Unterrichtsmaterial zur Stoff-Separation einer heterogenen Mischung am Beispiel von Granit

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1 Unterrichtsmaterial zur Stoff-Separation einer heterogenen Mischung am Beispiel von Granit Inhalt (je 6x) Granit Schraubdeckelgläser mit Granitsplitter Quarz Alkalifeldspat Plagioklas Schraubdeckelgläser mit Biotit Lupen Holzstäbchen Arbeitsgruppe Lehrmaterial der DMG Kommission für Schule und Hochschule 1

2 Stoff-Separation einer heterogenen Mischung am Beispiel von Granit Arbeitsblätter Der mit Abstand größte Anteil der Erde besteht aus festem Gestein. Wir kommen tagtäglich in unserem Umfeld in Berührung mit Gesteinen. Sie sind das Ausgangsmaterial für die Bodenbildung, beinhalten die Rohstoffe und finden Verwendung als Baustoffe. Was ist ein Gestein? Ein Gestein ist ein Gemenge aus Mineralen, das auf natürliche Weise entstanden ist. Typischerweise bestehen Gesteine aus 3 bis 5 Hauptgemengteilen (Mineralen). Was sind Gemenge? Gemenge sind heterogene Stoffgemische, die aus zwei oder mehreren festen Bestandteilen bestehen. Heterogen bedeutet, dass ein Gemenge aus unterschiedlichen Substanzen besteht. Hier ein Beispiel für ein Gemenge: ein griechischer Salat. Gemenge: Griechischer Salat Bestandteile: Abbildung 1: Ein griechischer Salat besteht aus fünf verschiedenen festen Bestandteilen, vier Gemüsesorten und Käse. Aufgabe 1: Nenne weitere Beispiele für Gemenge aus dem täglichen Leben. 2

3 Aufgabe 2: Betrachte ein Stück Granit und diskutiere in der Gruppe die Unterschiede zwischen Granit und griechischem Salat. Ließ dabei noch mal genau die oben stehende Definition von Gestein, ersetze das Wort Gestein durch griechischer Salat und Mineral durch Gemüse und Käse und diskutiere, ob die Definition noch zutrifft. Abbildung 2: Ein Granit ist ein Gemenge, welches aus mehreren Hauptbestandteilen aufgebaut ist. Beantworte folgende Fragen: - Sind die Bestandteile vollständig miteinander vermischt oder sind die Grenzen zwischen den Bestandteilen erkennbar? - Woran erkennt man die einzelnen Bestandteile des Granits und wie viele gibt es? - In der Natur werden die Bestandteile des Granits durch Einwirkungen von Regenwasser, Temperaturschwankungen, Frostsprengung und Wurzeldruck der Pflanzen voneinander getrennt. Die Zersetzung der Gesteine nennt man Gesteinsverwitterung. Was ist das Produkt der Verwitterung? Wo findet man dieses? 3

4 Aufgabe 3: In den Glasfläschchen befindet sich ein Granit, den die Studenten in einem Gesteins-Labor zerkleinert haben. Schütte vorsichtig den Inhalt auf einem Papierblatt aus. Sortiere diesen nach den Bestandteilen auf kleine Haufen. - Wovon gibt es am meisten? - Wovon am wenigsten? - Wie viel Prozent stellen die anderen Haufen dar? Die unterschiedlichen Bestandteile aus denen ein Granit aufgebaut ist nennt man Minerale. Im Gegensatz zu einem Gestein, sind Minerale homogen. Homogen bedeutet, dass die Minerale in allen Teilen gleiche chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel Farbe, haben. Was ist ein Mineral? Ein Mineral ist im Idealfall ein homogener, natürlich vorkommender Feststoff mit gegebener chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur. Was ist ein Kristall? Ein Kristall ist Festkörper mit regelmäßigem innerem Aufbau, begrenzt von ebenen Flächen. Eine der einfachsten Kristallformen ist der Würfel. In der Abbildung 2 siehst du ein Foto von dem Granit aus dem Glasfläschchen (im Lehrkoffer) bevor dieser zerkleinert wurde. Dieser besteht aus folgenden Mineralen: Alkalifeldspat und Plagioklas gehören zu der Mineralgruppe der Feldspäte. Quarz ist auch als Bergkristall bekannt, wenn der Kristall glasklar und farblos ist. Biotit gehört zu der Mineralgruppe der Glimmer. 4

