Wetter-Experimente Mutz

Arbeitsmaterialien zum Thema
„Wetter“
von
E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Inhalt
Wetter
Vorwort zu Wetter
Sachinformationen
Luft und Luftdruck
Atmung
Wetter und Klima
Wasser
Aufbau der Materie
1. Was ist Luft?
Ist Luft ein Stoff?
Hat Luft hat ein Gewicht?
Erzeugt Luft einen Druck?
Wie stark ist der Druck, den Luft erzeugt?
2. Woraus besteht Luft?
3. Unsere Atmung
Wie kommt Luft in unsere Lunge?
Wie viel Luft passt in unsere Lunge?
4. Warum ist es windig?
Welche Eigenschaft hat warme Luft?
Kann man mit warmer Luft zaubern?
Wie kann man Luftdruckveränderungen erkennen?
Wer erwärmt sich schneller – Wasser oder Sand?
5. Was ist Wasser?
Kann man alle Stoffe in Wasser lösen?
Kann man beliebig viel Kochsalz im Wasser lösen?
Enthält klares Wasser Stoffe?
Wie kann man verschmutztes Wasser reinigen?
Wie kann Salzwasser wieder trinkbar gemacht werden?
Warum können Körper, die schwerer als Wasser sind, auf dem Wasser schwimmen?
Was bedeutet: Pril entspannt das Wasser?
Eine Münze als Wassersammler
Sägespäne werden wie durch Zauberkraft verdrängt
Warum klettert Wasser an Glaswänden hoch?
6. Warum es regnet
Wie kann Wasser verschwinden und wieder auftauchen?
Wie entsteht Regen?
Wie man Regenmengen messen kann
7. Ein Experiment zum Treibhauseffekt
8. Woraus Körper bestehen – Das Teilchenmodell
9. Vorlagen
10. Sicherheitsaspekte
11. Materialliste
12. Anhang
Löslichkeitstabelle
Niederschlagstabelle
13. Bild– und Textquellenverzeichnis
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WETTER
Vorwort zu Wetter
Einleitung
Die vorliegenden Materialien richten sich an Lehrkräfte an Hauptschulen und Förderschulen,
die im neuen Lernbereich „Natur und Technik“ unterrichten. Inhaltlich gibt es eine Reihe von
Überschneidungen mit Themen der Rahmenpläne Naturwissenschaften 5/6 an Gesamtschulen und Gymnasien und entsprechenden Themen im Wahlpflichtunterricht. Deshalb können
auch Lehrkräfte dieser Schulformen von den Materialien profitieren.
In die Materialsammlung sind nur solche Versuche aufgenommen worden, die von den Verfassern mehrfach in ihrem eigenen Unterricht mit den unterschiedlichsten Lerngruppen dieser Altersstufe erprobt worden sind. Wenn nötig, wurden zu einzelnen Versuchen die fachlichen Grundlagen aufgeführt. Damit wird besonders fachfremden Kolleginnen und Kollegen
eine Hilfe bei der Unterrichtsvorbereitung gegeben.
Die Materialien sind in der vorliegenden Entwurfsfassung folgendermaßen gegliedert:
1. Inhaltliche Schwerpunkte des Themenkomplexes
2. Arbeitsformen – Hinweise zur Methodik und Didaktik
3. Vorkenntnisse und Alltagserfahrungen
4. Ergänzende Hinweise – z. B. Sicherheitsbestimmungen, besondere Lernschwierigkeiten
5. Schüler- und Lehrerversuche – detaillierte Versuchsbeschreibungen
6. Schülerarbeitsblätter zur Lernkontrolle und zur Ergebnissicherung
7. Schülerarbeitsblätter mit experimentellen Aufgaben (in Vorbereitung)
8. Gliederungsvorschlag für eine Unterrichtseinheit (in Vorbereitung)
9. Anhang mit Literaturangaben und Materialangaben
Themenkomplex 1: „Was ist Luft?“ – inhaltliche Schwerpunkte
Das Thema verbindet ein Teilgebiet der Mechanik, und zwar die physikalischen Eigenschaften der Luft (eines Gasgemisches) mit der Chemie der Luft (Zusammensetzung der Luft und
Eigenschaften der Luftbestandteile) mit biologischen Sachverhalten (gesunde Luft und Atmung).
1. Die Erde ist von einer Lufthülle umgeben, in der sich im Wesentlichen das Leben abspielt.
2. Die Hauptbestandteile der Luft sind die Gase Sauerstoff und Stickstoff. Außerdem enthält
Luft Wasser in Form von Wasserdampf und Feststoffe als Staubteilchen.
3. Der Mensch benötigt Sauerstoff zum Atmen. Diesen atmet er über die Lungen mithilfe
des Zwerchfells ein.
4. Der Luftdruck entsteht durch die Gewichtskraft der Luft und ihr Ausdehnungsbestreben.
5. Der atmosphärische Luftdruck bestimmt das Wettergeschehen.
6. Der Luftdruck ist eine meteorologische Grundgröße. Die anderen Grundgrößen sind die
Temperatur, die Luftfeuchte und die Niederschläge.
Das Vakuum erscheint nicht als inhaltlicher Schwerpunkt, weil es an mehreren Stellen angesprochen wird (Raum außerhalb der Erdatmosphäre; Luft aus einem Gefäß herauspumpen zur Unterdruckerzeugung).
Zur Erklärung des Luftdruckes in einem abgeschlossenen Gefäß ist das Teilchenmodell erforderlich (Luftteilchen bewegen sich regellos und prallen dabei auf die Gefäßwände). Eine
Definition der Druckeinheit 1 Bar ist an dieser Stelle des Unterrichts nicht möglich. Was man
unter 1 Bar versteht, lässt sich aber plausibel machen: 1 Liter Milch ruht auf der Fläche des
Daumens.
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Arbeitsformen
Bei diesem Thema bietet es sich an, Wetterbeobachtungen – hier Luftdruckmessungen
durchzuführen. Dabei können Schülerinnen und Schüler auch Kontakt zum Wetteramt aufnehmen oder aktuelle Wetterdaten aus dem Internet abrufen. Der Themen Bereich „Gesunde
Luft und Atmung“ eignet sich besonders um die Interessen der Mädchen der Lerngruppe zu
berücksichtigen. Hierbei werden biologische Sachverhalte in den Unterricht aufgenommen,
auch wenn sie nicht unbedingt einen direkten Bezug zum Thema „Wetter“ haben.
Für Schülerversuche gibt es vielfältige Möglichkeiten:
Untersuchung von Kleingeräten, bei denen der Luftdruck die entscheidende Rolle spielt
(z. B. Saughaken für Kachelwände, Abflusssauger, Einweckglas, Luftpumpe)
Umgang oder Aufbau von Funktionsmodellen (z. B. Atmungsmodell, Modell zur Windentstehung, einfaches Barometer, einfacher Windrichtungsanzeiger, Windgeschwindigkeitsmesser).
Einfache Experimente (z. B. Luftgewichtsbestimmung, Bestimmung des Atemvolumens,
Nachweis von Schmutzteilchen in der Luft; Wirkung des Luftdrucks auf einen evakuierten
Blechkanister, Versuche mit der Vakuumglocke, Antrieb eines „Raketenwagens“ mit einem Luftballon nach dem Rückstoßprinzip).
Vorkenntnisse und Alltagsvorstellungen
Der Umgang mit Luft (Luftpumpe, Luftdruck im Fahrrad- und Autoreifen, vakuumverpackte
Lebensmittel, Luftmatratze, Fußball, Luftdruck-Wasserpistole usw.) ist Schülerinnen und
Schülern vertraut. Der Unterricht kann also an Ereignissen bzw. Gegenständen aus Alltag
und Technik anknüpfen.
Bei Pumpvorgängen mit Hilfe des atmosphärischen Luftdruckes wird von Schülerinnen und
Schülern der Begriff „Saugen“ verwendet. Dass es sich um einen Druckvorgang handelt,
muss deshalb im Unterricht eingehend geklärt werden.
Einzelne Bestandteile der Luft wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid sind den Schülerinnen und Schülern in der Regel schon bekannt. Einige wesentliche Eigenschaften der
Gase lernen sie in der Unterrichtseinheit kennen.
Die Entstehung von Wind, sowie von Hoch- und Tiefdruckgebieten ist den Schülerinnen und
Schülern in der Regel nicht bekannt und muss daher mit ihnen erarbeitet werden.
Das Vakuum ist Schülerinnen und Schülern insofern vertraut, als sie sich einen luftleeren
Raum außerhalb der Erdatmosphäre im Weltraum vorstellen können.
Ergänzende Hinweise
Luft ist ein unsichtbarer Körper. Es muss deshalb von anderen beobachtbaren Ereignissen
auf das Vorhandensein von Luft rückgeschlossen werden. Das sollte Schülerinnen und Schülern stets bewusst sein.
Bei der Bestimmung des Luftgewichtes ist ein qualitativer Nachweis ausreichend. Dass 1 Liter Luft etwa 1,3g wiegt, kann man Schülerinnen und Schülern mitteilen.
Für Versuche mit Überdruck und Unterdruck gelten besondere Sicherheitsbestimmungen, die
unbedingt einzuhalten sind. Einige der vorgestellten Versuche sind daher aus Sicherheitsgründen als Lehrerversuch gekennzeichnet.
Da bei Wetterberichten häufig die Druckeinheit Hektopascal (hPa) genannt wird, sollten die
Schülerinnen und Schüler auf die Beziehung 1mbar = 1 hPa hingewiesen werden.
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Themenkomplex 2: „Was ist Wasser?“ – inhaltliche Schwerpunkte
Im Themenbereich „Wetter 1“ wird die Frage zunächst unter naturwissenschaftlichen Aspekten untersucht. Außerdem spielt die Bedeutung des Wassers als Lebensgrundlage eine Rolle.
Wasser hat in der Natur eine Sonderstellung. Es kommt in allen drei möglichen Zustandsformen (fest, flüssig und gasförmig) vor. Die Zustandsformen nennt man Aggregatzustände.
Die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen werden mit besonderen Ausdrücken
bezeichnet:
fest → flüssig: schmelzen
flüssig → fest: erstarren
flüssig → gasförmig: verdampfen
gasförmig → flüssig: kondensieren
Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für viele feste, flüssige und gasförmige Stoffe.
Wasser ist in Form von Trinkwasser und Mineralwasser ein wichtiges Lebensmittel.
Die Verfügbarkeit von Trinkwasser ist durch steigenden Wasserverbrauch und durch
Verschmutzung gefährdet.
Der Wasserkreislauf ist ein wichtiger natürlicher Kreislauf.
Arbeitsformen
Zu diesem Themenkomplex ist eine Vielzahl von Experimenten möglich. Sie können in Einzel-, Partner- und Gruppenarbeit durchgeführt werden. Anhand altersgemäßer Sachtexte
können Schülerinnen und Schüler lernen, wie man sich Informationen zu naturwissenschaftlichen Fragestellungen beschafft. Sie lernen die Ergebnisse ihrer Arbeit durch Zeichnungen,
Schaubilder, Plakate und Fotos zu dokumentieren.
Als außerschulische Lernorte kommen ein Wasserwerk oder eine Kläranlage in Frage.
Beispiele für Schülerexperimente sind:
Versuche zu den physikalischen Eigenschaften des Wassers ( Schmelzen von Eis, Erhitzen des Wassers bis zum Sieden, Herstellung von destilliertem Wasser, Dichte des Wassers, Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren)
Versuche zu den chemischen Eigenschaften (Lösen von Kochsalz im Wasser, Bestimmung des Salzgehaltes von Mineralwasser durch Eindampfen, Herstellen von gesättigten
Salzlösungen, Kristallbildung, Reinigen von Schmutzwasser)
Vorkenntnisse und Alltagserfahrungen
Schülerinnen und Schüler haben meistens schon Vorkenntnisse aus dem Sachunterricht an
der Grundschule und aus der Geografie. Sie können oft nur wenige Stoffe aus ihrem Erfahrungsbereich nennen, die sich in Wasser lösen. Salz wird gleichgesetzt mit Kochsalz, andere, auch unlösliche Salze, sind in dieser Altersstufe noch nicht bekannt. Hier muss die Lehrkraft entscheiden, welche Stoffe noch kennen gelernt werden sollen. Für die Erklärung der
Löslichkeit sowie für die Aggregatzustände ist eine anschauliche und altersgerechte Form
des Teilchenmodells notwendig.
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Ergänzende Hinweise
Bei Versuchen, bei denen Glasgeräte und ein Laborbrenner benutzt werden, können bei unsachgemäßem Experimentieren Unfälle passieren (Verletzungen durch Glasbruch oder auch
Verbrennungen). Die Schülerinnen und Schüler müssen daher auf entsprechende Sicherheitsvorkehrungen hingewiesen und entsprechend trainiert werden. Der richtige Umgang mit
einem Laborbrenner muss eingeübt werden. Zur Sicherheitsausstattung des Fachraums sollten auch eine ausreichende Anzahl Schutzbrillen gehören, die beim Experimentieren aufgesetzt werden müssen.
Die sogenannte Anomalie des Wassers ist im Schülerexperiment schwierig zu zeigen. Hier
reicht es, wenn die Lehrkraft auf dies Phänomen hinweist und seine Bedeutung für das Leben in einem Gewässer erklärt.
Die Dichte des Wassers wird in der Regel mit 1 angegeben. Den Schülerinnen und Schülern
muss veranschaulicht werden, was die Maßzahl 1 bedeutet. 1 Liter Wasser wiegt 1 kg usw.
Dies gilt aber nur für reines Wasser (destilliertes Wasser), Salzwasser hat z. B. eine größere
Dichte als Süßwasser.
Die Löslichkeit vieler Salze in Wasser ist von der Temperatur abhängig. Entsprechende Versuchsreihen sind auf dieser Altersstufe experimentell aufwendig und nur von wenigen Lerngruppen durchführbar. Man benötigt dafür Salze (z. B. Ammoniumchlorid), die nicht zum Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler gehören.
Themenkomplex 3: „ Wie entstehen Regen, Wind und Wolken?“ – inhaltliche Schwerpunkte
Dieser Themenkomplex hat überwiegend physikalische Inhalte, die vorwiegend aus dem Bereich der Thermodynamik stammen. Entsprechende Kenntnisse können von Schülerinnen
und Schülern dieser Altersstufe nicht erwartet werden. Es kommt vielmehr darauf an, an Alltagsphänomene anzuknüpfen, einfache Experimente durchzuführen und die zugrunde liegenden physikalischen Inhalte didaktisch so weit zu reduzieren, dass sie von den Schülerinnen und Schülern verstanden werden. Zum Themenkomplex sollten folgende inhaltliche
Schwerpunkte gehören:
Hoch und Tief entstehen durch globale Temperaturunterschiede. Zwischen Hoch und Tief
befindet sich die Luft in einem Kreislauf.
Wind ist strömende Luft. Er entsteht, wenn sich die Druckunterschiede zwischen einem
Hoch und einem Tief ausgleichen.
Eng mit dem Luftkreislauf ist der Wasserkreislauf verbunden. Die aufsteigende Luft
nimmt Wasser auf, das verdunstet ist. In höheren Luftschichten kühlt der Wasserdampf
ab. Er kondensiert zu kleinen Tröpfchen, die als Wolken sichtbar werden. Kühlt eine Wolke ab, werden die kleinen Wassertröpfchen zu dicken Tropfen. Sie fallen wegen ihres
Gewichtes als Regen zu Boden.
Schnee entsteht, wenn in einer Wolke eine Temperatur unter dem Gefrierpunkt herrscht.
Aus den Wassertropfen bilden sich dann Eiskristalle und es schneit.
Andere Wetterphänomene sind Nebel, Tau und Raureif. Sie lassen sich über den Wasserkreislauf erklären.
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Arbeitsformen
Einige der Wetterphänomene lassen sich mit einfachen Experimenten veranschaulichen, die
leicht von den Schülerinnen und Schülern durchgeführt werden können. Die Experimente
werden in Partnerarbeit, im Rahmen eines Lernzirkels oder auch innerhalb einer Werkstatt
zum Thema Wetter durchgeführt. Da der Geräteaufwand solcher Experimente meist gering
ist, eignen sie sich auch als Hausexperiment. Zum Themenbereich Wetter gibt es eine Vielzahl von Medien, die die Schülerinnen und Schüler dabei unterstützen können, sich naturwissenschaftliche Informationen selbstständig zu erarbeiten. Der Umgang mit Sachtexten
führt die Schülerinnen und Schüler behutsam an die naturwissenschaftliche Fachsprache heran.
Beispiele für Schülerexperimente:
Entstehung von Luftdruckunterschieden und Winden: Luftdruckmessungen mit verschiedenen Experimenten; Messung der Höhenabhängigkeit des Luftdrucks, Modellierung von
Konvektionsströmungen, Versuche zu thermisch bedingten Konvektionen.
Wolken und Wasserdampf: Experimente zu Verdunstungs- und Kondensationsvorgängen, Wolkenbeobachtung (Fotografieren mit der Digitalkamera), Bau eines einfachen
Luftfeuchtigkeitsmessers
Niederschläge: Versuche zur Kristallisation, Niederschlagsmessungen, Bau eines Regenmessers
Vorkenntnisse und Alltagserfahrungen
Im Gegensatz zu Erwachsenen reden Kinder nicht über Wetter. Sie nehmen zwar die Wetterphänomene in ihrer Umgebung wahr, können sie aber in der Regel nicht richtig erklären.
Man muss also damit rechnen, dass sich die Schülerinnen und Schüler eigene Vorstellungen
zu bestimmten Wetterphänomen gemacht haben. Die Lehrkraft muss das subjektive Konzept
der Schüler ernst nehmen und den Unterricht so aufbauen, dass etwaige Misskonzepte abgebaut und durch tragfähige naturwissenschaftliche Konzepte ersetzt werden.
Ergänzende Hinweise
Die Entstehung von Luftdruckunterschieden und Winden kann mithilfe von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte modelliert werden. Dazu benötigt man zwei zylinderförmige Gefäße,
die am Boden über eine Hahnverbindung verbunden sind und oben eine Überstromvorrichtung besitzen. Warme Luft modelliert man mit Benzin, kalte Luft durch Wasser, jeweils gleiche Masse. Weil die Schülerinnen und Schüler zum Verständnis der Modellierung ein gesichertes Konzept des Schweredrucks und der Dichte haben müssen, ist dieser aufwendige
Versuch eher für die Sek. I geeignet.
Der Einfluss der Erddrehung auf die großräumigen Bewegungen von Luftmassen kann auf
dieser Altersstufe weder erklärt, noch veranschaulicht werden.
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Sachinformationen
Luft und Luftdruck
Physikalische Grundlagen
Die Gashülle eines Sterns oder eines Planeten bezeichnet man als Atmosphäre, speziell die
Lufthülle der Erde. Die Erdatmosphäre besteht aus einem als Luft bezeichneten Gasgemisch
(78 % Stickstoff - N, 21 % Sauerstoff - O und 1 % Edelgase und Kohlendioxid - CO2).
Da Luft ein Stoff ist und die Lufthülle bis zu 1000 km hoch reicht, übt sie einen Druck auf die
Erdoberfläche aus. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die inkompressibel sind und in jeder Tiefe
die gleiche Dichte besitzen, sind Gase kompressibel. Daher nimmt die Dichte und damit der
Druck der Luft von oben nach unten zu. Druck bedeutet in der Physik, dass Kraft auf eine
Fläche wirkt (p = F/A) und wird in Newton pro Quadratmeter (N/m²) gemessen.
Die Dichte der Luft beträgt in Meereshöhe = 1,29 g/dm³. Der Luftdruck wird in der SIEinheit Pascal (Pa) gemessen. Da ein Pascal aber eine sehr kleine Einheit ist, verwendet
man im Alltag die größere Einheit Bar (bar); im medizinischen Bereich verwendet man zusätzlich das Maß Millimeter Quecksilbersäule (mm Hg).
Zwischen den Maßeinheiten Bar und Pascal bestehen die folgenden Beziehungen:
1 Pa = 1 N / m²
100 000 Pa = 1000 hPa (Hektopascal) = 105 N/m²
1 hPa = 1 mbar (Millibar)
1000 hPa = 1000 mbar = 1 bar
Ältere, nichtgesetzliche Maßeinheiten sind das Torr, die physikalische Atmosphäre (atm), die
technische Atmosphäre (at) bzw. atü bei Überdruck und Meter Wassersäule (mWS).
Historische Grundlagen
Vakuum
zugeschmolzenes,
mit Quecksilber
gefülltes Glasrohr
Die Quecksilbersäule fällt auf 76 cm
zurück und es bildet sich im oberen Teil
des Rohres ein Vakuum
Luftdruck
76 cm
Quecksilber
Die ersten, die erkannten, dass Luft einen Druck ausübt, waren im 17. Jahrhundert G. Galilei
und sein Schüler E. Torricelli. Sie beobachteten, dass bei Saugpumpen das Wasser nur über
eine bestimmte Höhe angehoben werden konnte. Wurde diese Höhe überschritten, riss die
Wassersäule wie ein Seil. Der Galilei-Biograph Vivian konstruierte ein mit Quecksilber gefülltes Glasrohr, das oben zugeschmolzen wurde und in ein mit Quecksilber gefülltes Gefäß hineinragte.
Die Quecksilbersäule erreichte immer nur eine Höhe von 76 cm, wobei sich oberhalb von
dieser Höhe ein Vakuum bildete. Torricelli erklärte die Höhe der Quecksilbersäule mit dem
Luftdruck. Ein weiteres Experiment dazu unternahm B. Pascal, der den rund 1000 m hohen
Puy de Dome bestieg und feststellte, dass sich die Höhe einer wie oben beschriebenen
Quecksilbersäule um 85 mm verringerte und damit die Abhängigkeit des Luftdruckes von der
Höhe nachwies.
Daraufhin griff der Gelehrte E. Mariotte Pascals Vorschlag auf, das Quecksilberbarometer für
Höhenmessungen zu benutzen.
Mit der Entdeckung des Luftdruckes verband sich die Frage, womit denn nun die „Torricelli-7-
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sche Leere“, d.h. der Raum oberhalb der Quecksilbersäule, gefüllt sei. Der Begriff des Vakuums war damals sehr umstritten, denn nach der aristotelischen Naturphilosophie wurde die
Existenz eines gänzlich leeren Raumes für unmöglich gehalten, da die Natur vor dem absolut
Leeren einen Abscheu, einen „horror vacui“ hätte. Eine Bemerkung R. Descartes, der auf
der Seite der Vakuum-Gegner stand, illustriert den Streit der Gelehrten: „Wenn es irgendwo
ein Vakuum geben kann, dann nur in Torricellis Kopf“.
Die Auseinandersetzung wurde durch den Magdeburger Ingenieur und späteren Bürgermeister Otto von Guericke entschieden, dem die Erfindung einer Pumpe gelang, mit der er Gefäße luftleer pumpen (evakuieren) konnte. Er führte damit mehrere spektakuläre Experimente
durch, von denen das bekannteste das mit den Magdeburger Halbkugeln war. In seiner berühmten Demonstration im Jahre 1663 vor den Toren der Stadt vermochten je sechs nach
beiden Seiten ziehende Pferde die beiden luftleeren Halbkugeln aus Kupfer nicht auseinander zu ziehen. Damit war nachgewiesen, dass der „leere Raum“ nicht nur ein gedachter
Raum, sondern physikalische Realität war.
