Manchmal muss man etwas nachhelfen Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz

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1 15. Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz 1 von 24 Manchmal muss man etwas nachhelfen Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz Dr. Leena Bröll, Gundelfingen Niveau: Sek. I Dauer: 3 Doppelstunden Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler 1 können erläutern, dass zur Auslösung einiger chemischer Reaktionen Aktivierungsenergie nötig ist die Funktion eines Katalysators erklären die Wirkung eines Katalysators auf die Aktivierungsenergie beschreiben die Beeinflussbarkeit chemischer Reaktionen durch den Einsatz von Katalysatoren beschreiben den energetischen Vorteil, wenn chemische Prozesse in der Industrie katalysiert werden, erkennen Bezüge zur Biologie herstellen Versuche planen und durchführen Experimente, Erkenntnisse und Fakten in angemessener Fachsprache präsentieren Der Beitrag enthält Materialien für: ü Schülerversuche ü alltagsorientierten Unterricht Hintergrundinformationen ü Blick über den Tellerrand Chemie Bei einer chemischen Reaktion findet immer auch ein Energieumsatz statt. Bei vielen chemischen Reaktionen wird Energie z. B. in Form von Licht oder Wärme frei. Und auch in unserem Körper finden chemische Reaktionen statt, die Energie liefern, welche wir benötigen. Um eine chemische Reaktion zu starten, muss man oft erst Energie zufügen. Diese Energie heißt Aktivierungsenergie. Damit z. B. eine Kerze brennt, muss man sie zunächst anzünden. Danach brennt sie von alleine weiter und liefert so lange Energie, bis sie abgebrannt ist. Wird bei einer chemischen Reaktion mehr Energie frei, als durch die Aktivierungsenergie hinzugefügt wurde, spricht man von einer exothermen Reaktion. Wie laufen exotherme Reaktionen ab? Die Ausgangsstoffe (Edukte) befinden sich zunächst in einem metastabilen Zustand. Durch kurze Zufuhr der Aktivierungsenergie wird das System in einen instabilen Zustand gehoben. Die Reaktion kommt in Gang und läuft ohne weitere Energiezufuhr selbstständig ab. Die Produkte befinden sich jetzt in einem stabilen Zustand. Muss einer chemischen Reaktion mehr Energie zugefügt werden, als anschließend frei wird, so spricht man von einer endothermen Reaktion. Wie auch bei exothermen Reaktionen erfolgt der Ablauf in zwei Schritten. Zunächst muss eine bestimmte Aktivierungsenergie aufgebracht werden, anschließend wird ein Teil dieser Energie wieder frei. Der Unterschied zur exothermen Reaktion liegt darin, dass die frei werdende Energie geringer als die Aktivierungsenergie ist und daher nicht ausreicht, die 1 Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit nur Schüler verwendet. Schülerinnen sind genauso gemeint.

