Dichte und Nachweis von Kohlenstoffdioxid
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- Justus Raske
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1 Schulversuchspraktikum Name: Lydia Reinhardt Semester: Sommersemester 2014 Klassenstufen 7 & 8 Dichte und Nachweis von Kohlenstoffdioxid
2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele 1 Auf einen Blick: Diese Unterrichtseinheit zum Thema Dichte und Nachweis von Kohlenstoffdioxid enthält drei SuS- sowie zwei Lehrer-Demonstrationsversuche für die Jahrgangsstufe 7&8. Die Lehrerversuche behandeln die Dichte von Kohlenstoffdioxid. Die Glimmspanprobe wird hierbei als Nachweis von Kohlenstoffdioxid verwendet. Die Schülerversuche befassen sich mit dem Nachweis von Kohlenstoffdioxid sowohl in der Atemluft als auch in Mineralwasser sowie bei Brausetabletten. Inhalt 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Lehrerversuche V 1 Die Kerzentreppe V 2 Die Doppelgefäßmethode Schülerversuche V 3 Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Brausetabletten V 4 Kohlenstoffdioxid-Nachweis in der Atemluft V 5 Kohlenstoffdioxid-Nachweis in Mineralwasser Didaktischer Kommentar zum Arbeitsblatt Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Erwartungshorizont... 14
3 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Das Thema Dichte und Nachweis von Kohlenstoffdioxid ist ein wesentlicher Bestandteil des Chemieunterrichts der Klasse 7&8. Ferner weist das Thema Kohlenstoffdioxid einen sehr hohen Alltagsbezug auf. So entsteht Kohlenstoffdioxid als Produkt des Stoffwechsels bei Menschen und Tieren und ist ein wichtiger Ausgangsstoff der Fotosynthese. Demnach ist Kohlenstoffdioxid eine wichtige Komponente in der atmosphärischen Luft. Des Weiteren wird das Thema heutzutage aufgrund des Klimawandels und des Treibhauseffekts immer stärker von den Medien aufgerollt. An diesem Punkt kann die Schule ansetzten und die SuS für diese wichtige Thematik sensibilisieren. Dies schließt auch die Entstehung von Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung von allen organischen Energieträgern mit ein. Die SuS sollen in dieser Unterrichtseinheit anhand von einfachen, effektstarken und aussagekräftigen Experimenten zum einen die Dichtedifferenz zwischen Kohlenstoffdioxid und der Luft kennenlernen, zum anderen die wichtigsten Nachweisreaktionen von Kohlenstoffdioxid erarbeiten und verstehen. Da die Experimente wenig Materialverbrauch und eine hohe Zeiteffizienz aufweisen, eignen sie sich sehr gut für den Chemieunterricht in der Schule. Bezug zum Thema wird sowohl im Basiskonzept Stoff-Teilchen als auch chemische Reaktion Reaktionen genommen. Im erstgenannten Basiskonzept sollen die SuS im Bereich des Fachwissens das Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer Kenntnisse über Nachweisreaktionen erklären können. Dabei sollen sie auch im Rahmen der Bewertung Bezüge zur Biologie (Kohlenstoffkreislauf, Fotosynthese, Atmung) herstellen. In Bezug auf das Fachwissen des zweitgenannten Basiskonzepts sollen die SuS beschreiben, dass nach einer chemischen Reaktion die Ausgangsstoffe nicht mehr vorliegen und gleichzeitig immer neue Stoffe entstehen. Ferner sollen sie in Hinblick auf die Erkenntnisgewinnung Nachweisreaktionen anwenden können. Die Bewertung schließt mit ein, dass die SuS zum einen die Bedeutung chemischer Reaktionen für Natur und Technik erkennen, und zum anderen, dass chemische Reaktionen in der Alltagswelt stattfinden. In den vorgestellten Experimenten wird in 5 Versuchen auf die Dichte von Kohlenstoffdioxid eingegangen. Es lässt sich zeigen, dass diese größer ist als bei Luft. In drei weiteren Experimenten geht es um die Kalkwasserprobe, die als Nachweisreaktion von Kohlenstoffdioxid verwendet wird. Dabei soll versucht werden Kohlenstoffdioxid in Mineralwasser, Atemluft und mit Wasser versetzten Brausetabletten nachgewiesen werden.