Weitere Versuche Guerickes zum Nachweis des Luftdruckes:
Ein großer Zylinder, in dem sich ein Kolben befand, wurde luftleer gepumpt. Fünfzig starken Männern gelang es anschließend nicht, den Kolben aus dem Zylinder herauszuziehen.
Er konstruierte ein Rohr, das in einem offenen Fass mit Wasser stand, pumpte die Luft
aus dem Rohr und beobachtete, dass das Wasser hochstieg. Anschließend verlängerte er
das Rohr und pumpte es wieder luftleer, wobei das Wasser erneut bis an das Ende des
Rohres stieg. Erst bei einer Rohrhöhe von 10 m hörte das Wasser auf zu steigen. Die Erkenntnis, dass Luft Kraft ausübte und somit eine Arbeitsfähigkeit besaß, führte zur Konstruktion der atmosphärischen Dampfmaschinen (D. Papin, T. Savery, T. Newcomen). Diese wiederum veranlassten den Schotten J. Watt, die erste richtige Dampfmaschine zu
bauen.
Atmung
Unter Atmung (Respiration) versteht man bei Lebewesen die Aufnahme von Sauerstoff aus
der Umgebung zur Energiegewinnung für die Verbrennung von Nahrungs- oder Körperstoffen und die Abgabe des bei diesen Stoffwechselvorgängen entstehenden Kohlendioxids.
Diesen Gasaustausch ermöglichen bei der äußeren Atmung besondere Atmungsorgane oder
Respirationsorgane: Lungen bei Mensch und Tier, Kiemen bei Fischen und anderen Wassertieren, Tracheen bei Insekten, Spaltöffnungen bei Pflanzen. Gasaustausch nur durch die
Oberfläche, wie bei der Hautatmung, haben einfache und sehr kleine Lebewesen. Die Atmung der Pflanzen, die in lebenden pflanzlichen Zellen jederzeit vor sich geht, ist nicht mit
der Assimilation des Kohlendioxids zu verwechseln.
Beim Menschen werden die äußere Atmung (Lungenatmung) und die innere Atmung (Zellatmung) durch den Blutkreislauf aufrechterhalten. Der Aufnahme des Luftsauerstoffs dient
die Lunge. Durch die Lungenbläschen (Alveolen, Oberfläche etwa 100m 2), die von einem
dichten Kapillarnetz umsponnen sind, kommt die eingeatmete Luft mit dem Blut in engen
Kontakt. Die roten Blutkörperchen, die Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) transportieren,
haben eine Oberfläche, die etwa das 2000fache der Körperoberfläche beträgt. Die Verlangsamung des Blutstromes in den Lungenkapillaren ermöglicht rasche Aufladung des Blutes
mit O2 und schnelle Abgabe des CO2 aus dem Blut.
Bei der äußeren Atmung tritt das Zwerchfell bei Einatmung (Inspiration) tiefer, bei Ausatmung
(Exspiration) höher, der Brustkorb wird bei der Einatmung erweitert (Rippen und Brustbein
werden gehoben, die Alveolen entfalten sich) und bei der Ausatmung verkleinert (Rippen und
Brustbein senken sich, die Lungen ziehen sich durch Eigenelastizität zusammen). Die Einatmungsluft enthält 21 Volumenprozent O2 und 0,03 Volumenprozent CO2, die Alveolarluft, die
in der späten Phase der Ausatmung abgegeben wird, rund 14 Volumenprozent O 2, 5,6 Vo-
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lumenprozent CO2. Bei Atmung in Ruhe wird beim Erwachsenen etwa 16-mal in der Minute
je 0,5l Luft (Atemzugvolumen) hin- und herbewegt. Die Menge der bei stärkster Ein- und
Ausatmung in der Lunge bewegten Luft ist die Vitalkapazität, der Luftrest, der auch bei stärkster Ausatmung noch in der Lunge verbleibt, das Residualvolumen. Vitalkapazität und Residualvolumen ergeben die Totalkapazität. Die Atemfrequenz (Atemzüge je Minute) beträgt
beim Säugling 4050, beim Fünfjährigen 2030, beim Erwachsenen durchschnittlich 1620.
Die innere Atmung besteht in der Aufnahme von O2 aus dem Blut in die Körperzellen und der
Abgabe des CO2 in das Blut. Der Gasaustausch folgt dem jeweiligen Sauerstoffdruckgefälle,
das heißt, der Sauerstoffpartialdruck in der Lungenalveole ist größer als im Lungenblut, daher kann das Blut O2 aufnehmen. Im Gewebe wird die Sauerstoffaufnahme durch ein
Sauerstoffdruckgefälle vom Blut in dieses möglich. Für CO2 hat das Druckgefälle vom Gewebe über das Blut in die Lungenalveole die umgekehrte Richtung. Die Atmungsvorgänge unterliegen der Steuerung durch das Atemzentrum, das im verlängerten Mark liegt. Es reguliert
Atemtiefe, Atemrhythmus und Form der Atmung.
Wetter und Klima
Unter Wetter versteht man in der Meteorologie den physikalischen Zustand der unteren Atmosphäre (Troposphäre) zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. Die
räumliche Zusammenfassung des Wetters ergibt die Wetterlage, der Wetterablauf mehrerer
Tage die Witterung; der mittlere Ablauf des Wetters (im Zeitraum von Jahrzehnten) entspricht
dem Klima eines Ortes. Das Wetter wird gekennzeichnet durch die Wetterelemente Luftdruck, Wind, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Sicht, Bedeckung, Wolken und weitere Wettererscheinungen; diese werden in Wetterstationen zu international einheitlichen Terminen beobachtet und als Wettertelegramm an die Wetterdienste übermittelt, denen sie als Ausgangsmaterial für die Wettervorhersage dienen. Zur schnelleren Übertragung werden die Meldungen durch Zahlen verschlüsselt. Diese werden entweder aus den Mess- und Schätzwerten
errechnet oder wie bei Wettererscheinungen einem Katalog entnommen, der für den Wetterverlauf der letzten drei oder sechs Stunden zehn Möglichkeiten vorsieht sowie 100 Möglichkeiten für das »gegenwärtige Wetter«, das über Wolkenentwicklung, sichtvermindernde Wettererscheinungen, Art und Intensität von Niederschlägen bis hin zu komplexen Erscheinungen wie »starkes Gewitter mit Hagel oder Graupel« Auskunft gibt. Die Großwetterlage ist die
Luftdruckverteilung über einem Großraum (z. B. Europa).
Der Begriff Klima kommt aus dem Griechischen [von griechisch klíma, klímatos »Neigung«
(des Einstrahlungswinkels der Sonne, wodurch sich die Erdoberfläche unterschiedlich erwärmt)] das, -s/-s und (fachsprachlich) ...'mate, statistische Beschreibung der relevanten Klimaelemente (z. B. Temperatur, Niederschlag), die für einen Standort (Station), eine Region
oder global für eine nicht zu kleine zeitliche Größenordnung (im Allgemeinen mehrere Jahre)
die Gegebenheiten und Variationen der Erdatmosphäre (Atmosphäre) hinreichend ausführlich charakterisiert (nach C.-D.Schönwiese), nach früherer Auffassung lediglich »der mittlere
Zustand und gewöhnliche Verlauf der Witterung an einem gegebenen Orte« (W. Köppen). Da
aber »nicht nur solche Bedingungen, die als durchschnittlich oder normal bezeichnet werden
können, sondern auch die Extreme und alle Variationen« (H.H. Lamb) zu berücksichtigen
sind, definiert die WMO (Weltorganisation für Meteorologie) Klima als die »Synthese des
Wetters über ein Zeitintervall, das im Wesentlichen lang genug ist, um die Festlegung der
statistischen Ensemblecharakteristika (Mittelwerte, Varianzen, Wahrscheinlichkeiten extremer Ereignisse) zu ermöglichen und das weitgehend unabhängig bezüglich irgendwelcher
augenblicklichen Zustände ist.
Somit ist es eine zeitliche Einschränkung, die das Klima vom Wetter (charakteristische Zeit:
Stunden bis Tage) und von der Witterung (Tage bis Monate) als darüber hinausgehenden
Langzeitvorgang unterscheidet. Die Beobachtungszeit zur Ermittlung der Klimaphänomene
sollte nach WMO-Richtlinien nicht unter 30 Jahren liegen, und demgemäß werden so ge-
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nannte Klimanormalwerte (englisch climate normal, Abkürzung CLINO) festgelegt. Die letzte
CLINO-Periode war 196190, die vorangehende 193160 usw.; somit ist z. B. der Ablauf von
Temperatur und Bewölkung an einem bestimmten Tag ein Wetterphänomen, in einer bestimmten Jahreszeit (z. B. Sommer) ein Witterungsphänomen und gemittelt über 30 Jahre
(beziehungsweise ein anderes mehrjähriges Zeitintervall, einschließlich mittlerer Variationen
wie Tages- und Jahresgang beziehungsweise Häufigkeiten von Extremereignissen) ein Klimaphänomen. Die Erwärmung im 20.Jahrhundert, die von verbreiteten Gletscherrückzügen
begleitet ist (Gletscher) oder eine Eiszeit zählen bereits in ihrer Einmaligkeit zu den Klimaphänomenen.
Wasser
Mehr als drei Viertel der Erdoberfläche sind ständig von Wasser bedeckt. Allein das Weltmeer nimmt über zwei Drittel (362 Millionen Quadratkilometer) der Oberfläche unseres Planeten ein. Aber erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts setzte sich die Erkenntnis durch, dass
die Meeresfläche die des Landes erheblich übertrifft. Für sämtliche Zweige der Geowissenschaften war diese Erkenntnis von herausragender Bedeutung und ist es bis heute geblieben. Die Land-Meer-Verteilung der Nord- und Südhalbkugel ist recht unterschiedlich: Die
Meeresfläche nimmt auf der Nordhalbkugel über 60% ein und auf der Südhalbkugel mehr als
80%. Wird der Land- eine Wasserhalbkugel gegenübergestellt, dann überwiegt bereits auf
der Landhalbkugel das Meer (rund 51%) und herrscht auf der Wasserhalbkugel mit etwa
91% vor.
Die Hydrosphäre, die Wasserhülle, und der Wasserkreislauf bildeten sich in der Frühzeit der
Erde. Weil in dieser Zeit noch keine Ozonschicht als Schutz vor der im Übermaß tödlich wirkenden UV-Strahlung existierte, konnte das Leben nur im Wasser entstehen. Sämtliche
Wasseransammlungen blieben ständigen Veränderungen einem Werden und Vergehen und
neuem Werden unterworfen.
Da der Einzelne wie die Gesellschaft infolge ihrer mit der Erdgeschichte verknüpften Entwicklung ohne Wasser nicht existieren können und weil Wasser mit der Mannigfaltigkeit seiner
Erscheinungsformen im menschlichen Leben und in der Umwelt allgegenwärtig ist, ist die
Lehre vom Wasser eine mit anderen Wissenschaften eng verflochtene Disziplin. Kurzum:
ohne Wasser kein Leben.
Der Wasserhaushalt
Wasser kommt auf der Erde in drei Aggregatzuständen vor: fest, flüssig und gasförmig. Reines Wasser ist ohne Geschmack, geruch- und farblos, bei größerer Tiefe zeigt es sich bläulich. Unverschmutztes (Regen) wasser ist nur in sehr geringem Maß ionisiert und leitet daher
elektrischen Strom kaum. Für medizinischen und auch chemischen Bedarf wird über Destillation das sehr reine destillierte Wasser (aqua destillata) gewonnen. Es verfügt über eine besonders geringe elektrische Leitfähigkeit und wird Leitfähigkeitswasser genannt. Spuren von
Salzen, Basen oder Säuren können die elektrische Leitfähigkeit des Wassers enorm erhöhen. Gewöhnlich ist Wasser nicht frei von Beimengungen: In ihm sind geringe Mengen gasförmiger und fester Stoffe gelöst, beispielsweise verschiedene Atmosphärengase, Kochsalz,
Calcium- und Magnesiumsalze.
Wasser wäre ohne den Wasserkreislauf den hydrologischen Zyklus mineralisiertes Wasser,
im Wesentlichen also Salzwasser. Nur die Zufuhr von Sonnenenergie verwandelt im Wasserkreislauf Salzwasser, vor allem riesige Mengen von Meerwasser, durch Verdunsten und
nachfolgende Kondensation in Süßwasser. Die Schwerkraft schließlich bewirkt, dass das zu
Süßwasser gewordene Wasser als Niederschlag auf die Erdoberfläche fällt.
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Besondere Eigenschaften des Wassers
Wasser zeichnet sich durch besondere Eigenschaften aus. Diese Eigenschaften lassen sich
grundsätzlich auf den asymmetrischen Bau des relativ kleinen Wassermoleküls (H2O) zurückführen. Das doppelt negativ geladene Sauerstoffatom ist nicht gradlinig mit den beiden
positiv geladenen Wasserstoffatomen verknüpft; vielmehr ist das Wassermolekül gewinkelt:
Die beiden O H-Bindungen bilden einen Winkel von etwa 105º. Der Abstand zwischen den
Kernen der Wasserstoffatome beträgt 0,163 Nanometer, derjenige zwischen dem Kern je eines der Wasserstoffatome und dem Sauerstoffatom 0,101 Nanometer.
Wie andere Moleküle ist auch das Wassermolekül nach außen elektrisch neutral. Die
Schwerpunkte der negativen und positiven Ladungen sind jedoch räumlich getrennt; das
Wassermolekül ist somit ein starker elektrischer Dipol. Deswegen gehen vom Wassermolekül
trotz seiner elektrischen Neutralität Kraftwirkungen aus. Noch wichtiger aber sind anziehende
Kräfte zwischen zwei H2O-Molekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zustande
kommen. Sie bewirken, dass sich mehrere Wassermoleküle zusammenlagern können (unter
Normbedingungen durchschnittlich etwa 40). Diese Zusammenlagerung führt dazu, dass
anomal hohe Energien nötig sind, um die Moleküle rascher zu bewegen. Daher sind die
thermischen Grundwerte des Wassers so außergewöhnlich groß. Wasser ist infolge seiner
hohen spezifischen Wärme ein sehr guter Wärmespeicher. Aus eben diesem Grund erschwert die benötigte hohe Verdunstungswärme das Verdunsten und die hohe Schmelzwärme das Gefrieren.
So werden beim Wasserdampftransport im Rahmen der planetarischen Zirkulation aus den
Subtropen in mittlere bis höhere Breiten bei der Kondensation des Wasserdampfes erhebliche Mengen Wärme frei, die diesen Regionen zugute kommt. Ohne solche Wärmetransporte
wären die meridionalen Temperaturunterschiede größer.
Auf der Dipoleigenschaft der Wassermoleküle beruht auch der Prozess der Hydration. Hierbei können sich Wassermoleküle beispielsweise an die Grenzflächenkationen von gesteinsbildenden Mineralien anlagern, wodurch das Gefüge gelockert und das Gestein zerstört werden kann (Hydrationsverwitterung).
Als Anomalie des Süßwassers werden dessen ungewöhnliche Eigenschaften beim Abkühlen
von +4ºC auf 0ºC bezeichnet. Beim Süßwasser ist die Dichte des Wassers im Wesentlichen
von der Temperatur abhängig. Süßwasser besitzt seine größte Dichte (Dichtemaximum) bei
+4ºC. Im Wasser treten etliche verschiedene Typen von Molekülaggregaten auf, in denen die
Wassermoleküle ähnlich wie in einem Kristallgitter verknüpft sind. Es kommen Aggregate mit
verschieden vielen Molekülen vor. Bei einer Temperaturabnahme verschiebt sich die Zusammensetzung zu größeren Aggregaten hin, die ihrerseits einen besonders großen Raum
beanspruchen. Deshalb überlappen sich bei der Erniedrigung der Wassertemperatur zwei
Prozesse. Einerseits stellt sich bei Temperaturabnahme die übliche Volumenverminderung
ein, wie sie bei jedem Stoff auftritt, andererseits ergibt sich jedoch eine Volumenzunahme,
weil der Anteil der größeren Aggregate wächst. Bei einer Wassertemperatur von +4ºC tritt, da
sich der Effekt beider Vorgänge gegenseitig aufhebt, das Volumenminimum beziehungsweise Dichtemaximum auf. In der Spanne zwischen +4ºC und 0ºC vergrößert sich das Volumen
langsam wieder, bis bei 0ºC am Gefrierpunkt das Volumen sprunghaft um neun Prozent zunimmt, wenn sich sämtliche Wassermoleküle zur Kristallstruktur des Eises zusammenschließen. Aus diesem Verhalten der Wassermoleküle lässt sich nicht nur die gewaltige Sprengkraft des gefrorenen Wassers erklären, sondern auch die Tatsache, dass Eis leichter als
Wasser ist und auf dem Wasser schwimmt. Dies ist speziell für das Überwintern von Flora
und Fauna in Seen und Flüssen wichtig, auf denen sich eine Eisdecke bildet.
Im Salzwasser (Meerwasser) bleiben die Anomalien im Wesentlichen erhalten, wobei sie in
unterschiedlichem Maße abgewandelt werden. Einige bei reinem Süßwasser geringfügige
Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Osmose treten erst bei Salzwasser verstärkt
auf, während andere wie die Erniedrigung des Gefrierpunktes und die Erniedrigung der Temperatur des Dichtemaximums sich gegenüber dem Süßwasser auffallend und einschneidend
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ändern. Auch in der Schallgeschwindigkeit und der Komprimierbarkeit, außerdem in der
Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärme, der Verdunstungswärme, der Siedepunkterhöhung, der Lichtabsorption, der Oberflächenspannung und der Viskosität (Zähigkeit) unterscheiden sich Salz- und Süßwasser.
Dichte und Farbe
Die Dichte ist bei Salzwasser von der Temperatur, vom Salzgehalt und in sehr geringem Maß
auch vom Druck abhängig. Sie nimmt deutlich zu bei sinkender Temperatur und wachsendem Salzgehalt. Dies spielt für den Gefrierprozess und die vertikale Durchmischung im
Weltmeer einschließlich des Sauerstoffeintrags und des Hochbringens von Nährstoffen eine
bedeutende und entscheidende Rolle. Im Gegensatz zu einem tieferen Süßwassersee, bei
dem die vertikale Durchmischung durch eine Änderung der Wasserdichte unterbunden wird,
wenn sich nach der Zirkulation bei Temperaturen bereits unter +4ºC wieder eine Decke
leichteren Wassers über schwererem ausbildet, bleibt im Meer die vertikale Durchmischung
bis zum Gefrierpunkt bestehen (bei Meerwasser von 35 Promille Salzgehalt bis 1,91ºC). Wird
der Gefrierpunkt im Salzwasser mit einem Salzgehalt von 35 Promille bei 1,91ºC erreicht, so
liegt das Dichtemaximum bei gleichem Salzgehalt sogar erst bei 3,53ºC.
Leichte Deckschichten salzarmen Wassers verhindern wegen ihrer geringeren Dichte eine
tief greifende Durchmischung so beispielsweise in der Ostsee, in den norwegischen Fjorden
oder auch im Schwarzen Meer. Ebenso verhindern Eisdecken den vertikalen Austausch. In
gleicher Weise wirken sich salzreiche, aber sehr warme und deshalb insgesamt leichte,
mächtige Wasserschichten in den subtropischen und tropischen Gewässern aus.
Wassermassen unterschiedlicher Dichte können im gleichen Höhenniveau nicht nebeneinander in Ruhestellung bleiben. Jeder Wasserkörper strebt nach dem Tiefenbereich, der seiner Dichte entspricht. Infolge von Dichteänderungen setzen vertikale und horizontale Bewegungen im Weltmeer ein, die für die Dynamik des Meerwassers eine erhebliche Rolle spielen.
Aus der Farbe des Wassers lassen sich Rückschlüsse auf seine Produktivität ziehen. Sauberes Süß- und Meerwasser erscheint in größerer Mächtigkeit bei Ausschluss von Reflexen von
Himmel und Wolken blau. Gestreut wird vorwiegend das kurzwellige Licht, die kurzwellige
Strahlung des blauen Spektralbereichs. Langwellige Strahlung (gelber und vor allem roter
Spektralbereich) wird absorbiert, wobei die zugeführte Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Cobaltblaues, also sauberes Meerwasser zeigt »wüstenhafte« Verhältnisse an; es
handelt sich um Meeresbereiche mit wenigen Nährstoffen und folglich geringster (biologischer) Produktivität.
Wasser als Lösungsmittel
Allgemein bekannt ist die Eigenschaft des Wassers, zahlreiche Stoffe leicht oder weniger
leicht zu lösen. Zeitweilige (temporäre) Härte zeigt das Wasser, wenn in ihm Calcium- und
Magnesiumhydrogencarbonat gelöst sind. Ständige (permanente) Härte weist das Wasser
auf, wenn in ihm Calciumsulfat gelöst ist. Regenwasser oder auch enthärtetes Wasser wird
weiches Wasser genannt. Unter Wasserhärte wird in Deutschland die Summe der im Wasser
gelösten Calcium- und Magnesiumsalze verstanden. Die Gesamthärte wird durch die Summe
aus Carbonat- und Nichtcarbonathärte charakterisiert. Der deutsche Härtegrad (1ºdH = 10
mg/l CaO oder 7,19 mg/l MgO) ist dabei die Konzentrationseinheit (mg/l steht für Milligramm
pro Liter). Bei sehr hartem Wasser liegt die Härte über 30ºdH, bei hartem zwischen 18 und
30ºdH, bei ziemlich hartem zwischen 12 und 18ºdH, bei mittelhartem zwischen 8 und 12ºdH,
bei weichem zwischen 4 und 8ºdH und bei sehr weichem unter 4ºdH.
Der bittere Geschmack des Meerwassers rührt von Magnesiumsalzen her, der salzige von
Kochsalz. Der Salzgehalt des Meerwassers ist gewöhnlich als Salzkomplex konstant zusammengesetzt. Er wird in Promille, also in Gramm Meersalz pro Kilogramm Meerwasser,
angegeben. Der mittlere Salzgehalt des Meerwassers liegt bei 35 Promille, er schwankt im
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offenen Weltmeer zwischen 32 und 38 Promille. Im Roten Meer wächst der Salzgehalt bis
auf 41 Promille, während er in der Nähe von Flussmündungen auf 0 Promille zurückgeht.
Wichtig für den Stoffhaushalt des Wassers sowie für die Entwicklung und Aufrechterhaltung
des Lebens sind die gelösten Gase. Der Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Hydrosphäre verläuft über einen relativ dünnen Oberflächenraum.
