20. Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik. Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik

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1 1 von 22 Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik Dr. Marc Stuckey, Wilhelmshaven Niveau: Sek. I/II Klassenstufe 9, 10 und 11 Dauer: 4 Unterrichtsstunden Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler können anhand des Kontextes Sofortkühlkompressen den Löseprozess von Salz in Wasser auf Teilchenebene erklären und den energetischen Verlauf beschreiben einen modellhaften Ablauf des Lösevorgangs von Salz in Wasser entwickeln die Funktionalität eines einfachen Anschauungsmodells erkennen in Teamarbeit eigenständig Experimente planen, durchführen und auswerten Experimente und ihre Erkenntnisse in angemessener Fachsprache präsentieren Der Beitrag enthält Materialien für: Offene Unterrichtsformen Gruppenarbeit Schülerversuche Differenzierungsmöglichkeiten Hintergrundinformationen Bei Verstauchungen oder Prellungen bietet es sich an, die verletzte Stelle zu kühlen, damit sich die Blutgefäße zusammenziehen und mögliche Schwellungen sowie Entzündungsreaktionen gehemmt werden. Hierfür bieten sich Sofortkühlkompressen an, in denen i. d. R. ein Salz (z. B. Ammoniumchlorid) oder Harnstoff und Wasser räumlich getrennt vorliegen. Durch kräftiges Schütteln und Drücken wird die Trennwand aufgebrochen, wodurch sich das Salz im Wasser löst und die Kühlung erfolgt. Vorteilhaft an den Kompressen ist der mobile Einsatz, da das Kühlen durch den Löseprozess hervorgerufen wird. Nachteilig ist, dass die Sofortkühlkompressen nur einmalig einsetzbar sind. Hinweise zur Didaktik und Methodik Generell ist den Schülern der Löseprozess von Salzen und anderen Stoffen wie Zucker in Wasser aus dem Alltag bekannt jedoch oft nur auf Stoff- und nicht auf Teilchenebene. Im vorliegenden Beitrag ist das Hauptaugenmerk darauf gelegt, dass die Schüler den Löseprozess auf Teilchenebene verstehen, um anschließend energetische Aspekte besser nachvollziehen zu können. Hierbei werden Kenntnisse über Wasser und Salze auf einen aus dem Alltag entnommenen Kontext übertragen und angewendet. In der neuen Fassung des Niedersächsischen Kerncurriculums für das Gymnasium für die naturwissenschaftlichen Fächer heißt es im Basiskonzept Struktur-Eigenschaft, dass die Schüler die Löslichkeit von Salzen erklären und aus energetischer Sicht mithilfe der Gitter- und Hydratationsenergie beschreiben können (Niedersächsisches Kerncurriculum, 2015). Stoffeigenschaften, wie z. B. Löslichkeit, sollen anhand des Bindungstyps bzw. der zwischenmolekularen Wechselwirkungen mit den passenden Modellen unter Anwendung der Fachsprache erklärt werden (KMK, 2005; z. B. Niedersächsisches Kerncurriculum, 2012). * Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit nur Schüler verwendet. Schülerinnen sind genauso gemeint.

