Schulversuchspraktikum. SoSe Klassenstufen 7 & 8. Dichte

Transkript

1 Schulversuchspraktikum SoSe 2013 Klassenstufen 7 & 8 Dichte

2 2 Auf einen Blick: Im Folgenden werden zwei Lehrerversuche und vier Schülerversuche vorgestellt, die sich mit der Dichte von Gasen und Flüssigkeiten, mit der Temperatur und Konzentrationsabhängigkeit der Dichte und mit Trennverfahren beschäftigen. Im ersten Lehrerversuch wird das Prinzip eines Heißluftballons gezeigt, im zweiten der Dichte unterschied des Gasgemisches Luft und der Gase Helium und Wasserstoff gezeigt. Versuche V3 und V4 sind sehr einfache Schülerversuche, die die Konzentrationsabhängigkeit der Dichte aufzeigen. Dieser Zusammenhang wird von Versuch V5 zu einer quantitativen Bestimmung von Zu cker in Apfelsaft genutzt. Versuch V6 zeigt die Möglichkeit der Kunststoffmülltrennung unter Berücksichtigung der Dichte. Inhalt Inhaltsverzeichnis Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele... 3 Lehrerversuche... 3 V 1 Gelber Sack als Heißluftballon... 3 V2 Unterschiedliche Dichte von Gasen: Luft, Helium und Wasserstoff...5 Schülerversuche... 6 V3 Schwebende Kartoffel... 6 V4 Zuckergehalt von CocaColaProdukten... 8 V5 Bestimmung des Zuckergehalts von Apfelsaft mit einem Aräometer...9 V6 Trennung von Kunststoffmüll Arbeitsblatt Bestimmung des Zuckergehaltes von Apfelsaft...14 Reflexion des Arbeitsblattes Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Erwartungshorizont (Inhaltlich)... 15

3 3 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Die Dichte ist eine physikalische Größe eines Körpers, definiert durch das Verhältnis seiner Masse zu seinem Volumen. Diese Definition und das Prinzip des Auftriebs sollten den SuS aus dem Physikunterricht bekannt sein, um die Dichte als Größe zur Unterscheidung und Trennung von Stoffen verwenden zu können. Im niedersächsischen Kerncurriculum Chemie wird im Basiskonzept StoffTeilchen genannt, dass die SuS am Beispiel der Dichte als proportionale Zuordnung Bezüge zur Mathematik herstellen sollen, was in V5 berücksichtigt wird. Weiter sollen die SuS laut des Kerncurriculums das Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer Kenntnisse von Nachweisreaktionen erklären und die Bestimmung der Dichte als Nachweisreaktion vorgestellt werden. In Versuch V2 werden daher Gase anhand ihrer Dichte charakterisiert und in V5 wird in Apfelsaft anhand der Dichte Zucker nachgewiesen und quantitativ bestimmt. Ein weiteres Lernziel, das in V6 verfolgt wird, ist, dass die SuS Trennverfahren beschreiben, die auf der Ausnutzung unterschiedlicher Stoffdichten beruhen. In Versuch V1 wird die Temperaturabhängigkeit der Dichte genutzt, um einen gelben Sack durch heiße Luft wie einen Heißluftballon aufsteigen zu lassen. Die Versuche V3 und V4 zeigen die Konzentrationsabhängigkeit der Dichte von wässriger Lösungen am Beispiel von Salzwasser und ColaSorten. Dichteunterschiede sind für die SuS im Alltag allgegenwärtig, da beispielsweise Schiffe schwimmen, erhitzte Luft Weihnachtspyramiden antreibt und Wasser sich beim Gefrieren im Eisfach ausdehnt. In den Versuchen werden Dichteänderungen und Unterschiede nur qualitativ oder halbquantitativ bestimmt, da absolute Werte von den SuS nur schwer einzuordnen sind.