Wassermengen
Wie bei der Wasserfläche auf der Oberfläche unseres Planeten gibt es auch für die auf der
Erde vorkommenden Wassermengen keine exakten Werte. Näherungswerte und Schätzungen müssen die Lücken füllen. Die Schätzwerte unterschiedlicher Wissenschaftler differieren
beträchtlich. So soll die gewaltige Wassermenge im Weltmeer nach Werten von 1974 (Mark
I. Lwowitsch) 1370323000 Kubikkilometer betragen. In einer Studie, die im Rahmen der
UNESCO ausgearbeitet wurde und ebenfalls 1974 erschien (Wladimir A. Korzun u.a.), wird
»nur« ein Wert von 1338000000 Kubikkilometer angegeben. Die Differenz von 32323000
Kubikkilometer entspricht etwa dem 65fachen der im Wasserkreislauf jährlich umlaufenden
Wassermassen beziehungsweise den Wassermengen, die in 65 Jahren im Wasserkreislauf
zirkulieren. 1975 gaben zwei deutsche Forscher für das Wasservolumen des Weltmeeres
1248000000 Kubikkilometer an (Albert Baumgartner und Eberhard Reichel).
Dagegen erscheint die Süßwassermenge recht klein: Sie beträgt nur 35029210 Kubikkilometer oder 2,53 Prozent der Gesamtwassermenge. Dabei sind Inlandeise und Gletscher die
größten Süßwasserspeicher der Erde. In ihnen sind rund 85 Prozent des Süßwassers gespeichert. Sollte im Rahmen einer Erwärmung der Erde das Gletschereis insgesamt abschmelzen, so reichte es aus, den Meeresspiegel um 66,7 Meter ansteigen zu lassen. Ein
Meeresspiegelanstieg von 50 Meter ließe beispielsweise Brüssel, Köln und Magdeburg zu
Küstenstädten und Berlins höher gelegene nördliche Bereiche zu einer Küstenstadt auf einer
Insel werden. Für die Niederlande würde ein Meeresspiegelanstieg von nur einem Meter eine
unglaubliche Katastrophe bedeuten. Rund ein Viertel des Landes (etwa 27 Prozent) liegt gegenwärtig unter dem Meeresspiegel. In diesem Bereich wohnen zurzeit etwa 60 Prozent der
niederländischen Bevölkerung.
Von dem im Vergleich zum Salzwasservolumen kleinen, aber doch noch sehr ansehnlichen
Wasservolumen des Süßwassers ließen sich ohne großen Aufwand nur etwa 200000 Kubikkilometer nutzen. Gäbe es den Wasserkreislauf nicht, so wäre das Wasser bei einer gegenwärtigen Nutzung von rund 5000 Kubikkilometer pro Jahr in 40 Jahren verbraucht.
Der Wasserkreislauf
Der Erlanger Geologe Friedrich Pfaff schrieb 1870: »Den Lauf der Wasser von den Bergen
zu den Thälern, von dem Lande zum Meere sehen wir unaufhörlich vor unseren Augen sich
vollziehen, und dennoch wird das Meer nicht voller und die Quellen und Ströme versiegen
nicht«.
Merkwürdigerweise blieb der hydrologische Zyklus, der Kreislauf des Wassers, außerordentlich lange im Dunkeln. Thales von Milet (um 625547 v.Chr.) erkannte, dass das Wasser die
wichtigste Voraussetzung für alles Leben auf der Erde ist. Selbst Aristoteles (384322 v.Chr.)
stieß nicht auf die Abläufe des Wasserkreislaufs in der wirklichen Form. Erst Leonardo da
Vinci (1452-1519) erkannte die realen Zusammenhänge. Doch dauerte es noch einige Jahrhunderte, bis die Erkenntnis des Wasserkreislaufs Gemeingut wurde. Richtungweisend für
spätere Forschungen ist die erste textlich einwandfreie Darstellung des Wasserkreislaufs für
die gesamte Erde aus dem Jahre 1887 (J. Murray). Erst zu Beginn unseres Jahrhunderts gelang es, den Wasserkreislauf mathematisch darzustellen und erstmals für die gesamte Erde
mengenmäßig zu erfassen.
Der Wasserkreislauf wird in der DIN 4049, Teil 1, vom September 1979 als »ständige Folge
der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers mit den Hauptkomponenten Niederschlag,
Abfluss, Verdunstung und atmosphärischer Wasserdampftransport« beschrieben. Aus der
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riesigen Fläche des Weltmeeres (362 Millionen Quadratkilometer) greift der Kreislauf des
Wassers über auf den kleineren Festlandsbereich (148 Millionen Quadratkilometer). Das
Festland der Erde ist in das Gesamtgeschehen einbezogen, und der Kreis schließt sich
durch den Abfluss in den Flüssen und die Verfrachtung von Wasserdampf in der Atmosphäre
vom Land zum Meer. Die Wasser- oder Wasserhaushaltsbilanz wird als »mengenmäßige Erfassung von Komponenten des Wasserkreislaufs und der Vorratsänderung des Wassers in
einem Betrachtungsgebiet während einer Betrachtungszeitspanne« beschrieben (DIN 4049).
Für das Festland der Erde gilt folgende Wasserhaushaltsgleichung: NL=VL+AL(RB).
N=Niederschlag, V=Verdunstung, A=Abfluss, R=Rücklage, B=Aufbrauch,
(RB)=Vorratsänderung, L=Land, M=Meer, E=Erde. Für die Erde sind die nachstehenden
Gleichungen bei ausgeglichenen Verhältnissen gültig:
Mit den im Wasserkreislaufschema angegebenen Werten kann man abschätzen, dass im
Durchschnitt jährlich rund 475 000 Kubikmeter Wasser am Wasserkreislauf beteiligt sind.
475000 Kubikkilometer entspechen etwa 630 Milliarden Güterzügen zu je 50 Güterwagen mit
je 15 Kubikmeter Inhalt kaum vorstellbar! Neben diesem gigantischen Transportunternehmen
stellt der Wasserkreislauf ein riesiges und effektives Reinigungssystem dar, das sowohl im
Niederschlag die untere Atmosphäre von unterschiedlichen Substanzen freiwäscht, in Flüssen, Seen und Meeren ein gewaltiges Selbstreinigungspotenzial besitzt als auch unterhalb
der Erdoberfläche über weitere Reinigungsmöglichkeiten verfügt.
Schließlich stellt der Wasserkreislauf eine Riesendestillationsanlage dar. Jedes Jahr werden
angetrieben durch die Energiezufuhr von der Sonne rund 410000 Kubikkilometer Salzwasser
zu Süßwasser, wobei nur etwas mehr als ein Viertel des Süßwassers als Niederschlag auf
die Landflächen der Erde fällt. Von diesem Viertel fließen etwa 35 Prozent als Flüsse ins
Meer. Diese rund 35000 Kubikkilometer, von denen bereits der Eisbergausstoß und das
Schneefegen von Antarktika und Grönland abgezogen sind, stellen die Menge dar, die die
Menschheit jährlich zum Gebrauch zur Verfügung hat. Davon nutzt sie jährlich bereits 5000
Kubikkilometer. Falls keine Abwasserreinigung erfolgt und sie ist global gesehen nicht übermäßig verbreitet, wird etwa das Zwölffache zur Verdünnung für den Wiedergebrauch benötigt. Die Menschheit hat also in Bezug auf das Wasser große Probleme zu lösen. Über die
geographische Differenzierung wird für große Regionen die Lösung des Problems Wasser
zur Überlebensfrage.
Kulturgeschichte:
In den Religionen ist Wasser ein Symbol mit komplexem Bedeutungsspektrum. Als undifferenzierte, beliebig formbare Masse symbolisiert es in vielen Schöpfungsmythen den Uranfang alles Seienden; z.B. als Urgewässer (verkörpert durch den babylonischen Gott Apsu,
der sich in der Urzeit mit Tiamat vereinte; den ägyptischen Nun, aus dem der Urhügel emporsteigt); im alttestamentlichen Schöpfungsbericht (1.Buch Mose1) schwebt der Geist Gottes über den Wassern, bevor Gottes Schöpfungswerk beginnt; im indischen Mythos trägt das
Wasser das goldene Weltei, in dem Brahma vor aller Schöpfung ruht. In der germanischen
Mythologie befinden sich drei Quellen unter den Wurzeln der Weltesche Yggdrasil; aus einer
von diesen, dem Weisheitsbrunnen Mimis, schöpft der Riese Mimir sein Wissen um die Geheimnisse der Urzeit. Der chinesische Daoismus vergleicht den Urgrund des Seins, das Dao,
mit dem widerstandslosen Wasser als Quell des Lebens, zu dem alles wieder zurückkehren
muss. Im Paradies wie auch im himmlischen Jerusalem strömt das reine, göttliche Lebenswasser (z. B. Vision des Ezechiel, Ezechiel 47; Offenbarung des Johannes 22,1). Im Alten
Testament wird Jahwe als »Quelle des lebendigen Wassers« bezeichnet (Jeremia 17,13).
Besonders häufig tritt im Neuen Testament das Bild des Wassers bei Johannes auf (z. B.:
»Wenn jemand nicht aus Wasser und Geist geboren wird, kann er nicht in das Reich Gottes
kommen«, Johannes 3,5 oder Johannes 4,7folgende). In der christlichen und islamischen
Mystik findet sich das Bild des Tropfens, der die im Unendlichen (im Meer des Göttlichen)
aufgehende menschliche Seele versinnbildlicht. In alles vernichtender Gestalt erscheint das
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Wasser in der Sintflut, die aber auch neues Leben ermöglicht.
Das Wasser begegnet als Symbol der Fruchtbarkeit und der körperlichen, seelischen und
geistigen Reinigungs- und Erneuerungskraft (Brunnen, z. B. Zam-Zam-Brunnen in der Kaaba; Quelle, Fluss, befruchtender Regen). In der Mithrasreligion befindet sich in der Nähe oder
unterhalb der Tempel eine immer fließende Quelle als Symbol der Spendekraft der unendlichen Zeit. Katholische Wallfahrtskirchen sind oft über Quellen errichtet. Einigen Quellen, z.
B. Lourdes, wird große Heilkraft zugeschrieben. Als heilig galten die Ströme Euphrat und Tigris, der Nil sowie der Jordan (anknüpfend an die Taufe Jesu), in Indien besonders der Ganges. Zahlreiche Pilger beten am Ganges um Sündenvergebung; die Asche von Verstorbenen
wird im Ganges versenkt. Religiöse Bedeutung kommt den zum heiligen Wasser hinabführenden Stiegen (Tirthas) wie auch an Flüssen gelegenen Orten zu. Bei Wallfahrten aufgesuchtes heiliges Wasser kann im hinduistischen Glauben schlechtes Karma tilgen. Bäder und
Waschungen (z. B. der Hände und Füße) werden zur rituellen Reinigung vollzogen, damit der
Gläubige sich dem Göttlichen (z. B. im Tempel) nähern kann. Sie können der Sündentilgung
oder der Segnung dienen und eine Neugeburt symbolisieren (z. B. Taufe), ebenso wie Besprengungen mit (manchmal geweihtem, auch mit Substanzen wie Salz angereichertem) Wasser. Bädern wird heilende, kräftigende und lebensverlängernde Wirkung zugeschrieben. Ursprünglich gilt Wasser als machthaltige Substanz, dann auch als Ort von Geistwesen, z. B.
der griechischen Najaden, germanischen Nixen (weibliche Quellgeister), der Undinen (Elementargeister), der indischen Apsaras, oder wird selbst als Gott verehrt, z. B. in Gestalt des
sumerischen Ea (babylonisch Enki), Gott des unterirdischen Süßwasserozeans (Apsu), des
indischen Varuna, des griechischen Poseidon (Gott des Meeres; römisch Neptun); der griechische Okeanos wird u.a. als »Vater der Götter« und als Ursprung aller Götter und Göttinnen des Wassers (Okeaniden) bezeichnet.
Das Wasser wird meist als weibliches Element aufgefasst, dem Mond zugeordnet, im Chinesischen dem mütterlichen, dunklen, feuchten Yin, im Gegensatz zu dem mit dem männlichen
Symbol des Yang und der Sonne verknüpften Element des Feuers. Viele Völker verbanden
mit dem Wasser prophetische Rede, göttliche Inspiration. In der Antike spielte das Wasser
heiliger Quellen eine Rolle im Orakelwesen. Die kastalische Quelle in Delphi wurde zum
Symbol dichterischer Begeisterung. Im Alten Testament wird vom »Wasser der Weisheit«
gesprochen (Jesus Sirach 15,3).
In der Tiefenpsychologie gilt das unergründliche Wasser als Symbol des WeiblichMütterlichen und des Unbewussten. Wie auch in vielen Mythen (z. B. »Gilgamesch-Epos«)
hat Wasser psychologisch, z. B. im Traum, einen ambivalenten Charakter, einmal tritt es als
bedrohliches »Wasser des Todes«, das heißt der Vernichtung, auf, zum anderen ist es Quelle der Wiedergeburt, des Lebens, Ausdruck der Reinheit und menschlicher Schöpferkraft.
In der Philosophie erklärte Thales (6.Jahrhundert v.Chr.) die Herkunft aller Dinge aus dem
Wasser, Aristoteles zufolge wohl deshalb, weil die Nahrung vor allem feucht sei und aus dem
Feuchten das Warme entstehe und Leben gewinne. Bei Empedokles ist das Wasser eines
der vier Elemente, wobei Erde, Luft und Wasser zusammengehören und dem Feuer entgegengesetzt werden. Wasser spielt in Alchimie und Naturphilosophie als Grundprinzip des
Feuchten, Lösbaren, als Essenz der Pflanzen wie auch aufgrund seiner Formlosigkeit, Beweglichkeit und Flüchtigkeit als Symbol der Erneuerung und Wandlung eine Rolle.
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Aufbau der Materie
Der Begriff Atom [aus griechisch átomos »unteilbar«] bezeichnet das, kleinste, mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegbares Teilchen eines Elements, das dessen physikalische
und chemische Eigenschaften bestimmt; es besteht aus einem Atomkern, dessen Radius etwa 10-12cm beträgt und der fast die gesamte Masse des Atoms (99,9%) enthält, und einer
Atomhülle (Elektronenhülle) mit einem Radius von etwa 10-8cm. Der Kern besteht aus Z
elektrisch positiv geladenen Protonen und N elektrisch neutralen Neutronen; die Kernbausteine heißen Nukleonen. Die Hülle wird aus Z negativ geladenen Elektronen gebildet, sodass
das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist. Z ist die Kernladungszahl (Protonenzahl), N die
Neutronenzahl und A die Massenzahl (Nukleonenzahl): A=Z+N. Die Nukleonen haben einen
Eigendrehimpuls (Spin), der durch Überlagerung zu einem (Gesamt-)Kernspin führt. Die
Masse des Atomkerns ist etwas kleiner als die Summe der Protonen- und Neutronenmassen
(Massendefekt). Der Zusammenhalt der Atomkerne wird durch die Kernkräfte bewirkt. Kerne,
bei denen das Verhältnis von Neutronen zu Protonen bestimmte Grenzwerte überschreitet,
zerfallen (Radioaktivität). Atomarten mit gleichen Kernladungs-, aber verschiedenen Massenzahlen heißen Isotope (symbolisch, z. B. bei Uran: 238U, 235U, 234U). Durch Abgabe
oder Aufnahme von Elektronen entsteht ein elektrisch geladenes Ion, das andere chemische
und physikalische Eigenschaften als das ursprüngliche Atom hat.
Moleküle und Ordnungszahlen:
Aus mehreren gleichen oder verschiedenen Atomen können sich durch Umlagerung der
Elektronenhüllen Moleküle bilden. Die chemischen Eigenschaften der Stoffe beruhen im Wesentlichen auf der Struktur der Elektronenhüllen ihrer Atome und Moleküle. Dichte und Regelmäßigkeit der Anordnung der Atome und Moleküle bestimmen den Aggregatzustand eines
Stoffes. Bisher sind 115 natürliche und künstliche chemische Elemente mit zum Teil nur sehr
kurzer Lebensdauer bekannt (Transurane). Das leichteste Atom ist das des Wasserstoffs mit
Z=1, N=0 und der Masse 1,6736·10-24g. Im Periodensystem der chemischen Elemente sind
die Atome nach wachsenden Kernladungszahlen geordnet, die auch Ordnungszahlen heißen. Hinweise auf die Existenz kleinster chemischer Einheiten im makroskopischen Bereich
geben die daltonschen Gesetze. Beweise für die Existenz der Atome liefern z. B. die kinetische Gastheorie, die mechanische Wärmetheorie und die Kristallstrukturanalyse sowie die
Bahnspuren schneller atomarer Teilchen in Spurenkammern, die Massenspektroskopie und
die Streuung von Teilchenstrahlen in Materie; mithilfe von Rastermikroskopen kann die Lage
einzelner Atome auf Oberflächen sichtbar gemacht werden.
Atombau:
Der Atombau lässt sich durch spektroskopische Methoden aufklären. Da den einzelnen
Elektronenzuständen genau definierte Energien zugeordnet sind, muss beim Übergang eines
Elektrons von einem Zustand in einen anderen der entsprechende Energiedifferenzbetrag
abgegeben oder aufgenommen werden, im Allgemeinen in Form elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder Röntgenstrahlen. Bei Atomen mit vielen äußeren Elektronen ist die Erklärung der bei Anregung emittierten Spektrallinien sehr kompliziert. Eine exakte Beschreibung
des Atombaus gelang erst mithilfe der Quantenmechanik unter Einbeziehung des PauliPrinzips, das den Spin der Elektronen berücksichtigt. Danach ist jeder Energiezustand eines
Elektrons im Atom durch vier Quantenzahlen festgelegt. Die sich als Lösung der Schrödinger-Gleichung ergebenden Wellenfunktionen beschreiben das räumlich-zeitliche Verhalten
der Elektronen. Der klassische Begriff der »Bahn« eines Elektrons wird unzulässig, da sich
der Ort eines Elektrons nicht mehr genau vorhersagen lässt. Man kann nur eine durch das
Betragsquadrat der Wellenfunktion festgelegte Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons
angeben.
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Atommodelle:
Die Modellvorstellungen über den Aufbau der Atome spiegeln die rasche Entwicklung auf
dem Gebiet der Atomphysik, besonders seit Anfang des 20.Jahrhunderts, wider. Das Kugelmodell (daltonsches Atommodell) beschreibt das Atom als mehr oder weniger starre Kugel;
sie kann Schwingungen um ein Zentrum ausführen und Kraftwirkungen auf die Umgebung
ausüben; mit ihm lassen sich u.a. die Gasgesetze sowie Diffusion, Wärmeleitung und Osmose erklären. Nach dem Rutherford-Bohr-Atommodell besteht das Atom aus einem Kern positiver Ladung, der auf genau definierten Kreisbahnen von den Elektronen der Atomhülle umkreist wird. Energie und Drehimpuls der Elektronen können nach den bohrschen Postulaten
nur ganz bestimmte Werte annehmen. Im Bohr-Sommerfeld-Atommodell sind die Kreisbahnen durch Ellipsenbahnen ersetzt. Beim De-Broglie-Schrödinger-Modell werden die stationären Quantenbahnen der Elektronen durch Materiewellen beschrieben; es sind nur solche
Wellenlängen möglich, die zu stehenden Wellen um den Atomkern führen (Wellenmechanik).
Im Orbitalmodell wird jedes Elektron durch eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Dichteverteilung) im Raum um den Atomkern charakterisiert.
Geschichte:
Im Altertum vertraten die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit (um 500 v.Chr.)
als Erste die Auffassung, die Materie sei nicht unbeschränkt teilbar. Diese Gedanken wurden
erst wieder aufgegriffen, als J.Dalton 1808 erkannte, dass sich die chemischen Elemente nur
in ganz bestimmten Massenverhältnissen zu Verbindungen vereinigen; er erklärte dies durch
Zusammenbau aus gleichartigen kleinen Teilchen. J. Loschmidt gelang es 1865, die Zahl der
Teilchen in einem Mol zu ermitteln. Etwa gleichzeitig wurde die Natur der Elektrizität entdeckt
(M. Faraday, H.L.F. von Helmholtz, P. Lenard, H.R. Hertz) und die elektrische Elementarladung bestimmt. Die kinetische Gastheorie (R.J.E. Clausius, J.C. Maxwell, L. Boltzmann) zur
Aufklärung der thermischen Eigenschaften der Materie gab ebenfalls einen deutlichen Hinweis auf die atomistische Struktur der Materie. Die Untersuchungen des Atombaus begannen
mit den Versuchen von E. Rutherford zur Streuung von Alphateilchen an Folien und von
P.Lenard über den Durchgang von Elektronenstrahlen durch Materie. Um 1913 gelang es N.
Bohr, mithilfe der Quantengesetze (M. Planck) das Wasserstoffspektrum und den Bau des
Wasserstoffatoms aufzuklären. Die Arbeiten von L.-V. de Broglie (1924) über die Doppelnatur des Lichtes (elektromagnetische Welle oder Elementarteilchen) erlaubten E. Schrödinger,
ein wellenmechanisches Atommodell, und schließlich W. Heisenberg, ein quantenmechanisches Atommodell zu entwerfen.
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1. Was ist Luft?
Hinweis: In diesem Kapitel sind sehr viele Versuche aufgeführt, die jedoch nicht alle durchgeführt werden müssen.
Ist Luft ein Stoff?
Versuch 1 (SV)*
Aufbau
Reagenzglas oder kleines Becherglas, großes Becherglas (alternativ Standzylinder, Glaswanne), kleines Hölzchen
Durchführung
Das Becherglas (Reagenzglas) wird mit der Öffnung in ein mit Wasser gefülltes Becherglas
getaucht. Bevor das Reagenzglas (Becherglas) in das Wasser getaucht wird, wird ein kleines
Hölzchen auf die Wasseroberfläche gelegt.
Beobachtung
Es gelangt keine Luft in das Becherglas (Reagenzglas). Das sieht man daran, dass das
Hölzchen ganz unten schwimmt.
Erklärung
Die im Becherglas (Reagenzglas) befindliche Luft ist ein Stoff und verhindert deshalb, dass
Wasser in das Gefäß eindringen kann.
Versuch 2 (SV)
Aufbau
Großes Becherglas, Glastrichter, kleines Hölzchen
Durchführung
a) In ein mit Wasser gefülltes Becherglas wird ein Hölzchen auf die Wasseroberfläche gelegt.
b) In das Wasser wird ein Glastrichter, dessen Ausflussrohr mit dem Finger zugehalten
wird, gedrückt.
c) Der Finger wird vom Ausflussrohr entfernt.
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SV - Schülerversuch, LV - Lehrerversuch
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Beobachtung
b)
Es gelangt kein Wasser in den Trichter, da das Hölzchen immer noch unten an der
Wasseroberfläche schwimmt.
c)
Sobald der Finger vom Ausflussrohr entfernt wird steigt das Wasser im Trichter bis auf
Höhe der Oberfläche an.
Erklärung
Die im Trichter befindliche Luft ist ein Stoff und verhindert deshalb, dass das Wasser aufsteigen kann. Erst wenn der Finger vom Ausflussrohr genommen wird, kann die Luft entweichen
und das Wasser in den Trichter eindringen.
Versuch 3 (SV)
Aufbau
Erlenmeyerkolben, Luftballon
Durchführung
Der Luftballon wird in den Erlenmeyerkolben gesteckt und es wird versucht, ihn aufzublasen.
Beobachtung
Der Ballon kann nur minimal aufgeblasen werden.
Erklärung
Die im Erlenmeyerkolben befindliche Luft ist ein Stoff und verhindert deshalb, dass der Ballon
aufgepustet werden kann.
Versuch 4 (SV)
Aufbau
Erlenmeyerkolben, Luftballon, Trinkhalm
Durchführung
In den Erlenmeyerkolben wird ein Trinkhalm gesteckt, dann wird der Luftballon in den Erlenmeyerkolben gesteckt und es wird versucht, ihn aufzublasen.
Beobachtung
Der Ballon kann wesentlich größer als in Versuch 2 aufgeblasen werden.
Erklärung
Die im Erlenmeyerkolben befindliche Luft ist ein Stoff und kann jetzt durch den Trinkhalm
entweichen. Der Luftballon kann daher groß aufgeblasen werden, da die von ihm verdrängte
Luft durch den Trinkhalm entweichen kann.
