NWA - Tag Das Thema Luft im naturwissenschaftlichen Unterricht. Beitrag zum Thema: Verbrennung. Vorgelegt von:

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1 STAATLICHES SEMINAR FÜR DIDAKTIK UND LEHRERBILDUNG (REALSCHULEN) REUTLINGEN NWA - Tag 2010 Das Thema Luft im naturwissenschaftlichen Unterricht Beitrag zum Thema: Verbrennung Vorgelegt von: Marina Werner und Melanie Reichert

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Sachanalyse Didaktische Überlegungen Bezug zum Bildungsplan Bedeutung des Themas für die Schülerinnen und Schüler Inhaltlicher Schwerpunkt methodische Überlegungen Mindmap zum Thema Verbrennung Literaturangaben Anhang Brennbarkeit verschiedener Stoffe Brennen von Kerzen unter Luftabschluss Zündtemperatur von Papier Eisen rostet eine langsame Oxidation

3 1. SACHANALYSE Verbrennung: unter Flammenbildung und Wärmeentwicklung ablaufende Reaktion von Stoffen mit Sauerstoff oder anderen Oxidationsmitteln. Der Beginn der Verbrennung heißt Entzündung. Diese setzt ein, sobald das reagierende Stoffgemisch auf die Entzündungstemperatur gebracht worden ist. (S. 404) 1 Für die Entwicklung der Menschheit ist die Fähigkeit Feuer machen zu können von entscheidender Bedeutung gewesen. Ohne das Feuer ist unsere Existenz heute gar nicht mehr denkbar. Aber trotz des Umgangs mit dem Feuer ist der Vorgang der Verbrennung lange Zeit eine rätselhafte Naturerscheinung geblieben. Was ist eigentlich Verbrennung? Diese Frage lässt sich leichter beantworten, wenn man statt der herkömmlichen Brennstoffe zunächst Metalle verbrennt. Alle Versuche, bei denen die Metalle verbrannt werden, zeigen, dass es in allen Fällen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften entstehen. Aus dem Magnesium wird ein weißes Pulver, aus dem Eisen ein bröckeliger, blauschwarzer Stoff. Diese Stoffe nennt man Verbrennungsprodukte. Vorgänge, bei denen sich Stoffe in andere Stoffe mit völlig anderen Eigenschaften umwandeln 2, werden als chemische Reaktionen bezeichnet. Die Verbrennung ist demnach eine chemische Reaktion. Aus der Beobachtung, dass die Metalloxide eine größere Masse als die Metalle besitzen, muss man folgendes schließen: der Sauerstoff der Luft verbindet sich bei der Verbrennung mit den Metallen zu neuen Stoffen. Bei der Reaktion verlieren beide Reaktionspartner ihre bisherigen Eigenschaften, also auch der Sauerstoff die Eigenschaft, ein Gas zu sein. Lange Zeit hat man geglaubt, dass bei der Verbrennung eines Stoffes gasförmiges Phlogiston (Feuerstoff) freiwerde. A.L. Lavoisier 1777 hat diese Theorie widerlegt. Er erkannte, dass Sauerstoff (Oxigenium) für eine Verbrennung notwendig ist, und der Oxidationsprozess unter Gewichtzunahme 1 Schülerduden Chemie, 5., neu bearbeitete Auflage, Dudenverlag 2 Schülerduden Chemie, 5., neu bearbeitete Auflage, Dudenverlag 2

