Lernmaterial. 2. Überblicksschema Arbeitsblätter. Kapitel 1: Kalk und seine Entstehung. Kapitel 2: Kalk Gewinnung und Verarbeitung

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1 1. Allgemeine Hinweise zum Einsatz der Materialien Lernmaterial Lehrer für den Fach- und Projektunterricht in den Jahrgangsstufen Überblicksschema Arbeitsblätter 3. Detaillierte Hinweise zu den Arbeitsblättern Kapitel 1: Kalk und seine Entstehung Kapitel 2: Kalk Gewinnung und Verarbeitung Kapitel 3: Kalk in Industrie und Alltag 4. Versuche rund um das Thema Kalk

2 Das vorliegende Materialpaket richtet sich allgemein an Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 5-7. Lebensweltbezug: Das Thema Kalk berührt die Lebenswelt der Schüler an verschiedenen Stellen. Calciumcarbonat ist ausgehend vom Gestein über Muscheln und Frühstücksei bis hin zum Mineralwasser allgegenwärtig. Das Industrieprodukt Kalk ist nahezu universeller Bestandteil des heutigen Lebens, Begleiter zahlreicher Produktionsprozesse und Helfer im Umweltschutz. In Baustoffen ist er unverzichtbarer Bestandteil, Zucker und Stahl ließen sich ohne ihn nicht herstellen, und auch die Reinigung von Rauchgasen und Abwässern ist ohne ihn nicht vorstellbar. 1. Allgemeine Hinweise zum Einsatz der Materialien Darstellung in drei Kapiteln: Die Materialien sind in drei Kapitel zum Thema Kalk untergliedert: Kapitel 1 beschäftigt sich mit Kalk und seiner Entstehung. Kapitel 2 behandelt die Gewinnung von Kalkstein im Steinbruch und seine Verarbeitung im Kalkwerk. In Kapitel 3 gehen wir exemplarisch auf den Einsatz von Kalk in Alltag, Industrie und Umweltschutz ein. Das Projekt im Chemieunterricht: Im Chemieunterricht der Unter- und Mittelstufe wird das Thema Kalk als Ableitung der Chemie der Carbonate behandelt. Bei unserem Ansatz gehen wir vom Gegenstand Kalk aus und behandeln das Thema phänomenologisch unter Berücksichtigung der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler. Dabei verzichten wir auf die Verwendung der chemischen Fachsprache und die Darstellung chemischer Formeln. Kalkstein benennen wir, da wo es notwendig ist, als Calciumcarbonat. Die Produkte des Kalkbrennens bezeichnen wir als Branntkalk und Kalkhydrat. Dabei lassen wir die chemischen Fachbegriffe Calciumoxid (CaO) und Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ) unberücksichtigt. Phänomenologisch bedeutet, dass wir die Beobachtungen zur Kalkchemie beschreiben und für die Schülerinnen und Schüler mit einfachen Worten begreifbar machen. Dabei geht es insbesondere um die Phänomene, die mit dem Auf- und Abbau des Calciumcarbonates im natürlichen Zyklus sowie mit seiner Verarbeitung zu Kalk in technischen Prozessen verbunden sind. Für den natürlichen Kalkkreislauf wollen wir deutlich machen, wie Kalkstein aus den Sedimenten Kalkstein bildender Organismen gebildet wird und durch welche Prozesse Calcium wieder aus Kalkgestein herausgelöst wird. Mit Blick auf die technischen Prozesse der Kalkverarbeitung gehen wir aus Gründen der didaktischen Reduktion nicht von einem Kreislauf aus, wie er häufig in der Fachliteratur dargestellt wird, sondern beschreiben lediglich die Herstellung von Branntkalk aus Kalkstein und die anschließende chemische Umsetzung von Branntkalk zu Kalkhydrat durch Zugabe von Wasser. Bei der Behandlung des Themas im Chemieunterricht ist es sinnvoll, dass die Schülerinnen und Schüler vorab die Begriffe Säure und Base und deren Nachweise mit Indikatoren kennengelernt haben, dass ihnen die Wasserhärte als Grad des Vorhandenseins von Calcium in Wasser bekannt ist und dass sie Kohlendioxidgas als Produkt aus Verbrennung und Atmung kennen. Zu den einzelnen Kapiteln stellen wir passende Experimente vor, die vor allem für den Einsatz im Chemieunterricht geeignet sind. Mehr dazu unter Abschnitt 4 Versuche rund um das Thema Kalk. Dabei sind die Richtlinien im Umgang mit Gefahrstoffen (Gefahrstoffverordnung) berücksichtigt.