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Versuch 5 (SV)
Aufbau
Erlenmeyerkolben, durchbohrter Gummistopfen, kleiner Kunststofftrichter, Trinkhalm (der gut
durch das Öffnung des Trichters passen muss)
Durchführung
a) Ein Erlenmeyerkolben wird mit einem durchbohrten Gummistopfen, in dessen Öffnung
ein Trichter steckt, verschlossen. Anschließend wird Wasser in den Trichter gegossen.
wo es sich ansammelt.
b) Durch den Trichter wird ein dünner Trinkhalm, der bis in den Kolben hineinreicht, gesteckt.
Luft drückt gegen das
Wasser im Trichter
Beobachtung
a) Das Wasser sammelt sich im Trichter an (läuft der Gießvorgang zu langsam ab, fließt
das Wasser sofort in den Erlenmeyerkolben hinein und sammelt sich nicht im Trichter
an).
b) Das Wasser fließt aus dem Trichter in den Kolben hinein.
Erklärung
a) Die im Erlenmeyerkolben befindliche Luft ist ein Stoff und verhindert deshalb, dass
das Wasser vom Trichter aus hineinkommen kann.
b) Das Wasser aus dem Trichter drückt gegen die Luft im Kolben, die ihrerseits jetzt durch
den Trinkhalm entweichen kann.
Versuch 6 (SV)
Aufbau
Standzylinder (auch große Cola-Flasche), Glaswanne, Abdeckglas, abknickbarer Trinkhalm
Durchführung
Der Standzylinder wird randvoll mit Wasser gefüllt, mit der Glasplatte verschlossen und
schnell mit der Öffnung nach unten in eine mit Wasser gefüllte Glaswanne gestellt. Anschließend wird Luft mit Hilfe eines abknickbaren Trinkhalmes in den Standzylinder gepustet. Etwas besser lässt sich der Versuch mit einer Cola-Flasche durchführen, da man die Mündung
mit dem Daumen verschließen kann. Die Cola-Flasche besitzt aber keine Skala.
Beobachtung
Die Luft verdrängt das Wasser aus dem Standzylinder (Cola-Flasche).
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Erklärung
Da Luft ein Stoff ist, verdrängt sie das im Standzylinder befindliche Wasser (dieser Vorgang
ist vergleichbar mit dem, wenn ein wassergefülltes Glas mit Sand gefüllt wird, da auch hier
Wasser durch den Sand verdrängt wird).
Versuch 7 (LV)
Aufbau
Stativ, Stativklemme, Doppelmuffe, Kolbenprober mit Hahn, Gewicht (0,5 kg, 1 kg etc.)
Durchführung
a) Das Ventil vom Kolbenprober wird geschlossen, der Kolben ist herausgezogen.
b) Das Gewicht wird auf den Kolbenprober gestellt.
c) Das Ventil wird geöffnet.
Beobachtung
Bei geschlossenem Ventil bewegt sich der Kolben nicht nach unten. Wird das Ventil geöffnet,
entweicht die Luft und der Kolben bewegt sich nach unten.
Erklärung
Wenn im Kolbenprober Luft enthalten ist, dann kann sich der Kolben nur ein klein wenig nach
unten bewegen, da die Luft kompressibel ist.
Kann die Luft entweichen, bewegt sich der Kolben nach unten. Dies ist nur möglich, weil Luft
ein Stoff bzw. ein Körper ist, der einen Raum ausfüllt und in den deshalb kein anderer Körper
eindringen kann.
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Arbeitsblatt 1.1
Luft ist ein Stoff
Luft ist ein gasförmiger Stoff, der einen Raum einnimmt.
Luft drückt gegen das Wasser, so dass es nicht in den
Standzylinder eindringen
kann.
Luft drückt gegen den Ballon, Luft drückt gegen das Wasso dass er nicht aufgeblasen ser, so dass eine Person in
werden kann.
der Taucherglocke atmen und
arbeiten kann.
Luft nimmt einen Raum ein – Luft hat ein Volumen.
Luft wird in Einheitswürfeln gemessen.
Luft misst man in:
Kubikmetern (m3)
Kubikdezimetern (dm3) oder Litern (l)
Kubikzentimetern (cm3) oder Millilitern (ml)
Kubikmillimetern (mm3)
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Arbeitsblatt 1.2
Begründe, warum kein Wasser in den Standzylinder hinein kann.
Begründe, warum man den Luftballon nicht aufpusten kann.
Luft drückt gegen das
Wasser im Trichter
Warum kann das Wasser in den Erlenmeyerkolben fließen, wenn der Trinkhalm im Trichter
steckt?
Beschreibe, wie man das Volumen der Luftmenge, die in unserer Lunge ist, messen kann.
Wie viel Kubikmeter Luft befinden sich in deinem Zimmer?
Runde alles auf volle Meter und rechne Länge Breite Höhe.
Wie viel Liter passen in eine Gießkanne?
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Lösungen zu Arbeitsblatt 1.2
Begründe, warum kein Wasser in den Standzylinder hinein kann.
In dem Standzylinder befindet sich Luft, also ein Stoff, der gegen das
Wasser drückt.
Begründe, warum man den Luftballon nicht aufpusten kann.
In dem Erlenmeyerkolben befindet sich Luft, die gegen den Ballon
drückt. Sie verhindert dadurch, dass der Ballon aufgepustet werden
kann.
Luft drückt gegen das
Wasser im Trichter
Warum kann das Wasser in den Erlenmeyerkolben fließen, wenn der Trinkhalm im Trichter
steckt?
Wenn im Trichter kein Halm steckt, kann das Wasser nicht in den Erlenmeyerkolben hinein, da die Luft dies verhindert. Steckt man einen Halm
in den Trichter, kann das Wasser hinein, da es die Luft durch den Halm
herausdrückt und so Raum geschaffen wird.
Beschreibe, wie man das Volumen der Luftmenge, die in unserer Lunge ist, messen kann.
Wenn man die Luft, die sich in der Lunge befindet in einen mit Wasser
gefüllten Messzylinder bläst, dann verdrängt sie das darin befindliche
Wasser und nimmt dessen Raum ein und man kann mit Hilfe der Skala das
Volumen messen.
Wie viel Kubikmeter Luft befinden sich in deinem Zimmer?
Runde alles auf volle Meter und rechne Länge Breite Höhe.
Bei einem Raum von 3 m Breite, 4 m Länge und 2,5 m Höhe sind das
3
4
2,5 m = 30 m³
Wie viel Liter passen in eine Gießkanne?
Es passen ca. 10 Liter in eine Gießkanne.
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Hat Luft hat ein Gewicht?
Hinweis: Ein schlapper Fußball wird den Schülern gezeigt. Anschließend wird der Fußball
prall aufgepumpt und einige Male auf den Boden geprellt, um zu zeigen wie leicht er
hochspringt (es können auch zwei gleiche Bälle verwendet werden).
Lehrerfrage: Welche von beiden ist schwerer?
Versuch 8 (LV)
Aufbau
Fußball (wenn vorhanden, 2 gleiche Bälle verwenden), Ballpumpe, Tafelwaage (evtl. Digitalwaage / 0,1g), Gewichtssatz, auch Papierschnipsel oder Sand zum Austarieren verwenden
Durchführung
Der unaufgepumpte und der aufgepumpte Ball werden auf einer Tafelwaage gewogen.
Beobachtung
Der prall aufgepumpte Ball ist schwerer.
Erklärung
Da Luft ein Stoff ist und somit ein Gewicht hat, muss der aufgepumpte Ball schwerer sein, da
sich in ihm eine größere Luftmenge befindet als in dem „schlappen“ Ball.
Versuch 9 (LV)
Aufbau
Balkenwaage, Gewichtssatz, Kunststoffkugeln mit Ventil, Luftpumpen
Durchführung
aufgepumpte Kugel mit
zusätzlicher Luft
nicht aufgepumpte Kugel
Es wird eine unaufgepumpte Kunststoffkugel auf eine Waagschale der Balkenwaage gelegt.
Diese wird anschließend ins Gleichgewicht gebracht (zur genauen Austarierung Sand oder
Papierschnipsel verwenden). Jede Schülergruppe pumpt dann ihre Kugel so stark wie möglich auf und legt sie zum Vergleich auf die Waagschale.
Beobachtung
Die aufgepumpte Kugel ist schwerer als die nicht aufgepumpte Kugel.
Erklärung
Da Luft ein Stoff ist und somit ein Gewicht hat, muss die aufgepumpte Kugel schwerer sein,
da sich in ihr eine größere Luftmenge befindet als in der anderen Kugel.
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Versuch 10 (LV)
Aufbau
Tafelwaage, mehrere Kunststoffkugeln mit Ventil, Pumpen, Kunststoffschale, in die mehrere
Kugeln hineinpassen, 2 Bechergläser, Gewichte oder Sand
Durchführung
a) Die Kugeln werden unaufgepumpt in die Kunststoffschale gelegt. Diese wird auf eine Seite der Tafelwaage gestellt. Anschließend wird die Tafelwaage mit Hilfe von Gewichten
oder mit einem sandgefüllten Becherglas (ist sehr einfach und sehr genau) ins Gleichgewicht gebracht.
b) Die Schüler nehmen die Kugeln aus der Schale und pumpen sie so stark wie möglich auf
und legen sie dann wieder in die Schale zurück.
Beobachtung
Die Waage neigt sich deutlich auf die Seite der mit Luft gefüllten Kugeln.
Erklärung
Da Luft ein Gewicht hat, müssen die aufgepumpten Kugeln schwerer sein als die nicht aufgepumpten, denn es befindet sich mehr Luft in den aufgepumpten Kugeln.
Versuch 11 (LV)
Aufbau
Tafelwaage, mehrere Gummireifen mit Ventil, Pumpen, Kunststoffschale, in die mehrere Reifen hineinpassen, 2 Bechergläser, Gewichte oder Sand
Durchführung
Vgl. Versuch 8.
Beobachtung
Die Waage neigt sich deutlich auf die Seite der mit Luft gefüllten Gummireifen.
Erklärung
Vgl. Versuch 10
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Versuch 12 (LV)
Aufbau
Einmachglas (1 l), Dichtungsgummi, Kunststoffrezipient mit Pumpe, Tafelwaage (evtl.
Digitalwaage), Gewichtssatz
Durchführung
Das Einmachglas wird auf die Waage gestellt, die dann ins Gleichgewicht gebracht wird. Anschließend wird das Einmachglas mit Hilfe des Rezipienten mit Pumpe evakuiert und erneut
gewogen.
Beobachtung
Das Einmachglas ist leichter geworden. Die Gewichtsdifferenz zwischen dem „vollen“ und
dem leeren Glas wird bestimmt. Sie wird wahrscheinlich im Bereich 1,1 g - 1,3 g liegen
Erklärung
Da annähernd 1 Liter Luft aus dem Glas entfernt worden ist, muss die Gewichtsdifferenz zwischen dem „vollen“ und dem leeren Glas dem Gewicht von 1 Liter Luft entsprechen (genaue
Dichte von Luft: 1,29 g / l).
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Arbeitsblatt 1.3
Luft hat ein Gewicht
Luft hat wie jeder andere Körper und wie jeder andere Stoff ein Gewicht.
aufgepumpte Kugel mit
zusätzlicher Luft
nicht aufgepumpte Kugel
nichtaufgepumpter Fußball mit weniger Luft
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aufgepumpter Fußball mit mehr Luft
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Arbeitsblatt 1.4
Beschreibe den Versuch mit den Kunststoffkugeln, wo nachgewiesen wurde, dass Luft ein
Gewicht hat.
Begründe, warum der aufgepumpte Fußball schwerer war als der nicht aufgepumpte.
Ermittle, wie viel m³ dein Zimmer hat und berechne dann das Gewicht der Luft.
Lösungen zu Arbeitsblatt 1.4
Beschreibe den Versuch mit den Kunststoffkugeln, wo nachgewiesen wurde, dass Luft ein
Gewicht hat.
Eine Kunststoffkugel wurde auf eine Waage gelegt und diese wurde ins
Gleichgewicht gebracht. Anschließend wurde in die Kugel so viel Luft
wie möglich gepumpt und dann wurde sie wieder auf die Waage gelegt. Da
in die Kugel zusätzliche Luft, also mehr Stoff hineinkam, musste
schwerer werden.
Begründe, warum der aufgepumpte Fußball schwerer war als der nicht aufgepumpte.
In den aufgepumpten Fußball kam zusätzliche Luft hinein, also mehr
Stoff, so dass er schwerer werden musste.
Ermittle, wie viel m³ dein Zimmer hat und berechne dann das Gewicht der Luft.
Bei 30 m³ Luft beträgt das Gewicht ca. 30
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1,3 kg = 39 kg
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Erzeugt Luft einen Druck?
Hinweis: Arbeitsblatt, wo man einen Astronauten in seinem Druckanzug sieht.
Versuch 13 (LV)
Aufbau
Standzylinder, Postkarte (stabil) bzw. glatte Kunststoffplatte, Karton oder etwas Ähnliches
Durchführung
Der Standzylinder wird randvoll mit Wasser gefüllt und mit der Postkarte (Kunststoffplatte
oder etwas Ähnliches) verschlossen. Anschließend wird der Standzylinder um 180° gedreht,
so dass die Öffnung nach unten zeigt.
Achtung: Es darf nach dem Verschließen des Standzylinders keinerlei Luft über der Wasseroberfläche zurückbleiben bzw. hineingelangen.
Wasser
Luft drückt gegen
die Platte
Wasser
Beobachtung
Das Wasser bleibt im Standzylinder und stürzt nicht heraus.
Erklärung
Der äußere Luftdruck bewirkt, dass das Wasser nicht aus dem Gefäß herausläuft. Hinzu
kommt die Adhäsion zwischen der glatten Oberfläche der Abdeckplatte und dem glatten Glas
des Standzylinders.
Versuch 14 (LV)
Aufbau
Erlenmeyerkolben mit seitlichem Ansatz, Luftballon, Wasserstrahlpumpe, Schlauch
Durchführung
Über die Öffnung des Erlenmeyerkolbens wird eine Gummihaut gespannt (Luftballon an der
Seite aufschneiden). Danach wird der Kolben mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe luftleer gepumpt (evakuiert).
Luftdruck
Luft wird mit der Wasserstrahlpumpe herausgesaugt
Gummihaut
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Achtung: Zum Evakuieren keinen normalen Gummischlauch, sondern einen dickwandigen Unterdruckschlauch verwenden. Der normale Gummischlauch würde zusammengepresst werden.
Beobachtung
Die Gummihaut wird in den Erlenmeyerkolben hineingedrückt („gezogen“) und kann bei entsprechend hohem Unterdruck im Kolben mit einem Knall zerreißen.
Erklärung
Im Erlenmeyerkolben entsteht ein starker Unterdruck (ein schwaches Vakuum), so dass die
Kraftwirkung des Luftdrucks (10 N/ cm²) bewirkt, dass die Gummihaut in den Kolben hineingedrückt und sogar zerrissen wird.
Versuch 15 (SV)
Aufbau
Saughaken, glatte Flächen
Durchführung
Saughaken werden an Schülerarbeitsgruppen ausgegeben. Die Saughaken werden
a) auf dem Tisch befestigt und wieder gelöst
b) an einer glatten Wand oder einer anderen glatten senkrechten Fläche befestigt und wieder gelöst
c) an einer glatten Wand oder einer anderen glatten senkrechten Fläche befestigt und mit
einem Gegenstand belastet (evtl. Anorak, Mantel, leichter Rucksack, Gewicht u.a.)
Achtung:
Die Saughaken vor den Versuchen etwas anfeuchten.
Da die Saughaken aus Kunststoff sind, können sie bei zu starker Belastung brechen.
Vakuum bzw.
starker Unterdruck
Wand bzw.
Untergrund
Beobachtung
Die Saughaken haften an glatten Flächen und können nur mit großem Krafteinsatz wieder
gelöst werden. Sie haften so stark, dass sie mit schweren Gegenständen belastet werden
können.
Erklärung
Durch das Anpressen der Saughaken auf eine glatte Fläche entsteht unter dem Saugnapf ein
Vakuum, so dass der äußere Luftdruck den Haken mit großer Kraft auf die glatte Fläche
drückt. Bei rauen Flächen schließt der Saugnapf nicht völlig ab und es kann Luft eindringen
und das Vakuum vernichten. Theoretisch könnten die Saughaken eine Masse von fast 20 kg
halten.
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Wie stark ist der Druck, den Luft erzeugt?
Hinweis: Von Otto von Guerickes Versuch vor ca. 350 Jahren erzählen.
Versuch 16 (LV/SV)
Aufbau
Paar Magdeburger Halbkugeln, Wasserstrahlpumpe, (evtl. auch Handvakuumpumpe oder
elektr. Vakuumpumpe)
Durchführung
Die Magdeburger Halbkugeln werden mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe evakuiert. Verschiedene Schülerpaare versuchen anschließend die beiden Kugelhälften auseinander zu
ziehen.
Achtung: Evtl. die Kugelränder vor dem Evakuieren etwas einfetten.
Beobachtung
a) Die Halbkugeln lassen sich normalerweise von den Schülern nicht auseinander ziehen.
b) Die Halbkugeln lassen sich erst auseinanderziehen, wenn durch den geöffneten Hahn
Luft eingeströmt ist.
Erklärung
Da in den Halbkugeln ein Vakuum herrscht, werden sie durch die Kraft des äußeren Luftdrucks so stark zusammengepresst, das man sie nicht auseinander ziehen kann (die Kraft,
mit der der äußere Luftdruck gegen die Kugelhälften drückt, beträgt ca. 3000 N bzw. physikalisch nicht korrekt ca. 300 kg).
Durch das Einströmen der Luft in das Vakuum wird der äußere Luftdruck kompensiert, so
dass man die Halbkugeln auseinanderziehen kann.
Hinweis: Sollten sich kein Magdeburger Halbkugeln in der Physik-Sammlung befinden, kann
man den Versuch auch mit zwei Saughaken, die zusammengepresst werden als Schülerversuch durchführen. Ebenfalls durch führen lässt sich der Versuch mit zwei für die Abflussreinigung vorgesehenen Saugglocken.
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Versuch 17 (SV)
Aufbau
2 Saughaken, 2 Saugglocken
Durchführung
a) Die beiden Saughaken werden etwas angefeuchtet und dann zusammengepresst. Anschließend wird versucht, sie auseinander zuziehen bzw. sie zu belasten.
b) Analoger Versuch mit den beiden Saugglocken.
Beobachtung
Wie Versuch 16
Erklärung
Wie Versuch 16
Versuch 18 (SV)
Aufbau
Kunstoffrezipient mit Pumpe, Luftballon
Durchführung
Ein nicht allzu stark aufgeblasener Luftballon wird unter einen Rezipienten gelegt, der anschließend evakuiert wird.
Achtung: Dieser Versuch kann - falls vorhanden - noch wesentlich eindrucksvoller mit einer
elektr. Vakuumpumpe als ergänzender Lehrerversuch durchgeführt werden.
Beobachtung
Der Ballon wird immer größer, je stärker der Unterdruck im Rezipienten wird. Bei sehr starkem Unterdruck kann er sogar platzen. Lässt man wieder Luft hineinströmen, nimmt der
Luftballon wieder seine normale Größe an.
Erklärung
Da im Rezipienten ein starker Unterdruck herrscht und somit der äußere Luftdruck nicht mehr
auf den Ballon einwirkt, kann die Luft im Ballon ihr Volumen vergrößern.
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Versuch 19 (SV)
Aufbau
Kunstoffrezipient mit Pumpe, Negerkuss
Durchführung
Ein Negerkuss wird unter einen Rezipienten gelegt, der anschließend evakuiert wird.
Achtung: Dieser Versuch kann - falls vorhanden - noch wesentlich eindrucksvoller mit einer
elektr. Vakuumpumpe als ergänzender Lehrerversuch durchgeführt werden.
Beobachtung
Der Negerkuss wird immer größer, je stärker der Unterdruck im Rezipienten wird. Bei sehr
starkem Unterdruck platzt die Schokoladenhaut völlig auf. Lässt man wieder Luft hineinströmen nimmt der Negerkuss wieder seine normale Größe an.
Erklärung
Im Rezipienten herrscht ein starker Unterdruck. Die Luftbläschen, die in dem Negerkussschaum enthalten sind, können, da der äußere Luftdruck nicht mehr vorhanden ist, ihr Volumen vergrößern. Lässt man wieder Luft in den Rezipienten einströmen, herrschen wieder
normale Druckverhältnisse und die Luftbläschen werden wieder zusammengedrückt.
Versuch 20 (LV)
Aufbau
Kunststoffkanister, durchbohrter Gummistopfen, kurzes Glasrohr (oder kurzes Winkelrohr),
Wasserstrahlpumpe (elektrische Vakuumpumpe), Schlauch
Durchführung
Ein leerer Kunststoffkanister (5 l oder 10 l) wird mit einem durchbohrten Gummistopfen, in
dem ein kurzes Glasrohr steckt, verschlossen. Das Glasrohr wird an einen Unterdruckschlauch angeschlossen, der mit einer Wasserstrahlpumpe verbunden ist. Anschließend wird
der Kanister evakuiert.
Vakuum bzw.
starker Unterdruck
Achtung: Der Versuch lässt sich auch mit einem Blechkanister durchführen. Dabei ist aber zu
beachten, dass der Blechkanister nur einmal verwendet werden kann, da er stark verbeult.
Ein Kunststoffkanister kann mehrfach verwendet werden, da er elastisch ist und bei einem
Druckausgleich immer wieder seine alte Form annimmt.
Beobachtung
Der Kanister wird immer stärker zusammengedrückt, je länger er an der Wasserstrahlpumpe
angeschlossen ist. Entfernt man den Gummistopfen, nimmt der Kanister wieder seine alte
Form an.
Erklärung
Im Kanister wird ein starker Unterdruck erzeugt, so dass der äußere Luftdruck ihn aufgrund
seines elastischen Materials zusammendrücken kann. Bei einem Druckausgleich kann er
dann wieder seine alte Form annehmen.
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Versuch 21 (LV oder SV)
Aufbau
Kunstoffrezipient mit Handpumpe (besser geht es mit einer elektrischen Vakuumpumpe als
LV), leere Blechdose (Cappuccinodose) mit dicht sitzendem Kunststoffdeckel (keine Pappdose verwenden!)
Durchführung
Die mit dem Deckel verschlossene Dose wird in den Rezipienten gestellt; dieser wird anschließend evakuiert.
Beobachtung
Bei Erreichen eines starken Unterdruckes wird der Deckel hochgeschleudert.
Erklärung
Da der Luftdruck im Rezipienten immer weiter abfällt und mit immer geringerer Kraft auf den
Deckel drückt, kann die in der Dose unter normalem Druck befindliche Luft den Deckel hochdrücken bzw. hochschleudern.
Versuch 22 (LV oder SV)
Aufbau
Kunstoffrezipient mit Handpumpe (besser geht es mit einer elektrischen Vakuumpumpe als
LV), leere Blechdose (Cappuccinodose), oberer Teil eines Luftballons
Durchführung
Über die Öffnung der Dose wird der obere Teil eines Luftballons wie eine Membran gespannt. Die Dose wird in den Rezipienten gestellt; dieser wird anschließend evakuiert.