4 und nicht wie in der Phlogistontheorie behauptet, unter Gewichtabnahme verläuft. Ab diesem Moment wurde jede Reaktion, bei der sich eine Substanz mit Sauerstoff verband, als Oxidation bezeichnet. Den neuen Stoff nennt man Oxid. (Goldmann Lexikon Chemie, Kapitel Oxidation) Oxidationsvorgänge Im Allgemeinen verlaufen die Oxidationsreaktionen unter starker Wärme- und Lichtentwicklung. Solch eine Wärmeentwicklung kann man in unterschiedlicher Stärke bei allen Oxidationen beobachten. Man bezeichnet die Wärme, die bei einer Verbrennung frei wird, als Verbrennungswärme. Deswegen werden diese Reaktionen als exotherme Reaktionen benannt. Ein Beispiel ist hier die Oxidation von Natrium unter Sauerstoffaufnahme: 4 Na + O O Na Mit der genaueren Kenntnis der Reaktionsabläufe erkannte man, dass sich bei der Oxidation Metallatome zu Metall-Ionen und Sauerstoffatome zu Sauerstoff- Ionen umwandeln. Damit aus Atomen Ionen werden, müssen Elektronen vom einen Reaktionspartner auf den anderen übertragen werden. Elemente versuchen stets durch Elektronenaufnahme bzw. Elektronenabgabe eine Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dem Sauerstoff fehlen noch zwei Elektronen, Natrium besitzt dagegen ein überschüssiges Elektron. In der oben aufgestellten Reaktion geben die Metallatome, Na, je ein Elektron ab, die von den Nichtmetallatomen aufgenommen werden. Dabei entstehen Kationen, Na +, und Anionen, das Oxid-Ion, O 2-. Aus diesen Erkenntnissen heraus wurde der Oxidationsbegriff erweitert, so dass heute jede Elektronenabgabe aus einem Teilchen: Atom, Molekül oder Ion, als Oxidation bezeichnet wird. Viele Oxidationen verlaufen langsam und ohne auffällige Erscheinungen bei der entsprechenden Umgebungstemperatur. Beispiele für solche stillen Verbrennungen, die auch als kalte Oxidation bezeichnet werden, sind die Korrosion von Metallen, z.b. Rosten von Eisen, Gärungs-, Vermoderungs- und Verwesungsprozesse, die Atmung und der Stoffwechsel lebender Organismen. In enzymatisch katalysierten Reaktionen werden z.b. Kohlenhydrate über viele 3

5 Zwischenstufen mit dem bei der Atmung aufgenommenen Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert: C ( H O) 6 O 6 H O + CO + E Die dabei freiwerdende Energie E wird zur Aufrechterhaltung der Körperwärme, für Biosynthesen und für die Muskelarbeit verbraucht. 3 Oxide Alle Verbindungen eines Metalls oder Nichtmetalls mit Sauerstoff, in denen der Sauerstoff das elektronegativere Element ist, werden als Oxide bezeichnet. Die meisten Oxide sind Feststoffe. Oxide lassen sich in kovalente (Nichtmetalloxide wie CO), ionische (Metalloxide wie CaO) und metallische (Übergangsmetalloxide wie TiO) Oxide einteilen. Je unedler ein Metall ist, desto beständiger sind seine Metalloxide. So ist Magnesiumoxid, MgO, noch bei 2800 C beständig, wohingegen die Edelmetalloxide oft schon beim Erwärmen zerfallen. Im täglichen Leben sind folgende Oxidationsprozesse wichtig: Verbrennung von fossilen Heizstoffen für die Energiegewinnung (Heizung, Industrie, Verbrennungsmotor), die katalytische Abgasreinigung von Ottomotoren, bei der Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird, und die mikrobielle Abwasserklärung (Goldmann Lexikon Chemie, Kapitel Oxidation). 2. DIDAKTISCHE ÜBERLEGUNGEN 2.1 Bezug zum Bildungsplan Der Bildungsplan 2004 für Realschule besagt bei den Leitgedanken zum Kompetenzerwerb, dass naturwissenschaftliche Bildung ein wichtiger Teil der Allgemeinbildung ist 4. Der Fachbegriff dafür heißt Scientific Literacy, was mit»naturwissenschaftliche Grundbildung«übersetzt wird. Diese wird so definiert, dass die Schüler Kompetenzen erwerben, um naturwissenschaftliches Wissen anwenden, naturwissenschaftliche Fragen erkennen und aus Belegen 3 Goldmann Lexikon Chemie, Überarbeitete Taschenbuchausgabe November 1999, Wilhelm Goldmann Verlag, München 4 Bildungsplan für die Realschule (2004), Seite 96 4