4 2 Lehrerversuche 3 2 Lehrerversuche 2.1 V 1 Die Kerzentreppe In diesem Versuch wird demonstriert, dass Kohlenstoffdioxid eine höhere Dichte besitzt als Luft. Dazu wird Kohlenstoffdioxid aus einer Druckgasflasche in die pneumatische Wanne eingeleitet, in der sich Kerzen auf unterschiedlicher Höhe befinden. Gefahrenstoffe Kohlenstoffdioxid H: 280 P: Materialien: Chemikalien: pneumatische Wanne, Teelichter Kohlenstoffdioxid-Druckgasflasche Abb. 1 - Versuchsaufbau Die Kerzentreppe. Durchführung: In einer pneumatischen Wanne werden drei Teelichterreihen auf unterschiedlicher Höhe aufgestellt und angezündet. Anschließend wird Kohlenstoffdioxid langsam aus einer Druckgasflasche von unten in die Wanne eingeleitet.
5 2 Lehrerversuche 4 Beobachtung: Nach kurzer Zeit erlischt zuerst das untere Teelicht, dann das mittlere und abschließend das obere. Abb. 2 - Nach und nach erlöschen die Kerzen. Deutung: Entsorgung: Literatur: Kohlenstoffdioxid besitzt eine höhere Dichte als Luft. Das zugeführte Gas sinkt folglich zu Boden, wodurch die leichtere Luft langsam verdrängt wird. Dadurch wird den Flammen der Teelichter der Sauerstoff für den Verbrennungsvorgang entzogen. Die Kerzen brennen zuerst mit dunkler Farbe weiter und gehen schließlich aus, da das Kohlenstoffdioxid keine brandfördernde Wirkung hat. Es geht zuerst das untere Teelicht aus, da das zugeführte Kohlenstoffdioxid langsam von unten nach oben steigt. Keine besondere Entsorgung erforderlich (Zuletzt abgerufen am um 10:41Uhr). Dieser Versuch zeigt effektstark mit wenig Zeitaufwand und einfachen Mitteln, dass Kohlenstoffdioxid eine höhere Dichte besitzt als die Luft. Er kann hervorragend als Lehrerdemonstrationsversuch zum Einstieg durchgeführt werden, um die Dichte von Kohlenstoffdioxid zu erarbeiten. 2.2 V 2 Die Doppelgefäßmethode Dieser Versuch dient ebenfalls dazu, den SuS zu zeigen, dass Kohlenstoffdioxid eine höhere Dichte aufweist als Luft. Das Erlöschen des Glimmspans ist ein Indiz für Kohlenstoffdioxid. Gefahrenstoffe
6 2 Lehrerversuche 5 Kohlenstoffdioxid H: 280 P: Materialien: Chemikalien: Erlenmeyerkolben, Stopfen, Glimmspan, Stativ, Klammer Kohlenstoffdioxid-Druckgasflasche Abb. 3 - Versuchsaufbau Die Doppelgefäßmethode. Durchführung: Beobachtung: Zwei Erlenmeyerkolben werden mit Kohlenstoffdioxid aus der Druckgasflasche befüllt. Anschließend werden diese mit Stopfen verschlossen und an jeweils ein Stativ so angebracht, dass der eine Kolben senkrecht, der andere verkehrt rum befestigt ist. Die Stopfen werden nun entfernt. Ein glühender Glimmspan wird in beide Gefäße hineingehalten. In Kolben 1 glüht der Glimmspan weiter, in Kolben 2 erlischt er sofort. Abb. 4 - Glühender und erloschener Glimmspan.
