Titel: Salzgehalt des Wassers Themen: Erforschung des Salzgehalts

Lithuanian Team
Plan
Titel: Salzgehalt des Wassers
Themen: Erforschung des Salzgehalts im
Wasser
Zeit: 90 Minuten (2
Unterrichtsstunden)
Differenzierung:
Richtlinien, IKT Unterstützung etc.:



Talentierte Schülerinnen
und Schüler werden
aufgefordert, die
Gleichung der
Stromstärke in
Abhängigkeit von dem
Konzentrationsgrad (von
dem Graphen)
aufzuschreiben und die
physikalische Bedeutung
des linearen
Richtungskoeffizienten
zu definieren.
Schülerinnen und
Schülern, die die Arbeit
rasch erledigen, werden
Erweiterungsaufgaben
zur Verfügung gestellt.


Alter: 14 – 15
Schülerinnen und Schülern werden ein durchgängiger
Arbeitsablauf und eine Liste mit dem nötigen Zubehör für
diese Aktivität vorgelegt.
Da die Ergebnisse dieser Arbeit unter den Schülerinnen und
Schülern zuvor noch nicht bekannt sind, ergibt sich die
Möglichkeit zu Diskussionen in Gruppen. Analyse der
Ergebnisse und Diskussion sind nur wirkungsvoll, wenn die
Arbeit in Paaren oder Gruppen von 3-5 Personen durchgeführt
wird.
Der experimentelle Teil der Unterrichtsstunde kann mit
anderen zur Verfügung stehenden Vorrichtungen
durchgeführt werden, etwa mit dem computergestützten
Lehrsystem Nova5000 (Abbildung 2) oder mit Xplorer GLX,
unter Verwendung eines elektrischen Leitfähigkeitssensors.
Dann muss nicht die Stromstärke des Elektrolyts gemessen
werden, sondern seine Leitfähigkeit (mS).
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Benötigtes Zubehör für diese
Aktivität:
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Trockenes Salz,
Destilliertes Wasser,
Waagen,
Spannungsquelle (Batterie), 4,5
V,
Milliampere Meter,
Drähte,
Ein
Deckel
mit
2
Metallelektroden,
100 ml Messzylinder,
Ein Glass,
Eine Schüssel für Abwasser,
Ein Stab,
Ein Spatel,
Papierhandtücher.
Benötigte Kenntnisse:


Vorstellungen von Atomen,
Ionen, Elektrolyten, der
Konzentration einer Lösung,
elektrischem Strom.
Brüche, Verhältnisse,
Prozentrechnung.
Lernergebnisse für diese Aktivität:
Alle
 Werden die Haupteigenschaften von Elektrolyten
kennen
 Werden dazu fähig sein, die Prozesse, die in
wässrigen Lösungen stattfinden, zu erklären.
 Werden imstande sein, die Gerätschaften für die
Arbeit laut Anleitung vorzubereiten.
 Werden es schaffen, wässrige Lösungen mit
unterschiedlichen Konzentrationen herzustellen.
Die meisten
 Werden den Graphen der Stromstärke in wässrigen
Lösungen in Abhängigkeit von der Konzentration
aufgelösten Salzes zeichnen können.
 Werden imstande sein, aus dem Graphen
Veränderungen der Stromstärke festzustellen, z. B.
Neigungswinkel der Tangente
Einige
 Werden dazu fähig sein, die Gleichung der
Stromstärke in Abhängigkeit von der Konzentration
niederzuschreiben.
 Werden imstande sein, die elektrische Leitfähigkeit
von Elektrolyten zu bewerten.
Gesundheit und Sicherheit:
Vorsicht bei der Verwendung der
Gerätschaften für das Experiment
und der Materialien.
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Stundenablauf
Anfangsaktivität
Schülerinnen und Schüler betreten den Klassenraum und räumen ihre Jacken und Taschen weg.
Schülerinnen und Schüler werden aufgefordert, sich an den Mathematikunterricht zu erinnern:
Brüche, (Verhältnisse), Prozentrechnung und lineare Gleichungen.
Dann findet eine Diskussion über die Auswirkungen von Salzgehalt auf Flusswasser, Boden,
Pflanzen, und private und gewerbliche Wasseranlagen statt.
Schülerinnen und Schüler werden aufgefordert, die Haupteigenschaften von Elektrolyten und den
Prozessen, die in ihnen ablaufen, zu erklären.
Für die Fähigsten und Talentiertesten kann eine Diskussion über den Einfluss des Salzgehalts von
Wasser und Boden auf den Menschen und seine Umgebung durchgeführt werden.
Hauptaktivität
Schülerinnen und Schüler beginnen mit ihrer Arbeit an dem Arbeitsblatt Erforschung des
Salzgehalts im Wasser.
Eine praktische Erklärung ist gegeben.
Ziel: Die Untersuchung der Abhängigkeit von Stromstärke
in Salzlösungen von der Salzkonzentration.
Um den Graphen der Stromstärke in der Salzlösung in
Abhängigkeit von der Salzkonzentration I = f(c %) zu zeichnen,
ist es notwendig, einige wässrige Lösungen mit verschieden
hoher Konzentration herzustellen (2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10
%) und die Stromstärke in jeder davon zu messen.
Prozentuelle Konzentration [%] c% 
Figure 1. Electrical scheme
md
 100 %; wobei
m
md – Salzmenge, g; m – die ganze Lösungsmasse, g.
Um die Stromstärke in der Lösung zu messen, schließe den elektrischen Stromkreis (Abbildung 1).
Führe die Messungen und Berechnungen durch. Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein.
Insgesamt soll immer m  100 g sein, aber unterschiedliche Anteile von Wasser und Salz aufweisen.
m  md + mv.
Die Stromstärke jeder Lösung soll in genau derselben Menge an Lösung gemessen werden (in
unserem Fall 100 ml Lösung), damit die Elektroden auf gleiche Weise in der Lösung untergetaucht
sind.
Erweiterung
Talentiertere Schülerinnen und Schüler können zu diesem Zeitpunkt aufgefordert werden, Probleme
mit dem Ablauf des Experiments zu betrachten oder Verbesserungen vorzuschlagen.
Arbeitsblatt-Aktivität
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Die Schülerinnen und Schüler sollen die Arbeitsblätter einzeln ausfüllen. Sie sollen die Ergebnisse
festhalten, die Daten in die Tabelle eintragen, entscheiden, welche Art von Graph am geeignetsten
ist, dann den Graphen zeichnen, von dem Graphen die Veränderungen der Stromstärke berechnen.
Nach Veränderung der Konzentration um 1% (in dem Graphen entspricht die Neigung einer Tangente
der Stromstärke) definiere mit Hilfe des Graphen die Stromstärke einer 5% bzw. 7%igen NaCl
Lösung.
Fähigere Schülerinnen und Schüler können aufgefordert werden, die lineare Gleichung
aufzuschreiben und den linearen Richtungskoeffizienten zu erklären.
Erweiterungsaktivität
Schülerinnen und Schüler, die die Arbeit rasch erledigen, können die zur Verfügung gestellten
Erweiterungsaufgaben bearbeiten. (Bestimmung der Konzentration einer Salzlösung).
Plenum
Schülerinnen und Schüler werden über das durchgeführte Verfahren befragt; sie werden
aufgefordert, sich Gründe für eigenartige Ergebnisse zu überlegen.
Sie werden aufgefordert, Schlussfolgerungen über Stromstärke in Beziehung zu NaCl-Konzentration,
über Lösungsleitfähigkeit und den mathematischen Abhängigkeitstyp von NaCl-Konzentration zu
machen.
Mit den talentierteren Schülerinnen und Schülern wird diskutiert, ob der Prozess immer linear ist
und warum Abweichungen von der Linearität möglich sind, wenn die Konzentration der Lösung
höher ist.
Anmerkung
Der experimentelle Teil der Unterrichtsstunde kann mit anderen zur Verfügung stehenden
Gerätschaften durchgeführt werden, zum Beispiel mit dem computergestützten Lehrsystem
Nova5000 (Abbildung 2) oder Xplorer GLX, unter Verwendung eines elektrischen
Leitfähigkeitssensors. Dann muss die Leitfähigkeit (ms) gemessen werden und nicht die
Stromstärke.
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Abbildung 2: Gerätschaften und Materialien des Experiments mit Nova5000
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Worksheet
Untersuchung des Salzgehalts von Wasser
Substanzen, die sich in Wasser oder in einem anderen polaren Lösungsmittel in positiv geladene
Ionen auflösen – Kationen und negativ geladene Ionen – Anionen. Elektrolyte sind Substanzen, die, wenn
aufgelöst oder flüssig, elektrischen Strom leiten. Diese Eigenschaften sind charakteristisch für Säure,
Hydroxide und für beinahe alle Salzlösungen.
Es ist bekannt, dass Salz (NaCl) sich in Wasser auflöst, Moleküle spalten sich in positive (Na+)
und negative (cl) Ionen, das heißt elektrolytische Dissoziation findet statt.
NaCl (k) → Na+ (aq) + Cl-(aq).
Wenn es kein äußeres elektrisches Feld gibt, bewegen sich die Moleküle und Ionen der Lösung
chaotisch. Wenn ein elektrisches Feld auftritt, kommt es zu einer unmittelbaren Bewegung der Ionen:
positive Ionen bewegen sich in Richtung einer negativen Elektrode und negative Ionen – zu einer positiven
hin. Diese zwei entgegengesetzten Ionenflüsse bilden nämlich den elektrischen Strom in den Elektrolyten
und die Stromstärke hängt von der Konzentration der Lösung ab
Leitfähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials elektrischen Strom zu leiten. Die Leitfähigkeit
einer Lösung ist bestimmt durch die Gegenwart von aufgelösten anorganischen Salzen, wie etwa Chlorid, Nitrat-, Sulfat- und Phosphat-Anionen (negativ geladenen Ionen) oder NaCl-, Magnesium-, Calcium-,
Eisen- und Aluminium-Kationen (positiv geladenen Ionen).
Wässrige Lösungen von organischen Verbindungen, wie Öl, Phenol, Alkohol und Zucker leiten
den elektrischen Strom nur sehr schwach, weshalb ihre elektrische Leitfähigkeit sehr gering ist. Da die
Leitfähigkeit von der Konzentration der Lösung abhängt, sind Messungen zur Leitfähigkeit ein guter
Konzentrations-Indikator für die Menge an aufgelösten Festkörpern in der wässrigen Lösung. Leitfähigkeit
hängt auch von der Temperatur ab: die Leitfähigkeit einer warmen Lösung ist höher.
In einer natürlichen Umgebung kann die Menge an Salz sowohl im Boden als auch im Wasser
relativ hoch sein. Zum Beispiel weist das Wasser von Flüssen sehr verschiedene Salzgehalte aufgrund von
verschiedener Arten von Boden, geologische Strukturen und salzhaltiges Untergrundwasserströmungen
auf. Probleme treten dann auf, wenn die Balance des Salzgehalts in der natürlichen Umgebung sich
verändert.
Salzgehalt ist eine große Bedrohung für die Oberfläche und Wasserressourcen im Untergrund. Je
nach Salzmenge im Boden verändert sich das Wachstum von Pflanzen. Ein hoher Salzgehalt von Flüssen
kann die Verwendung des Wassers im Bewässerungssystem, der Landwirtschaft und der
Trinkwasserversorgung einschränken.
Salinität kann auch die Flora von frischem Wasser, Flora, Fauna und die Küstenvegetation
beeinflussen. In Städten vermindert der Salzgehalt von Wasser die Nutzungszeit von Gerätschaften im
Haushalt und in der Industrie, und bedingt eine vermehrte Verwendung von Reinigungsmitteln und größere
Ausgaben für Wartungen.
In wässrigen Lösungen werden für die Leitfähigkeitsmessungen für gewöhnlich Mikrosiemens
pro Zentimeter (µS/cm) und Millisiemens pro Zentimeter (mS/cm) verwendet.
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Workshee
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Fragen
Antworten
1. Was ist elektrische Leitfähigkeit?
2. Was bestimmt die Leitfähigkeit der Lösung?
.
3. Wie wird die elektrische Leitfähigkeit der
Lösung gemessen?
4. Nach dem Verdampfen von Salzwasser,
werden 3% an Salz gewonnen. Wie viel Salz
bekommt man, nachdem man 36 kg Salzwasser
verdampfen hat lassen?
5. Schreibe die linearen
gegebenen Graphen auf.
Gleichungen
der
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Answer sheet
Untersuchung des Salzgehalts von Wasser
Antwortblatt
Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein.
Seq.
No
Salzmenge
Wassermenge
md, g
mv, g
Prozentuelle
Konzentration
c%
Stromstärke
I, mA
1
2
3
4
5
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Zeichne mit Hilfe der Daten aus der Tabelle den Graphen der elektrischen Stromstärke in der Salzlösung
in Abhängigkeit von der Konzentration I = f(c%).
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Answer sheet
Berechne mit Hilfe des Graphen Veränderungen der elektrischen Stromstärke nach der Veränderung
der Konzentration um ein Prozent.
∆I/∆c = ............................ mA/%.
Berechne mit Hilfe des Graphen was die Stromstärke einer 5%igen NaCl-Lösung ist:
I (5 %) = ........................
mA,
Berechne mit Hilfe des Graphen was die Stromstärke einer 7%igen NaCl-Lösung ist:
I (7 %) = ........................
mA,
Im Graphen gibt der Neigungswinkel einer geradlinigen Tangente die Veränderung in der
Leitfähigkeit an.
Zusatz:

Schreibe unter Verwendung des Graphen die Gleichung der Stromstärke in Abhängigkeit von dem
Konzentrationsgrad an.
..........................................................

Definiere die physikalische Bedeutung des linearen Richtungskoeffizienten.
..........................................................
Schlussfolgerungen:

Ziehe eine Schlussfolgerung über die Abhängigkeit von Stromstärke von der NaClKonzentration:
................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

Ziehe eine Schlussfolgerung über die Stromstärke einer Lösung und den mathematischen
Abhängigkeitstyp von NaCl-Konzentration.
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
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Extension
Messung der Konzentration einer Salzlösung
Wenn man Gurken für den Winter einlegt, ist es notwendig, eine Salzlösung vorzubereiten. Tom
und seine Mutter bereiten 1.5 kg einer Salzlösung vor, sie schüttet 3 Löffel Salz in das Wasser. Ein
Löffel Salz misst 20 g.

Welche Konzentration hat die Salzlösung, die Tom und seine Mutter herstellen?
Tom versucht seiner Mutter zu helfen und hat eine größere Menge an Salzlösung zubereitet, aber
während der Herstellung hat er vergessen, wie viele Löffel er verwendet hat. Im Unterricht nimmt er
100 g der bereitgestellten Lösung und misst eine Stromstärke von Ix = 150 mA.

Bestimme unter Verwendung des Graphen, der die elektrische Stromstärke in der Salzlösung in
Abhängigkeit von der Konzentration zeigt (wurde während des Unterrichts gezeichnet), ob Tom
eine passende Lösung gemacht hat.
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