6 Schlussfolgerungen ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, die die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen 5. Dies soll vor allem im Fächerverbund NWA geschult werden. Hierfür sind die Planung und Durchführung von Experimenten von zentraler Bedeutung, weil dabei wissenschaftliches Arbeiten sehr gut erlernt werden kann. Da Schülerversuche oft in Teams durchgeführt werden, erlernen die Schüler dadurch geeignete Formen der Kooperation und Kommunikation. Des Weiteren lässt das naturwissenschaftliche Arbeiten die Schülerinnen und Schüler die Natur erfahren und begreifen. Diese direkten Begegnungen mit der Natur haben im Medienzeitalter einen besonderen Stellenwert. Für das Verständnis unserer Kultur und Lebensweise ist sowohl der emotionale Bezug zur Natur als auch das verstandesmäßige Durchdringen natürlicher und technischer Phänomene wichtig. 6 Im zweiten Abschnitt, unter Kompetenzen und Inhalte 7 werden Lernziele formuliert, die im Folgenden dargestellt und den konkreten Umsetzungsmöglichkeiten zugeordnet werden sollen. Die Schülerinnen und Schüler können... - Prognosen wagen. - Versuche durchführen. - Experimentieren. - Ergebnisse dokumentieren. - Naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen nutzen und anwenden. - Eigenverantwortlich mit Stoffen umgehen. Umsetzung - Die Schülerinnen und Schüler stellen vor den Experimenten zu den Verbrennungsbedingungen Vermutungen über deren Ausgang auf. - Die Schülerinnen und Schüler führen die Experimente zu den Verbrennungsbedingungen selber durch. - Die Schülerinnen und Schüler fertigen zu allen Versuchen Versuchsprotokolle an. - Durch die Erkenntnis der Verbrennungsbedingungen können die Schülerinnen und Schüler selber ein Feuer entfachen bzw. Brandbekämpfung vornehmen. - Die Schülerinnen und Schüler experimentieren bei den Verbrennungs- 5 Bildungsplan für die Realschule (2004), Seite 96 6 Ebd., Seite 96 7 Vgl. Ebd., Seiten

7 - Sicherheitsmaßnahmen und Verhaltensregeln beim Umgang mit Gefahrstoffen beachten. - Veränderungen von Stoffen durch chemische Reaktionen wahrnehmen und beschreiben. - Veränderung von Stoffen in natürlicher Umgebung beobachten und gegebenenfalls im Versuch vertiefend untersuchen. - Exemplarische Reaktionen unter Beteiligung von Sauerstoff durchführen, beschreiben und in Kontexte einordnen. versuchen selbstständig, verhalten sich dabei korrekt und beachten die Sicherheitshinweise. - Beim Schülerdemonstrationsexperiment zur kalten und heißen Oxidation stellen die Schülerinnen und Schüler die farbliche Veränderung der Eisenwolle fest. - Die Schülerinnen und Schüler setzen einen Langzeitversuch zur kalten Oxidation (Rosten) an und übertragen die Ergebnisse auf ihren Alltag, z.b. beim Fahrrad o.ä. - Die Schülerinnen und Schüler führen verschiedene Versuche zu den Verbrennungsbedingungen durch und erkennen dabei die wesentliche Rolle des Sauerstoffs bei Verbrennungen. 2.2 Bedeutung des Themas für die Schülerinnen und Schüler Gegenwartsbedeutung Die Schülerinnen und Schüler erwerben an den im Vordergrund stehenden fachlichen Inhalten nicht nur Kenntnisse über die "Welt". Sie erwerben darüber hinaus im Unterricht durch mehr und mehr selbstständiges Handeln, durch Übernahme von Verantwortung für den eigenen Lernprozess vielfältige Fertigkeiten und Kompetenzen in fachlicher, personaler, sozialer und methodischer Hinsicht. 8 Im täglichen Leben spielen die Verbrennungserscheinungen eine große Rolle. Sie entstehen in vielen Fällen unbeabsichtigt, wie z.b. Brände von Heu und Stroh. Weitaus häufiger werden aber die Stoffe mit Absicht verbrannt, z.b. als Lagerfeuer oder zum Grillen, vor allem aber um daraus Energie zu gewinnen. Es ist also eine alltägliche Erfahrung, und doch muss sie erst verstanden werden