3 1. Allgemeiner Hinweis zum Einsatz der Materialien Ganzheitliches Angebot: Mit dem vorliegenden Materialpaket lässt sich das Thema Kalk ganzheitlich im Unterricht verschiedener Fächer behandeln. Zudem ist die Gestaltung fachübergreifender und fächerverbindender Projekte, vornehmlich im naturwissenschaftlichen Bereich, möglich. Die Verzweigungen in Fachbezüge außerhalb des Faches Chemie ist vielfältig. Die Materialien berühren beispielhaft obligatorische Themenstellungen verschiedener Unterrichtsfächer. Dazu gehören: 8 die Chemie der Carbonate und die Chemie der Erdalkalimetalle (Chemie) am Beispiel Calciumcarbonat 8 die Entstehung von Kohlendioxid sowie seine chemischen und (Chemie) umweltrelevanten Wirkungen 8 die Wasserhärte (Chemie) 8 Säuren und Basen an den Beispielen des Kohlendioxids bzw. der (Chemie) Kohlensäure sowie der Kalkprodukte, Branntkalk und Kalkhydrat 8 die biogene Herkunft von Kalk (Biologie) 8 die Darstellung eines technischen Prozesses am Beispiel der (Chemie, Biologie) Zuckerherstellung 8 der menschliche Körper und die Gesundheitserziehung am Beispiel (Biologie) der Wirkung von Calciumcarbonat in der Zahnpasta 8 die erdgeschichtliche Einordnung der Entstehung von Kalk (Erdkunde) 8 die Geomorphologie sowie die Erscheinungsformen von Kalkböden (Biologie, Erdkunde) und Lebensformen auf Kalkböden 8 der Umwelt- und Artenschutz an den Beispielen Folgenutzung eines Steinbruchs, Rauchgasentschwefelung, Abwasserreinigung und Bodenkalkung (Biologie, Erdkunde) 8 die Verbindung von Ökonomie und Ökologie am Beispiel der Nutzung (Biologie, Politik) von REA-Gips 8 die Darstellung eines technischen Prozesses am Beispiel der (Arbeitslehre, Politik) Kalkherstellung gestern und heute 8 die Darstellung eines technischen Prozesses am Beispiel der Eisen- (Arbeitslehre, Politik) und Stahlherstellung unter Verwendung von Kalk In der Grafik auf der folgenden Seite schlagen wir für die einzelnen Kapitel Fachbezüge vor, wohlwissend, dass diese klassische Unterteilung in Schulfächer den Realitäten in vielen Bundesländern nicht mehr entspricht. Das Projekt lässt sich ganzheitlich im Verbundunterricht der Klassen 5-7 realisieren, z. B. im Verbundfach EWG (Erdkunde, Wirtschaft, Gemeinschaftskunde) in Baden-Württemberg, NWA (Naturwissenschaftliches Arbeiten) in Nordrhein-Westfalen oder MNT (Mensch, Natur, Technik) in Thüringen.

4 Ch = Chemie Bio = Biologie Ek = Erdkunde Pol = Politik Abl = Arbeitslehre 2. Überblicksschema Arbeitsblätter Kapitel 1 - Kalk und seine Entstehung Thema AB Fächerbezug Leitfach Begleitfach Kalk in Natur und Umgebung 1.1 Ek Ch Vom Ursprung des Kalks Auf Muscheln gebaut 1.2 Ek Ch Kalkboden und Landschaftsbild 1.3 Ek Bio, Ch Kalkaufbau und Kalkabbau im Kreislauf 1.4 Ch Ek Kohlendioxid und Kalkkreislauf 1.5 Ch Ek Kapitel 2 Kalk Gewinnung und Verarbeitung Thema AB Fächerbezug Leitfach Begleitfach Geschichte der Kalkgewinnung 2.1 Ek Abl Kalksteinabbau heute 2.2 Ek Abl, Ch Veredelung des Kalksteins 2.3 Ch Ek Brenntechnik gestern und heute 2.4 Abl Ch, Ek Kalkwerk und Umweltverantwortung 2.5 Ek Ch, Pol Nutzung stillgelegter Steinbrüche 2.6 Pol Ek, Ch Kapitel 3 Kalk in Industrie und Alltag Thema AB Fächerbezug Leitfach Begleitfach Kalk ist überall 3.1 Bio Ch Kalk im täglichen Leben ein Überblick 3.2 Ek Bio, Ch, Pol Calcium in Kosmetikprodukten Zahnpasta 3.3 Bio Ch Kalk im Bauwesen 3.4 Ch Abl Kalk in der Zuckerindustrie 3.5 Ch Bio, Ek Kalk in der Eisen- und Stahlindustrie 3.6 Ek Ch, Pol Kalk in Land- und Forstwirtschaft 3.7 Bio Ch, Ek Kalk im Umweltschutz - Abwasserreinigung 3.8 Bio Ch, Ek Kalk im Umweltschutz - Rauchgasreinigung 3.9 Ch Bio, Ek

