NWA-Tag Am 8.Juli 2009 am Staatlichen Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen

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1 NWA-Tag Am 8.Juli 2009 am Staatlichen Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen Erstellt von den Teilnehmern des Fachdidaktik-Chemie-Kurses 26 Elisabeth Holocher. Verena Jobke. Carolin Rehm. Johanna Wenger.

2 Inhaltsverzeichnis 1. Thematischer Überblick Einleitung Definition Stoffumsetzung Energieumsetzung Teilchenumsetzung Zusammenhang zwischen Energieumsetzung und Teilchenumsetzung Bezug zum Bildungsplan Quellen Literatur Digitale Medien Anhang Lehrerversuche Oxidation von Kupferspäne Bengalisches Feuer Schülerversuche Schwefelpulver und Kupferblech Tintenherstellung Versuchsprotokoll

3 1. Thematischer Überblick 2

4 Einleitung 2. Einleitung Hell leuchtende Farbenpracht und grelles Licht beeindrucken uns wiederkehrend zur Jahreswende. Lautes Knallen, Zischen und Knistern begeistern zahlreiche Feuerwerksbesucher. Was passiert nun bei einem solchen Spektakel? Nach dem Zünden eines Feuerwerkskörpers laufen verschiedene chemische Reaktionen ab. Sie sind die Ursache für die beeindruckenden Effekte. 1 Im Alltag finden wir weitere zahlreiche Beispiele dafür, wie sich Stoffe verändern. Beim Backen von Brötchen oder Brot entstehen aus der zähflüssigen Teigmischung knusprige, feste Backwaren. Der Chemiker beobachtet, untersucht und beschreibt solche Stoffumwandlungen und kann sie sogar selbst in Gang bringen. Chemiker untersuchen Vorgänge bei denen sich Stoffe umwandeln oder verändern. Sie führen Experimente durch, dadurch können neue Stoffe hergestellt werden. Diese Veränderungen laufen meist nicht von alleine ab, sie müssen zunächst in Gang gebracht werden. 2 1 vgl. Erlebnis. Naturwissenschaft Chemie 3. Baden-Württemberg. Ein Lehr und Arbeitsbuch, 2005, S. 9f. 2 vgl. PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, 2008, S. 26f. Die Abbildungen auf dieser und den folgenden Seiten sind den gleichen Quellen entnommen, wie für die Literatur in der Fußzeile angegeben. Hierfür liegt das Einverständnis der jeweiligen Verfasser vor. 3

5 Definition 3. Definition Chemische Reaktionen sind Vorgänge, bei denen aus vorhandenen Stoffen (Ausgangsprodukte) neue Stoffe (Endprodukte) mit neuen Eigenschaften entstehen. Bei den folgenden Beispielen handelt es sich um eine chemische Reaktion im Alltag: Holz verbrennt, Toastbrot verkohlt, ein Apfel wird braun oder ein Kuchen im Backofen wird gebacken es verändern sich stets die beteiligten Stoffe. Auch in unserem Körper laufen zahlreiche chemische Reaktionen ab. Typische Beispiele hierfür sind die Atmung und Verdauung. Beim Einatmen nehmen wir sauerstoffreiche Luft über die Lungen auf, weil wir den Sauerstoff für die Energiegewinnung im Körper brauchen. Bei diesem Vorgang entsteht Kohlenstoffdioxid, das wir dann wieder über die Lungen ausatmen. 3 Bei einer chemischen Reaktion findet demnach eine Stoffumwandlung statt. Die Ausgangsstoffe (Edukte), beispielsweise Zink und Schwefel, werden unter Abgabe oder Aufnahme von Reaktionswärme in Endstoffe (Produkte), hier: Zinksulfid, umgewandelt. Reaktionsgleichung: Ausgangsstoffe (Edukte) chemische Reaktion Endstoffe (Produkte) Zink und Schwefel reagieren zu Zinksulfid Reaktionsschema Zink + Schwefel Zinksulfid Zudem wird zwischen Reaktionen bei denen Energie frei wird (exothermen Reaktionen) und Reaktionen bei denen Energie benötigt wird (endothermen Reaktionen) unterschieden. Reaktionen benötigen unterschiedlich viel Zeit. Es gibt Reaktionen die sehr langsam ablaufen (z.b. Rosten von Eisen) und Reaktionen die sehr schnell ablaufen (z.b. Explosionen). 4 Chemische Reaktionen sind stets unter drei Gesichtspunkten zu sehen: Stoffumsetzung Energieumsetzung Teilchenumsetzung 3 vgl. Erlebnis. Naturwissenschaft Chemie 3. Baden-Württemberg. Ein Lehr und Arbeitsbuch, 2005, S vgl. PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, 2008, S. 30f. 4