8 Diese Versuche sollen Schülerinnen und Schüler nun dazu anleiten, den Vorgang Verbrennung bewusst zu beobachten, um daraus die Verbrennungsbedingungen und die beiden Oxidationsarten zu erkennen. Zukunftsbedeutung Im Medienzeitalter haben die direkten Begegnungen mit den Naturerscheinungen, so wie in unserem Fall: die Verbrennung, einen besonderen Stellenwert. Für das Verständnis unserer Kultur und Lebensweise ist sowohl der emotionale Bezug zur Natur als auch das verstandesmäßige Durchdringen natürlicher und technischer Phänomene wichtig. 9 Bei den Begriffen der Verbrennung/Oxidation handelt es sich um chemisch grundlegende Begriffe, die innerhalb der Chemie sowie Biologie auf vielfältige Weise begründet und verwendet werden. Zugänglichkeit Um ein möglichst tiefes Bedeutungserlebnis zu erreichen, muss man von konkreten, sachlich einfachen und den SchülerInnen anschaulichen Experimenten ausgehen. Das wird erreicht, indem die SchülerInnen selbstständig experimentieren dürfen. Der Verbrennungsbegriff und die dazugehörende Bedingungen werden dadurch ausreichend motivierend sein. Entscheidend ist die klare Herausstellung des Zieles, in unserem Fall: das Herausfinden der Verbrennungsbedingungen. Durch das Ansetzen bzw. Beobachten des Langzeitexperimentes zur kalten Oxidation können die SchülerInnen den Prozess der kalten Oxidation bewusst beobachten und lernen somit eine weitere Form der Oxidation kennen. Exemplarische Bedeutung In den Fächerverbünden geht es um entdeckendes und gleichzeitig exemplarisches Lernen, das für die Zukunftsfähigkeit der Schülerinnen von großer Bedeutung ist vgl. Bildungsplan S

9 Bei der Auswahl geeigneter Experimente muss man sich fragen: welche Experimente am besten fasslich und übersichtlich sind, welche Experimente die stärkste Motivationswirkung ausüben und altersgemäß sind. So gelangen die SchülerInnen anhand der exemplarischer Versuche zu den Verbrennungsbedingungen zu der Erkenntnis, dass diese Bedingungen generell für eine Verbrennung notwendig sind Anhand der Versuche mit Eisenwolle, können die SchülerInnen erkennen, dass viele Metalle mit Sauerstoff reagieren. Die Eisenwolle eignet sich, als unedles Metall und aufgrund ihres Zerteilungsgrades besonders gut für diese Experimente. Sachstruktur: Verbrennung Chemische Reaktion exotherm Bedingungen Oxidation mit Sauerstoff Verbrennungswärme Sauerstoff Neue Stoffe mit neuen Eigenschaften Entzündungs- Zerteilungsgrad 3. INHALTLICHER SCHWERPUNKT METHODISCHE ÜBERLEGUNGEN Das Thema Verbrennung ist sehr komplex und vielfältig. In dieser Ausarbeitung sollen zwei verschiedene Versuche bzw. Versuchsreihen vorgestellt werden. 1. Die Bedingungen für eine Verbrennung Sauerstoff Zündtemperatur Brennstoff 8