5 Kapitel 1: Kalk und seine Entstehung Kalk und seine Entstehung spricht vor allem die Fächer Erdkunde, Chemie und Biologie an. Das Kapitel kann durchgehend im Unterstufenunterricht des Faches Erdkunde und darüber hinaus in entsprechenden Verbundfächern oder im fachübergreifenden Projektunterricht behandelt werden. Allgemeine Vorschläge zum Einsatz der Arbeitsblätter 3. Detaillierte Hinweise zu den Arbeitsblättern Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die einzelnen Unterkapitel gruppenteilig erarbeiten. Jede Gruppe bearbeitet ein Arbeitsblatt derart, dass sie den Textinhalt kurz wiedergibt, die Aufgabenstellung nennt und Lösungsvorschläge dazu macht. Dabei sollten die naturwissenschaftlich interessierten Schülerinnen und Schüler die Arbeitsblätter 1.4 und 1.5 bearbeiten. Spezifische Hinweise zu den einzelnen Arbeitsblättern Arbeitsblatt 1.1 Kalk in Natur und Umgebung: Die Schüler haben die Aufgabe, im Internet über die Gesteine zu recherchieren, die die Bergregion in ihrer Nähe ausmachen. Hinweis dazu: Recherche via Wikipedia (z. B. Suchbegriff Eifel ). In dem Abschnitt Geologie findet man Hinweise über das Gestein (z. B. Die Eifel besteht aus Schiefer, Kalkstein, Quarzit und Sandstein. ). In ähnlicher Weise findet man im Internet (z. B. Wikipedia) Hinweise auf die Bausubstanzen des Kölner Doms. Die Schüler finden, dass im Mittelalter vor allem Trachyt (vulkanisches Gestein) vom Drachenfels im Siebengebirge verwendet wurde. Danach kamen Sandstein, Basalt und Muschelkalk als Baumaterial zum Einsatz. Arbeitsblatt 1.2 Vom Ursprung des Kalks - Auf Muscheln gebaut: Kalkgestein hat biologischen Ursprung. Diese Tatsache wird für Schüler vielleicht erstaunlich sein. Vermutlich werden sie annehmen, dass Kalksteingebirge vulkanischen Ursprungs sind oder bei der Erdentstehung gebildet wurden. Hierbei bietet es sich an, den Schülern verschiedene Kalkstein bildende Organismen zu zeigen, um die erstaunliche Tatsache zu verdeutlichen, dass solche oder ähnliche Organismen die Grundlage für die Bildung ganzer Gebirge schufen und weiterhin schaffen. Für die Bearbeitung der Aufgabe finden die Schüler die Hinweise im Text. Sie sollen eine Phantasielandschaft auf der Basis der Angaben entwerfen. Arbeitsblatt 1.3 Kalkboden und Landschaftsbild: Die Schüler werden sich nur schwer vorstellen können, dass vor vielen Millionen Jahren die heutige Eifel unter einem tropischen Flachmeer lag. Ein wenig Südsee-Flair findet man dort noch heute, wenn man auf Muscheln stößt. Auch findet man dort Orchideen, die ansonsten nur im Mittelmeerraum vorkommen. Die Schüler lernen, dass ein Kalkboden sich dadurch auszeichnet, dass er Wasser schnell abfließen lässt, Sonnenwärme lange konserviert und dass er nährstoffarm und weder sauer noch basisch, sondern im ph-wert neutral ist. Dies sollen sie bei der Beantwortung der Fragen herausstellen.