4 4 2 Lehrerversuche 2.1 V 1 Gelber Sack als Heißluftballon Dieser Versuch zeigt, dass sich die Dichte der Luft durch Erhitzen verringert. Mit Hilfe eines gelben Sacks und Teelichtern wird so die Funktionsweise eines Heißluftballons demonstriert. Beim Versuch kann es SuS leicht passieren, dass die Plastiktüte in die Flammen gerät, weshalb sich das Experiment eher als Lehrerversuch eignet. Auch würden sonst sehr viele Teelichter benötigt. Als Vorwissen, sollten den SuS das Prinzip der Auftriebskraft bekannt sein. Materialien: Gelber Sack, 3 Stative, 10 Teelichter Durchführung: Die Stative werden im Dreieck so aufgestellt, dass der gelbe Sack locker darüber gestülpt werden kann. Der gelbe Sack wird so gekürzt, dass er nach dem Überzug über die Stative genau bis zum Boden reicht. Zwischen den Stativen werden die 10 Teelichter brennend aufgestellt. Dann wird der gelbe Sack vorsichtig über die Stative bis zum Boden gezogen. Beobachtung: Nach 25 Minuten steigt der gelbe Sack etwa einen Meter in die Höhe. Abbildung 1: Aufsteigender gelber Sack

5 5 Deutung: Die Luft innerhalb des gelben Sackes wird erhitzt, wodurch sich ihre Dichte verringert. Da die Dichte der Umgebungsluft dann in Relation höher ist, wirkt eine Auftriebskraft auf den gelben Sack, sodass dieser zu steigen beginnt. Die Stative sorgen für einen senkrechten Aufstieg. Der Versuch kann verwendet werden, die Temperaturabhängigkeit der Dichte zu demonstrieren. Alternativ kann hierzu auch ein Versuch mit unterschiedlich gefärbtem kalten und warmen Wasser, das in Flaschen in ein Wasserbecken gegeben wird, durchgeführt werden. Hinweis: Ohne die Stative kippt der gelbe Sack um, anstatt hochzusteigen. Ist die Decke des Ballons nicht hoch genug über den Kerzen, beginnt der gelbe Sack zu schrumpfen.

6 6 2.2 V2 Unterschiedliche Dichte von Gasen: Luft, Helium und Wasserstoff Dieser Versuch zeigt, dass Wasserstoff eine geringere Dichte hat als Helium und beide Gase eine geringere Dichte haben als Luft, indem ein mit Helium gefüllter Ballon und Wasserstoff in einen umgedrehten Glasbehälter gegeben werden. Da hier mit Druckgasflaschen gearbeitet werden muss und Wasserstoff leicht entzündlich ist, muss der Versuch von der Lehrperson durchgeführt werden. Gefahrenstoffe Helium H: 280 P: 403 Wasserstoff H: P: Materialien: Ein großer Glasbehälter, 3 Hexen, ein kleiner Ballon Chemikalien: Helium, Wasserstoff Durchführung: Der Glasbehälter wird mit der Öffnung nach unten auf den drei Hexen aufgesetzt. Die Höhe wird so angepasst, dass der kleine Ballon aufgeblasen in das Abbildung 2: Der mit Helium gefüllte Ballon schwebt unter der Wasserstoffschicht.