10 Diese Versuchsreihe steht am Anfang der Unterrichtseinheit. Anhand der Experimente sollen die drei Bedingungen für eine Verbrennung, das Vorhandensein eines brennbaren Stoffes, eine ausreichende Sauerstoffzufuhr und das Erreichen der Zündtemperatur erarbeitet werden. Die Versuchsreihe besteht aus einfachen, wenig aufwändigen Schülerversuchen, die von den Schülern ohne besondere Vorkenntnisse durchgeführt werden können. Sie eignet sich sowohl für die Klassenstufen 5-7, als auch in Klassenstufe 8 zur Einführung von Reaktionen mit Sauerstoff. Da das experimentelle Bestimmen der Zündtemperatur verschiedener Stoffe kaum oder sehr ungenau gelingt, weil sie unter anderem je nach Stoffmenge und Reaktionsbedingungen variiert, wurde in dieser Ausarbeitung darauf verzichtet. Thematisch kann die Brandbekämpfung im Anschluss an diese Versuche durchgenommen werden, da zum Löschen genau diese Bedingungen ausgeschaltet werden müssen. 2. Langsame Oxidation von Eisen Dieser zweite Versuch lässt sich eher gegen Ende der Unterrichtseinheit Verbrennung einordnen. Hierbei wird auf die langsame Oxidation von Eisen mit Sauerstoff eingegangen und die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Rosten ebenfalls zum Thema Verbrennung gehört. Bei diesem Versuch handelt es sich um ein Langzeitexperiment, das von den Schülerinnen und Schülern gemeinsam angesetzt und einige Zeit lang beobachtet wird. Es ist ungefährlich und wie die erste Versuchsreihe einfach durchzuführen. Es werden nur wenige Materialien dazu benötigt. Anzusiedeln ist der Versuch in Klassenstufe 8 unter dem Thema: Metalle reagieren mit Sauerstoff, wenn der Oxidationsbegriff mit den Schülerinnen und Schülern erarbeitet wird. Er könnte jedoch auch schon mit niedrigeren Klassenstufen durchgeführt werden, da Rosten und Rostschutz alltägliche Dinge und auch leicht verständlich sind, wenn auf den Oxidationsbegriff in diesem Zusammenhang verzichtet wird. 9

11 3.1 Mindmap zum Thema Verbrennung 10

12 4. LITERATURANGABEN Bildungsplan für die Realschule, Amtsblatt des Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, Stuttgart (2004) Goldmann Lexikon Chemie, Überarbeitete Taschenbuchausgabe November 1999, Wilhelm Goldmann Verlag, München Schülerduden Chemie, 5., neu bearbeitete Auflage, Dudenverlag 5. ANHANG 5.1 Brennbarkeit verschiedener Stoffe 5.2 Brennen von Kerzen unter Luftabschluss 5.3 Zündtemperatur von Papier 5.4 Eisen rostet eine langsame Oxidation 11

13 Sicherheitsmaßnahmen: 5.1 Brennbarkeit verschiedener Stoffe! Schutzbrille aufsetzen, lange Haare zusammenbinden, feuerfeste Unterlage verwenden! Material: Tiegelzange, Gasbrenner, Feuerzeug, verschiedene Stoffe z.b.: kleines Holzscheit, Papier, Pappe, Plastikstück, Gummistück, Kupferblech, Eisenstück, kleiner Stein, Glasplättchen,... Durchführung: Entzünde den Gasbrenner auf der feuerfesten Unterlage und stelle die rauschende Flamme ein. Halte nacheinander die verschiedenen Stoffe mit der Tiegelzange in die Flamme und beobachte, ob der Stoff brennbar ist. Notiere deine Beobachtungen in der Tabelle. Versuchsaufbau: Beobachtungen: Holz Papier Pappe Glas Plastik Gummi Stein Kupfer Eisen brennbar x x x x x nicht brennbar x x x x Schlussfolgerung: Nicht alle Stoffe sind brennbar. 12

14 Sicherheitsmaßnahmen: 5.2 Brennen von Kerzen unter Luftabschluss! Schutzbrille aufsetzen, lange Haare zusammenbinden, feuerfeste Unterlage verwenden! Material: Drei Teelichter, drei verschieden große Bechergläser, Feuerzeug Durchführung: Stelle die drei Teelichter in einer Reihe auf und entzünde sie mit dem Feuerzeug. Stelle die Bechergläser wie im Versuchsaufbau von klein nach groß umgekehrt über die Teelichter. Beobachte dann, was geschieht. Versuchsaufbau: Beobachtungen: Das Teelicht unter dem kleinsten Becherglas (links) geht ziemlich schnell aus, bald daraufhin auch das mittlere unter dem mittelgroßen Becherglas. Am längsten brennt das rechte Teelicht unter dem größten Becherglas, aber auch dieses erlischt nach einiger Zeit. Schlussfolgerung: Eine Flamme benötigt zum Brennen Luftsauerstoff. Je weniger Sauerstoff zur Verfügung steht, desto schneller erlischt die Flamme. 13