6 3. Detaillierte Hinweise zu den Arbeitsblättern Arbeitsblatt 1.4 Kalkaufbau und Kalkabbau im Kreislauf: Die Schülerinnen und Schüler sollen die erstaunliche Tatsache verstehen, dass saurer Regen Kalkstein zersetzt bzw. dass Calcium aus Kalkstein herausgelöst wird. Dabei wird ihnen die Rolle des Kohlendioxids deutlich: Kohlendioxid und Wasser verbinden sich zu Kohlensäure, einer schwachen Säure, die Kalkstein angreift. Im Chemieunterricht ist es an dieser Stelle sinnvoll, auch auf das Thema Wasserhärte einzugehen. Kohlensäure verbinden die Schüler ggf. mit Sprudelwasser/Mineralwasser. Dabei sollte deutlich gemacht werden, dass Sprudelwasser durch Einpressen von Kohlendioxid in Wasser hergestellt wird. Dies kann im Unterricht z. B. durch Herstellung von Sprudelwasser mit Sodageräten aus dem Haushalt gezeigt werden. Die Beantwortung der Fragen im Aufgabenblock ergibt sich aus dem Text. Arbeitsblatt 1.5 Kohlendioxid und Kalkkreislauf: Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, dass Kohlendioxid auf verschiedene Weise umweltrelevant ist: Einerseits führt die Zunahme von Kohlendioxid in der Atmosphäre zur Erderwärmung. Andererseits reagiert Kohlendioxid mit Wasser zu Kohlensäure. Saurer Regen greift Kalkstein also auch Bauwerke aus Kalkstein an und führt zu einer Versauerung des Bodens und der Gewässer. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf Kalkstein bildende Organismen. Ziel ist es, dass die Schülerinnen und Schüler die Umweltrelevanz von Kohlendioxid auf zwei Ebenen nachvollziehen können Erderwärmung und saurer Regen. Kapitel 2: Kalk Gewinnung und Verarbeitung Gewinnung und Verarbeitung von Kalk spricht vor allem die Fächer Erdkunde, Chemie, Politik und Arbeitslehre an. Das Kapitel kann durchgehend im Unterstufenunterricht des Faches Erdkunde und darüber hinaus in entsprechenden Verbundfächern oder im fachübergreifenden Projektunterricht behandelt werden. Allgemeine Vorschläge zum Einsatz der Arbeitsblätter Die Arbeitsblätter 2.1 bis 2.4 bilden eine geschlossene Einheit. Inhaltlich geht es um die Beschreibung der Prozesse von der Kalksteingewinnung im Steinbruch bis zu den fertigen Kalkprodukten. Dabei wird in knapper Form ein Bogen von der Kalksteingewinnung und -verarbeitung in der Antike bis in die Gegenwart geschlagen. Die Fragen und Aufgaben lassen sich im Wesentlichen aus dem Text heraus bearbeiten. Die Arbeitsblätter 2.5 und 2.6 beschäftigen sich mit den Umweltauswirkungen, die mit dem Kalksteinabbau und der Verarbeitung von Kalkgestein verbunden sind. Dabei geht es darum, dass die Schülerinnen und Schüler für Umweltfragen sensibilisiert werden und dass sie eine eigene Position beziehen. Spezifische Hinweise zu den einzelnen Arbeitsblättern Arbeitsblatt 2.1 Geschichte der Kalkgewinnung: Schon in der Römerzeit wurde Kalkstein in nahezu industriellem Maßstab abgebaut und zu Kalk gebrannt. Geht man von den angegebenen Zahlen aus (25 Tonnen Kalkgestein pro Woche bei einem Verbrauch von 60 Kubikmetern Holz), dann lässt sich unter der Annahme, dass durchgehend gebrannt wurde, daraus schließen, dass in der dargestellten Brennerei in Bad Münstereifel in den 52 Wochen des Jahres Kubikmeter Holz verbraucht wurden, um Tonnen Kalkstein zu Branntkalk zu verarbeiten.

7 3. Detaillierte Hinweise zu den Arbeitsblättern Arbeitsblatt 2.2 Kalksteinabbau heute: Die Schüler erfahren, dass in einem Steinbruch der Gegenwart bis zu einer Million Tonnen Kalkgestein pro Jahr gebrochen und verarbeitet wird. Dazu wird schweres Gerät mit eindrucksvollen Dimensionen eingesetzt. Im Unterschied zum dargestellten Tagebau wird Steinkohle unter Tage abgebaut, wobei die Schächte bis zu 1000 Meter tief sind. Arbeitsblatt 2.3 Veredelung des Kalksteins: Den Schülern wird deutlich, dass beim Brennen von Kalkstein ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entsteht. Auf die hier genannten Aspekte beziehen sich auch die Versuche (Versuche ). Als Produkt entsteht Branntkalk, ein weißer und relativ leichter Stoff, der z. B. in der Stahlproduktion Verwendung findet. Wenn Branntkalk mit Wasser versetzt wird, entsteht in einer heftigen chemischen Reaktion Kalkhydrat als Ausgangstoff für Kalkmörtel und andere Baustoffe. Arbeitsblatt 2.4 Brenntechnik gestern und heute: Die Schüler erkennen, dass schon die alten Römer ausgeklügelte Techniken zum Brennen von Kalkgestein nutzten. Im Gegensatz zu heute brannten sie aber das Kalkgestein in einem diskontinuierlichen Prozess. Das bedeutet, dass die Öfen mit Kalkgestein beschickt wurden und dass man das Ganze über