2 2 von Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik Auch in den Abiturprüfungen im Fach Chemie wurde das Thema Sofortkühlkompressen bereits vorgeschlagen. Um die Funktionsweise einer Sofortkühlkompresse beschreiben zu können, müssen die Schüler auf Stoff-Teilchen-Ebene zwischen Ionen, Dipolmolekülen und unpolaren Molekülen unterscheiden können. Der vorliegende Beitrag zum Thema Sofortkühlkompressen greift sowohl den Löseprozess als auch die Energetik auf. Um die Schüler der Mittelstufe inhaltlich nicht zu überfrachten, wurde der Themenbereich der Energetik bewusst vereinfacht. Durchführung Der Stundeneinstieg erfolgt im Plenum: Als erster Impuls wird den Schülern eine Originalsofortkühlpackung oder Folie M 1 gezeigt. Dieser Impuls soll die Schüler aktivieren, ihre Kenntnisse zu Sofortkühlkompressen im Unterrichtsgespräch zu formulieren. Einige Schüler kennen die Kompressen bereits aus dem Sportbereich oder dem Vereinssport. Anschließend werden Sofortkühlkompressen innerhalb der Tischreihen ausgeteilt und die Schüler untersuchen die Verpackungshinweise nach Inhaltsstoffen. Auf den Verpackungen ist jedoch nicht etikettiert, welche Stoffe enthalten sind. In der Erarbeitungsphase teilen sich die Schüler in 8 Gruppen zu jeweils 4 Schülern auf. Jeweils 2 Gruppen bearbeiten die gleiche Station. Für jede Station stehen zwei Materialkästen zur Verfügung. Um die Funktionsweise der Sofortkühlkompressen klären zu können, werden folgende Fragen (M 2 M 5) untersucht: Gruppe A/B: Station 1 (M 2): Welche Stoffe sind in den Sofortkühlkompressen enthalten? Wie lässt sich nachweisen, dass es sich um Wasser und Salz handelt? Gruppe C/D: Station 2 (M 3): Welche Vorgänge spielen sich auf Teilchenebene ab, wenn sich ein Salz in Wasser löst? Gruppe E/F: Station 3 (M 4): Wird die Lösung immer kalt, wenn sich ein Salz in Wasser löst? Gruppe G/H: Station 4 (M 5): Lösen sich Salze auch in anderen Flüssigkeiten? Für die Präsentationsphase wählen die Schüler ein Präsentationsmedium (Active board, Dokumentenkamera, Plakate etc.). Die Sicherung erfolgt über kurze Schülervorträge. Aus Zeitgründen bietet es sich an, immer nur eine Tischgruppe vorstellen zu lassen, während die andere Gruppe mit dem gleichen Versuch anschließend Ergänzungen vornehmen kann. Zur Sicherung der erarbeiteten Ergebnisse bekommen alle Schüler das Arbeitsblatt (M 6) ausgehändigt. Steht mehr Zeit zur Verfügung, wäre auch die Methodik des Gruppenpuzzles als Sicherungsmethode einsetzbar. Differenzierung Es kann folgendermaßen differenziert werden: M 2 eignet sich besonders für Schüler, die im Fach Chemie große Unsicherheiten haben. Für die Bestätigungsexperimente des Wasser- und Salznachweises können diese Schüler zum Teil auf Erkenntnisse und Versuche zurückgreifen, die bereits im Rahmen der Einheiten Wasser und Salze durchgeführt wurden. Auch die Versuche in M 5 können Schüler mit Lernschwierigkeiten bearbeiten. Leistungsstärkere Schüler sollten hingegen die Modellvorlagen M 3b nutzen und das Anwenden der Fachsprache weiter einüben. Auch bietet es sich an, die Präsentation am Computer erfolgen zu lassen, wo die Teilchen verschoben werden können (z. B. mit ActivInspire). Auch M 4 und M 4a eignen sich für Schüler, die im Fach Chemie großes Interesse und viele Vorkenntnisse zeigen. Je nach Lerngruppe können die Durchführungen stets mit angegeben werden. Bei den einfacheren Versuchen, wie in M 2a, wurden diese bewusst weggelassen, um die Schülerinnen und Schüler ausprobieren zu lassen.

3 5 von 22 Materialübersicht für die jeweiligen Gruppen V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch AB = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Fo Sofortkühlkompressen was ist drin? M 2a SV (Station 1) M 2b Ab M 2c SV V: 5 min D: 25 min V: 5 min D: 25 min Nachweis von Salz und Wasser Inhalt der aufgeschnittenen Kühlkompresse der Firma Frosti Fix wasserfreies Kupfersulfat Universalindikator dest. Wasser Hilfekarten Nachweis von Harnstoff Inhalt der aufgeschnittenen Kühlkompresse 10%ige Kupfer(II)-sulfatpentahydrat-Lösung Schere Einweghandschuhe Leitfähigkeitsprüfer Stromquelle 1 Becherglas (25 ml) Spatel Gasbrenner Reagenzglasklammer Reagenzglas (Duran) M 3a Ab (Station 2) M 3b Ab M 3c Ab M 4a SV (Station 3) M 4b Ab V: 5 min D: 25 min 10%ige Natronlauge dest. Wasser Der Lösevorgang Modellvorlagen Hilfekarten Der Kühlungseffekt Calciumchlorid Ammoniumchlorid Kochsalz (Natriumchlorid) dest. Wasser Hilfekarten Schere Einweghandschuhe 1 Becherglas (25 ml) 1 Löffel 1 Glasstab 1 Gasbrenner 1 Reagenzglasklammer 1 Reagenzglas (Duran) Pipette Molekülpappstücke Waage Uhrglas 3 Bechergläser (50 ml) Glasstab Thermometer

4 6 von Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik M 5 SV (Station 4) Alternative Lösemittel V: 5 min D: 25 min Salz aus der Kühlkompresse Wasser Sonnenblumenöl Tafelessig oder verdünnte Essigsäure verdünnte Natronlauge Waage Uhrglas Spatel 4 Bechergläser (50 ml) Glasstab Thermometer M 6 Ab Gesamtauswertung zu den Untersuchungen Minimalplan Ihnen steht nur wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf zwei Stunden kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus: 1./2. Stunde (M 1 M 6) Die Lehrperson zeigt Sofortkühlkompresse, um Vorkenntnisse der Schüler zu aktivieren. Sollten die Schüler die Inhaltsstoffe der Sofortkühlkompresse nicht kennen, dann schneiden sie die Verpackung auf. Die Schüler teilen sich auf 4 Stationen auf (siehe M 2 M 5) und erarbeiten sich mithilfe von vorbereiteten Materialkästen die Fragestellungen. Es stehen außerdem Hilfekarten und Vertiefungsmaterialien zur Verfügung. Die Schüler bereiten ihre Präsentation vor und sprechen sich ab, wer vorstellen wird, und stellen ihre Ergebnisse vor. Als Stundenzusammenfassung dient M 6. Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 18.