15 5.3 Zündtemperatur von Papier Sicherheitsmaßnahmen:! Schutzbrille aufsetzen, lange Haare zusammenbinden, feuerfeste Unterlage verwenden! Material: Gemisch von Wasser und Spiritus (Verhältnis 1:1), Papierstück, Tiegelzange, Feuerzeug Durchführung: Tauche das Papierstück mit der Tiegelzange kurz vollständig in das Wasser- Spiritus-Gemisch und schüttle danach die abtropfende Flüssigkeit leicht ab. Wenn der Raum abgedunkelt ist, halte das Papierstück mit der Tiegelzange über die feuerfeste Unterlage und zünde es an. Beobachte nun, was passiert. Versuchsaufbau: Beobachtung: Das Papierstück brennt, verbrennt oder verfärbt sich dabei aber nicht, sondern bleibt ganz. Schlussfolgerung: Nicht das Papier brennt bei diesem Experiment, sondern nur der Spiritus. Durch den 50%-igen Wasseranteil im Gemisch wird das Papierstück abgekühlt, so dass seine Zündtemperatur nicht erreicht wird. Es bleibt dadurch völlig unbeschädigt. Da die Zündtemperatur von Spiritus niedriger ist als die von Papier, brennt dieser trotzdem. 14

16 5.4 Eisen rostet eine langsame Oxidation Material: Fünf Reagenzgläser, zwei pneumatische Wannen, etwas Wasser, Salatöl, Eisenwolle, reiner Sauerstoff, Stickstoff Durchführung: Zerteile die Eisenwolle in fünf etwa gleich große Stücke. Vier Stücke der Eisenwolle schiebst du in jeweils ein Reagenzglas hinein bis zum Boden. Das fünfte Stück fettest du zuerst gut mit etwas Öl und gibst es anschließend ebenfalls in ein Reagenzglas. Eine der pneumatischen Wannen wird mit Salatöl etwa zur Hälfte gefüllt und ein Reagenzglas mit ungefetteter Eisenwolle mit der Öffnung nach unten hineingestellt. Es erhält die Nummer 1. Die andere Wanne wird etwa zur Hälfte mit Wasser gefüllt und ein Reagenzglas mit ungefetteter Eisenwolle (Reagenzglas 2) und das mit der gefetteten Wolle (Reagenzglas 3) werden auch hier mit der Öffnung nach unten hineingestellt. In ein verbleibendes Reagenzglas mit Eisenwolle wird Stickstoff hinein gefüllt und nun ebenfalls mit der Öffnung nach unten in die Wanne mit Wasser platziert (Reagenzglas 4). Das letzte Reagenzglas mit Eisenwolle wird nun mit reinem Sauerstoff aufgefüllt und auch mit der Öffnung nach unten neben die anderen Reagenzgläser in die Wasserwanne gestellt (Reagenzglas 5). Wichtig ist bei allen Reagenzgläsern, dass die Eisenwolle oben im Glas hängen bleibt. Beobachte nun einige Tage lang, was passiert. Versuchsaufbau: Eisenwolle Eisenwolle gefettete Eisenwolle Eisenwolle Eisenwolle Luft Luft Luft Stickstoff Sauerstoff Salatöl Wasser

17 Beobachtung: Die Eisenwolle in den Reagenzgläser 2 und 5 ist jeweils gerostet. Bei beiden Reagenzgläsern ist der Wasserspiegel angestiegen. Die Eisenwolle in den anderen Reagenzgläsern und auch der Wasserstand haben sich nicht verändert. Schlussfolgerung: Für das Rosten von Eisen wird Feuchtigkeit und Sauerstoff benötigt. Diese Bedingen sind nur in den Reagenzgläsern 2 und 5 erfüllt. Bei Reagenzglas 1 kann vom Salatöl keine Feuchtigkeit aufsteigen. Im Reagenzglas 3 schützt die Fettschicht die Eisenwolle, so kann sie nicht mit dem Luftsauerstoff reagieren. Im Reagenzglas 4 fehlt der Sauerstoff, es ist nur Stickstoff vorhanden. Der Wasserspiegel ist in den beiden Reagenzgläsern (2 und 5) angestiegen, weil beim Rosten Sauerstoff verbraucht wird und der Druck sich ausgleichen muss. Dadurch wird das Wasser hochgezogen. 16