mehrere Tage brannte. Danach wurde der Ofen abgekühlt und das fertige Produkt entnommen. Im Gegensatz dazu wird Kalkstein heute in modernen und energieoptimierten Öfen, zumeist Schachtöfen, in einem kontinuierlichen Prozess gebrannt. Das bedeutet, dass im laufenden Prozess Kalkgestein kontinuierlich zugeführt und das gebrannte Produkt entnommen wird. Arbeitsblatt 2.5 Kalkwerk und Umweltverantwortung: Mit diesem Arbeitsblatt werden einige Umweltauswirkungen der Kalkindustrie beschrieben Energieverbrauch, Lärm, Erschütterungen, Staubentwicklung und schließlich die Freisetzung von Kohlendioxid. Dabei wird deutlich, dass bei der chemischen Umsetzung von Kalkstein zu Branntkalk große Mengen an Kohlendioxid emittiert werden. Zusätzliches Kohlendioxid entsteht beim Einsatz der Brennstoffe. Energieeinsparungsmaßnahmen greifen nur durch die Verringerung des Einsatzes von Brennstoffen. Diese beeinflusst aber nicht die durch die Umwandlung von Kalkstein in Branntkalk bedingte Freisetzung von Kohlendioxid. Arbeitsblatt 2.6 Nutzung stillgelegter Steinbrüche: Die Schüler sollen sich die Frage stellen, was mit dem Gelände eines Steinbruchs nach der Stilllegung geschehen soll. Bei der Bewältigung der Aufgabe ist weniger der Sachverstand gefragt, sondern es geht vor allem darum, dass die Jugendlichen eine eigene Haltung zur Frage entwickeln sollen, ob sie der Natur Vorrang geben würden oder ob sie es eher wichtig fänden, dass der Mensch berücksichtigt wird, indem ihm z. B. attraktive Freizeitmöglichkeiten in einem stillgelegten Steinbruch angeboten werden.

8 3. Detaillierte Thema: Hinweise Kalk zu und den seine Arbeitsblättern Entstehung Kapitel 3: Kalk in Industrie und Alltag Kalk in Industrie und Alltag spricht vor allem die Fächer Chemie, Biologie, Erdkunde, Politik und Arbeitslehre an. Das Kapitel kann durchgehend im Unterstufenunterricht des Faches Chemie (z. B. Chemie der Carbonate/Kalk ) und darüber hinaus im Verbundfach Naturwissenschaften oder im fachübergreifenden Projektunterricht behandelt werden. Allgemeine Vorschläge zum Einsatz der Arbeitsblätter Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die Arbeitsblätter gruppenteilig erarbeiten (je 2-3 Schüler pro Arbeitsblatt). Die Gruppen stellen der Klassengemeinschaft die Inhalte inkl. Aufgabenstellung und Lösungen der Aufgaben vor. Bei Bedarf und Möglichkeit (z. B. bei einer Durchführung als Projekt) kann das Arbeitsblatt 3.1 als Hausaufgabe gestellt werden. Dabei geht es insbesondere darum, dass alle Schüler im familiären Umfeld nachfragen, was den Familienmitgliedern zum Begriff Kalk assoziativ und spontan einfällt. Diese Assoziationen können dann im Klassenverband ausgewertet, und es kann eine Reihenfolge der Nennungen aufgestellt werden. Spezifische Hinweise zu den einzelnen Arbeitsblättern Arbeitsblatt 3.1 und 3.2 (Kalk ist überall und Kalk im täglichen Leben) beschäftigen sich mit der Herkunft des Wortes Kalk, mit den Assoziationen, die uns bei der Nennung des Begriffes Kalk einfallen (Arbeitsblatt 3.1) und mit der Omnipräsenz von Kalk im täglichen Leben (Arbeitsblatt 3.2). Arbeitsblatt 3.3 Calcium in Kosmetikprodukten Zahnpasta: Der Zahnschmelz besteht aus Hydroxylapatit, einer sehr harten Calciumverbindung. Die Schüler erfahren, dass die Calciumverbindung in Form des Zahnschmelzes mit fein vermahlenem Calciumcarbonat gereinigt wird. Schon die Vorfahren benutzten zum Reinigen der Zähne fein vermahlenenes Kalksteinpulver. Auch in den Zahncremes der Gegenwart ist es als sanftes Scheuermittel enthalten (siehe Versuch 3.3). Arbeitsblatt 3.4 Kalk im Bauwesen: Kalk ist Bestandteil einer Vielzahl von Baustoffen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass durch verschiedene Beimischungen und Verarbeitungstechniken kalkhaltige Baustoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften entstehen. Dabei unterscheidet man Luft- und hydraulische Kalke. Kalk ist dabei sowohl im Kalkmörtel enthalten, der schon in der Römerzeit und im Mittelalter als Bindemittel im Hausbau verwendet wurde wie auch im Zement oder in Kalksandsteinen und Porenbeton- Bausteinen. Vor allem mit der Erfindung des Zements Anfang des 19. Jahrhunderts ergaben sich ganz neue Möglichkeiten, Bauwerke stabil und witterungsbeständig zu konstruieren (siehe Versuch 3.1). Arbeitsblatt 3.5 Kalk in der Zuckerindustrie: Die Schüler erfahren, dass Zuckerhersteller so große Mengen an Branntkalk und Kalkhydrat benötigen, dass Sie häufig eigene Kalköfen betreiben. Kalk hat bei der Zuckerherstellung die Aufgabe, Fremdstoffe abzutrennen.