5 Aufgabe 4: Ordne im untenstehenden Bild die Mineralnamen den Bestandteilen zu. Abbildung 3: Bestandteil des Granits. Aufgabe 5: Verbinde die Minerale in der Abbildung mit den Stellen unter der Lupe, die die jeweiligen Minerale repräsentieren. So, wie bei dem griechischen Salat in der ersten Abbildung. Mit dem Spruch kannst du dir ganz leicht merken aus welchen Mineralen ein Granit besteht: Feldspat, Quarz und Glimmer - die drei vergess ich nimmer! Aufgabe 6: Der innere Aufbau von Kristallen hat einen großen Einfluss auf deren äußere Gestalt und physikalische Eigenschaften. Welches von den Granit-Mineralen hat eine blättrige, welches eine stängelige Gestalt? Wie sehen die anderen aus? 5

6 Zusatzaufgabe: Benutze deine prozentualen Angaben der hellen Minerale aus Aufgabe 3. Gehe davon aus, dass die Summe der hellen Minerale deine vollen 100 % sind. Berechne den Anteil der hellen Minerale mit Hilfe des Dreisatzes. Rechenweg: Trage die entsprechenden Anteile in % für Alkalifeldspat, Plagioklas und Quarz ein. Wo befindet sich der Granit im Diagramm? 6

7 Visuelle Abschätzung des Anteils eines Minerals im Gestein 7

8 Gestein Mineral Kristall Gestein: Minerale: Alkalifeldspat Gestein: Granit Plagioklas (Feldspat) Glimmerschiefer Biotit (Glimmer) Quarz Der mit Abstand größte Anteil der Erde (und auch der anderen inneren Planeten) besteht aus festem Gestein. Ein Gestein ist ein natürliches Gemenge (= heterogene Mischung) aus Mineralen. Typischerweise bestehen Gesteine aus 3-5 Hauptgemengteilen, in geringen Mengen können aber noch weitere Minerale auftreten, die zwar für die prinzipielle Entstehung von Bedeutung sein können, für die systematische Einteilung aber nur von untergeordneter Bedeutung sind. In einigen Fällen kann ein Gestein auch aus nur einem einzigen Mineral bestehen. Im Gegensatz zu einem Gestein ist ein Mineral im Idealfall ein homogener, natürlich vorkommender Feststoff mit gegebener chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur. Ein Kristall ist eine 3-dimensionale unendliche Anordnungen von Atomen, Ionen oder Molekülen mit gegebener chemischer Zusammensetzung. Sein regelmäßiger, periodischer Aufbau führt zu einer Richtungsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften und einem bevorzugten Kristallwachstum in bestimmte Richtungen, was zu einer säuligen oder blättrigen Ausbildung führen kann (z.b. Quarz, Glimmer). Minerale bilden also Kristalle, aber nicht alle Kristalle sind auch Minerale. Nicht als Minerale gezählt werden die allermeisten organischen Kristalle und künstlich hergestellte Kristalle. Die Gesteine der Erdkruste, die dem Menschen am besten zugängliche äußerste Schale der Erde, werden dabei zu über 80% von nur 5 Mineralgruppen aufgebaut: Mineralgruppe chemische Zusammensetzung Häufigkeit Feldspäte KAlSi 3 O 8, NaAlSi 3 O 8, CaAl 2 Si 2 O 8 51 Vol.% Quarz SiO 2 12 Vol.% Pyroxene z.b. (Mg,Fe) 2 Si 2 O 6, Ca(Mg,Fe)Si 2 O 6 11 Vol.% Amphibole z.b. Ca 2 (Mg,Fe) 5 Si 8 O 22 (OH) 2 5 Vol.% Glimmer z.b. K(Mg,Fe) 3 Si 3 AlO 10 (OH) 2 5 Vol.% Sofern Kristalle mit bloßem Auge zu erkennen sind, erfolgt daher die Klassifikation der Gesteine in erster Linie auf Basis der Mengenverhältnisse der häufigen gesteinsbildenden Minerale. Als häufige Gesteine der Erdkruste sind zu nennen: Minerale: Gestein häufigste Minerale Häufigkeit Basalt (i.w.s.)* Plagioklas (Feldspat), Pyroxene ca. 40 Vol.% Granit (i.w.s.)* Feldspäte, Quarz, Glimmer ca. 20 Vol.% Glimmerschiefer Glimmer, Quarz ca. 20 Vol.% Gneis Feldspat, Quarz, Glimmer } *i.w.s.= im weiteren Sinne Granat Muscovit (Glimmer) Biotit (Glimmer) Quarz Eine weitere Gruppe von Gesteinen, die Sedimentgesteine (z.b. Sandsteine, Tonsteine, Kalksteine, Mergel), ist mit weniger als 10% am Aufbau der Erdkruste beteiligt, tritt aber ausschließlich in den oberen Partien der Erdkruste auf und ist daher an der Erdoberfläche stark überrepräsentiert. Im Zuge des Gesteinskreislaufes (s. Infoblatt Kreislauf der Gesteine ) werden diese Gesteine in metamorphe Gesteine umgewandelt (z.b. Glimmerschiefer). 8