7 3 Schülerversuche 6 Deutung: Entsorgung: Literatur: Kohlenstoffdioxid besitzt eine höhere Dichte als Luft. Da Kolben 1 verkehrt rum befestigt ist, entweicht das schwerere Kohlenstoffdioxid sofort und der Kolben füllt sich mit Luft: Der Glimmspan glüht weiter. In Kolben 2 kann das Kohlenstoffdioxid nicht so schnell entweichen, sodass der Glimmspan sofort erlischt. Keine besondere Entsorgung erforderlich (Zuletzt abgerufen am um 10:41Uhr). Dieser Versuch lässt sich schnell und mit wenig Aufwand durchführen und kann die Grundlage zur Erarbeitung der Dichte von Kohlenstoffdioxid legen. Er sollte insofern als Lehrerdemonstrationsversuch durchgeführt werden, als dass die SuS Schwierigkeiten mit der Handhabung der Druckgasflasche bekommen könnten. 3 Schülerversuche 3.1 V 3 Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Brausetabletten In diesem Versuch wird Kohlenstoffdioxid beim Lösen einer Brausetablette im Wasser mit Hilfe einer Kalkwasserprobe nachgewiesen. Gefahrenstoffe Kohlenstoffdioxid H: 280 P: Ca(OH) 2-Lösung H: 315, 319 P: 280, Materialien: Chemikalien: Waschflasche, Reagenzglas, durchbohrter Stopfen, Glasrohr, Stativ, Klammer, Schlauch Wasser, Brausetablette, gesättigte Calciumhydroxid-Lösung
8 3 Schülerversuche 7 Durchführung: Beobachtung: Aus Calciumhydroxid und Wasser wird eine gesättigte Kalkwasserlösung hergestellt. Mit dieser wird die Waschflasche befüllt. Ein Reagenzglas wird mit einem Stopfen mit Bohrung verschlossen und an einem Stativ befestigt. In den durchbohrten Stopfen wird ein Ende des Glasrohres gesteckt, an das andere wird ein kurzer Verbindungsschlauch angebracht und an die Waschflasche befestigt. Eine Brausetablette wird nun in das Reagenzglas gegeben und mit Wasser versetzt. Das Reagenzglas wird schnell wieder verschlossen. Im Reagenzglas bildet sich ein Gas. Die klare Lösung in der Waschflasche wird trüb. Abb. 5 - Versuchsaufbau Kohlenstoffdioxid-Nachweis bei Brasuetabletten. Abb. 6 - Trübung der Kalkwasserlösung in der Waschflasche.
9 3 Schülerversuche 8 Deutung: Durch das Zersetzen der Brausetablette im Wasser entsteht Kohlenstoffdioxid, welches dann durch das Glasrohr und den Schlauch weiter zur Waschflasche gelangt. Dort reagiert Kohlenstoffdioxid in einer weiteren chemischen Reaktion zu schwerlöslichen Calciumcarbonat, das ausfällt: CO 2(g) + Ca(OH) 2(aq) CaCO 3(S) +H 2O (l). Entsorgung: Literatur: Kalkwasserlösung in den Säure-Base-Abfall geben, Brausetablette-Lösung in den Ausguss schütten. Schmidkunz, H. (2011). Chemische Freihandversuche Band 1. Hallbergmoos: Aulis-Verlag., S Dieser Versuch weist eine hohe Effektstärke auf und benötigt bei der Durchführung wenig Zeit. Die SuS können mit Hilfe dieses Versuches das entstehende Kohlenstoffdioxid problemlos nachweisen. 3.2 V 4 Kohlenstoffdioxid-Nachweis in der Atemluft Dieser Versuch weist Kohlenstoffdioxid in der Atemluft mit Hilfe einer Kalkwasserlösung nach. Gefahrenstoffe Kohlenstoffdioxid H: 280 P: Ca(OH) 2-Lösung H: 315, 319 P: 280, Materialien: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Waschflasche, Schlauch gesättigte Calciumhydroxid-Lösung Die Waschflasche wird mit einer gesättigten Kalkwasserlösung befüllt. Anschließend wird durch einen Schlauch vorsichtig Atemluft hineingeblasen. Die klare Kalkwasserlösung wird durch das Einatmen der Atemluft trüb.