Beobachtung
Bei Erreichen eines starken Unterdruckes wölbt sich die Gummimembran immer stärker hoch
und wird hochgeschleudert.
Erklärung
Da der Luftdruck im Rezipienten immer weiter abfällt und mit immer geringerer Kraft auf die
Membran drückt, kann die in der Dose unter normalem Druck befindliche Luft die Gummimembran immer weiter hoch drücken und dehnen.
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Versuch 23 (LV)
Aufbau
Elektrischen Vakuumpumpe, implosionsfester Rezipient , großes Becherglas, Standzylinder,
Abdeckglas
Durchführung
a) Der Standzylinder wird bis zum Rand mit Wasser gefüllt und mit dem Abdeckglas so verschlossen, dass sich keine Luftblasen in seinem Inneren befinden.
b) Der Standzylinder wird in ein ca. zur Hälfte mit Wasser gefülltes Becherglas mit der Mündung nach unten hineingestellt, wobei das Abdeckglas entfernt wird. Der Standzylinder
muss etwas schräg im Becherglas stehen.
c) Das Becherglas mit dem Standzylinder wird unter einen Rezipienten, der mit Hilfe der
Vakuumpumpe evakuiert wird, gestellt.
d) Wenn der Rezipient stark evakuiert ist, wird der Druck vorsichtig wieder etwas erhöht,
d.h. man lässt etwas Luft hineinströmen.
Beobachtung
Wenn der Druck im Rezipienten abfällt, dann sinkt die Wassersäule nach einer gewissen Zeit
im Standzylinder langsam herunter. Erhöht man den Druck im Rezipienten, d.h. man lässt
etwas Luft hineinströmen, dann steigt die Wassersäule im Standzylinder wieder bis nach
oben.
Erklärung
Da der Luftdruck im Rezipienten immer weiter abfällt und mit immer geringerer Kraft auf die
Wasseroberfläche im Becherglas drückt, sinkt die Wassersäule im Standzylinder auf Grund
ihres Gewichtes langsam herunter.
Wird der Druck im Rezipienten wieder erhöht, drückt die Luft auf das Wasser des Becherglases, was dazu führt, dass die Wassersäule im Standzylinder wieder ansteigt.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 1.5
Luft erzeugt einen Druck
Das Gewicht der Luft
drückt auf alle Körper
Die Lufthülle bzw. Atmosphäre der Erde hat eine Stärke von ca. 20 km
(bei der Abbildung übertrieben stark gezeichnet).
Das Gewicht der Luft drückt von allen Seiten auf alle Körper. Alle Körper auf
der Erde sind diesem Luftdruck ausgesetzt. Der Luftdruck in 20 km Höhe
(20 000 m) beträgt ca. 1 des Luftdrucks am Boden.
10
Der Luftdruck entsteht durch das Gewicht der Luft.
Auf jedem Quadratzentimeter (cm²) der Erdoberfläche in Meereshöhe lastet
ein Druck, der dem Gewicht von 1 kg entspricht.
1 kg
1 cm²
Diesen Druck nennt man 1 bar. Der Luftdruck wird mit einem Barometer gemessen.
Der menschliche Körper hat eine Oberfläche von ca. 18 000 cm², d.h. die Luft
übt einen Druck von 18 000 kg (genauer 180 000 N) bzw. 18 t auf unseren
Körper aus.
Die Luft drückt mit
1 kg Gewicht (genauer 10 N)
auf jeden cm² unseres Körpers
Soll der Luftdruck genauer gemessen werden wie z.B. beim Wetter, so verwendet man die wesentlich kleinere Einheit Hektopascal (hPa).
1000 hPa = 1 bar
In Deutschland nimmt der Luftdruck Werte zwischen 970 und 1030 hPa an.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 1.6
Luftdruck
Luft drückt
gegen
die Platte
Gummihaut
Luft wird mit der
Wasserstrahlpumpe
herausgesaugt
Wasser
Warum fällt die Platte nicht herunter?
Warum wölbt sich die Gummihaut über der Öffnung des Erlenmeyerkolbens nach innen?
a) Zeichne und erkläre, was mit dem Luftballon im Kolben geschieht, wenn ein Unterdruck erzeugt wird.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 1.7
b) Zeichne und erkläre, was geschieht,
wenn jemand an dem Rohr saugt.
c) Zeichne, was bei dem Saughaken geschieht, wenn er angedrückt wird und beschreibe den Vorgang.
Luft
glatte Fläche
Begründe, warum man die Magdeburger Halbkugeln nicht auseinander ziehen kann.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 1.8
starker Unterdruck
normaler
Luftdruck
a) Zeichne was mit dem Ballon bei Unterdruck passiert.
b) Erkläre, was mit dem Ballon bei starkem Unterdruck passiert.
Warum wird ein Kunststoffkanister, wenn er an eine Wasserstrahlpumpe angeschlossen
wird, zusammengedrückt, und warum nimmt er wieder seine alte Form an, wenn er anschließend geöffnet wird?
Was ist ein Barometer?
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Lösungen zu Arbeitsblatt 1.6
Luftdruck
Luft drückt
gegen
die Platte
Gummihaut
Luft wird mit der
Wasserstrahlpumpe
herausgesaugt
Wasser
Warum fällt die Platte nicht herunter?
Die Platte wird auf Grund des äußeren Luftdrucks (und durch Adhäsionskräfte) am Rand des Standzylinders gehalten.
Warum wölbt sich die Gummihaut über der Öffnung des Erlenmeyerkolbens nach innen?
Im Inneren des Kolbens herrscht ein Unterdruck, so dass der äußere
Luftdruck die elastische Gummihaut in den Kolben hineindrückt.
Im K
zeug
geri
äuße
dann
a)
Durch den Unterdruck, der im Kolben entsteht, wird aufgrund des
höheren äußeren Luftdrucks Luft in
den Ballon gedrückt.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Lösungen zu Arbeitsblatt 1.7
b)
Wenn jemand am Rohr saugt entsteht
im Rohr ein Unterdruck, so dass
durch den äußeren Luftdruck die
Flüssigkeit in das Rohr hineingedrückt wird.
c) Aus dem Raum zwischen Saugnapf
und glatter Fläche wird die Luft
herausgedrückt, so dass dort fast
ein Vakuum entsteht. Der äußere
Luftdruck kann nun die Kunststofffläche gegen die glatte Fläche
drücken. Ist die Fläche nicht ganz
glatt, d.h. nicht ganz eben, dann
kann allmählich Luft unter die
Fläche wandern und zu einem Druckausgleich führen, so dass der Haken nicht mehr gegen die Wand gepresst würde.
Unterdruck
Luft
starker
Unte rdruck
glatte Fläche
Begründe, warum man die Magdeburger Halbkugeln nicht auseinander ziehen kann.
In den Magdeburger Halbkugeln herrscht ein starker Unterdruck bzw. ein
Vakuum. Auf die Halbkugeln wirkt der äußere Luftdruck ein und drückt
sie mit sehr großer Kraft zusammen.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Lösungen zu Arbeitsblatt 1.8
starker Unte rdruck
normaler
Luftdruck
a) Zeichne was mit dem Ballon bei Unterdruck passiert.
b) Erkläre, was mit dem Ballon bei starkem Unterdruck passiert.
Bei starkem Unterdruck wirkt auf den Ballon nur noch ein geringer äußerer Druck, so dass die Luft im Inneren des Ballons sich stark ausdehnen kann.
Warum wird ein Kunststoffkanister, wenn er an eine Wasserstrahlpumpe angeschlossen
wird, zusammengedrückt, und warum nimmt er wieder seine alte Form an, wenn er anschließend geöffnet wird?
Im Kunststoffkanister wird mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe ein starker
Unterdruck erzeugt, so dass der äußere Luftdruck ihn zusammenpressen
kann. Wird er geöffnet, dann strömt Luft von außen in den Kanister und
drückt gegen die Innenwände, so dass er die alte Form wieder annimmt.
Was ist ein Barometer?
Ein Gerät, mit dem man den Luftdruck messen kann.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
2. Woraus besteht Luft?
Versuch 1 (SV)
Aufbau
Glaswanne, Standzylinder, Schlitzblech, Kerze mit Untersetzer, Lineal
Durchführung
a) Eine Glaswanne wird ca. 5 cm hoch mit Wasser gefüllt.
b) Ein Untersetzer mit Öffnung wird auf den Boden der Glaswanne gestellt; der Untersetzer
muss ca. 2 cm unter Wasser stehen.
c) Auf den Untersetzer wird eine Kerze mit Untersetzer gestellt.
d) Die Kerze wird angezündet.
e) Der Standzylinder wird schnell (Wichtig!) über die Kerze gestülpt.
Beobachtung
Die Kerze brennt eine Weile und erlischt dann. Kurz danach steigt das Wasser in dem
Standzylinder an. Eine Messung mit dem Lineal ergibt, dass ca. 1 des Zylinders mit Wasser
5
gefüllt ist.
Erklärung
Die Kerze brennt so lange, bis der Sauerstoff (O) der Luft aufgebraucht ist, d.h. sich mit den
Kohlenwasserstoffen der Kerze zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) verbunden hat.
Das Kohlenstoffdioxid seinerseits verbindet sich mit dem Wasser zu Kohlensäure, so dass
der Anteil des Luftvolumens im Standzylinder in etwa um den Sauerstoffanteil reduziert wird.
Diese Reaktion läuft wie folgt ab:
H2O + CO2
H2CO3 + H2O
Der Anteil des Sauerstoffs an der Luft beträgt daher ca. 51 oder genau 21 %. Der eben beschriebene Nachweis ist kein direkter, sondern ein indirekter Nachweis.
Fast der gesamte restliche Anteil der Luft, der die Flamme erstickt, nämlich Stickstoff (N),
wird für die Verbrennung nicht benötigt und ist unbrennbar; sein Anteil beträgt 78 %.
Das restliche 1 % der Luft besteht aus Edelgasen und Kohlenstoffdioxid. Luft ist also ein
Gemisch verschiedener Gase, d.h. im Wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff.
Würde Luft nur aus Sauerstoff bestehen (theoretisch), dann würde die Kerze so lange brennen bis der gesamte Sauerstoff verbraucht wäre und das Wasser könnte den gesamten
Standzylinder ausfüllen.
Der Anteil des Kohlenstoffdioxids ist in den letzten 200 Jahren von 0,03 % auf knapp 0,04 %
angestiegen. Dieser scheinbar geringe Anstieg beeinflusst das Weltklima aber zunehmend
stärker, weil dadurch und durch Mitwirkung von Methan der Treibhauseffekt hervorgerufen
wird.
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Versuch 2 (SV)
Aufbau
Glaswanne, Standzylinder, Schlitzblech, feine Stahlwolle, Lineal
Durchführung
a) Angefeuchtete Stahlwolle wird in einen Standzylinder gestopft.
b) Ein Untersetzer mit Öffnung wird auf den Boden der Glaswanne gestellt; der Untersetzer
muss ca. 2 cm unter Wasser stehen.
c) Auf den Untersetzer wird der Standzylinder mit der Stahlwolle gestellt und einige Tage
stehen gelassen.
Beobachtung
a) Nach einigen Tagen ist die Stahlwolle verrostet.
b) Eine Messung mit dem Lineal ergibt, dass ca. 1 des Zylinders mit Wasser gefüllt ist.
5
Erklärung
Der Sauerstoff (21 %) der Luft im Standzylinder hat sich mit der Stahlwolle zu Eisenoxid verbunden. Zurück bleiben die restlichen Bestandteile Stickstoff, Edelgase und Kohlenstoffdioxid.
Die Reaktion läuft wie folgt ab:
2 Fe + O2
2 FeO
Dies ist ein direkter Nachweis, dass sich der Sauerstoff direkt mit dem Eisen verbunden hat.
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Arbeitsblatt 2.1
Woraus Luft besteht
Luft ist ein Gemisch aus den beiden Gasen Sauerstoff (O) und Stickstoff (N).
Außerdem enthält sie noch einen sehr geringen Anteil an Edelgasen (Helium,
Neon, Argon, Krypton und Xenon) und Kohlenstoffdioxid bzw. Kohlendioxid
(CO2).
Stickstoff (N)
4
5
Sauerstoff (O)
1
5
Edelgase
Kohlenstoffdioxid
- 46 -
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Arbeitsblatt 2.2
Warum steigt das Wasser in einem verschlossenen Gefäß an, wenn sich über längere Zeit
Eisenwolle in ihm befindet (vgl. Versuch 2)?
Zähle Edelgase auf.
Das Edelgas Helium kennst du bestimmt. Beschreibe, welche Eigenschaften es hat.
Lösungen zu Arbeitsblatt 2.2
Warum steigt das Wasser in einem verschlossenen Gefäß an, wenn sich über längere Zeit
Eisenwolle in ihm befindet (vgl. Versuch 2)?
Die Eisenwolle verbindet sich nach einiger Zeit mit dem Sauerstoff der
im Glas enthaltenen Luft, sodass das Wasser um diesen Anteil ansteigen
kann.
Zähle Edelgase auf.
Helium, Neon Argon Krypton, Xenon
Das Edelgas Helium kennst du bestimmt. Beschreibe, welche Eigenschaften es hat.
Helium ist der zweitleichteste Stoff der Welt nach Wasserstoff. Es
wird zum Füllen von Ballonen und Luftschiffen verwendet. Wird es eingeatmet, dann verändert sich auf Grund veränderter Schwingungen die
Stimme (Micky-Maus-Effekt).
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3. Unsere Atmung
Wie kommt Luft in unsere Lunge?
Versuch 1 (SV)
Aufbau
Kunstoffrezipient mit Pumpe, Luftballon, 1 Gummistopfen mit Bohrung, groß, 1 Gummistopfen mit Bohrung, klein, Glasrohr, Glyzerin (zum Schmieren der Stopfen)
Durchführung
a) Der kleinere Stopfen wird auf das obere Ende des Glasrohrs geschoben und wird
in die Öffnung des Rezipienten, bei dem vorher das Ventil entfernt wurde geschoben
(evtl. Öffnung etwas vergrößern, damit das Glasrohr durchpasst).
b) Auf das untere Ende des Glasrohres, das sich jetzt im Rezipienten befindet, wird der
größere Stopfen geschoben und ein Luftballon wird darüber gezogen.
c) Der Rezipient wird auf die Unterlage gesetzt und es wird etwas Luft herausgepumpt
(eventuell Dichtungsring der Unterlage etwas anfeuchten).
d) Anschließend lässt man die Luft durch Anheben des oberen Gummistopfens wieder in
den Rezipienten zurückströmen.
Beobachtung
Sobald Luft aus dem Rezipienten gepumpt wird, bläht sich der Ballon auf. Strömt die Luft in
den Rezipienten zurück, dann schrumpft der Luftballon wieder auf seine ursprüngliche Größe.
Erklärung
Durch das Pumpen wird Luft aus dem Rezipienten entfernt, so dass ein Unterdruck entsteht.
Aufgrund dieses Unterdrucks kann die äußere Luft in den Ballon strömen und ihn aufblähen.
Strömt Luft in den Rezipienten zurück, dann herrscht hier wieder der normale Druck, so dass
der Ballon wieder auf seine ursprüngliche Größe zusammengedrückt wird.
Bei der menschlichen Atmung sind die Verhältnisse ähnlich:
Das Zwerchfell dehnt sich nach unten aus und vergrößert dadurch das Volumen des Brustkorbs, so dass hier ein Unterdruck entsteht. Dieser Unterdruck bewirkt, dass jetzt Luft von
außen durch Mund, Nase, Luftröhre und Bronchien in die Lunge strömen kann und diese sich
aufbläht.
Bewegt sich das Zwerchfell nach oben, so verkleinert sich der Brustkorb, es vergrößert sich
wieder der Druck und die Luft wird aus der Lunge herausgepresst.
Hinweis: Für diesen Versuch kann eventuell ein entsprechendes Lungenmodell aus der Biologiesammlung verwendet werden.
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Versuch 2 (SV)
Aufbau
PET-Flasche (1 Liter; aber nur Flaschen aus festem Kunststoff verwenden), 2 Luftballons, 1
Gummistopfen groß, 1 Gummistopfen klein, Glasrohr, Glyzerin (zum Schmieren der Stopfen)
Durchführung
a) Der Boden der PET-Flasche wird mit einer Schere abgeschnitten. Spitze Stellen werden
entfernt, so dass der abgeschnittene Rand glatt ist.
b) Auf das untere Ende des Glasrohrs wird der große Stopfen geschoben. Anschließend
wird ein Luftballon darüber gezogen (der Ballon sollte schon einmal stark aufgeblasen
worden sein, damit er nicht so stramm ist)
c) Das obere Ende des Glasrohrs wird von unten durch die Flaschenöffnung geschoben
und es wird der kleinere Stopfen auf das obere Ende des Glasrohrs geschoben. Danach
wird die Flaschenöffnung mit dem kleinen Stopfen verschlossen.
d) Von dem zweiten Ballon wird das Mundstück so abgeschnitten, dass eine große Öffnung
entsteht. Anschließend wird der Ballon sozusagen wie eine Membran über die untere
Flaschenöffnung gezogen.
e) Die Gummimembran wird nach oben gedrückt und nach unten gezogen.
gespannte
Gummimembran
gespannte
Gummimembran
Beobachtung
Sobald die Gummimembran nach oben gedrückt wird schrumpft der Ballon, d.h. sein Volumen verkleinert sich. Wird die Gummimembran nach unten gezogen bläht sich der Ballon
auf, d.h. sein Volumen vergrößert sich.
Erklärung
Durch das Drücken der Gummimembran nach oben wird die Luft in der Flasche zusammengedrückt, so dass ein Überdruck entsteht und der Ballon schrumpft. Wird die Membran nach
unten gezogen entsteht ein Unterdruck in der Flasche und der Ballon dehnt sich aus.
Bei der menschlichen Atmung sind die Verhältnisse ähnlich:
Das Zwerchfell dehnt sich nach unten aus und vergrößert dadurch das Volumen des Brustkorbs, so dass hier ein Unterdruck entsteht. Dieser Unterdruck bewirkt, dass jetzt Luft von
außen durch Mund, Nase, Luftröhre und Bronchien in die Lunge strömen kann und diese sich
aufbläht.
Bewegt sich das Zwerchfell nach oben, so verkleinert sich der Brustkorb, es vergrößert sich
wieder der Druck und die Luft wird aus der Lunge herausgepresst.
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Wie viel Luft passt in unsere Lunge?
Versuch 3 (SV)
Aufbau
Große Kunststoffwanne (ca. 20 l), 5 l-Kunststoffkanister mit Verschluss (leerer Frostschutzmittelkanister oder ähnliches; gut reinigen), ca. 70 cm Gummischlauch mit etwas größerem
Durchmesser, großes Becherglas (700-1000 ml)
Durchführung
Der Kanister wird mit einer Liter-Skala, die mit einem wasserfesten Filzstift aufgezeichnet
wird, versehen. Anschließend wird er bis zur Öffnung mit Wasser gefüllt, so dass er keine
Luft mehr enthält und dann verschlossen. Dann wird er, mit der Öffnung nach unten, in die
mit Wasser gefüllte Wanne gestellt und der Verschluss wird abgeschraubt. Jetzt wird der
Schlauch in die unter Wasser befindliche Öffnung eingeführt und es kann Luft in den Kanister
gepustet werden. Danach kann man an der Skala grob ablesen, wie groß das Lungenvolumen des Schülers ist, der gepustet hat. Für einen neuen Versuch mit einem anderen Schüler
wird der Kanister mit dem Becherglas wieder aufgefüllt und das Schlauchende wird desinfiziert.
Beobachtung
Die Luft verdrängt das Wasser aus dem Kanister und man kann messen, welches Lungenvolumen die Person hat, die Luft in den Kanister bläst.
Erklärung
Da Luft ein Stoff ist, verdrängt sie das im Kanister befindliche Wasser.
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Arbeitsblatt 3.1
Wie wir atmen
Der Mensch benötigt zum Leben Sauerstoff. Zur Aufnahme des Luftsauerstoffs
in den Körper benötigt er die Lunge.
Dies geschieht folgendermaßen:
Unterdruck im
Brustkorb
Überdruck im
Brustkorb
Einatmen
Ausatmen
Das Zwerchfell dehnt sich nach unDas Zwerchfell hebt sich, verkleiten aus, vergrößert den Brustkorb
nert den Brustkorb und erzeugt
und erzeugt auf diese Weise einen
auf diese Weise einen Überdruck.
Unterdruck.
Die Lunge verkleinert sich und
drückt die verbrauchte Luft hinaus.
Die Lunge vergrößert sich, weil
durch den entstehenden Unterdruck
Die verbrauchte Luft enthält einen
von außen Luft durch Mund, Nase,
großen Anteil an KohlenstoffdioLuftröhre und Bronchien hineinsxid (CO2).
trömt.
Das menschliche Lungenvolumen beträgt 3 – 4 Liter (l) und ist abhängig von
Geschlecht, Alter und Körpergröße.
Leistungssportler erreichen Werte von bis zu 8 Litern.
Bei Frauen ist das Lungenvolumen um ca. 41 geringer als bei Männern.
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Arbeitsblatt 3.2
Durch das Rauchen von Zigaretten werden nicht nur die Lunge, sondern auch
andere Organe geschädigt.
Es verursacht einen großen Teil der Krebserkrankungen, Herzinfarkte und
Kreislauferkrankungen.
Lunge
Herz
Kreislauf
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Krebs
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Arbeitsblatt 3.3
Warum atmen wir?
Beschreibe kurz, warum Luft in unsere Lungen gelangt, wenn wir einatmen und Luft aus unseren Lungen herauskommt, wenn wir ausatmen.
Vergleiche das „Flaschenmodell“ unserer Lunge mit den Teilen unseres Körpers. Beschrifte
in beiden Skizzen die Teile, die unseren Körperteilen entsprechen.
Begründe, warum Räume, in denen sich viele Menschen aufhalten, von Zeit zu Zeit gelüftet
werden müssen.
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Lösungen zu Arbeitsblatt 3.3
Warum atmen wir?
Wir atmen, weil unser Körper zur Aufrechterhaltung unserer Lebensfunktionen Sauerstoff benötigt.
Beschreibe kurz, warum Luft in unsere Lungen gelangt, wenn wir einatmen und Luft aus unseren Lungen herauskommt, wenn wir ausatmen.
Wenn wir einatmen wird mit Hilfe des Zwerchfells der Brustkorb vergrößert und ein Unterdruck erzeugt, so dass der äußere Luftdruck Luft in
unsere Lunge presst. Beim Ausatmen ist es umgekehrt. Hier wird der
Brustkorb mit Hilfe des Zwerchfells verkleinert und ein Überdruck erzeugt, der die Lungen zusammenpresst und die Luft herausdrückt.
Vergleiche das „Flaschenmodell“ unserer Lunge mit den Teilen unseres Körpers. Beschrifte
in beiden Skizzen die Teile, die unseren Körperteilen entsprechen.
Luftröhre
Luftröhre
Lunge
Lunge
Zwerchfell
Zwerchfell
Begründe, warum Räume, in denen sich viele Menschen aufhalten, von Zeit zu Zeit gelüftet
werden müssen.
Menschen atmen sehr viel mehr Kohlenstoffdioxid aus (5,6 %) als ein,
so dass sich nach einiger Zeit die Raumluft damit anreichert. Da Kohlenstoffdioxid die Atmung und damit die Körperfunktionen unterdrückt,
ist es nötig frische Luft mit einem höheren Sauerstoffanteil in den
Raum einzulassen.