6 Definition 3.1. Stoffumsetzung Das hier angeführte Beispiel der Reaktion von Eisen und Schwefel zu Eisensulfid zeigt sehr schön, die Entstehung eines neuen Stoffes mit neuen Eigenschaften. Eisensulfid ist schwarzblau, Eisen grau und Schwefel gelb (siehe Zeichnung). Interessant ist, dass das Stoffgemisch aus Eisen und Schwefel noch die Eigenschaften der beiden Elemente hat. Die Farbe ist eine Mischung aus grau und gelb. Erst durch das Erhitzen wird die chemische Reaktion in Gang gebracht, bei der aus dem Stoffgemisch eine neue chemische Verbindung entsteht. Bei chemischen Reaktionen entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften Energieumsetzung Bei chemischen Reaktionen wird Energie aus der Umwelt aufgenommen oder an die Umwelt abgegeben. Wenn ein Brötchen gebacken wird, nimmt es ziemlich viel Energie aus der Umgebung auf, demnach handelt es sich hierbei um eine endotherme Reaktion. Interessanter als die endothermen Reaktionen gestalten sich die exothermen Reaktionen, bei denen wie obig beschrieben, Energie abgegeben wird. Ein weiteres Beispiel für eine solche Reaktion ist das Verbrennen von Magnesiumband. Die Energieumsetzung einer Reaktion kann graphisch in Form eines Energiediagramms dargestellt werden. Das Gemisch aus Eisen und Schwefel hat eine bestimmte innere Energie, diese können wir aber nicht messen. Gemessen werden kann die Energie, die wir dem Gemisch zuführen müssen, damit die Reaktion in Gang gebracht werden kann. Diesen Energiebeitrag bezeichnet man als Aktivierungsenergie. Wenn dann die Reaktion eingesetzt hat, wird ein bestimmter Energiebeitrag 5

7 Definition wieder frei. Auch diese Energie kann gemessen werden. Bei einer exothermen Reaktion wird mehr Energie frei, als zuvor hineingesteckt wurde. Die Produkte haben also eine geringere innere Energie als die Edukte. Den Unterschied zwischen der inneren Energie der Produkte und der inneren Energie der Edukte bezeichnet man als Reaktionsenergie. Reaktionsenergie = innere Energie der Produkte innere Energie der Edukte. Bei einer exothermen Reaktion ist die Reaktionsenergie immer negativ. Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie sind völlig unabhängig voneinander, sie haben nichts miteinander zu tun. Es gibt Reaktionen mit einer hohen Aktivierungsenergie und einer sehr geringen Reaktionsenergie. Umgekehrt gibt es aber auch Reaktionen mit recht niedriger Aktivierungsenergie, aber sehr großer Reaktionsenergie Teilchenumsetzung Chemische Reaktionen sind Teilchenumsetzungen. Diese Erkenntnis ist etwa 200 Jahre alt. DALTON stellte um 1804 sein berühmtes Atommodell auf. Eine wichtige Feststellung dieses Modells ist: Die Produkte der Reaktion enthalten daher genau die gleichen Atome wie die Edukte (Ausgangsstoffe), allerdings in andere Anordnung. 5 Bei chemischen Reaktionen können Atome weder gebildet noch vernichtet werden. Sie lagern sich lediglich um. 5 vgl. ( ) 6

