeiten im Labor lernen. Die Arbeit mit dem Bunsenbrenner kann dabei z.B. das Element Feuer symbolisieren. Alternativ kann man mit Hilfe der vier Elemente-Theorie sehr leicht einen historischen Einstieg in die Chemie gestalten, was sich gerade für die ersten Stunden anbietet. Für die Klassenstufe neun eignet sich Versuch 3 „Springbrunnen“ beim Teilthema SäureBase-Reaktionen und Versuch 6 „Steinkohle“ zum Thema fossile Brennstoffe demonstriert werden. Versuch 2 „Feuer unter Wasser“ kann ebenso wie Versuch 7 „Magisches Feuer“ bei dem Thema Redoxreaktionen in der zehnten Klasse durchgeführt werden. Im Versuch 5 „Luftverbrennung“ laufen ebenfalls Redoxreaktionen ab, der apparative Aufwand und die Gerätschaften sind jedoch in sehr wenigen Schulen vorhanden und der Versuch deswegen schwer umsetzbar. Für die Oberstufe passt Versuch 8 „Brennstoffzelle“ zum Wahlthema Elektrochemie, Die Demonstration 1 „Wasseranalysen“ kann im Wahlbereich Angewandte Chemie durchgeführt werden. Für den Leistungskurs empfehlen sich zum Thema Nachweise und Farbstoffe der Versuch 4 „Nitritnachweis“ und die Demonstration 2 „Die vier Elemente“. Versuch 1 „Vulkan“ ist auf Grund des verwendeten, krebserregenden Ammoniumdichromats in der Schule verboten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Thema „die vier Elemente“ sehr gut für eine Einführung in die Chemie eignet und sehr vielfältig ist. Da die Elemente auch heute noch in verschiedenen Formen unser Leben beeinflussen, können die Schüler sehr leicht einen Bezug zu ihnen herstellen. Die Förderung eines bewussten und verantwortungsvollen Umgangs mit der Natur und deren Elementen ist dabei wichtiger denn je und kann durch dieses Thema leicht angesprochen werden. Jedoch sollte man nicht vergessen, dass es sich hier um eine alte, widerlegte Theorie handelt, die von den „neuen“ Elementen des Periodensystems abgelöst wurde. 31 9.Quellenverzeichnis 9.1 Literaturverzeichnis: Böhme Gernot, Böhme Hartmut : Feuer, Wasser, Erde, Luft: eine Kulturgeschichte der Elemente, Beck, München 2004. Engels, Siegfried : Auf der Spur der Elemente. VEB Deutscher Verlag, Leipzig 1983. Hoffmann Mary , Ray Jane: Erde, Feuer, Wasser, Luft. Gerstenberg Verlag, Hildesheim 1995. Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin/New York 2007. Mortimer, C: Das Basiswissen der Chemie. 8.Auflage. Georg Thieme Verlag Stuttgart 2003. Pschyrembel: Klinisches Wörterbuch 257. Auflage. Walter de Gruyter Verlag Berlin 1994. Treumann, Rudolf : Die Elemente- Feuer, Erde, Luft und Wasser in Mythos und Wissenschaft. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1994. Van der Sluis, Claudia: Reihe der vier Elemente Teil 1-4 (Erde, Wasser, Feuer, Luft). Iris Bücher und mehr, Amsterdam 2004. Weyer, Jost: Die Alchemie im lateinischen Mittelalter. Chemie in unserer Zeit Heft 1989/1 , Weinheim 1989. 9.2 Internetquellen: T.Seilnacht: http://www.seilnacht.com/Chemie. letzter Zugriff: 17.09.2009. EWC Weather Consult GmbH:http://www.weatherconsult.com/Wettererscheinungen/Gewitter/. letzter Zugriff : 21.09.2009. KATALYSE Institut für angewandte Umweltforschung e.V.: http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBgesundheitarbeitsplatz/Methaemoglobinaemie.php /. Letzter Zugriff: 26.09.2009. 32 9.3 Versuchsbeschreibungen: - V 1 „Vulkan“: Roesky, Möckel: Chemische Kabinettstücke- Vulkan. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1996. - V2 „Feuer unter Wasser“ Braun, M: Feuer und Licht. Praxis der Naturwissenschaften Heft 5/2003. - V3 „Springbrunnen“ Brandl, H: Ammoniak-Springbrunnen mit Chemolumineszenz-Effekt. Praxis der Naturwissenschaften Heft 4/1993. - V4 „Nitratnachweis“ Becker, Harald: Bestimmung von Nitrat, Nitrit und Ammoniak in Gewässerproben. Naturwissenschaftlicher Unterricht Heft 3/1992. - V5 „Luftverbrennung“ Flügel, R: Die Chemie in Versuchen- Luftverbrennung. PHYWE- Schriftenreihe 1971. - V6 „Verkokung von Steinkohle“ Siebold, Dieter: Experimentalvortrag „Kohle“ WS 1978/1979. - V7 „Magisches Feuer“ Braun, M: Feuer und Licht. Praxis der Naturwissenschaften Heft 5/2003. - V8 „Brennstoffzelle“ Fachbereich Chemie der Philipps- Universität Marburg Lehrerfortbildung: V7 Methanol/WasserstoffperoxidBrennstoffzelle. - D1 „Wasseruntersuchungen“ Becker, Harald: Bestimmung von Nitrat, Nitrit und Ammoniak in Gewässerproben. Naturwissenschaftlicher Unterricht Heft 3/1992. - D2 „Die vier Elemente“ www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0101.html, 33 9.4 Abbildungen: - Titelbild: http://www.larimarhotel.at/showheader.php?src=files/images/4Elemente-0.jpg - Abbildung 1 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Empedokles.jpeg - Abbildung 2 http://138.232.99.40/081008_0400/081008-020.jpg - Abbildung 3 http://www.is-mir-egal.de/Elemente/Periodensystem/aristo.JPG - Abbildung 7 http://www.h2o-ist-leben.de/typo3temp/pics/8875732ff4.jpg - Abbildung 13 Flügel, R: Die Chemie in Versuchen- Luftverbrennung. PHYWESchriftenreihe 1971. - Abbildung 16 http://dic.academic.ru/pictures/dewiki/77/Methyl-orange-2Dskeletal.png - Abbildung 17 http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_moran.htm - Abbildung 20 Siebold, Dieter: Experimentalvortrag „Kohle“ WS 1978/1979. http://www.chids.de/dachs/expvortr/005Kohle_Siebold_Scan.pdf - Abbildung 21 http://symbolischewelten.de/media/Elemente/elemente02.jpg - Abbildung 22 Weyer, Jost: Die Alchemie im lateinischen Mittelalter. Chemie in unserer Zeit Heft 1989/1 , Weinheim 1989. - Abbildung 24 http://www.chemie.uni-hamburg.de/claks/obwexamples/sudanrot7b.png - Abbildung 26 http://www.uni-marburg.de/fb15/agroling/forschung/Brennstoffzelle.jpg Alle anderen Fotos und Abbildungen sind von Elisabeth Sieg erstellt worden. 34