9 3. Detaillierte Hinweise zu den Arbeitsblättern Arbeitsblatt 3.6 Kalk in der Eisen- und Stahlindustrie: Die Schüler lernen, dass Stahl- und Kalkindustrie untrennbar miteinander verknüpft sind. Kalk wird in so großen Mengen zur Reinigung bei der Stahlerzeugung eingesetzt, dass es für die Stahlhersteller ein Standortfaktor ist, ein Kalkwerk in der Nähe zu haben. Arbeitsblatt 3.7 Kalk in Land- und Forstwirtschaft: Kalk neutralisiert die Böden und lockert sie auf. Zusätzlich schafft Kalk positive Lebensbedingungen für die Bodenorganismen. Insgesamt lassen sich mit abgestimmten Kalkzugaben die Ernteerträge steigern und die durch sauren Regen verursachten Waldschäden verringern. Arbeitsblatt 3.8 Kalk im Umweltschutz - Abwasserreinigung: Mit Blick auf die Wasserreinigung spielt Kalk vor allem in der biologischen Reinigungsstufe eine besondere Rolle wenn es darum geht, den optimalen ph-wert einzustellen, um ideale Lebensbedingungen für den Belebtschlamm, also die Mikroorganismen in der Reinigungsstufe, zu schaffen. Im richtigen ph-milieu kann der Belebtschlamm z.b. organische Stickstoffverbindungen abbauen oder auch Medikamentenreste aus dem Abwasser entfernen (siehe Versuch 3.2). Arbeitsblatt 3.9 Kalk im Umweltschutz - Rauchgasreinigung: Die Rauchgasreinigung mit Kalk wird am Beispiel der Schwefeleliminierung aus Rauchgasen beschrieben. Kalkmilchduschen eliminieren Schwefel aus Rauchgasen, die bei der Verbrennung von Braun- oder Steinkohle z. B. in Kohlekraftwerken entstehen. Dabei entsteht Gips, der zur industriellen Herstellung von Gipskartonplatten verwendet wird.

10 Die Versuche sind thematisch den drei Kapiteln zugeordnet. Es steht im Ermessen der Lehrkräfte, die Unterrichtsversuche mit in die Behandlung der Kapitel einzubinden. Bei der Auswahl der Versuche ist die Gefahrstoffverordnung berücksichtigt. Dabei ist zu bedenken, dass z. T. Substanzen verwendet werden, die nach der Gefahrstoffverordnung als reizend oder ätzend (z. B. Essigsäureessenz oder Branntkalk) eingestuft werden. 4. Versuche rund um das Thema Kalk Erläuterungen zu den Versuchen Versuche zu Kapitel 1: Kalk und seine Entstehung Versuch 1.1: Beim Übergießen von Eierschalen, Kalkstein, Marmor und Muschelschalen zeigen sich Gasbläschen. Die genannten Substanzen bestehen aus Calciumcarbonat, das unter Einwirkung von Säure zersetzt wird. Dabei entsteht Kohlendioxidgas. Granit und Quarz reagieren unter Säureeinwirkung dagegen nicht (kein Calciumcarbonat). Versuch 1.2: Beim Erhitzen von calciumreichem Mineralwasser ist eine starke Gas und eine milchige Eintrübung erkennbar. Bei längerem Erhitzen fallen Flocken weißer Kristalle aus. Calciumionen liegen im Mineralwasser in Form von Calciumhydrogencarbonat, einer leicht löslichen Ionenverbindung vor. Wenn Kohlendioxid durch Erwärmen ausgetrieben wird, bildet sich schwerlösliches Calciumcarbonat, erkennbar an der Eintrübung und an der Ausfällung. Versuch 1.3: Unter Säureeinwirkung löst sich der in Versuch 2 gebildete Niederschlag wieder auf. Die Flüssigkeit wird wieder klar. Versuch 1.4: Destilliertes Wasser verdampft rückstandsfrei. Beim Verdampfen von Leitungswasser und Mineralwasser bilden sich mineralische Rückstände z. T. aus Calciumcarbonat. Dabei sollten die Rückstände