8 Zusammenhang zwischen Energieumsetzung und Teilchenumsetzung 4. Zusammenhang zwischen Energieumsetzung und Teilchenumsetzung Im Folgenden wollen wir uns mit der Frage beschäftigen warum man bei einer chemischen Reaktion überhaupt Aktivierungsenergie zuführen muss? Betrachtet man die nebenstehende Grafik, so sieht man eine exotherme Reaktion zwischen Eisen und Schwefel. 6 Die Ausgangsstoffe (Edukte) Eisen und Schwefel befinden sich bei Zimmertemperatur in festem Zustand. Die Atome dieser beiden Elemente ziehen sich also gegenseitig sehr stark an. Damit Eisenatome mit Schwefelatomen reagieren können, müssen sich alle Atome im Gaszustand befinden ( die Atome sind dann freier und stärker beweglich) um miteinander neue Bindungen eingehen zu können. Die Anziehungskräfte zwischen den Eisenatomen und die Anziehungskräfte zwischen den Schwefelatomen müssen also überwunden werden. Dazu ist Energie notwendig - die Aktivierungsenergie. Betrachtet man nun die zweite Grafik, so kann man erkennen, dass die Aktivierungsenergie zur Überwindung der Anziehungskräfte in den Ausgangsstoffen dient. 7 Reagieren dann schließlich die Eisen- und Schwefelatome miteinander, entstehen neue Anziehungskräfte: ein Eisenatom zieht mehrere Schwefelatome an, umgekehrt zieht jedes Schwefelatom mehrere Eisenatome an. Diese neuen Anziehungskräfte sind stärker als die alten. Während einer chemischen Reaktion werden also die inneren Energien (U) der beteiligten Stoffe verändert. Somit kann Energie frei werden oder sie muss aufgenommen werden. Die Differenz der inneren Energien der Edukte und der Produkte wird die Reaktionsenergie genannt. 6 vgl. ( ) 7 ebd. 7

9 Zusammenhang zwischen Energieumsetzung und Teilchenumsetzung H = H(Produkte) - H(Edukte) Läuft eine Reaktion nun exotherm ab, so ist H (Edukte) immer niedriger als H (Produkte), die Differenz ist also negativ. Das heißt, die Reaktionsenergie ist negativ, da bei der Umsetzung der Produkte überschüssige Energie freigesetzt wird. Misst man dagegen bei einer Reaktion eine Zunahme der inneren Energie, so handelt es sich um eine endotherme Reaktion. Die Reaktionsenergie ist bei einer endothermen Reaktion positivv, da zur Bildung der Produkte zusätzliche Energie benötigt wird. Die Energieumsetzung solcher Reaktionen können graphisch in Form von Energiediagrammen dargestellt werden: 8 8 vgl. ( ) 8

10 Bezug zum Bildungsplan 5. Bezug zum Bildungsplan Im Bildungsplan der Realschule von 2004 findet man innerhalb des Bereichs Kompetenzerwerb durch das Erschließen von Phänomenen, Begriffen und Strukturen folgende relevanten Kompetenzbereiche: 1. Kompetenzbereich Experimentieren und mit ausgewählten Stoffen umgehen können : Durch den eigenverantwortlichen Umgang mit Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen unter Verwendung einfacher Laborwerkzeuge und Laborgeräte lernen die Schülerinnen und Schüler künftig grundlegende Sicherheitsmassnahmen und Verhaltensregeln beim Umgang mit Gefahrenstoffen sachgerecht anzuwenden, das heißt sie können experimentieren (7) einfache Laborgeräte benennen und verwenden (7) eigenverantwortlich mit Stoffen umgehen (7) Sicherheitsmassnahmen und Verhaltensregeln beim Umgang mit Gefahrenstoffen beachten (7) Kompetenzbereich Phänomenologisches Wissen im Bereich der Stoffe sammeln und strukturieren : Hier wird von den Schülerinnen und Schülern gefordert, durch das Sammeln und Strukturieren von phänomenologischen Wissen im Bereich der Stoffe Veränderungen von Stoffen durch chemische Reaktionen wahrzunehmen und zu beschreiben (7) Kompetenzbereich Die chemische Fachsprache und das Periodensystem nutzen : Die Schülerinnen und Schüler können mit den Begriffen Stoff Reaktion Energie folgerichtig argumentieren. [...] Sie sind in der Lage, chemische Begriffe zu unterscheiden. 11 Ebenso findet man innerhalb des Bereichs Kompetenzerwerb durch Denk- und Arbeitsweisen folgende Kompetenzbereiche: 1. Reflektieren Verknüpfen Anwenden: Die Schülerinnen und Schüler können auswerten unter Verwendung von Fachsprache, Diagrammen, Tabellen, Gleichungen, Graphiken, Funktionen, Texten Antworten und Erkenntnisse durch Kooperation und Kommunikation: Die Schülerinnen und Schüler können in der Teamarbeit Kooperations- und Kommunikationsformen für zielgerichtetes Arbeiten erwerben Bildungsplan für die Realschule 2004, Seite ebd. S ebd. S ebd. S ebd. S. 97 9