7 7 Gefäß gebracht werden kann. Der Ballon wird mit Helium gefüllt und in das Gefäß eingeführt. Das Gefäß wird etwa bis zur Hälfte mit Wasserstoff gefüllt. Beobachtung: Der mit Helium gefüllte Ballon steigt zunächst bis zur Decke des Gefäßes auf. Beim Befüllen mit Wasserstoff, sinkt der Ballon ab. Deutung: Da die Dichte von Helium geringer ist als die der Luft, steigt der Ballon zunächst an die Decke des Gefäßes. Die Dichte von Wasserstoff ist noch geringer, sodass sich eine Wasserstoffschicht unterhalb der Gefäßdecke bildet, unter welcher der Heliumballon hängen bleibt. Entsorgung: Sowohl der verwendete Wasserstoff als auch das Helium können zur Diffusion in den Raum freigegeben werden. Danach sollte kurz gelüftet werden. Der Versuch kann verwendet werden, um deutlich zu machen, dass die Dichte eines Gases eine charakteristische Größe ist und dass drei farb und geruchlose Gase wie Luft, Helium und Wasserstoff durch sie deutlich voneinander unterschieden werden können. 3 Schülerversuche 3.1 V3 Schwebende Kartoffel In diesem Versuch wird gezeigt, dass sich die Dichte von Wasser erhöht, wenn Kochsalz darin gelöst wird und dass sich wässrige Phasen mit unterschiedlicher Dichte einfach schichten lassen. Bei diesem Versuch wird vorausgesetzt, dass den SuS der Zusammenhang von Dichte und Auftriebskraft bekannt ist. Gefahrenstoffe Natriumchlorid Wasser Materialien: (Becher)glas, Löffel, Kartoffel, Messer

8 8 Chemikalien: Wasser, Natriumchlorid (Kochsalz) Durchführung: Das Becherglas wird etwa bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt und unter Rühren so viel Natriumchlorid zugegeben, bis die Lösung gesättigt ist. Über einen Löffel Abbildung 3: Die Kartoffelscheibe schwebt an der Grenze der wässrigen Phasen. wird Leitungswasser in das Becherglas gegossen, sodass die Salzlösung überschichtet und das Glas gefüllt wird. Aus der Kartoffel wird eine 5 mm dicke Scheibe abgeschnitten und flach in das Becherglas gelegt. Beobachtung: Die Kartoffelscheibe sinkt bis zur Hälfte der Glashöhe herab und hält dann ihre Position. Deutung: Die Salzlösung hat eine höhere Dichte als das reine Leitungswasser, sodass sich die beiden wässrigen Phasen bei der Überschichtung nicht vermischen. Die Kartoffelscheibe hat eine höhere Dichte als Wasser, weshalb sie durch die Obere Phase sinkt. Sie hat eine geringere Dichte als die salzhaltige Phase, weshalb sie auf dieser schwimmt. Entsorgung: Die Kartoffelscheibe wird im Biomüll entsorgt. Die Lösung wird in den Abfluss gegeben. Der Versuch kann als Hausaufgabenversuch verwendet werden, da er einfach durchzuführen ist und mit Materialien und Chemikalien aus der Küche auskommt.

9 9 3.2 V4 Zuckergehalt von CocaColaProdukten In diesem Versuch wird am Beispiel von CocaCola und ihrer Light und Zerovariante gezeigt, dass der Zuckergehalt von Getränken ihre Dichte beeinflusst. Hier wird vorausgesetzt, dass den SuS der Zusammenhang zwischen Dichte und Auftriebskraft bekannt ist. Gefahrenstoffe Wasser Materialien: Großes Glasbecken Chemikalien: Wasser, je eine Getränkedose CocaCola, CocaColaLight und CocaColaZero Durchführung: Das Becken wird mit Leitungswasser gefüllt und die Getränkedosen werden aufrecht in das Wasser gestellt. Beobachtung: Die CocaColaDose sinkt auf den Grund des Beckens, die beiden anderen Dosen schwimmen. Abbildung 4: CocaColaProdukte in Wasser