9 Arbeitsblatt: Gestein Mineral Kristall Gestein: Granit Gemenge sind heterogene Mischungen aus mehreren festen Bestandteilen. Gesteine sind Gemenge aus Mineralen, die auf natürliche Weise gemeinsam vorkommen. Bei genügend genauer Betrachtung, kann man die teilweise teilweise sehr unterschiedlichen Minerale deutlich sehen. Die einzelnen Mineral-Körner (in dem Fall Kristalle) sind hingegen homogen. Aufgabe 1) Nennt weitere Beispiele für Gemenge aus dem täglichen Leben. Minerale: Aufgabe 2) Sucht im Koffer nach weiteren homogenen und heterogenen Stoffen. Aufgabe 3) Sucht die einzelnen Bestandteile der im Koffer enthaltenen Gesteine und legt sie neben das Gestein. Alkalifeldspat Plagioklas (Feldspat) Biotit (Glimmer) Quarz Aufgabe 4) Ein griechischer Salat ist ein Gemenge. Diskutiert die Unterschiede zwischen Granit und griechischem Salat. Lest dazu den zuoberst stehenden Absatz und setzt statt Gestein das Wort Salat ein und statt Mineral das Wort Gemüse. Aufgabe 5) Der inneren Aufbau von Kristallen hat einen großen Einfluss auf deren äußere Gestalt und physikalischen Eigenschaften. Findet Beispiele aus dem Koffer für blättrige, körnige und stängelige Gestalt. Aufgabe 6) Welches Material aus Aufgabe 5 eignet sich eher als Schleifmittel, welches eher als Schmiermittel? Experimentiert dazu mit anderen, aus dem täglichen Gebrauch bekannten, Materialien mit blättriger, stängeliger bzw. körniger Gestalt (z.b. Papier, Zahnstocher oder Kirschkerne). blättrig körnig stängelig 9

10 Impressum Deutsche Mineralogische Gesellschaft Kommission für Schule und Hochschule Arbeitsgruppe Lehrmaterial Dr. Magdalena Banaszak, Technische Universität Berlin, Fachgebiet Mineralogie PD Dr. Lutz Hecht, Museum für Naturkunde, Berlin Dr. Peter Schmid-Beurmann, Universität Münster, Institut für Mineralogie Dr. Burkhard Schmidt, Georg-August Universität Göttingen, Geowissenschaftliches Zentrum Prof. Dr. Roland Stalder, Universität Innsbruck, Institut für Mineralogie und Petrographie Danksagung Das Projekt wurde durch die Alexander Tutsek-Stiftung finanziell gefördert und hatte die Unterstützung der Einrichtungen der Arbeitsgruppenmitglieder # 10#