10 3 Schülerversuche 9 Abb. 7 - Kalkwasser-Lösung a) vor und b) nach dem Zugabe von Atemluft. Deutung: In der Atemluft ist Kohlenstoffdioxid enthalten, welches mit dem Kalkwasser reagiert und als schwerlösliches Calciumcarbonat ausfällt: CO 2(g) + Ca(OH) 2(aq) CaCO 3(S) +H 2O (l). Entsorgung: Literatur: Kalkwasserlösung in den Säuere-Base-Abfall geben, Brausetablette-Lösung in den Ausguss schütten. Schmidkunz, H. (2011). Chemische Freihandversuche Band 1. Hallbergmoos: Aulis-Verlag., S Bei diesem Versuch lernen die SuS eine weitere Kohlenstoffdioxid-Quelle kennen. Aufgrund der Zeiteffizienz und der hohen Effektstärke eignet er sich sehr gut als Schülerversuch. 3.3 V 5 Kohlenstoffdioxid-Nachweis in Mineralwasser Dieser Versuch dient erneut dem Nachweis von Kohlenstoffdioxid mit Hilfe einer Kalkwasserlösung. Die zu untersuchende Probe stellt sprudelndes Mineralwasser da. Gefahrenstoffe Kohlenstoffdioxid H: 280 P: Ca(OH) 2-Lösung H: 315, 319 P: 280,
11 3 Schülerversuche 10 Materialien: Chemikalien: Waschflasche, Reagenzglas, durchbohrter Stopfen, Glasrohr, Stativ, Klammer, Schlauch gesättigte Calciumhydroxid-Lösung, sprudelndes Mineralwasser Abb. 8 - Versuchsaufbau Kohlenstoffdioxid-Nachweis in Mineralwasser. Durchführung: Beobachtung: Der Versuchsaufbau erfolgt analog zu dem von V3. Das Reagenzglas wird anschließend bis ca. die Hälfte mit sprudelndem Mineralwasser befüllt und schnell wieder verschlossen. Im Reagenzglas lässt sich eine Gasentwicklung beobachten, in der Waschflasche wird das vorher klare Kalkwasser trüb.
12 3 Schülerversuche 11 Abb. 9 - Trübes Kalkwasser. Deutung: Das Kohlenstoffdioxid aus dem Mineralwasser reagiert in einer chemischen Reaktion zu schwerlöslichem Calciumcarbonat, das wiederum ausfällt: CO 2(g) + Ca(OH) 2(aq) CaCO 3(S) +H 2O (l). Entsorgung: Literatur: Kalkwasserlösung in den Säure-Base-Abfall geben, Brausetablette-Lösung in den Ausguss schütten. Schmidkunz, H. (2011). Chemische Freihandversuche Band 1. Hallbergmoos: Aulis-Verlag., S Dieser effektstarke und zeiteffiziente Versuch kann zusammen mit V3 und V4 in einer Unterrichtsstunde durchgeführt werden, um den SuS verschiedene Kohlenstoffdioxid-Quellen zu demonstrieren.
13 Arbeitsblatt Dichte und Nachweis von Kohlenstoffdioxid Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Im Unterricht habt ihr eine Methode kennengelernt, um Kohlenstoffdioxid beim Auflösen einer Brausetablette im Wasser nachzuweisen. Beschreibt in euren eigenen Worten die wesentlichen Hauptaussagen des Experimentes. Gebt die Reaktionsgleichung für die Nachweisreaktion von Kohlenstoffdioxid an [Edukte: Kohlenstoffdioxid (CO 2), Calciumhydroxid (Ca(OH) 2), Produkte: Calciumcarbonat (CaCO 3), Wasser (H 2O)]. Ihr wollt den Versuch vor euren Eltern durchführen, habt allerdings weder eine professionelle Waschflasche noch ein Reagenzglas oder Stativ zu Hause. Überlegt euch ein Experiment, mit welchem ihr unter Verwendung von Alltagsgegenständen Kohlenstoffdioxid beim Auflösen einer Brausetablette im Wasser nachzuweisen könnt. Zieht dazu die andere Nachweismöglichkeit von Kohlenstoffdioxid, die ihr im Unterricht kennengelernt habt, in Betracht.