10 10 Deutung: CocaCola enthält Zucker, was die Dichte im Vergleich zum Wasser erhöht. Die Dichte der beiden anderen Getränke ist geringer als diejenige von Wasser, sodass diese schwimmen. Dieser Versuch eignet sich sehr gut als Schülerversuch, da er sehr schnell und einfach durchzuführen ist und durch die Verwendung der populären Getränke die SuS motiviert werden. Gleichzeitig überprüfen die SuS mit diesem Versuch, ob ColaLight und ColaZero tatsächlich weniger Zucker enthalten als CocaCola. 3.3 V5 Bestimmung des Zuckergehalts von Apfelsaft mit einem Aräometer In diesem Versuch wird zunächst die Anleitung zum Bau eines Aräometers (Messgerät zur Bestimmung der Dichte) vorgestellt und anschließend mit Hilfe von diesem und angesetzten Probelösungen der Zuckergehalt von Apfelsaft bestimmt. Dabei wird der Saft vereinfachend als Zuckerlösung betrachtet. Für den Versuch werden Kenntnisse aus der Mathematik wie Proportionalität, Umgang mit einem Koordinatensystem und Wertepaarbestimmung an Geraden proportionaler Zuordnungen vorausgesetzt. Auch das Prinzip der Auftriebskraft sollte den SuS bekannt sein. Zucker (Saccharose) Gefahrenstoffe Apfelsaft Wasser Materialien: Pappe, Schere, Lineal, Stift, wasserfester Stift. 1 Reagenzglas, 1 schmaler Standzylinder, 3 Bechergläser, Sand Chemikalien: Zucker (Saccharose), Wasser, Apfelsaft Bauanleitung: Aus der Pappe wird ein schmaler Streifen ausgeschnitten, der in das Reagenzglas passt. Nach dem oberen drittel des Pappstreifens wird eine waagrechte Linie gezogen und diese mit einer 1 beschriftet. Auf den Pappstreifen wird nun eine gleichmäßige Skala gezeichnet, die besonders unterhalb der Markierung sehr fein sein sollte. Im Reagenzglas wird der beschriftete Streifen mit einer 1 cm dicken Sandschicht fixiert. Das Aräometer wird in eine

11 11 mit Wasser gefüllten Standzylinder getaucht und solange weiter mit Sand befüllt, bis die Eintauchtiefe mit der Markierung übereinstimmt. Hinweis: Der Pappstreifen darf nun nicht mehr bewegt werden. Die Messungen finden in einem schmalen Standzylinder statt, damit das Aräometer nicht umkippt. Durchführung: In den 3 Bechergläsern werden Zuckerlösungen angesetzt: Es werden 10 g, 15 g und 20 g Zucker jeweils in 80 ml Wasser gelöst. Der Standzylinder wird mit je einer der Lösungen befüllt und das Aräometer eingetaucht. Die Eintauchtiefe wird am Pappstreifen abgelesen und mit einem wasserfesten Stift auf dem Reagenzglas markiert. Dies wird mit allen drei Zuckerlösungen und dem Apfelsaft durchgeführt. Beobachtung: Je höher der Zuckergehalt der Lösung ist, desto geringer ist die Eintauchtiefe des Aräometers. Die Eintauchtiefe liegt beim Apfelsaft unterhalb der von reinem Wasser. Abbildung 5: Aräometer in einer Zuckerlösung. Deutung: Die dichte nimmt mit steigendem Zuckergehalt zu. Apfelsaft enthält Zucker. Um den Versuch quantitativ auszuwerten, können die am Aräometer abgelesenen Werte mit Hilfe von Literaturangaben in absolute Dichtewerte umgerechnet werden, oder es werden die Werte des Aräometers ohne Maßeinheit verwendet. Aus den Werten der Zuckerlösungen wird eine Eichgerade erstellt, indem die Dichtewerte gegen den Zuckergehalt aufgetragen werden