beim Verdampfen von Mineralwasser höher ausfallen als beim Verdampfen von Leitungswasser. Versuche zu Kapitel 2: Kalk Gewinnung und Verarbeitung Versuch 2.1: Kalksteinpulver ist weißlich grau, fest, hart und spröde. Branntkalkpulver ist weiß, weich und zerfällt leicht. Versuch 2.2: Calciumcarbonat wird bei Temperaturen um 1000 C in Kohlendioxid und Calciumoxid zersetzt. Die Freisetzung von Kohlendioxidgas zeigt sich durch Bläschen in dem in der Waschflasche vorgelegten und mit Universalindikator versetzten Wasser. Beim Einleiten von Kohlendioxid in Wasser bildet sich Kohlensäure, erkennbar an der Rotfärbung des Universalindikators. Versuch 2.3: Branntkalk und Wasser reagieren in einer stark exothermen Reaktion zu Kalkhydrat (chemisch Calciumhydroxid). Messbar ist ein Temperaturanstieg (Thermometer). Die Suspension reagiert alkalisch (Nachweis mit Universalindikator).

11 4. Versuche rund um das Thema Kalk Versuche zu Kapitel 3: Experimente mit Kalk Versuch 3.1: Kalkhydrat (gelöschter Kalk) lässt sich mit Sand und Wasser zu einem geschmeidigen Mörtel verrühren, der an der Luft schnell aushärtet. Ein solcher Mörtel ist weniger fest und beständig gegenüber Wasser als der ausgehärtete Zement (Zementmörtel). Versuch 3.2: In der Kläranlage können Phosphate mit Kalk entfernt werden. Mit Phosphaten bilden gelöste Calciumionen schwerlösliche Calciumphosphate, die leicht abgetrennt werden können. In der hier vorliegenden Natriumphosphatlösung fällt bei Kalkzugabe (Kalkwasser/Calciumhydroxid) schwerlösliches Calciumphosphat aus. Versuch 3.3: Durch die Reibewirkung des fein verteilten Reibemittels in der Zahnpasta (häufig Calciumcarbonat) verliert die Aluminiumfolie ihren Glanz und wird matt. Impressum: Bundesverband der Deutschen Kalkindustrie e.v. Annastraße Köln Konzeption und Gestaltung: Institut Unternehmen & Schule GmbH, Bonn signalamt/designbuero, unnau

12 1. Versuche Kalk und seine Entstehung Versuch 1.1: Reaktion verschiedener Proben mit Essigessenz Gib verschiedene Proben in Glasgefäße und übergieße sie mit Essigsäureessenz (konzentrierter Essig): Eierschale, Granit, Kalkstein, Marmor, Muschelschale und Quarz. Vorsicht! Essigessenz ist ätzend : Aufgabe: Trage deine Beobachtungen in die Tabelle ein Versuch 1.3: Versetzen von erhitztem Mineralwasser mit Essigessenz Gib zu dem erhitzten Sprudelwasser aus Versuch 1.2 etwa 10 ml Essigessenz (konzentrierten Essig). Vorsicht! Essigessenz ist ätzend : Aufgabe: Beschreibe und deute deine Beobachtungen. Probe + Essig Beobachtung Eierschale Granit Kalkstein Marmor Muschelschale Quarz Versuch 1.2: Erhitzen von Mineralwasser Gieße etwa 50 ml calciumreiches Mineralwasser (mindestens 300 mg Calcium pro Liter, siehe Etikett) in ein Becherglas und erhitze es bis zum Sieden. Versuch 1.4: Eindampfen verschiedener Flüssigkeiten Gib ca. 20 ml destilliertes Wasser, Leitungswasser und Mineralwasser (calciumreich, mindestens 300 mg Calcium pro Liter) in je ein Becherglas, gib jeweils einige Siedesteine hinzu und erhitze die Proben vorsichtig mit dem Bunsenbrenner, bis die Flüssigkeiten verdampft sind. : Aufgabe: Vergleiche die Rückstände in den Bechergläsern miteinander und deute deine Beobachtungen. : Aufgabe: Beschreibe und deute deine Beobachtungen.