14 4 Didaktischer Kommentar zum Arbeitsblatt 13 4 Didaktischer Kommentar zum Arbeitsblatt Dieses Arbeitsblatt kann im Anschluss an V3 Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Brausetabletten verwendet werden, wenn die Kohlenstoffdioxid -Nachweismethode mit Hilfe der Kalkwasserlösung bereits thematisiert wurde. Die Transferaufgabe dient dazu, dass die SuS sich die Eigenschaften sowie Nachweismethoden von Kohlenstoffdioxid noch einmal in Erinnerung rufen, was zu einer größeren Umwälzung und demnach einer höheren Wissenssicherung führt. Ferner üben sie SuS, eine einfache Reaktionsgleichung aufzustellen und auszugleichen. 4.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Der Bezug zum Kerncurriculum kann zum einen durch das Basiskonzept Stoff Teilchen hergestellt werden: Die Schülerinnen und Schüler... Fachwissen: erklären das Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer Kenntnisse über Nachweisreaktionen. (Aufgabe 1 und Aufgabe 3) Ferner kann noch der Bezug zum Basiskonzept Chemische Reaktion erstellt werden: Fachwissen: beschreiben, dass nach einer chemischen Reaktion die Ausgangsstoffe nicht mehr vorliegen und gleichzeitig immer neue Stoffe entstehen. (Aufgabe 1 und Aufgabe 2) Erkenntnisgewinnung: wenden Nachweisreaktionen an. (Aufgabe 3) Bewertung: erkennen, dass chemische Reaktionen in der Alltagswelt stattfinden. (Aufgabe 3) Anforderungsbereiche: Aufgabe 1: Da die SuS in dieser Aufgabe den Versuch V3 Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Brausetabletten in ihren eigenen Worten wiedergeben müssen, entspricht diese Aufgabe dem Anforderungsbereich I: Wiedergeben und beschreiben. Aufgabe 2: Die SuS müssen eine einfache Reaktionsgleichung aufstellen und ausgleichen, wodurch der Anforderungsbereich II: Anwenden und strukturieren erfüllt wird. Aufgabe 3: Bei dieser Aufgabe müssen sich die SuS ein Experiment zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid unter häuslichen Bedingungen überlegen und planen. In der Schule haben die SuS eine Methode zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Brausetabletten (V3) kennengelernt und müssen nun ihre erworbenen Kenntnisse aus dem schulischen Kontext auf den häuslichen übertragen. Dabei müssen sie sowohl die neue Ausgangslage als auch die neuen Voraussetzungen
15 4 Didaktischer Kommentar zum Arbeitsblatt 14 (z.b. Nachweis von Kohlenstoffdioxid kann nicht über die Kalkwasserlösung erfolgen, da diese nicht im Haushalt vorhanden ist) beachten. Demnach fällt diese Aufgabe in den Anforderungsbereich III: Transferieren und verknüpfen. 4.2 Erwartungshorizont Aufgabe 1: Das beim Auflösen einer Brausetablette im Wasser entstehende Kohlenstoffdioxid kann mit Hilfe der klassischen Kalkwasserlösung nachgewiesen werden. Dazu wird das Gas in eine Waschflasche geleitet, in der es dann mit dem Kalkwasser zu Calciumcarbonat reagiert und ausfällt. Aufgabe 2: CO 2(g) + Ca(OH) 2(aq) CaCO 3(S) +H 2 O (l) Aufgabe 3: Das Experiment lässt sich für die häusliche Durchführung folgendermaßen umwandeln: Anstelle des Reagenzglases kann eine kleine Plastikflasche genommen werden. In diese werden nun eine Brausetablette und etwas Wasser gegeben. Auf die Öffnung der Plastikflasche wird ein Luftballon befestigt. Das entstehende Kohlenstoffdioxid kann auf diese Weise in dem Luftballon eingefangen werden. Da die SuS über keine Kalkwasserlösung zuhause verfügen, kann an dieser Stelle der Kohlenstoffdioxid anders nachgewiesen werden: In ein Trinkglas wird ein Teelicht gegeben und angezündet. Das Gas wird nun langsam aus dem Luftballon in das Trinkglas eingeleitet, woraufhin die Flamme des Teelichts erlischt.
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