12 12 und eine Ausgleichsgerade gezeichnet wird. Über den Dichtewert des Apfelsaftes kann mit Hilfe der Geraden der Zuckergehalt des Getränks abgelesen werden. Entsorgung: Die Lösungen und der Apfelsaft können in den Ausguss gegeben werden. Der Pappstreifen wird im Papiermüll entsorgt und der Sand wird zur Wiederverwendung gesammelt. Der Versuch kann verwendet werden, um den SuS einen ersten Zugang zur quantitativen Auswertung eines Versuches mit Hilfe einer Auftragung zu geben. Auf Grund der groben Skalierung sind keine genauen Ergebnisse zu erwarten. 3.4 V6 Trennung von Kunststoffmüll In diesem Versuch wird gezeigt, dass die am häufigsten für Verpackungen gebrauchten Kunststoffe (PET, PE und PS) auf Grund ihrer unterschiedlichen Dichten voneinander getrennt werden können. Die Trennung wird hier in zwei Teilversuchen erreicht. Es wird vorausgesetzt, dass den SuS der Zusammenhang von Dichte und Auftriebskraft bekannt ist.

13 13 Gefahrenstoffe PE (Polyethylen) PS (Polystyrol) Wasser PET (Polyethylenterephthalat) Materialien: großes Becherglas, Bunsenbrenner, Dreifuß, Glasstab, Schere Chemikalien: Wasser, PET (Kunststoffwasserflasche), PE (Verpackungsfolie oder Tüte, PS (Styropor)). Durchführung 1: Die Kunststoffe werden mit Hilfe der Schere zerkleinert, dann vermengt und in das mit Wasser gefüllte Becherglas gegeben. Mit dem Glasstab wird kurz gerührt. Beobachtung 1: Die Kunststoffstücke aus PET setzen sich am Boden des Becherglases ab. Die PSStücke schwimmen auf der Oberfläche des Wassers, die PEStücke schwimmen knapp unter der Oberfläche oder schweben auf mittlerer Höhe. Deutung 1: PET hat bei 20 C eine Dichte von 1,35 g cm3[2], Wasser von 1,00 g cm3, PE von 0,92 0,97 g cm3 und PS von 1,06 1,12 g cm3[1]. Da PET deutlich die höchste Dichte besitzt, geht es in Wasser unter. PE hat eine etwas geringere Dichte als Wasser und schwimmt daher. Polystyrol hat zwar eine höhere Dichte als Wasser, ist in Form von Styropor jedoch so stark mit Luftblasen durchsetzt, dass es effektiv eine viel geringere Dichte besitzt. Durchführung 2: Das PS und PE wird abgeschöpft und zur Seite gelegt. Das PET wird aus dem Becherglas entfernt. Das Wasser wird im Becherglas mit Hilfe des Bunsenbrenners zum Kochen gebracht. anschließend werden das PS und das PE wieder in das Becherglas gerührt.

14 14 Abbildung 6: PET (schwarz) setzt sich am Boden ab. Beobachtung 2: Die PEStückchen sinken zum Boden des Becherglases, das PS schwimmt auf der Oberfläche des Wassers. Deutung 2: Das Erhitzen hat die Dichte des Wassers verringert, sodass sie nun unterhalb der von PE liegt. Entsorgung: Die Kunststoffe werden im gelben Sack entsorgt, das Wasser kann in den Ausguss gegeben werden. Literatur: [1] David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, 89th Edition (Internet Version 2009), S [2] GESTISStoffdatenbank (zuletzt aufgerufen :30 Uhr) Der Versuch zeigt ein auf unterschiedlichen Dichten beruhendes Trennverfahren und knüpft gleichzeitig an das Thema Müllentsorgung und Recycling an. Daher kann der Versuch im Unterricht sowohl zu den Themen Dichte, Trennverfahren inhomogener Gemische und im Bereich Umweltchemie verwendet werden. Beachtet werden muss, dass das Gelingen des zweiten Teilversuches von den verwendeten PEFolien abhängt, da die Verringerung der Wasserdichte sonst eventuell nicht ausreicht. Hier wurde mit Tüten gearbeitet, wie sie im Einzelhandel meist verwendet werden.