13 2. Versuche Kalk Gewinnung und Verarbeitung Versuch 2.1: Kalkstein und Branntkalk im Vergleich In je einem kleinen Becherglas befinden sich die folgenden Produkte aus dem Kalkwerk: Kalksteinpulver und Branntkalkpulver. Rühre mit dem Spatel durch die beiden Proben und vergleiche Aussehen und Festigkeit, ohne sie mit den Fingern anzufassen. Vorsicht: Branntkalk ist für die Augen ätzend und reizt die Haut (Schutzbrille, Kittel). : Aufgabe: Beschreibe deine Beobachtungen. Versuch 2.3: Löschen von Branntkalk Nimm das erkaltete Reagenzglas aus Versuch 2 und stelle ein Thermometer hinein. 1. Gib mit Hilfe einer Tropfpipette 2 Milliliter Wasser hinzu. Notiere die Temperatur. 2. Prüfe die Lösung mit Universalindikator Vorsicht! Branntkalk ist für die Augen ätzend und reizt die Haut (Schutzbrille, Kittel). : Aufgabe: Beschreibe deine Beobachtungen. Versuch 2.2: Kalkbrennen Gib zwei Löffel Kalksteinpulver in ein schwer schmelzbares Reagenzglas und erhitze dieses über der rauschenden Brennerflamme (Schutzbrille!). Leite das entweichende Gas in eine Waschflasche mit Indikatorlösung (Wasser mit Universalindikator). Vorsicht! Trenne sofort nach dem Erhitzen das Reagenzglas von der Waschflasche. Achte dabei darauf, deine Finger nicht zu verbrennen. Das Trennen ist wichtig, weil das Wasser aus der Waschflasche ansonsten in das heiße Reagenzglas gesogen würde, das dabei zerbersten könnte. : Aufgabe: Beschreibe und deute deine Beobachtungen.

14 3. Versuche Kalk in Industrie und Alltag Versuch 3.1: Kalk im Bauwesen Baumischungen im Vergleich a) Kalkmörtel (Luftkalk): Mische in einem Becherglas Kalkhydrat (gelöschter Kalk) mit der dreifachen Menge Sand. Rühre so viel Wasser unter, bis ein dicker Brei entsteht. b) Zement: Mische in einem Becherglas ein Teil Zement mit zwei Teilen Sand. Rühre dann so viel Wasser unter, dass ein dicker Brei entsteht. Versuch 3.2: Kalk in der Abwasserreinigung - Entfernung von Phosphaten in der Kläranlage Löse in 50 ml destilliertem Wasser eine Spatelspitze Natriumphosphat. Gib zu dieser Lösung tropfenweise klares Kalkwasser (Calciumhydroxid gelöst in Wasser) und beobachte. : Aufgabe: Beschreibe und deute deine Beobachtungen. Streiche beide Mischungen in je eine Streichholzschachtel aus und prüfe nach einiger Zeit (60 Minuten / ein Tag / eine Woche) die Härte der Baustoffgemische. Nimm anschließend beide Ziegel aus den Streichholzschachteln heraus, gib sie in je ein Becherglas mit Wasser und lass die Bechergläser eine Stunde stehen. Nimm die Ziegel aus dem Wasser heraus und prüfe auf Festigkeit. : Aufgabe: Beschreibe deine Beobachtungen. Festigkeit der Proben im Vergleich: Versuch 3.3: Calciumcarbonat in Kosmetikprodukten - Kalksteinpulver in der Zahnpasta a) Reibewirkung von pulverisiertem Kalkstein in der Zahnpasta: Tropfe etwas Wasser auf ein Stück Aluminiumfolie und verreibe das Wasser mit einem weichen Lappen. Gib dann auf eine andere Stelle der Aluminiumfolie ein erbsengroßes Stück Zahnpasta und reibe ebenfalls mit einem weichen Lappen darüber. : Aufgabe: Beschreibe und deute deine Beobachtungen. Festigkeit nach Kontakt mit Wasser im Vergleich: b) Herstellung einer einfachen Zahnpasta Zutaten: Schlämmkreide (Calciumcarbonat aus der Apotheke), Pfefferminzöl (aus der Apotheke), Sonnenblumenöl, Süßstoff (flüssig) Gib zwei Teelöffel Schlämmkreide in ein Becherglas und füge etwas Sonnenblumenöl hinzu. Mische diese beiden Zutaten bis eine Paste entstanden ist. Gib dann 1-2 Tropfen Pfefferminzöl und 1-2 Tropfen flüssigen Süßstoff hinzu. Jetzt hast du eine einfache Zahnpasta hergestellt.