11 Quellen 6. Quellen 6.1. Literatur Bildungsplan für die Realschule 2004 Erlebnis. Naturwissenschaft Chemie 3. Baden-Württemberg, 2005 Erlebnis. Naturwissenschaft Chemie 3. Baden-Württemberg. Ein Lehr und Arbeitsbuch, 2005 Interaktiv Chemie. Naturwissenschaftliches Arbeiten 1. Baden-Württemberg, 2005 PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, Digitale Medien ( ) ( ) 10

12 Anhang 7. Anhang Hier finden sie jeweils zwei Lehrer- und Schülerversuche zum Thema Chemische Reaktion. Unter ist eine Vorlage eines Versuchsprotokolls für Schüler zu finden. Dieses kann den Schülern entweder zu jedem Versuch oder einmalig als Muster ausgeteilt werden Lehrerversuche Die folgenden Experimente eignen sich nur für Demonstrationszwecke. Sie sind für Schüler- Innen ungeeignet und dürfen nur von der Lehrperson vorgeführt werden. Zu jedem Versuch sind Sicherheitshinweise ausgeführt, die beachtet werden sollten Oxidation von Kupferspäne 14 Sicherheitshinweis: Kupfer: Keine Gefahrstoffkennzeichnung, keine Gefahrensymbole, keine R- und S- Sätze Allgemein gelten die Vorschriften, die beim Experimentieren zu beachten sind: Schutzbrille, zusammengebundene Haare, Schutzscheibe (da das Glas springen kann) Geräte: Quarzrohr (gefüllt mit Kupferspänen), 2 Kolbenprober (100 ml), Brenner, 2 Stück Gummischlauch, 2 Stative, 2 Doppelmuffen, 2 Universalklemme. Versuchsaufbau 15 : 14 PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, 2008, S Abbildungsnachweis: ebd 11

13 Anhang Chemikalien: Kupfer Durchführung: Ein Quarzrohr wird mit blanken Kupferspänen gefüllt und an zwei Kolbenprober angeschlossen (ein Kolbenprober ist mit 100 ml Luft gefüllt, der andere ist luftleer). Die Kupferspäne werden mit einem Brenner kräftig erhitzt. Dabei wird die Luft mit dem Kolbenprobern so lange über das heiße Kupfer hin- und hergeschoben, bis das Gasvolumen in der Apparatur konstant bleibt. Nach dem Abkühlen wird die Volumenverminderung der Luft bestimmt. Mit der Restluft wird die Glimmspanprobe durchgeführt Entsorgung: Entsorgungsbehälter: feste Abfälle anorganisch- Erklärung: Wenn die Kupferwolle mittels des Brenners erhitzt wird und die Luft aus den Kolbenprobern darüber geschoben wird, stellt man einen Volumenverlust im Kolbenprober fest, der auf die Oxidation des Kupfers zurückzuführen ist. Es entsteht schwarzes, festes Kupferoxid. 2 Cu + O 2 2 CuO Es wurden 21 ml weniger Luft angezeigt. Die anschließend durchgeführte Glimmspanprobe ist negativ. Daraus lässt sich ableiten, dass der Anteil von Sauerstoff in der Luft 21% beträgt und durch die Oxidation voll verbraucht wurde. Sonstiges: Es muss darauf hingewiesen werden, dass mit einem Butanbrenner nicht die erforderliche Hitze erzielt werden kann. Deshalb ist es ratsam in der Schule zur Demonstration der Oxidationsreaktion Eisenwolle zu verwenden. Der Versuch läuft genau gleich, nur noch schneller ab! Bengalisches Feuer 16 Sicherheitshinweis: Achtung: Die Stoffe dürfen niemals in einer Schale zusammen gemischt oder zerkleinert werden. EXPLOSIONSGEFAHR 16 Interaktiv Chemie. Naturwissenschaftliches Arbeiten 1: Baden-Württemberg S