15 15

16 Arbeitsblatt Bestimmung des Zuckergehaltes von Apfelsaft Versuch: Materialien: Aräometer, 1 Standzylinder, 3 Bechergläser Chemikalien: Wasser, Zucker, Apfelsaft Durchführung: Ermittle mit deinem Aräometer die Dichte folgender Lösungen: 1. Zuckerlösung: 10 g Zucker in 80 ml Wasser. 2. Zuckerlösung: 15 g Zucker in 80 ml Wasser. 3. Zuckerlösung: 20 g Zucker in 80 ml Wasser. Tauche das Aräometer nacheinander in die Zuckerlösungen und zum Schluss in Apfelsaft. Markiere mit einem wasserfesten Stift auf dem Reagenzglas die Eintauchtiefe. Beobachtung: Übertrage die Markierungen rechts auf die Skala: Aufgaben: 1. Erläutere, woran man erkennt, dass der Apfelsaft Zucker enthält. 2. Bestimme den Zuckergehalt des Apfelsaftes, indem du eine Auftragung in einem Koordinatensystem erstellst. Trage an der xachse den Zuckergehalt der Lösungen auf, die yachse ist die Aräometerskala. 3. Vergleiche dein Ergebnis mit der Angabe auf der Apfelsaftpackung. Diskutiere mit deinem Sitznachbarn, warum die Werte unterschiedlich sein können und schreibt eure Ideen auf.

17 17 4 Reflexion des Arbeitsblattes Das Arbeitsblatt setzt voraus, dass die SuS bereits ein einsatzfähiges Aräometer gebaut haben. Dieses sollen sie hier verwenden, um den Zuckergehalt von Apfelsaft zu bestimmen und ihr Ergebnis zu reflektieren. Der Apfelsaft wird dabei vereinfachend als Zuckerlösung angesehen. 4.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Die Aufgaben 1 bis 3 steigern das Aufgabenniveau von I bis III. Die vom Arbeitsblatt geförderten Kompetenzen finden sich im StoffTeilchen Basiskonzept: Fachwissen: Die SuS erklären das Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer Kenntnisse über Nachweisreaktionen. (Aufgabe 1). Erkenntnisgewinnung: Die SuS wenden Nachweisreaktionen an. (Versuch) Kommunikation: Die SuS erklären chemische Sachverhalte unter Anwendung der Fachsprache. (Aufgabe 1) Die SuS stellen gewonnene Daten in Diagrammen dar. (Aufgabe 2) Die SuS diskutieren erhaltene Messwerte. (Aufgabe 3) Bewertung: Stellen Bezüge zur Mathematik (proportionale Zuordnung am Bsp. der Dichte) her. (Aufgabe 2) 4.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich) 1. In den Zuckerlösungen hat das Aräometer eine geringere Eintauchtiefe als in Wasser. Da es auch in Apfelsaft eine geringere Eintauchtiefe hat und Apfelsaft süß schmeckt, kann geschlossen werden, dass er Zucker enthält. 2. Zunächst werden die Zuckergehalte der Lösungen ausgerechnet (1. Lösung 0,125 g ml1, 2. Lösung 0,187 g ml1, 3. Lösung 0,25 g ml1) und die Auftragung erstellt (vgl. Abb7). An der Eichgeraden kann der Zuckergehalt des Apfelsaftes abgelesen werden. Er beträgt im Beispiel 0,12 g ml1 also 12 g Zucker auf 100 ml.

18 18 Abbildung 7: Auftragung zur Bestimmung des Zuckergehaltes 3. Auf der Apfelsaftpackung sind 9,5 g Zucker pro 100 ml angegeben, also ein niedrigerer Wert, als der ermittelte. Als mögliche Gründe für die Abweichung könnten die SuS nennen: Die Skala des Aräometers ist zu ungenau. Es wurde nicht genau abgelesen. Ein Rechenfehler kann aufgetreten sein. Der auf der Packung angegebene Wert ist falsch. Es können weitere Stoffe im Apfelsaft enthalten sein, die die Dichte verändern.