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4. Warum ist es windig?
Welche Eigenschaft hat warme Luft?
Versuch 1 (SV)
Aufbau
Kerze, Kerzenhalter, Blatt Papier, Spatel, Abdampfschale
Durchführung
a) Ein Blatt Papier wird in einer Abdampfschale verbrannt und die Asche wird zerkleinert.
b) Eine Spatelspitze voll Asche wird über der Kerzenflamme verteilt.
Beobachtung
Die Ascheteilchen steigen in der warmen Luft nach oben.
Erklärung
Warme Luft ist leichter als kalte Luft und steigt deshalb nach oben und reißt die Ascheteilchen mit sich.
Versuch 2 (LV)
Aufbau
Tafelwaage, Stativ, Stativklemme, Doppelmuffe, Gasbrenner, große Papiertüte (keine
Kunststofftüte!), Massestücke (kleines Becherglas mit Sand, Papierknäuel)
Durchführung
a) Eine große Papiertüte, die weit geöffnet ist, wird mit Hilfe einer Stativklemme an einem
Stativ befestigt. Dieses Stativ mit der daran befestigten Tüte wird auf eine Seite einer Tafelwaage gestellt. Anschließend wird die Tafelwaage mit Massestücken ins Gleichgewicht
gebracht. Da eine Tafelwaage sehr empfindlich reagiert, können zur exakten Tarierung
zusätzlich auch kleine Papierknäuel bzw. ein Becherglas mit Sand verwendet werden.
b) Unter die Öffnung der Papiertüte wird ein Gasbrenner mit bläulich leuchtender Flamme
gehalten. Es muss dabei aber darauf geachtet werden, dass die Tüte nicht anfängt zu
brennen. Vorsicht Brandgefahr!
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Beobachtung
Sobald heiße Abgase und heiße Luft in die Tüte strömen, bewegt sich die entsprechende
Seite der Tafelwaage nach oben.
Erklärung
Vergleicht man zwei Gasmengen in zwei gleich großen, aber offenen Behältern mit unterschiedlichen Temperaturen, so stellt man fest, dass sich in dem Behälter mit dem erwärmten
Gas weniger Moleküle befinden als in dem kälteren. Dadurch, dass sich Gasmoleküle, wenn
sie erwärmt werden, schneller bewegen als im kalten Zustand, benötigen sie mehr Raum. In
dem Behälter mit dem erwärmten Gas befinden sich daher weniger Gasteilchen, so dass die
Dichte dieses erwärmten Gases geringer ist als die des kalten.
Verschlösse man beide Behälter, dann würde in dem Behälter mit dem erwärmten Gas der
Druck ansteigen, da die schnellbewegten Moleküle den Behälter nicht verlassen könnten und
somit eine stärkere Kraft auf die Behälterwände ausüben würden als die im kälteren Gefäß.
In dem Behälter mit dem kälteren Gas befinden sich mehr Gasmoleküle; das Gas hat also
eine größere Dichte als das erwärmte Gas im anderen Behälter.
Kurz ausgedrückt: Heiße Gase sind leichter als kalte Gase.
Die heiße Luft bzw. die heißen Abgase in der Tüte sind leichter als die umgebende kühlere
Luft, so dass ein Auftrieb entsteht. Da die Auftriebskraft nach oben gerichtet ist, wirkt auf die
entsprechende Seite der Tafelwaage eine geringere Gewichtskraft als vorher und sie bewegt
sich daher nach oben.
Versuch 3 (SV)
Aufbau
2 Kerzen, 2 Kerzenhalter, Bunsenbrenner, Kunststofftüte (Gemüsetüte aus dem Supermarkt)
oder Müllbeutel für Papierkörbe
Durchführung
Die Tüte wird über die Flammen von 2 Kerzen gehalten (ansonsten reicht die Erwärmung
nicht aus). Vorsicht! Tüte nicht zu dicht an die Flammen halten, da sie ansonsten schmilzt.
Der Versuch kann auch mit dem Bunsenbrenner durchgeführt werden, wobei aber eine großer Müllbeutel verwendet werden muss.
Beobachtung
Die Tüte steigt nach oben.
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Erklärung
Da warme Luft leichter als kalte Luft ist, steigt die mit warmer Luft gefüllte Tüte auf Grund ihres Auftriebs nach oben.
Versuch 4 (SV)
Aufbau
2 Kerzen, Flügelscheibe aus Papier, Stativ, Doppelmuffe, Zwirnsfaden, Kleber, Schere
Durchführung
a) Die Flügelscheibe wird aus einem Blatt Papier mit Hilfe von Vorlage 2 (siehe Kapitel 8)
ausgeschnitten und die einzelnen Sektoren werden etwas angestellt.
b) Ein 20 – 30 cm langer Zwirnsfaden wird in die Mitte der Flügelscheibe geklebt.
c) Der Zwirnsfaden mit der Flügelscheibe wird an der Stativklemme so befestigt, dass sich
die Scheibe ca. 15 – 20 cm über den Kerzen befindet.
Beobachtung
Die Flügelscheibe dreht sich.
Erklärung
Die warme Luft und die warmen Verbrennungsgase der Kerzen steigen nach oben und übertragen ihre Bewegungsenergie auf die leicht bewegliche Flügelscheibe.
Versuch 5 (SV)
Aufbau
2 Kerzen mit Kerzenhalter, Stativ, Doppelmuffe, Stativklemme, Papierspirale, Zwirnsfaden,
Kleber, Schere
Durchführung
a) Die Spirale wird aus einem Blatt Papier mit Hilfe von Vorlage 2 (siehe Kapitel 8) ausgeschnitten.
b) Ein 20 – 30 cm langer Zwirnsfaden wird in die Mitte der Spirale geklebt.
c) Der Zwirnsfaden mit der Spirale wird an der Stativklemme so befestigt, dass sich die Spirale ca. 15 – 20 cm über den Kerzen befindet (Brandgefahr!).
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Beobachtung
Die Spirale dreht sich.
Erklärung
Vergleiche vorherige Versuche bzw. Versuch 4 mit Flügelscheibe.
Versuch 6 (SV)
Aufbau
2 Kerzen, einige Teelichte oder Räucherstäbchen, Stativ, Doppelmuffe, Universalklemme,
ca. 30 cm langes Kunststoffrohr ( ca. 10 cm), möglich ist auch ein zylindrisches Rohr aus
Zeichenkartonkarton (30 30 cm), Tesafilm, Schere
Durchführung
a) Das Rohr wird mit dem Stativ und der Universalklemme in Höhe der Teelichtflammen ca.
3 cm über dem Boden senkrecht fixiert.
b) Die Kerzen werden in den Innenraum des Zylinders gestellt (Brandgefahr!), während die
Teelichte in geringem Abstand um ihn herum gruppiert werden (Aufpassen, dass die
Teelichtflammen nicht zu nahe an den Zylinderrand kommen. Brandgefahr!). Eventuell
Kerzen ohne Kerzenhalter (wegen Platzmangel) in den Zylinder stellen.
c) Sollte ein Zylinder aus Pappe verwendet werden, muss sehr stark auf die Brandgefahr
geachtet werden!
Beobachtung
a) Die Teelichte flackern und ihre Flammen bewegen sich zum Zylinder hin.
b) Der Rauch der Räucherstäbchen zieht zum Zylinder hin.
Erklärung
Die warmen Verbrennungsgase der Kerzen und die warme Luft steigen im Zylinder nach
oben und erzeugen im unteren Bereich einen Unterdruck. Die kühlere Luft, die sich um den
Zylinder herum befindet und deren Druck größer ist, strömt daher in den unteren Bereich des
Zylinders und bringt dadurch die Flammen der Teelichte zum Flackern bzw. der Rauch der
Räucherstäbchen zieht zum Zylinder hin.
Bei einem Tiefdruckgebiet ist der Sachverhalt ähnlich:
Warme Luft steigt nach oben und bildet in diesem Bereich einen Unterdruck. In diesen Unterdruckbereich strömt dann die kältere Luft mit dem höheren Druck. Auf Grund dieses Sachverhaltes gibt es ständig Bewegung, d.h. Wind in der Atmosphäre.
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Versuch 7 (SV)
Aufbau
2 Vierfüße mit Ceranplatte, Bunsenbrenner, Schutzplatte, Holzstäbchen oder Räucherstäbchen
Durchführung
a) Eine Ceranplatte wird mit dem Bunsenbrenner einige Minuten stark erwärmt
b) Ein Holzstäbchen wird entzündet und wenn es brennt ausgepustet; ein Räucherstäbchen
wird entzündet.
c) Das qualmende Holzstäbchen bzw. Räucherstäbchen werden zuerst über die nichterwärmte Ceranplatte gehalten und anschließend über die erwärmte.
Vorsicht Verbrennungsgefahr!
Beobachtung
Über der heißen Ceranplatte steigt der Rauch deutlich schneller auf als über der kälteren.
Über der kälteren Platte sinkt der Rauch sogar etwas herunter.
Erklärung
Über der erhitzten Platte erwärmt sich die Luft sehr stark, ihre Dichte wird geringer und erzeugt daher einen Unterdruck. Es strömt also ständig Luft von allen Seiten nach und erzeugt
eine aufwärtsgerichtete Strömung. Über der kalten Platte bewegt sich lediglich der warme
Rauch, ohne zusätzliche Luftströmung nach oben.
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Kann man mit warmer Luft zaubern?
Versuch 8 (SV)
Aufbau
Flasche, Münze, großes Becherglas, evtl. Eiswürfel, Glycerin
Durchführung
a) Die Flaschenöffnung wird angefeuchtet (oder mit Glycerin bestrichen).
b) Eine Münze wird auf die Flaschenöffnung gelegt.
c) Die Flasche wird in ein Becherglas mit warmem Wasser gestellt bzw. mit beiden Händen
erwärmt.
d) Die Flasche wird in ein Becherglas mit kaltem Wasser (evtl. Eiswasser) gestellt.
c)
c)
d)
warmes Wasser
kaltes Wasser
Beobachtung
c) Die Münze bewegt sich auf der Flaschenöffnung leicht auf und ab und man hört ein leises Blubbern.
d) Die Münze liegt fest auf der Flaschenmündung und kann nur mit etwas Kraft wieder entfernt werden.
Erklärung
Durch die Erwärmung der Flasche wird auch die Luft in der Flasche erwärmt und dehnt sich
aus. Dadurch wird die Münze nach oben gedrückt und bewegt sich hin und her.
Aufgrund der Abkühlung zieht sich die Luft in der Flasche zusammen. Es entsteht daher ein
Unterdruck, weil die Münze der normalerweise von außen nachströmenden Luft den Weg
versperrt. Dies bewirkt, dass die Münze von dem äußeren Luftdruck fest auf die Öffnung gepresst wird.
Versuch 9 (SV)
Aufbau
Bunsenbrenner, Erlenmeyerkolben, durchbohrter Gummistopfen, Winkelrohr, 2 Bechergläser
Durchführung
a) Der Erlenmeyerkolben wird mit dem Gummistopfen, in dem das Winkelrohr steckt, verschlossen. Der Erlenmeyerkolben wird nun mit der Hand umfasst und das Winkelrohr
wird in ein mit Wasser gefülltes Becherglas gesteckt.
b) Der Erlenmeyerkolben wird kurzzeitig mit dem Bunsenbrenner (mit kleiner Flamme) vorsichtig erwärmt.
c) Man lässt den Erlenmeyerkolben langsam abkühlen bzw. taucht ihn in kaltes Wasser.
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a)
b)
Beobachtung
a) Aus dem Winkelrohr entweichen Luftblasen.
b) Aus dem Winkelrohr entweichen sehr viele Luftblasen.
c) Das Wasser strömt in das Winkelrohr zurück.
Erklärung
a) Luft dehnt sich bei Erwärmung aus.
b) Je stärker die Erwärmung ist, desto stärker dehnt sich die Luft aus.
c) Bei Abkühlung zieht sich die Luft wieder zusammen und ihr Volumen verringert sich, so
dass ein Unterdruck im Erlenmeyerkolben entsteht. Das Wasser wird durch den äußeren
Luftdruck hineingedrückt.
Wie kann man Luftdruckveränderungen erkennen?
Versuch 10 (SV)
Aufbau
Becherglas oder Marmeladenglas, Kunststoffrezipient mit Pumpe, Luftballon, Trinkhalm, Klebeband, Schere
Durchführung
a) Das Mundstück des Luftballons wird abgeschnitten.
b) Der Rest des Luftballons wird über die Öffnung des Glases gezogen. Wichtig: Die Gummihaut muss die Öffnung hermetisch verschließen. Dies kann durch ein Klebeband unterstützt werden.
c) Auf die Gummihaut wird ziemlich weit außen der Trinkhalm mit einem Klebestreifen befestigt.
d) Das Glas mit Gummihaut und Trinkhalm wird unter den Rezipienten gestellt.
e) Der Rezipient wird ein klein wenig evakuiert.
f) Luft strömt in den Rezipienten zurück.
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Beobachtung
e) Die Gummihaut wölbt sich nach oben und der Trinkhalm bewegt sich nach unten.
f) Die Gummihaut entspannt sich und der Trinkhalm bewegt sich wieder nach oben.
Erklärung
Dadurch, dass der Rezipient evakuiert wird, sinkt der Luftdruck und die Luft im Inneren des
Glases kann die Gummihaut stärker nach oben dehnen.
Erhöht sich der Luftdruck, dann wird die Gummihaut in das Innere des Glases gedrückt.
Der Trinkhalm bewegt sich entsprechend; er ist sozusagen ein Zeiger, der Unterdruck oder
Überdruck anzeigt.
Auf ähnliche Weise zeigt ein Barometer Luftdruckschwankungen an.
Hinweis: Neben den Trinkhalm kann ein Pappstreifen mit Skalierung gestellt werden, um
Luftdruckschwankungen zu messen.
Hinweis: Die Luftdruckveränderungen müssen mit den entsprechenden Veränderungen bei
einem Barometer verglichen werden und täglich in eine entsprechende Tabelle eingetragen
werden(siehe Anhang).
Luftdruck in hPa
Temperatur in ° C
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Hinweis: Auf ähnliche Weise zeigt ein Barometer (Aneroidbarometer) Luftdruckschwankungen an. Ein dosenartiger Hohlkörper, in dem ein starker Unterdruck bzw. ein Vakuum
herrscht, wird durch Luftdruckveränderungen verformt und überträgt diese Verformung auf
einen beweglichen Zeiger (Hebel), der über einer Skala befestigt ist.
Bei einer elektronischen Wetterstation werden Luftdruckschwankungen durch einen piezoelektrischen Sensor übertragen. Bei einer Piezokeramik werden Druckschwankungen in eine
elektrische Spannung umgewandelt (umgekehrt bewirkt eine elektrische Spannung, die an
der Piezokeramik anliegt, eine Verformung).
Wer erwärmt sich schneller – Wasser oder Sand?
Versuch 11 (SV)
Aufbau
2 Bechergläser (50 ml), 2 Thermometer auch Digitalthermometer, Vierfuß mit Ceran-Platte,
Bunsenbrenner, 40 g feiner Sand (Seesand), 40 g (40 ml) Wasser, Waage, Uhr, Becherglaszange, Arbeitsplatte
Durchführung
a) Es werden jeweils 40 g Wasser und 40 g Sand abgemessen und in die Bechergläser gefüllt. Die Temperatur beider Materialien wird dann gemessen und notiert.
b) Eine Ceran-Platte wird einige Minuten stark mit dem Bunsenbrenner erhitzt.
c) Beide Bechergläser werden gleichzeitig auf die heiße Ceranplatte gestellt. Sand und
Wasser werden dabei gleichmäßig mit den darin befindlichen Thermometern vorsichtig
umgerührt (die Thermometer dürfen nicht den Glasboden berühren, da ansonsten die
Wärme direkt übergehen würde).
d) Nach 2 Minuten werden die Bechergläser von der Platte genommen und die Temperatur
der beiden Stoffe wird notiert.
e) In den nächsten 5 min wird die Temperatur nach jeder Minute notiert (man kann diesen
Zeitraum auch verlängern).
Beobachtung
d) Wassertemperatur ca. 50 °C; Sandtemperatur ca. 75 °C.
e) Die Sandtemperatur sinkt schneller ab als die von Wasser. In 5 min verringert sich die
Temperatur von Sand um ca. 36 °C, die von Wasser um ca. 11 °C (ungefähre Werte).
Erklärung
Sand erwärmt sich deutlich schneller als Wasser, da er die Eigenschaft hat, Wärmeenergie
schneller aufzunehmen. Andererseits gibt aber Sand, im Gegensatz zu Wasser, die Wärme
wieder schneller ab.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 4.1
Warum es windig ist
Alle Gase und somit auch Luft
dehnen sich bei Erwärmung aus
ziehen sich bei Abkühlung zusammen
Wenn sich Luft erwärmt, dann steigt sie nach oben, d.h. sie bewegt sich.
Gleichzeitig entsteht dort, wo die Luft nach oben steigt, ein Unterdruck, so dass
weitere Luft nachströmt und es auch dort zu einer Luftbewegung kommt.
Wenn sich Luft bewegt, dann nennt man das Wind.
Die Ursache für die Entstehung von Wind liegt darin, dass sich die Erdoberfläche unterschiedlich stark erwärmt.
Dies geschieht einmal durch Tag und Nacht – am Tag wird die Erde von der
Sonne erwärmt, während sie in der Nacht im Schatten liegt und abkühlt.
Zum anderen erwärmt sich Land schneller als Wasser.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 4.2
Erwärmt sich das Land,
dann steigt die warme
Luft nach oben, weil sie
leichter ist und es bildet
sich ein Unterdruck über
dem Land.
warme Luft steigt nach oben
Da sich die Luft über dem
Wasser nicht so schnell
erwärmt, ist sie kälter und
damit schwerer; es bildet
sich ein Überdruck.
Wind
Überdruck
Unterdruck
kalte Luft sinkt nach unten
Weil jetzt ein Druckausgleich zwischen Land
und Wasser stattfindet,
bildet sich eine Luftströmung, d.h. ein Wind in
Richtung Land.
warme Luft steigt nach oben
Bei Nacht ist es genau
umgekehrt. Jetzt ist das
Wasser wärmer, weil sich
das Land stark abkühlt.
Wind
Unterdruck
Überdruck
kalte Luft sinkt nach unten
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Arbeitsblatt 4.3
Auf der Erde ist es unterschiedlich warm. Im Äquatorbereich sind die Temperaturen hoch, während sie an den Polen niedrig sind. Es gibt daher warme und
kalte Landmassen, Luftströmungen und Meeresströmungen.
Die Luft, die sich darüber befindet wird entweder abgekühlt oder erwärmt, so
dass andauernd Überdruck (Hochdruck) oder Unterdruck (Tiefdruck)
herrscht.
Zum Temperaturausgleich auf der Erde tragen Luft- und Meeresströmungen
bei.
kalter
Strom
warmer
Strom
Damit es zu einem Druckausgleich zwischen den unterschiedlich warmen
Luftmassen kommt, strömt die Luft von einem Hochdruckgebiet in ein Tiefdruckgebiet. Dabei entsteht Wind.
Auf der nebenstehenden Skizze
sieht man deutlich, wie der Druckausgleich zwischen einem Hochdruck- und einem Tiefdruckgebiet
stattfindet.
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Arbeitsblatt 4.4
Wie kann man zeigen, dass warme Luft nach oben steigt?
a) Erkläre, warum der Wind an einem warmen Tag immer vom Meer zum Land weht?
b) Warum weht der Wind nachts genau in die umgekehrte Richtung?
Begründe, warum im Winter häufig milde Luft vom Atlantik kommt.
Wirf einen Blick auf die Karte und erkläre, warum im Winter häufig bei Island ein Tiefdruckgebiet entsteht.
Erkläre, warum es immer windig wird, wenn ein Hochdruckgebiet und ein Tiefdruckgebiet
aufeinandertreffen?
Warum kann man sich am Mittag an einem südlichen Strand die Füße verbrennen?
Erkläre, was ein Barometer ist.
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Lösungen zu Arbeitsblatt 4.4
Wie kann man zeigen, dass warme Luft nach oben steigt?
Asche, die über eine Kerzenflamme gestreut wird, steigt nach oben.
Über einer Heizung ist es häufig schwarz, weil der Staub nach oben
steigt.
Ein Heißluftballon fliegt.
a) Erkläre, warum der Wind an einem warmen Tag immer vom Meer zum Land weht?
Bei Sonneneinstrahlung erwärmt sich das Land (Sand) schneller als Wasser. Die warme Luft steigt nach oben und erzeugt einen Unterdruck; die
kältere Luft vom Meer strömt zu diesem Unterdruck.
b) Warum weht der Wind nachts genau in die umgekehrte Richtung?
Land (Sand) kühlt schneller ab als Wasser. Deshalb entsteht nachts
über dem wärmeren Meer ein Unterdruck, so dass die kühlere Landluft in
zu diesem Unterdruck hinströmt.
Begründe, warum im Winter häufig milde Luft vom Atlantik kommt.
Im Winter ist das Meer wärme als das Land, weil sich dieses schneller
abkühlt. Luft, die über das Meer strömt, erwärmt sich dort also.
Wirf einen Blick auf die Karte und erkläre, warum im Winter häufig bei Island ein Tiefdruckgebiet entsteht.
In der Nähe von Island fließt der warme Golfstrom. Dieser erwärmt die
Luft über dem Meer, so dass diese einen Unterdruck, also ein Tiefdruckgebiet erzeugt.
Erkläre, warum es immer windig wird, wenn ein Hochdruckgebiet und ein Tiefdruckgebiet
aufeinandertreffen?
Die Luft in einem Hochdruckgebiet hat einen überdruck, die in einem
Tiefdruckgebiet einen Unterdruck. Treffen beide aufeinander, so kommt
es zu einem Druckausgleich, da Luftmassen strömen. Diese strömende
Luft bezeichnet man als Wind.
Warum kann man sich am Mittag an einem südlichen Strand die Füße verbrennen?
Mittags erwärmt die Sonne im Sommer die Erde besonders stark, weil sie
senkrecht steht. Dies reicht aus, um den Sand so heiß werden zu lassen, dass man sich die Füße verbrennt.
Erkläre, was ein Barometer ist.
Ein Barometer ist ein Gerät, mit dem man den Luftdruck bzw. Luftdruckveränderungen messen kann. Dies geschieht, weil sich eine Dose, an der
sich ein Zeiger befindet, bei Luftdruckschwankungen bewegt.
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5. Was ist Wasser?
Versuch 1 (SV)
Aufbau
Becherglas, Vierfuß mit Ceranplatte, Bunsenbrenner, Thermometer, Eiswürfel, Uhr, Siedesteine
Durchführung
Bei allen folgenden Versuchen wird die Temperatur gemessen und es wird ein TemperaturZeit-Diagramm angefertigt.
a) In ein Becherglas werden Eiswürfel gefüllt.
b) Die Eiswürfel werden erwärmt (Siedesteine hinzu fügen).
c) Das Wasser im Becherglas wird zum Sieden gebracht
Beobachtung
Die Eiswürfel schmelzen bei 0 °C, dann erwärmt sich das Wasser immer weiter, bis es bei
100 °C siedet und nicht mehr heißer wird.
Erklärung
Wasser ist ein Stoff, der im normalen Temperaturbereich alle drei Aggregatzustände – nämlich fest, flüssig, und gasförmig – einnehmen kann.