2 2 von Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz Reaktion weiter voranzutreiben. Daher muss während der Reaktion Energie kontinuierlich von außen zugeführt werden. Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, weil er die Aktivierungsenergie herabsetzt. Der Katalysator wird dabei selbst nicht verbraucht. Er nimmt an der Reaktion teil, wird aber bei der Entstehung des Reaktionsprodukts unverändert wieder freigesetzt. Katalysatoren sind auch für das Leben extrem wichtig: Bei chemischen Reaktionen in Lebewesen kommen Katalysatoren zum Einsatz, beispielsweise bei der Fotosynthese, der Atmung oder der Energiegewinnung aus der Nahrung. Die verwendeten Katalysatoren sind meist bestimmte Eiweiße (Enzyme). In der Industrie ist die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch Katalysatoren bei chemischen Reaktionen von großer kommerzieller Bedeutung. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer oder gar nicht erfolgen. Und auch aus ökologischer Sicht sind Katalysatoren wichtig: Durch den Einsatz von Katalysatoren wird Energie eingespart und die Menge an gefährlichen Nebenprodukten reduziert (z. B. in Pkws). So reagieren im Autoabgaskatalysator das Atemgift Kohlenstoffmonooxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit Stickoxiden und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid sowie Stickstoff und Wasser. Wie funktioniert ein Taschenwärmer? Taschenwärmer werden auch als Latentwärmespeicher bezeichnet, d. h. es wird thermische Energie aufgenommen, die eine lange Zeit gespeichert werden kann. In Taschenwärmern ist die leicht lösliche Substanz Natriumacetat-Trihydrat enthalten. Das Natriumsalz der Essigsäure liegt also als sogenanntes Salzhydrat vor: In das Kristallgitter der Substanz sind neben Natrium- und Acetat-Ionen pro Formeleinheit drei Wassermoleküle eingebaut. Dieses wird bei einer Schmelztemperatur von 58 C verflüssigt. Auch wenn die Substanz danach unter 58 C abkühlt, bleibt das Material als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig. Wird nun ein Metallplättchen im Taschenwärmer gedrückt, bilden sich an diesem Druckpunkt erste kristalline Strukturen. Die ganze Flüssigkeit kristallisiert nun schlagartig aus. Die im System gespeicherte Wärme ( latente Wärme ) wird freigesetzt. Eine chemische Reaktion im Sinne einer Stoffumwandlung findet beim Taschenwärmer aber nicht statt. Hinweise zur Didaktik und Methodik In der ersten Doppelstunde betrachten die Schüler zum Einstieg die Farbfolie M 1 und überlegen, welcher übergeordnete Begriff gesucht sein könnte. Der Lehrer informiert die Schüler dann darüber, dass auch chemische Reaktionen nicht ohne Energie ablaufen und ein Alltagsbeispiel, der Taschenwärmer, unter dem Aspekt der Energie nun genauer betrachtet werden soll (M 2). Anschließend wird eine chemische Reaktion mit Kupfersulfatpentahydrat unter diesem Aspekt betrachtet (M 3). Anhand dieser Reaktion erarbeiten die Schüler auch den Verlauf eines Energiediagramms. In der zweiten Doppelstunde werden alle gelernten Aspekte noch einmal fixiert und wiederholt (M 4 und M 5). Im zweiten Teil der Doppelstunde kommt ein neuer Aspekt hinzu: der Katalysator. Wieder wird anhand eines Alltagsbeispiels (M 6) in die Thematik eingeführt. Mit einem Schülerexperiment (M 7) werden die gesammelten Hypothesen überprüft und die Funktionsweise eines Katalysators herausgearbeitet. In der dritten Doppelstunde werden die Inhalte in einem anderen Kontext, nämlich der Verbrennung von Zucker, noch einmal experimentell im Schülerversuch wiederholt (M 8). Den Abschluss der Unterrichtseinheit bildet die Anwendung von Katalysatoren. In Material M 9 erfahren die Schüler, dass Katalysatoren auch im menschlichen Körper zum Einsatz kommen. In einem Film (M 10) erfahren die Schüler darüber hinaus, dass Katalysatoren an vielfältigen Stellen auch in der Industrie zum Einsatz kommen und welche ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkte dabei zum Tragen kommen.

3 15. Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz 3 von 24 Internet Film zum Thema: Wie funktioniert ein Taschenwärmer. Der Film zeigt schülergerecht die Funktionsweise eines Taschenwärmers (Einsatz bei M 2, Länge: 3 Minuten). Film mit dem Thema: Multitalent Katalysator. Ein Film der Max Planck Gesellschaft, der noch einmal die Funktionsweise eines Katalysators erklärt und Beispiele aus dem Alltag bzw. der Industrie aufzeigt (Einsatz bei M 10, Länge: 5 Minuten). Materialübersicht V = Vorbereitungszeit D = Durchführungszeit Fo = Farbfolie GBU = Gefährdungsbeurteilung SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt FoVo = Folienvorlage # Die Gefährdungsbeurteilungen inden Sie auf CD 56. Bei den Schülerversuchen bezieht sich die Materialangabe auf den Bedarf einer Gruppe! M 1 Fo Welcher Überbegriff ist gesucht? M 2 Ab Der Taschenwärmer chemisch betrachtet M 3 2 SV, GBU # Eigenschaften chemischer Reaktionen Energieumsatz V: 5 min D: 10 min r Kupfersulfatpentahydrat r Leitungswasser r Reagenzglas r Reagenzglashalter r Brenner r Spatel M 4 Ab Aktivierungsenergie bist du fit? r Einmalpipette M 5 Ab Wiederholung zu den Schülerversuchen M 6 FoVo Wie reinige ich meine Kontaktlinsen? M 7 SV, GBU # Kontaktlinsenreinigung V: 5 min D: 10 min r Wasserstoffperoxidlösung, c 5 % r Mangan(IV)-oxid (Braunstein) r Reagenzglas r Reagenzglasständer r Glimmspan

4 4 von Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz M 8 SV, GBU # Wie bringt man einen Zuckerwürfel zum Brennen? V: 5 min D: 10 min r Zucker r Zigarettenasche M 9 SV, GBU # Katalysatoren und unser Körper M 10 Ab V: 5 min D: 10 min Minimalplan r Wasserstoffperoxidlösung, c 5 % r rohe Kartoffel r gekochte Kartoffel Katalysatoren in der Industrie r Brenner r Dreifuß r Drahtnetz r Porzellanschale r Petrischale r Schutzhandschuhe r 2 Reagenzgläser r Messzylinder 10 ml r Glimmspan r Messer Ihnen steht nur wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf eine Doppelstunde und eine Einzelstunde kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus: Doppelstunde Einzelstunde Führen Sie die erste Doppelstunde wie auf Seite 2 beschrieben durch (M 1 bis M 3). Damit haben Sie die Begriffe Aktivierungsenergie, exotherme und endotherme Reaktion angesprochen. In der Einzelstunde verwenden Sie M 6 als Einstiegsfolie und führen dann den Schülerversuch M 7 durch, um auch die Funktionsweise des Katalysators thematisiert zu haben. Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 17.