14 Anhang Kaliumchlorat: brandfördernd, gesundheitsschädlich, umweltgefährlich R-Sätze: 9-20,/22-51/53 S-Sätze: (2) Strontiumnitrat: brandfördernd, reizend R-Sätze: 8-36/38 S-Sätze: Allgemein gelten die Vorschriften, die beim Experimentieren zu beachten sind: Schutzbrille, zusammengebundene Haare, Schutzscheibe (da das Glas springen kann) Geräte: 2 Bechergläser, feuerfeste Unterlage, Papier, Pistill Chemikalien: 10 g Kaliumchlorat, 20 g Strontiumnitrat, 10 g Puderzucker Durchführung: Ein Becherglas mit Kaliumchlorat und ein Becherglas mit Strontiumnitrat + Puderzucker befüllen. Den Inhalt der Bechergläser getrennt voneinander verreiben. Inhalte vorsichtig mithilfe zweier Papiere vermischen und anschließend zu einem Kegel aufhäufen. Dann durch/ über eine Wunderkerze entzünden (Achtung: Abstand wahren). Entsorgung: Die Verbrennungsrückstände werden in Wasser gegeben und mit Natriumcarbonat versetzt. Die abgetrennten unlöslichen Bestandteile werden bei den Schwermetall-abfällen entsorgt. Flüssigkeitsreste können im Abfluss entsorgt werden. Erklärung: Chlorate und Nitrate wirken als starke Oxidationsmittel, die die Saccharose/ Puderzucker (Reduktionsmittel) in die jeweiligen Oxide überführen. Dabei werden sie selbst zu Chloriden und Nitriten reduziert. Durch die hohen Temperaturen dieser stark exothermen Reaktion sondern Strontiumsalze ein karminrotes Licht ab. Reduktion: 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 (Sr(NO 3 ) 2 ) Sr(NO 2 ) 2 + O 2 Oxidation: C 12 H 22 O O 2 12 H 2 O + 12 CO 2 13

15 Anhang Das farbige aufleuchten der Flamme entsteht durch Vorgänge in der Elektronenhülle der Atome. Bei hohen Temperaturen kommt es zur Anregung von Außenelektronen, den sogenannten Leuchtelektronen die unter Aufnahme von Energie ein höheres Energieniveau besetzen. Bei ihrer Rückkehr auf das Niveau des Grundzustandes wird die dabei wieder freigesetzte Energie in Form von Licht abgestrahlt. Sonstiges: Das "Bengalfeuer" oder die "Seenot-Rettungsfackel" entwickelt eine Abbrenntemperatur von bis C. Verbrennungen können selbst dann hervorgerufen werden, wenn ein direkter Kontakt mit dem Feuer gar nicht zustande kommt. Ein Löschen dieser pyrotechnischen Feuer ist während der Abbrenndauer nicht möglich! Die Reste des ausgebrannten Behälters sind noch über lange Zeit so heiß, dass sie auch bei kurzer Berührung zu erheblichen Verbrennungen führen können Schülerversuche Die Experimente, die unter diesem Punkt beschrieben sind, sind dazu geeignet, von SchülerInnen durchgeführt zu werden. Versuchsanleitungen für zwei ausgewählte Schülerversuche sind auf den folgenden Seiten zu finden Schwefelpulver und Kupferblech 17 Thema: Chemische Reaktionen Aufgabe: Kupfer soll mit Schwefel zusammen erhitzt werden. Es soll die Frage beantwortet werden, ob dabei eine chemische Reaktion stattfindet. Sicherheitshinweise: Schutzbrille tragen Alle Personen mit langen Haaren binden diese zusammen Der Versuch darf erst gestartet werden, wenn der Aufbau von der Lehrperson überprüft wurde Während des Versuchs befinden sich ausschließlich die benötigten Materialien auf dem Tisch. 17 PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, 2008, S