Wasser hat seinen Gefrierpunkt bzw. Schmelzpunkt bei 0 °C und siedet bei 100 °C. Unternormalen Druckbedingungen kann die Siedetemperatur nicht überschritten werden.
Das Temperatur-Zeit-Diagramm dürfte etwa den folgenden Verlauf nehmen:
°C
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
min
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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Kann man alle Stoffe in Wasser lösen?
Versuch 2 (SV)
Aufbau
4 Reagenzgläser mit Stopfen, Reagenzglasständer, 2 Bechergläser, Pulverschaufel, kleine
Mengen von Kochsalz und evtl. einiger anderer Salze wie Ammoniumchlorid, Calciumcarbonat (Kalk), Natriumcarbonat, Kupfersulfat u.a., Sand, Spiritus, Speiseöl
Durchführung
a) In die einzelnen Reagenzgläser wird von jedem Stoff mit Hilfe der Pulverschaufel eine
kleine Menge eingefüllt.
b) Die Reagenzgläser werden mit Hilfe der Bechergläser zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt.
c) Die Reagenzgläser werden mit den Stopfen verschlossen und geschüttelt. Danach werden sie in den Reagenzglasständer gestellt.
Beobachtung
Kochsalz, die anderen Salze - bis auf Calciumcarbonat - und Spiritus lösen sich in Wasser
auf, während Sand unlöslich ist. Das Öl bildet während des Schütteln winzige Töpfchen, die
sich dann aber später wieder zu einer Flüssigkeit vereinigen, die auf dem Wasser schwimmt.
Erklärung
Es gibt sehr viele Stoffe, die sich in Wasser vollständig lösen und Stoffe, die nicht löslich
bzw. wie Calciumcarbonat (Kalk) sehr schwer löslich sind. Die meisten Salze sind gut in
Wasser löslich. Andere Stoffe wie Öl bilden im Wasser, wenn sie geschüttelt werden, zunächst eine fein verteilte Mischung aus Tröpfchen, die dann später wieder eine separate
Flüssigkeit bilden. Eine solche Mischung aus Wasser und fein verteilten Tröpfchen einer unlöslichen Flüssigkeit nennt man Emulsion. Milch beispielsweise ist eine solche Emulsion.
Kann man beliebig viel Kochsalz im Wasser lösen?
Versuch 3 (SV)
Aufbau
Kleines Becherglas, Messzylinder, Pulverschaufel, Rührstab, Uhrglas, Digitalwaage, 10 g
Kochsalz
Durchführung
a) In einem Messzylinder werden 10 ml (10 g) Wasser abgemessen und in das Becherglas
geschüttet.
b) Das Uhrglas mit dem Salz wird gewogen und das Gewicht wird notiert.
c) Mit der Pulverschaufel werden kleine Mengen Salz dem Wasser zugeführt und mit dem
Rührstab verrührt. Dies wird so lange gemacht, bis sich kein Salz im Wasser mehr löst.
d) Das Uhrglas mit dem restlichen Salz wird erneut gewogen und es wird die Differenz berechnet.
Beobachtung
Nachdem sich ca. 4 g Kochsalz im Wasser gelöst haben, lösen sich keine weiteren Salzkristalle mehr auf.
Erklärung
Die Löslichkeit von Salz in Wasser ist begrenzt. Bei Raumtemperatur lösen sich knapp 4 g
Kochsalz (NaCl) in Wasser auf. Löst sich kein weiteres Salz mehr auf, spricht man von einer
gesättigten Lösung (vgl. Tabelle im Anhang).
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Enthält klares Wasser Stoffe?
Versuch 4 (SV)
Aufbau
Becherglas, Bunsenbrenner, Vierfuß, Siedesteine
Durchführung
a) Ein sauberes Becherglas wird ca. 0,5 cm hoch mit Wasser gefüllt (Siedesteine hinzu fügen).
b) Das Wasser im Becherglas wird erwärmt.
Beobachtung
Wenn das Wasser verdampft ist bleibt im Becherglas ein weißlicher Belag zurück.
Erklärung
Im Wasser ist Kalk gelöst, der sich durch das Verdampfen des Wassers am Becherglas absetzt. Dass Kalk im Wasser gelöst ist, sieht man überall, wo Wasser verwendet wird:
Waschbecken, Toilettenbecken, Bade- und Duschwannen, Armaturen u.a.
Eine Geschirrspülmaschine muss regelmäßig entkalkt werden, damit sie einwandfrei arbeitet
und bevor das Geschirr trocknet wird Klarspüler hinzugefügt, der dafür sorgt, dass sich keine
Kalkablagerungen auf Geschirr und Gläsern bilden. Der Klarspüler enthält u.a. Zitronensäure, die den Kalk auflöst.
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Versuch 5 (SV)
Aufbau
Hohes Becherglas (höher als der Trichter), Glastrichter, Reagenzglas, Vierfuß, Bunsenbrenner
Durchführung
Ein Becherglas wird so hoch mit Wasser ge- Das Wasser im Becherglas wird vorsichtig
füllt, dass ein Trichter vollständig von Wasser erwärmt.
bedeckt ist. Anschließend wird ein randvoll
mit Wasser gefülltes Reagenzglas so über
den Trichter gestülpt, dass keine Luft hineingelangt.
Beobachtung
Nach kurzer Erwärmung bilden sich Gasbläschen im Wasser, steigen nach oben und sammeln sich an der Spitze des Reagenzglases.
Erklärung
Wasser enthält gelöste Luft, die bei Erwärmung freigesetzt wird. Diese gelöste Luft benötigen
die Fische für ihre Atmung. In Aquarien muss daher immer Luft, von der sich ein Teil im
Wasser löst, sprudeln. Kaltes Wasser enthält mehr gelöste Luft als warmes Wasser. Dies
kann dazu führen, dass es im Sommer bei länger andauernden Hitzeperioden zu Atemnot
und Ersticken von Fischen kommen kann.
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Wie kann man verschmutztes Wasser reinigen?
Versuch 6 (SV)
Aufbau
Becherglas, Rührstab, Filterpapier, Trichter, 2 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Becherglas mit Erde, Löffel
Durchführung
a) Ein Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt.
b) In das Becherglas wird ein Löffel mit Erde gegeben und anschließend verrührt.
c) Ein Rundfilter wird zweimal gefaltet und dann so geformt, dass er einen Kegel bildet, der
in den Trichter eingesetzt werden kann (Trichter innen etwas anfeuchten, so dass das
Papier besser haftet).
d) Der Trichter wird auf das Reagenzglas gesetzt und das verschmutzte Wasser wird langsam in den Trichter geschüttet.
e) Wenn das verschmutzte Wasser durch den Trichter gelaufen ist, Reagenzglas durch ein
neues ersetzten und das etwas gereinigte Wasser erneut durch den Filter schütten.
f) Eventuell e) wiederholen.
Beobachtung
Mit jeder Filtration wird das verschmutzte Wasser immer sauberer, bis es zum Schluss fast
wieder klar ist.
Erklärung
Das Filterpapier enthält sehr kleine Poren, durch die das Wasser hindurch laufen kann, während die festen Bestandteile zurückgehalten werden. Bei sehr feinkörnigen Feststoffen müssen entsprechend engporige Filter verwendet werden.
Hinweis: Auf Reinigung von Trinkwasser verweisen.
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Wie kann Salzwasser wieder trinkbar gemacht werden?
Versuch 7 (SV)
Aufbau
Bechergläser, 2 Reagenzgläser, Kugelkolben (Duran oder ähnlich), durchbohrter Stopfen,
Reagenzglasständer, Winkelrohr, Stativ, Doppelmuffe, Universalklemme, Färbemittel (Tinte,
Kaliumpermanganat, Lebensmittelfarbstoff), Kochsalz, Siedesteine
Durchführung
a) Wasser wird in einem Becherglas mit Kochsalz gemischt und mit Farbstoff etwas eingefärbt. Es wird ein Geschmackstest gemacht.
b) Die Lösung wird in ein Reagenzglas gefüllt und anschließend gefiltert. Es wird erneut ein
Geschmackstest gemacht.
c) Das Salzwasser wird in einem Kugelkolbenunter Zugabe von einigen Siedesteinchen
zum Sieden gebracht, wobei der Dampf in einem anderen, gekühlten Reagenzglas aufgefangen wird (Siedesteine hinzu fügen).
d) Von dem kondensierten Wasser wird ein Geschmackstest gemacht.
Beobachtung
a) Durch das Filtern verliert das Salzwasser nicht seinen salzigen Geschmack. Der Farbstoffkonzentration ist eventuell etwas schwächer.
b) Das kondensierte Wasser ist klar und schmeckt nicht mehr nach Salz.
c) Im Glas bilden sich weiße Ränder.
Erklärung
a) Der Filter ist nicht in der Lage die Kochsalzmoleküle (Ionen) und die Farbstoffteilchen zurückzuhalten, weil seine Poren zu groß sind.
b) Durch das Sieden wird das Wasser gasförmig und kondensiert in dem gekühlten Gefäß,
während die Salzmoleküle und die Farbteilchen im ersten Reagenzglas zurückbleiben.
Eine solche Trennung von Flüssigkeiten und Feststoffen bzw. von verschiedenen Flüssigkeiten bezeichnet man als Destillation. Das bei diesem Versuch entstandene Wasser
heißt destilliertes Wasser.
Auf diese Weise gewinnt man in vielen Teilen der Welt, die unter Trinkwassermangel leiden
durch Verdunstung und Sieden Trinkwasser. Da destilliertes Wasser keinerlei Mineralstoffe
enthält, nimmt man an, es schade bei längerem Genuss dem Körper. Destilliertem Wasser
werden daher, wenn es als Trinkwasser verwendet wird, Mineralstoffe zugeführt. Die Meinungen der Experten gehen dabei aber auseinander.
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Warum können Körper, die schwerer als Wasser sind, auf dem Wasser schwimmen?
Versuch 8 (LV/SV)
Aufbau
Abdampfschale aus Glas oder Porzellan oder große Glaswanne oder Petrischale, Pinzette,
Rasierklinge, dünne Nähnadel, dünner Draht, Büroklammer (nicht zu groß), Demo-Kompassnadel
Durchführung
a) Die Abdampfschale wird mit Wasser gefüllt und die Rasierklinge wird vorsichtig mit einer
Pinzette auf die Wasseroberfläche gelegt.
b) Wie a) mit dünner Nähnadel, dünnem Draht oder mit Demo-Kompassnadel
Beobachtung
Die Metallgegenstände schwimmen auf dem Wasser.
Erklärung
Zwischenmolekulare Kräfte halten die Moleküle von Flüssigkeiten zusammen und sind die
Hauptursache für die Oberflächenspannung. Im Innern der Flüssigkeit sind die Moleküle allseitig von Nachbarmolekülen umgeben, wie hier bei Molekül B gezeigt. Auf Grund von Kohäsionskräften verhindern die Teilchen im Inneren der Flüssigkeit, dass die Oberflächenteilchen
ins Innere der Flüssigkeit eindringen können. Anders sieht die Sache an der Flüssigkeitsoberfläche aus, wie in der Grafik bei Molekül A angedeutet. Hier gibt es nur in der Flüssigkeit
Nachbarmoleküle, nach oben hin dagegen keine. Die Wechselwirkungen mit den Nachbarmolekülen führen zu einer Kraft, die in das Innere der Flüssigkeit gerichtet ist. Dadurch
kommt es beispielsweise bei Flüssigkeitströpfchen zur Krümmung der Tropfen. Hinzu kommt,
dass die Oberflächenteilchen seitlichen Zugkräften, die von den Nachbarteilchen kommen,
unterliegen.
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Die Kohäsion bei Flüssigkeiten macht sich in deren Oberflächenspannung bemerkbar. Sie
beruht auf folgendem Prinzip: Die Moleküle innerhalb der Flüssigkeit erfahren von allen Seiten gleich starke Anziehungskräfte durch ihre Nachbarmoleküle. Dagegen haben die Moleküle an der Oberfläche nur Nachbarn neben sich und in der Flüssigkeit, jedoch keine über sich.
Daher wirkt auf sie eine resultierende Kraft in die Flüssigkeit hinein.
Was bedeutet: Pril entspannt das Wasser?
Versuch 9 (LV/SV)
Aufbau
Wie Versuch 15, Rührstab.
Durchführung
a) In die Glasgefäße mit den Metallkörpern wird ein Tropfen Spülmittel hineingegeben und
sehr vorsichtig mit einem Rührstab verrührt.
b) Wasser wird mit einigen Tropfen Spülmittel verrührt und es werden die gleichen Versuche wie in Versuch 14 durchgeführt.
Beobachtung
Die Metallgegenstände schwimmen nur kurz auf der Wasseroberfläche und gehen sehr
schnell unter bzw. sie gehen sofort unter.
Erklärung
Durch die Zugabe von Tensiden (Spülmittel, Waschmittel oder Seife) kann die Oberflächenspannung des Wassers bis auf 0,5 % herabgesetzt werden. Durch das Spülmittel werden
daher die Kohäsionskräfte zwischen den Wasserteilchen so stark herabgesetzt, dass die
Oberflächenspannung verschwindet und keinerlei Tragfähigkeit mehr vorhanden ist.
Eine Münze als Wassersammler
Versuch 10 (LV/SV)
Aufbau
Münze oder kleine Glasplatte, Pipette, Wasser, Wasser mit Spülmittel
Durchführung
a) Auf die Münze wird mit der Pipette vorsichtig Wasser auf die Münze getropft.
b) Wie a), nur mit Wasser, dem Spülmittel zugesetzt wurde.
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Beobachtung
Das Wasser läuft nicht von der Münze herunter, sondern bildet einen „Berg“, der erst dann
zerfließt, wenn zu viel Wasser aufgebracht worden ist.
Erklärung
Aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers werden die Wasserteilchen zusammen
gehalten und bilden einen großen Tropfen. Erst wenn sich zu viel Wasser in dem Tropfen befindet, reicht die Anziehungskraft der Wassermoleküle nicht mehr aus und der Tropfen zerfließt. Enthält das Wasser Spülmittel, wird die Oberflächenspannung, d.h. die Anziehungskraft zwischen den Wasserteilchen so stark herabgesetzt, so dass sich keine „Haut“ bilden
kann.
Sägespäne werden wie durch Zauberkraft verdrängt
Versuch 11 (LV/SV)
Aufbau
Glaswanne, Sägespäne, Pipette, Esslöffel
Durchführung
a) Eine Glaswanne wird einige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt.
b) Auf der Wasseroberfläche wird ein gehäufter Esslöffel mit Sägespänen verteilt.
c) In die Mitte der Sägespäne lässt man mit Hilfe der Pipette einen Tropfen Spülmittel
fallen.
Beobachtung
Die Sägespäne verteilen sich gleichmäßig über die Wasseroberfläche. Fällt der Spülmitteltropfen ins Wasser, streben die Sägespäne auseinander und geben eine große Fläche in der
Mitte der Wasserfläche frei.
Erklärung
Im Bereich des Spülmitteltropfens wurden die Anziehungskräfte zwischen den Wasserteilchen stark herabgesetzt, so dass die Oberflächenspannung (die Wasserhaut) verschwindet.
Die dort befindlichen Teilchen werden von den ungestörten Kräften der umliegenden Teilchen von der Mitte wegbewegt und reißen dadurch die Holzteilchen mit sich.
Versuch 12 (LV/SV)
Aufbau
Glaswanne, feines Eisenpulver, Pipette, Streudose
Durchführung
a) Eine Glaswanne wird einige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt.
b) Auf der Wasseroberfläche wird feines Eisenpulver vorsichtig verteilt (entweder mit einer
Streudose, mit den Fingerspitzen oder mit einer Pulverschaufel).
c) In die Mitte der Eisenteilchen lässt man mit Hilfe der Pipette einen Tropfen Spülmittel
fallen.
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Beobachtung
Wie Versuch 11, nur dass die Eisenteilchen deutlich schneller auseinander streben.
Erklärung
Vgl. Versuch 11.
Hinweis: Die Versuche 11 und 12 können auch in einer Petrischale durchgeführt werden.
Warum klettert Wasser an Glaswänden hoch?
Versuch 13 (SV)
Aufbau
Messzylinder (10 ml), Becherglas
Durchführung
Ein Messzylinder wird ca. bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt.
Beobachtung
Das Wasser bildet keine gerade bzw. plane Oberfläche sondern wölbt sich nach unten, d.h.
an den Rändern des Zylinders steigt das Wasser nach oben (ca. 2 mm).
Erklärung
Zwischen Glaswand und Wasser, d.h. zwischen zwei verschiedenen Körpern, treten Wechselwirkungen auf. Man bezeichnet diese Kräfte, die zwischen verschiedenen Körpern auftreten als Adhäsion.
Adhäsion kommt vor, wenn
Wassertropfen an Fensterscheiben haften
Kreide an der Wandtafel haftet
Lötzinn an gelöteten Metallteilen haftet
Fett am Teller klebt
die Briefmarke am Umschlag klebt
Adhäsionskräfte treten nur bei enger Berührung zwischen zwei Körpern auf, insbesondere
zwischen flüssigen und festen Körpern.
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Arbeitsblatt 5.1
Wasser ist ein Stoff mit vielen Eigenschaften
Der Aggregatzustand eines Stoffes gibt an, ob er fest, flüssig oder gasförmig ist.
Wasser ist ein Stoff, der bei normalen Temperaturen alle drei Aggregatzustände
annehmen kann.
festes Wasser - Eis
gefrieren
kondensieren
schmelzen
0 °C
siedendes Wasser –
gasförmiger Dampf
flüssiges Wasser
sieden
zwischen 0 °C – 100 °C
100 °C
Wenn Wasser ganz langsam in den gasförmigen Zustand übergeht, dann
bezeichnet man diesen Vorgang als Verdunstung.
Wasser kann feste, flüssige oder gasförmige Stoffe lösen (Kochsalz, Kalk, Spiritus, Luft usw.). Löst Wasser diese Stoffe nicht mehr, dann spricht man von einer gesättigten Lösung.
Befinden sich im Wasser Teilchen, die genügend groß sind, kann man sie durch
Filtern abtrennen (Schmutz, Sand, Tee, Kaffee usw.)
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Arbeitsblatt 5.2
Sind die im Wasser befindlichen Teilchen zu klein, kann man sie durch Destillieren (Destillation) abtrennen. Hierbei wird das Wasser zum Sieden gebracht, also in den gasförmigen Zustand versetzt, so dass die anderen Bestandteile zurückbleiben.
Wenn Wasser sehr langsam in den gasförmigen Zustand übergeht, dann
spricht man von Verdunstung (z. B. Pfützen nach einem Regen, feuchtes
Gras, nasse Wäsche, feuchter Fußboden, nasse Badesachen usw.).
Da es in vielen Ländern der Erde nicht genügend Süßwasser zur Trinkwasserbereitung gibt, erzeugt man durch Sieden oder Verdunsten von
Meerwasser destilliertes Wasser zum Trinken.
Anlagen, in denen dies geschieht, bezeichnet man als Meerwasserentsalzungsanlagen
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Arbeitsblatt 5.3
Wasser kann Körper tragen, die schwerer sind als Wasser.
Körper, die schwerer sind als Wasser gehen deshalb nicht unter, weil die Wasserteilchen sich gegenseitig anziehen und auf der Oberfläche sozusagen eine
Haut bilden. Ist der Körper zu schwer, zerreißt die Haut und er versinkt.
Die Anziehungskraft zwischen den Wasserteilchen bezeichnet man als Kohäsion.
Wasserteilchen, die sich gegenseitig anziehen und auf diese Weise eine „Haut“
bilden.
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Arbeitsblatt 5.4
Nenne
a) 5 feste Stoffe
b) 5 flüssige Stoffe
c) 5 gasförmige Stoffe
a) Woran erkennt man, dass Wasser siedet?
b) Worin besteht der Unterschied zwischen Verdunsten und Sieden?
Woran merkt man, dass Kalk im Wasser enthalten ist?
a) Was muss man mit Geräten, in denen ständig Leitungswasser ist, von Zeit zu Zeit
machen?
b) Nenne Geräte, die von Zeit zu Zeit entkalkt werden müssen.
Nenne Stoffe, die sich in Wasser lösen lassen.
Waschbenzin (Feuerzeugbenzin) ist ein sehr gutes Reinigungsmittel für Flecken.
a) Warum ist Waschbenzin ein so gutes Reinigungsmittel?
b) Nenne Stoffe, die sich in Waschbenzin lösen.
Jemand bekommt einen Säurespritzer ins Auge. Warum hilft Wasser?
Erkläre, wie es kommt, dass Fische unter Wasser atmen können.
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Arbeitsblatt 5.5
Kann man jede Menge Salz in Wasser lösen?
Nenne ein Gewässer in dem die Salzkonzentration extrem hoch ist.
a) Beschreibe kurz, wie man aus Salzwasser Trinkwasser bereiten kann.
b) Begründe, warum dieses Verfahren, wenn man große Mengen Trinkwasser herstellen
möchte, recht teuer ist.
Nenne einige Salze. Schaue dir dazu Düngemittel an.
Was geschieht mit einer Flüssigkeit, wenn sie erstarrt?
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Lösungen zu Arbeitsblatt 5.4
Nenne
a) 5 feste Stoffe
Stein, Eisen, Gold, Glas, Holz u.a.
b) 5 flüssige Stoffe
Alkohol, Benzin, Spiritus, Saft, Öl
c) 5 gasförmige Stoffe
Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Helium
a) Woran erkennt man, dass Wasser siedet?
Wenn auf dem Boden eines Gefäßes mit Wasser kontinuierlich Dampfblasen
entstehen.
b) Worin besteht der Unterschied zwischen Verdunsten und Sieden?
Beim Verdunsten geht das Wasser langsam in den gasförmigen Zustand
über; die Verdunstung findet an der Oberfläche einer Flüssigkeit
statt.
Woran merkt man, dass Kalk im Wasser enthalten ist?
Man sieht den Kalk an Glasflächen, Armaturen und Sanitärkeramiken,
wenn das Wasser getrocknet ist.
a) Was muss man mit Geräten, in denen ständig Leitungswasser ist, von Zeit zu Zeit
machen?
Sie müssen mit einer Säure (zumeist Essig) entkalkt werden.
b) Nenne Geräte, die von Zeit zu Zeit entkalkt werden müssen.
Waschmaschine, Wasserkocher, Kaffeemaschine, Geschirrspüler
Nenne Stoffe, die sich in Wasser lösen lassen.
Salz, Zucker, Alkohol, Saft, verschiedene Farben, Luft,
Waschbenzin (Feuerzeugbenzin) ist ein sehr gutes Reinigungsmittel für Flecken.
a) Warum ist Waschbenzin ein so gutes Reinigungsmittel?
Waschbenzin ist ein gutes Lösungsmittel.
b) Nenne Stoffe, die sich in Waschbenzin lösen.
Öl, Fett, Klebstoffe
Jemand bekommt einen Säurespritzer ins Auge. Warum hilft Wasser?
Wasser ist ein Lösungsmittel für Säuren und sorgt so dafür, dass die
Säure auf eine unschädliche Konzentration verdünnt wird.
Erkläre, wie es kommt, dass Fische unter Wasser atmen können.
Fische können mit Hilfe ihrer Kiemen die feinen Luftbläschen aus dem
Wasser aufnehmen und bekommen auf diese Weise Sauerstoff in den.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Lösungen zu Arbeitsblatt 5.5
Kann man jede Menge Salz in Wasser lösen?