5 9 von 22 M 2b Hilfekarten Hilfekarte 1: Nachweis von Wasser Um Wasser nachzuweisen, gibt man entweder wasserfreies Kupfersulfat oder Universalindikator zu der zu untersuchenden Flüssigkeit. Das wasserfreie Kupfersulfat färbt sich mit Wasser tiefblau. Der Universalindikator zeigt in Wasser eine gelb/ grüne Färbung (neutrale Lösung) an. Hilfekarte 2: Nachweis von Ionenverbindungen (Salzen) Um Ionen in Salzen nachzuweisen, untersucht man entweder eine wässrige Lösung des Salzes oder aber eine Salzschmelze auf ihre elektrische Leitfähigkeit. Hilfekarte 2a: Nachweis von Ionenverbindungen in einer Salzlösung Hilfekarte 2b: Nachweis von Ionenverbindungen in einer Salzschmelze Um Ionen in Salzen nachzuweisen, erhitzt man das Salz so lange, bis das Salz schmilzt, und prüft die Schmelze mithilfe des Leitfähigkeitsprüfers auf elektrische Leitfähigkeit.

6 11 von 22 M 3a Der Lösevorgang Welche Vorgänge spielen sich auf Teilchenebene ab, wenn sich ein Salz in Wasser löst? Aufgaben 1. Skizziert in die Filmleiste den Lösevorgang von Kochsalz (Natriumchlorid) in Wasser. Geht dabei auf die Anordnung der Ionen und Wassermoleküle ein. Um die Vorgänge darzustellen, können euch die Modellvorlagen (M 3b) helfen. Erklärung zu Bild 1: Erklärung zu Bild 2: Erklärung zu Bild 3: 2. Beschreibt in eurem Heft unter Verwendung der Fachsprache den Lösevorgang von Kochsalz in Wasser. Verwendet folgende Begriffe: Ionengitter, Wassermoleküle, Anionen, Kationen, Ionenbindung, positive/negative Teilladung. Die Hilfekarten (M 3c) können euch Tipps geben.

7 12 von Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik M 3b Modellvorlagen Wassermolekül Wassermolekül Wassermolekül Natrium-Ion Natrium-Ion Natrium-Ion Natrium-Ion Natrium-Ion Chlorid-Ion Chlorid-Ion Chlorid-Ion

8 13 von 22 M 3c Hilfekarten Hilfekarte 1 Zeichnet einen kleinen Ausschnitt des Ionengitters von Kochsalz. Zeichnet anschließend einige Wasserdipolmoleküle. Hilfekarte 2 Markiert auf dieser Vorlage die Anionen, Kationen und Wasserdipole. Hilfekarte 3 Beantwortet folgende Fragen mithilfe von Hilfekarte 2: a) Welche Vorgänge spielen sich ab, wenn sich die Wasserdipole an das Ionengitter anlagern? b) An welchen Stellen finden diese Vorgänge bevorzugt statt? Hilfekarte 4 Zeichnet ein Kation und ein Anion mit Hydrathülle. Achtet dabei auf die Orientierung der Wasserdipole.

9 14 von Sofortkühlkompressen eine Verknüpfung von Löseprozess und Energetik M 4a Der Kühlungseffekt Kommt es zu Prellungen oder Gelenkschmerzen bei einem Sportunfall, so sollte man die verletzte Stelle möglichst sofort mit Eis oder einer Kühlkompresse kühlen. Bei welchen Ionenverbindungen tritt ein Kühlungseffekt ein, bei welchen nicht? Schülerversuch: Verschiedene Salze (Ionenverbindungen) in Wasser lösen Vorbereitung: 5 min Durchführung: 25 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte Calciumchlorid Waage Ammoniumchlorid Uhrglas Kochsalz (Natriumchlorid) 3 Bechergläser (50 ml) dest. Wasser Glasstab Thermometer Entsorgung: Die Lösungen können in den Ausguss gegeben werden. Versuchsdurchführung Wiegt 4 g Calciumchlorid auf einem Filterpapier ab. Füllt in ein Becherglas 25 ml destilliertes Wasser und gebt das Calciumchlorid hinzu. Misst die Temperatur zwei bis vier Minuten lang alle 30 Sekunden. Dabei mit dem Glasstab rühren. Notiert die Werte in eurem Protokoll. Wiederholt den Versuch einmal mit 4 g Natriumchlorid, das zweite Mal mit 4 g Ammoniumchlorid. Aufgaben 1. Protokolliert eure Versuchsbeobachtungen. 2. Erklärt den Kühlungseffekt beim Lösen des Kristallgitters und der Hydratation mithilfe der energetischen Vorgänge. Die unten stehende Abbildung und die Hilfekarten M 4b können euch Tipps geben. 3. Zusatzfrage: Nehmt das Periodensystem zu Hilfe und überlegt, von welchen Faktoren die Stärke der Hydratation abhängen könnte.