16 Anhang Materialien: Schutzbrille, Gasbrenner, Stativ, Doppelmuffe, Universalklemme, Reagenzglas, Pinzette, Spatellöffel, Aktivkohlestopfen, Schere, Kupferblech, Schwefelpulver. Versuchsaufbau 18 : Versuchsanleitung: a) In das Reagenzglas wird etwa 1 cm hoch Schwefel gegeben. Darüber wird in ca. 1 cm Abstand ein geknickter Streifen Kupferblech im Reagenzglas eingeklemmt. Das Reagenzglas wird mit einem Aktivkohlestopfen verschlossen. b) Die Öffnung des Reagenzglases darf nicht auf Personen gerichtet sein! Das Reagenzglas wird am oberen Rand fast waagerecht am Stativ befestigt. Das Kupferblech wird bis zur Schwarzfärbung in einer stark rauschenden Flamme erhitzt. Nun wird der Schwefel mit der Brennerflamme erhitzt, bis Schwefeldampf über das Blech strömt. Das erhitzte Blech darf dabei nicht abkühlen. Den Brenner deshalb immer zwischen Kupfer und Schwefel hin und her bewegen. Die Flamme vom Reagenzglas nehmen, sobald eine weitere Veränderung am Blechstreifen auftritt. c) Es können anschließend auch die Eigenschaften des Kupferblechs untersucht werden. Dazu wird das Blech mit einer Pinzette aus dem Reagenzglas genommen. Untersucht werden können z.b. die Leitfähigkeit, die Verformbarkeit und das Aussehen. Beobachtung: Nach kurzer Zeit glüht das Kupferblech von unten nach oben hin durch. Der Stoff hat seine Eigenschaft verändert: Die Farbe ist nach blaugrau verändert. Im Gegensatz zum Kupferblech zerbröselt der entstandene Stoff. Um das erhaltene Produkt näher untersuchen zu 18 Abbildungsnachweis: PRISMA. NWA Chemie 4/5. Baden-Württemberg, 2008, S

17 Anhang können und die Veränderungen deutlicher zu sehen, kann das erkaltete Reagenzglas in Papier eingewickelt und zertrümmert werden. Erklärung: Aus Kupfer und Schwefel ist also ein neuer Stoff, das Kupfersulfid, gebildet worden. Es hat eine chemische Reaktion stattgefunden. Kupfer + Schwefel Kupfersulfid Cu + S CuS Tintenherstellung 19 Thema: Chemische Reaktionen Aufgabe: Blaue Tinte selbst herstellen. Woran kann man erkennen, dass zwischen dem Blutlaugensalz und dem Eisen( )-chlorid eine chemische Reaktion stattgefunden hat? Sicherheitshinweise: Schutzbrille tragen Alle Personen mit langen Haaren binden diese zusammen Während des Versuchs befinden sich ausschließlich die benötigten Materialien auf dem Tisch. Materialien: Becherglas, Federhalter mit Stahlfeder, gelbes Blutlaugensalz, wässrige Lösung von Eisen( )-chlorid (3%; Xn). Versuchsanleitung: 3 g gelbes Blutlaugensalz werden in 30 ml heißem Wasser gelöst. Dann werden 25 ml der Eise( )-chlorid-lösung in kleinen Portionen dazugegeben. Nach jeder Zugabe umrühren. Die Tinte ist fertig, wenn die Lösung abgekühlt ist. Mit einer Stahlfeder soll nun probiert werden, wie sich damit schreiben lässt. 19 Erlebnis. Naturwissenschaft Chemie 3. Baden-Württemberg, 2005, S

18 Anhang Beobachtung: Beim Einrühren der Eisen( )-chlorid-lösung färbt sich das Gemisch blau. Erklärung: Daran, dass aus den beiden Ausgangsstoffen eine einheitliche blaue Flüssigkeit entsteht, kann man erkennen, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Hier ändert sich als sichtbare Stoffeigenschaft die Farbe. 17

19 Anhang Versuchsprotokoll Thema: Aufgabe: Materialien: Versuchsanleitung: Versuchsaufbau: Beobachtung: Erklärung: 18