Man kann nur eine bestimmte Menge Salz in Wasser lösen. Irgendwann ist
die Lösung gesättigt.
Nenne ein Gewässer in dem die Salzkonzentration extrem hoch ist.
Das Tote Meer in Israel.
a) Beschreibe kurz, wie man aus Salzwasser Trinkwasser bereiten kann.
Das Salzwasser wird zum Sieden gebracht, so dass das Wasser gasförmig
wird (Wasserdampf). Dieser Wasserdampf wird aufgefangen, kondensiert
an einer kühlen Fläche und wird wieder zu Wasser. Dieses Wasser
enthält kein Salz, es ist destilliertes Wasser.
Man kann auch Wasser langsam verdunsten lassen und dann den Dampf kondensieren lassen.
b) Begründe, warum dieses Verfahren, wenn man große Mengen Trinkwasser herstellen
möchte, recht teuer ist.
Bei der Destillation benötigt man viel Energie in Form von Wärme und
das ist teuer.
Zum Verdunsten des Wassers kann man Sonnenenergie verwenden, so dass
dieses Verfahren preiswerter ist.
Nenne einige Salze. Schaue dir dazu Düngemittel an.
Kochsalz, Backpulver, Bittersalz, Eisensulfat, Phosphate, Nitrate
Was geschieht mit einer Flüssigkeit, wenn sie erstarrt?
Sie erwärmt sich und setzt Erstarrungswärme frei.
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6. Warum es regnet
Wie kann Wasser verschwinden und wieder auftauchen?
Versuch 1 (SV)
Aufbau
Petrischale
Durchführung
a) In eine Petrischale wird etwas Wasser hinein gefüllt.
b) Das Wasser wird einen Tag stehen gelassen.
Beobachtung
Das Wasser ist aus der Schale verschwunden.
Erklärung
Wenn Wasser langsam in den gasförmigen Zustand übergeht bezeichnet man das als Verdunstung. Die an der Oberfläche befindlichen Wassermoleküle verlassen allmählich die Flüssigkeit.
Versuch 2 (SV)
Aufbau
2 Bechergläser, Vierfuß, Bunsenbrenner, Becherglaszange, Siedesteine
Durchführung
a) Ein Becherglas wird wenige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt.
b) Das Wasser wird zum Sieden gebracht (Siedesteine hinzufügen).
c) Der Wasserdampf wird in dem zweiten Becherglas aufgefangen.
Beobachtung
In dem oberen Becherglas bilden sich Wassertropfen.
Erklärung
Der Wasserdampf, der beim Sieden entsteht, kühlt sich in der Luft wieder ab und bildet an
kalten Flächen Wassertropfen. Man sagt, der Wasserdampf kondensiert, d.h. er geht vom
gasförmigen in den flüssigen Zustand über.
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Wie entsteht Regen?
Versuch 3 (SV)
Aufbau
Erlenmeyerkolben, Winkeldüse, Stopfen mit einer Bohrung, hohes Becherglas, Vierfuß, Bunsenbrenner, Becherglaszange, Tiegelzange, sehr kalter Eiswürfel, Glycerin
Durchführung
a) Der Erlenmeyerkolben mit Winkeldüse (den Stopfen vorher etwas mit Glycerin befeuchten) wird wenige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt.
b) Das Wasser wird zum Sieden gebracht.
c) Der aus der Düse ausströmende Wasserdampf wird für kurze Zeit in dem hohen Becherglas aufgefangen.
d) Der Eiswürfel wird mit einer Tiegelzange in das Becherglas gehalten.
Beobachtung
Um den Eiswürfel herum bildet sich ein deutlich sichtbarer Nebel bzw. Dunst.
Erklärung
Der Wasserdampf, der sich im Becherglas befindet, kondensiert in der kalten Luftzone, die
sich um den Eiswürfel bildet, zu Wassertröpfchen. Diese Wassertröpfchen bilden um den
Eiswürfel einen feinen Nebel.
Vergleichbares geschieht, wenn in der Atmosphäre warme, feuchte Luftmassen aus tropischen Gebieten auf kalte polare Luftmassen treffen.
Hinweis: Folgende Sachverhalte können besprochen werden:
Wasser verdunstet an der Oberfläche des Meeres. Es wird der weitere Weg beschrieben.
Woraus bestehen Wolken?
Warum bestehen Wolken nicht aus Salzwasser?
Wer sorgt dafür, dass riesige Wassermengen in der Natur bewegt werden?
Wie kommt Wasser sonst noch auf die Erde zurück? Welche Niederschlagsarten gibt es
sonst noch?
Was geschieht mit dem Wasser, das nach einem Regenschauer im Boden versickert?
Wie gelangt das versickerte Wasser wieder in den Kreislauf?
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Wie man Regenmengen messen kann
Mit Hilfe eines Regenmessers kann man den Niederschlag pro Quadratmeter messen.
A. Käuflicher Regenmesser (Auffangfläche 200 cm²)
B. Selbstgebauter Regenmesser
Material:
Kunststofftrichter, Becherglas ca. 1 l, Messzylinder mit 2 cm Innendurchmesser, Sand
Der Messzylinder wird in dem Becherglas mit Sand fixiert und in seine Öffnung wird der
Trichter gestellt. Wenn 1 Liter Regen auf einen Quadratmeter fällt, dann bildet sich in dem
Standzylinder eine Wassersäule von 2,5 cm.
Wenn auf 1 m² ein Liter Regen fällt, dann entspricht das einer Flüssigkeitsmenge von 1.000 000 mm³, da 1 m² eine Fläche von 1.000 000 mm² hat und 1 Liter 1.000 000 mm³
enthält.
Bei einem Durchmesser von 100 mm bzw. Radius von 50
mm ergibt sich eine
Kreisfläche von ·r² = 3,14·50² = 7850 mm²
Da diese Fläche in einer Höhe von 1 mm mit Wasser bedeckt
ist, ergibt sich ein Volumen von 7850 mm³ bzw. 7,85 cm³.
Das bedeutet, wenn auf 1 m² ein Liter Regen fällt, dann fallen
auf den Trichter mit 10 cm Durchmesser 7,85 cm³ Niederschlag.
Sand
Der Durchmesser des Messzylinders beträgt 2 cm, sein Radius daher 1 cm. Bei 7,85 cm Flüssigkeitssäule, bedeutet
das, dass die Höhe der Flüssigkeitssäule genau 2,5 cm beträgt.
V = ·r²·h cm³
7,85 cm³ = ·1²·h cm³
h = 7,85 cm³ / 3,14 cm²
h = 2,5 cm
Hinweis: Die Niederschlagsmengen werden täglich in ein Diagramm eingetragen (vgl. Anhang).
Hinweis: Die Temperaturen werden täglich in ein Diagramm eingetragen (vgl. Anhang).
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Arbeitsblatt 6.1
Warum es regnet
Wenn Wasser erwärmt wird, dann entsteht Wasserdampf. Dieser Dampf wird
wieder zu Wasser, wenn er abkühlt. Man sagt auch, er kondensiert.
In unserer Atmosphäre geschieht das Gleiche. Wenn warme feuchte Luft aus
dem Süden auf kalte Luft aus dem Norden trifft, dann kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich Wassertropfen – es regnet.
So kann Regen entstehen
Feuchte Luft vom Meer trifft
auf Gebirgszüge oder größere Erhebungen, strömt nach
oben, kühlt sich ab, kondensiert mit zunehmender Höhe
und Wolken bilden sich; es
regnet.
Oberflächenwasser aus dem
Meer verdampft, steigt auf,
kühlt sich ab, kondensiert in
großer Höhe und Wolken bilden sich; es regnet
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Warme, feuchte Luftmassen
aus tropischen Gebieten
treffen auf kalte polare Luftmassen. Die leichtere
Warmluft strömt über die
schwere Kaltluft. Beim Aufsteigen kühlt sich die warme
Luft ab, der gespeicherte
Wasserdampf kondensiert
und Wolken bilden sich und
es regnet
© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 6.2
Was geschieht mit dem Wasser an der Oberfläche des Meeres? Welcher physikalische Vorgang läuft hier ab?
Beschreibe, wie es zur Wolkenbildung kommt. Welcher physikalische Vorgang läuft hier ab?
Warum bestehen die Wolken nicht aus Salzwasser?
Wer sorgt dafür, dass riesige Mengen Wasser in der Natur bewegt werden?
In welcher Form kommt Wasser sonst noch auf die Erde zurück? Denke dabei an die verschiedenen Niederschlagsarten.
Was geschieht mit dem Regenwasser, das nach einem Schauer im Boden versickert?
Beschreibe, wie das versickerte Wasser wieder in den Kreislauf gelangt.
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Lösungen zu Arbeitsblatt 6.2
Was geschieht mit dem Wasser an der Oberfläche des Meeres? Welcher physikalische Vorgang läuft hier ab?
Das Wasser an der Oberfläche des Meeres verdunstet.
Beschreibe, wie es zur Wolkenbildung kommt. Welcher physikalische Vorgang läuft hier ab?
Das an der Oberfläche des Meeres verdunstete Wasser steigt als Wasserdampf nach oben und kondensiert zu winzigen Wassertröpfchen.
Warum bestehen die Wolken nicht aus Salzwasser?
Beim Verdunsten von Wasser bleibt das Salz im Meer zurück; es findet
sozusagen eine Destillation statt.
Wer sorgt dafür, dass riesige Mengen Wasser in der Natur bewegt werden?
Das ist die Sonne, die riesige Wärmemengen auf die Erde abstrahlt.
In welcher Form kommt Wasser sonst noch auf die Erde zurück? Denke dabei an die verschiedenen Niederschlagsarten.
Regen, Schnee, Hagel, Nebel, Tau
Was geschieht mit dem Regenwasser, das nach einem Schauer im Boden versickert?
Dieses Regenwasser gelangt ins Grundwasser. Grundwasser sammelt sich
dort an, wo im Erdreich wasserundurchlässige Schichten vorhanden sind.
Beschreibe, wie das versickerte Wasser wieder in den Kreislauf gelangt.
Grundwasser und Schmelzwasser gelangen in Quellen, die ihrerseits wieder Flüsse speisen, deren Wasser letztendlich auf verschiedenen Wegen
wieder in Meer gelangt.
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7. Ein Experiment zum Treibhauseffekt
Hinweis: Der folgende Versuch soll zeigen, dass eine Kohlendioxidatmosphäre sich bei gleicher Energiezufuhr stärker erwärmt als Luft. Da die Vorgänge in der Erdatmosphäre ungleich
komplizierter sind auf Grund des Wasserdampfgehalts und zu dem im Verhältnis der anderen
Gase geringen Kohlenstoffdioxidgehalt (ca. 0,04 %), kann das Versuchsergebnis zur Erklärung des Treibhauseffekts nicht vollständig herangezogen werden, es kann daher nur einen
Hinweis geben.
Versuch 1 (LV/SV )
Aufbau
2 größere Stehkolben, 2 Gummistopfen mit einer Bohrung, 2 Digitalthermometer, 2 Strahler
(150 W), Kohlenstoffdioxid-Flasche oder Zitronensäure, Natriumhydrogencarbonat (Natron)
und Wasser oder eine Flasche mit kohlensäurehaltigem Mineralwasser, Gummistopfen mit
einer Bohrung, Glasrohr, Schlauch
Durchführung
a) Ein Stehkolben wird mit Kohlenstoffdioxid (CO2) gefüllt und anschließend mit dem Gummi- stopfen verschlossen
b) Der luftgefüllte Stehkolben wird ebenfalls mit einem Gummistopfen verschlossen.
c) Die beiden Digitalthermometer werden durch die Bohrung der Stopfen geschoben.
d) Die beiden Kolben werden jeweils mittig im Abstand von 30 cm vor den Strahlern positioniert.
e) Die Strahler werden eingeschaltet und es wird jeweils nach 1 min die Temperatur in ein
Temperatur-Zeit-Diagramm eingetragen. Der Versuch kann beendet werden, wenn die
Temperatur im CO2-Kolben ca. 60 °C erreicht hat, da dann eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen beiden Kolben besteht.
20,4 °C
Sollte keine Kohlenstoffdioxid-Flasche vorhanden sein, wird eine Mineralwasserflasche mit
einem durchbohrten Gummistopfen, in dem ein Glasrohr mit Schlauch steckt, verschlossen.
Anschließend wird die Flasche geschüttelt und das entstehende Kohlenstoffdioxid wird mittels des Schlauchs in den Glaskolben geleitet.
Eine andere Möglichkeit ist es, Kohlenstoffdioxid mit Hilfe eines Erlenmeyerkolbens, in den
man ein Gemisch aus Zitronensäure, Natriumhydrogenkarbonat und anschließend Wasser
gegeben hat, auf die zuvor beschriebene Weise in den Glaskolben zu leiten.
20,4 °C
30 cm
CO2
Luft
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Beobachtung
Wenn die Temperatur im Gefäß mit Kohlenstoffdioxid 60 °C erreicht hat, ist die Temperatur in
dem luftgefüllten Gefäß um ca. 3 – 4 °C geringer.
Erklärung
Bei gleicher Energiezufuhr erwärmt sich Kohlenstoffdioxid stärker als Luft. Auf die Erdatmosphäre bezogen bedeutet das, dass Kohlenstoffdioxid einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) absorbiert, während kurzwelligere Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das wirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von
Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt). Kohlenstoffdioxid hat einen Anteil von ca. 9 bis 26 % an diesem Gesamteffekt und ist somit in hohem
Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.
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8. Woraus Körper bestehen – Das Teilchenmodell
Hinweis: In diesem Kapitel geht es darum, den Schülern eine einfache Vorstellung vom Aufbau der Materie zu vermitteln.
Dies kann mit Hilfe eines einfachen Teilchenmodells geschehen. Die Begriffe „Atom“ und
„Molekül“ können verwendet werden. Es sollte aber keine genaue Unterscheidung stattfinden.
Versuch 1 (SV/LV)
Aufbau
CVK-Molekülbaukasten bzw. anders Fabrikat, 2 große Bechergläser oder entsprechende
Glasgefäße, hoher Standzylinder
Durchführung
a) Die einzelnen Kugeln werden miteinander mit Hilfe der Verbindungselemente zu einem
festen Komplex verbunden. Dieser Komplex wird in ein großes Becherglas bzw. entsprechendes Glasgefäß gelegt.
Es wird jetzt versucht, diesen Komplex zu bewegen.
b) Kugeln werden unverbunden in ein weiteres Gefäß gelegt und das Glas wird in alle Richtungen gedreht.
c) Kugeln werden unverbunden in einen hohen Standzylinder gelegt, der mit einem Abdeckglas verschlossen wird. Das Gefäß wird schnell in alle Richtungen hin und her bewegt.
In einem festen Körper liegen
die Teilchen nebeneinander
und sind fest miteinander verbunden.
In einem flüssigen Köper
liegen die Teilchen nebeneinander, sind aber nicht fest
miteinander verbunden,
sondern beweglich.
In einem gasförmigen Körper sind die Teilchen nicht
mehr miteinander verbunden, sondern bewegen sich
frei im Raum.
Beobachtung
a) Der Komplex aus Kugeln bewegt sich nicht oder kaum.
b) Die einzelnen Kugeln im Glas können sich auf dem Glasboden frei in alle Richtungen
bewegen.
c) Die Kugeln im Standzylinder bewegen sich frei im Raum.
Erklärung
a) Die Kugeln, die miteinander zu einem festen Komplex verbunden sind, können sich nicht
bewegen. Sie entsprechen den kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle) in einem Festkörper
(eines festen Körpers).
b) Die Kugeln, die sich auf dem Glasboden bewegen, entsprechen den kleinsten Teilchen
einer Flüssigkeit (eines flüssigen Körpers).
c) Die Kugeln, die sich frei in dem Standzylinder in alle Richtungen bewegen, entsprechen
den Teilchen eines Gases (gasförmigen Körpers).
Hinweis: Eventuell noch einmal den Versuch durchführen lassen, wo Eis geschmolzen wird
und das entstehende Wasser dann zum Sieden gebracht wird.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Arbeitsblatt 7.1
Wie Körper aufgebaut sind
Es gibt feste, flüssige und gasförmige Körper. Jeder Körper besteht aus kleinsten Teilchen.
Diese Teilchen sind unterschiedlich und hängen vom Material des Körpers ab.
Als gutes Beispiel für dieses Teilchenmodell eignet sich Wasser, da es im normalen Temperaturbereich den festen, flüssigen und gasförmigen Zustand annehmen kann.
Fester Zustand
Die Wasserteilchen sind
fest miteinander verbunden und unbeweglich
Flüssiger Zustand
Die Wasserteilchen liegen nebeneinander, sind
aber nicht fest miteinander verbunden, sondern
beweglich
Gasförmiger Zustand
Die Wasserteilchen sind
nicht mehr miteinander
verbunden, sondern sind
im Raum frei beweglich
Die kleinsten Teilchen eines Körpers werden, je nach Stoffart, als Atome oder
Moleküle bezeichnet.
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
9. Vorlagen
Vorlage 1
Name:
Klasse:
Datum:
Thema:
Versuchsprotokoll zum Versuch:
Materialien:
Durchführung:
Eigene Vermutung:
Beobachtung:
Erklärung:
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Vorlage 2
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© E. Mutz, D. Kaack, R. Brandt
Vorlage 3
Der Wasserkreislauf
© R. Brandt und E. Mutz
- 98 -
10. Sicherheitsaspekte
Vorsicht beim Umgang mit Kerzen und brennbaren Materialien. Brandgefahr!
Gefäß mit Löschwasser bereitstellen
Beim Umgang mit Kerzen und dem Gasbrenner müssen Schülerinnen und Schüler mit
langen Haaren ein Haargummi benutzen. Ggf. Gummis in Reserve haben.
Für die Herstellung eines luftleeren Raumes nur die dafür geeigneten druckfesten Behältnisse (Rezipienten) verwenden. Implosionsgefahr!
Bei Verwendung von Schläuchen, in die mehrere Schüler blasen, austauschbare Pappmundstücke verwenden!
Beim Sieden von Wasser in offenen Gefäßen Siedesteine verwenden.
Aufpassen beim Hantieren mit heißen Gegenständen. Gefahr von Brandwunden.
Bechergläser mit Becherglaszangen festhalten.
Nach dem Anfassen von Salzkristallen die Hände waschen.
Nach dem Gebrauch von Räucherstäbchen Raum gut lüften.
Ansonsten gelten die „Richtlinien für Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht“.
© R. Brandt und E. Mutz
- 99 -
11. Materialliste
Was ist Luft?
Reagenzglas
Bechergläser (klein)
Glaswanne
Erlenmeyerkolben
Winkelrohr
Luftballons
Gummistopfen mit einer Bohrung
Trinkhalm aus Kunststoff
Trichter
Standzylinder mit geschliffenem Rand
Abdeckglas
Stück Zeichenkarton
Stativ, Doppelmuffe, Stativklemme bzw. Universalklemme
Kolbenprober mit Hahn
Tafelwaage, Digitalwaage
Gewichtssatz
Fußball mit Pumpe
Kunststoffkugeln mit Ventil
Luftpumpe
Kunststoffschale
kleine Gummireifen
Kunststoffrezipient mit Pumpe
Einmachglas
Erlenmeyerkolben mit seitlichem Ansatz
Magdeburger Halbkugeln
Saughaken
Wasserstrahlpumpe oder Vakuumpumpe
2 Saugglocken
Schaumküsse
5-Liter Kunststoffkanister
Woraus besteht Luft?
Kerze mit Kerzenhalter
Schlitzblech
Lineal
Stahlwolle
Gasflaschen mit Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid
Kalkwasser
Natriumhydrogencarbonat (Natron bzw. Backpulver), Zitronensäure oder eine andere schwache Säure oder Brausetabletten
Winkelrohr
Unsere Atmung
Gummistopfen mit Bohrung, groß und klein
Glyzerin zum Schmieren
PET-Flasche (1 Liter)
Gummischlauch (ca. 1 m)
Mundstücke zum Pusten
Gaswaschflasche
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© R. Brandt und E. Mutz
Warum ist es windig?
Kunststofftüte (Gemüsetüte aus dem Supermarkt oder leichte Mülleimertüte )
evtl. Bunsenbrenner
Kleber, Schere, Faden, Tesafilm
Teelichte
Räucherstäbchen
zylindrisches Rohr aus PVC ( 10 cm, Höhe 30 cm)
Marmeladenglas
große Papiertüte
Was ist Wasser?
Vierfuß mit Ceranplatte
Thermometer
Sand
Bechergläser
Bunsenbrenner
Petrischale
Becherglaszange
Pulverschaufel
Mengen von Kochsalz und evtl. einiger anderer Salze wie Ammoniumchlorid, Calciumcarbonat (Kalk), Natriumcarbonat, Kupfersulfat, Natriumacetat, Kaliumhexacyanoferrat (rotes Blutlaugensalz u.a., Sand, Spiritus, Speiseöl
Regenmesser
Rührstab
Uhrglas
Filterpapier
Reagenzgläser
Löffel
Siedesteine
Färbemittel (Tinte, Kaliumpermanganat, Lebensmittelfarbstoff)
Reagenzglasständer
Steinbrocken
Abdampfschale
Ein Experiment zum Treibhauseffekt
2 Stehkolben
2 Gummistopfen mit einer Bohrung
2 Digitalthermometer
2 Strahler (150 W oder ähnlich
Kohlenstoffdioxid-Flasche
Zitronensäure, Natriumhydrogencarbonat (Natron)
Erlenmeyerkolben, Gummistopfen mit einer Bohrung, kurzes Glasrohr, Gummischlauch
Woraus Körper bestehen – Das Teilchenmodell
Molekülbaukasten
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© R. Brandt und E. Mutz
12. Anhang
Löslichkeitstabelle
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© R. Brandt und E. Mutz
Niederschlagstabelle
Monat
Tag
Monat
Niederschlag in
Liter pro m²
Tag
Monat
Niederschlag in
Liter pro m²
Tag
1.
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2.
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3.
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9.
9.
10.
10.
10.
11.
11.
11.
12.
12.
12.
13.
13.
13.
14.
14.
14.
15.
15.
15.
16.
16.
16.
17.
17.
17.
18.
18.
18.
19.
19.
19.
20.
20.
20.
21.
21.
21.
22.
22.
22.
23.
23.
23.
24.
24.
24.
25.
25.
25.
26.
26.
26.
27.
27.
27.
28.
28.
28.
29.
29.
29.
30.
30.
30.
31.
31.
31.
- 103 -
Niederschlag in
Liter pro m²
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13. Bild– und Textquellenverzeichnis
Bildquellen
18-1
20-1
23-1
23-2
25-1
26-1
28-1
28-2
30-1
32-1
34-1
37-1
37-2
38-1
39-1
41-1
42-1
48-1
49-1
50-1
51-1, 2, 3
52-1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
53-1
54-1
55-1
57-1
58-1
59-1
60-1
62-1
62-2
62-3
64-1,2
64-1,2,3,4
65-1,2
66-1,2
70-1
76-1
80-1,2
81-1
88-1
89-1,2,3
95-1,2,3
98-1
Hands
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Hands
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Hands
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Textquellen
Brockhaus, Die Enzyklopädie in 24 Bänden, Verlag F. A. Brockhaus
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Wikipedia, Die freie Enzyklopädie
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