5 6 von Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz M 2 Der Taschenwärmer chemisch betrachtet Du hast im Winter auch immer mal wieder kalte Hände? Hat ja irgendwie jeder. Und was ist angenehmer, als einen Taschenwärmer zu nehmen und schon nach kurzer Zeit wieder warme Hände zu haben? Funktioniert ja auch einfach und immer wieder. Aber wie funktioniert so ein Taschenwärmer? Hast du dich schon einmal gefragt, was ein Taschenwärmer mit Energie bei chemischen Reaktionen zu tun hat? Finde es hier heraus. Thinkstock/iStock Aufgaben 1. Schaue dir das Video an. Hier wird erklärt, was aus chemischer Sicht beim Einsatz eines Taschenwärmers abläuft. Notiere dir die wichtigsten Punkte. 2. Jetzt betrachtest du den Taschenwärmer nur unter dem Gesichtspunkt Energie. Erkläre die Funktionsweise eines Taschenwärmers, indem du auf folgende Punkte eingehst: Taschenwärmer wird aktiviert, Energie wird freigesetzt, Energie wird permanent zugeführt. Wie erkennst du, dass Energie freigesetzt bzw. zugeführt wird? 3. Notiere zur Wiederholung noch einmal, was du jetzt über Aktivierungsenergie weißt und welche zwei Arten von chemischen Reaktionen es gibt, wenn man den Energieumsatz betrachtet. Aktivierungsenergie: Welche Arten von chemischen Reaktionen gibt es: 1. 2.

6 15. Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz 7 von 24 M 3 Eigenschaften chemischer Reaktionen Energieumsatz Schülerversuch 1: Kupfersulfatpentahydrat wird erhitzt Vorbereitung: 5 min Durchführung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise r Kupfersulfatpentahydrat Geräte r Reagenzglas r Reagenzglashalter r Brenner r Spatel Entsorgung: Kupfersulfatpentahydrat im nächsten Versuch weiterverwenden. Versuchsaufbau: Versuchsdurchführung: 1. Setze die Schutzbrille auf. 2. Fülle das Reagenzglas mit 3 Spatelspitzen Kupfersulfatpentahydrat und halte es mit dem Reagenzglashalter leicht waagerecht in die nicht leuchtende Brennerflamme. Beobachtung: Erklärung: Energie Merke: Reaktionsgleichung: Reaktionsverlauf

7 15. Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz 11 von 24 M 6 Wie reinige ich meine Kontaktlinsen? Das Kontaktlinsenforum Tipps und Tricks rund um Kontaktlinsen Thinkstock/iStock Thema: Günstige Kontaktlinsenpflegemittel Ich ärgere mich über die hohen Preise der Kontaktlinsenpflegemittel. Kann mir jemand ein günstiges empfehlen? Da ich vom Fach bin, stelle ich mir ein billiges Pflegemittel selbst her: Wasserstoffperoxid, welches ich in der Apotheke kaufe, ist ein gutes Desinfektionsmittel. In diesem bewahre ich die Kontaktlinsen über Nacht auf. In einigen Aufbewahrungsbehältern befindet sich unten Platin, wie du vielleicht weißt. Das Wasserstoffperoxid reagiert zu Sauerstoff und Wasser. Der Sauerstoff entfernt Schmutz und Keime. Morgens spüle ich die Linse mit Leitungswasser ab und setze sie ein. Thinkstock/iStock

8 12 von Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz M 7 Kontaktlinsenreinigung Schülerversuch: Wie reinigt Wasserstoffperoxid die Kontaktlinsen? Vorbereitung: 5 min Durchführung: 10 min Thinkstock/iStock Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte r Wasserstoffperoxidlösung, c 5 % r Reagenzglas r Reagenzglasständer r Glimmspan r Mangan(IV)-oxid (Braunstein) Achtung: Wasserstoffperoxidlösung ist ätzend, darf also nicht auf die Haut oder die Kleidung geraten. Entsorgung: Über Nacht unter dem Abzug fertig reagieren lassen und dann in den Schwermetallbehälter geben. Versuchsdurchführung: 1. Setze die Schutzbrille auf. 2. Fülle das Reagenzglas 1/3 voll mit der Wasserstoffperoxidlösung. 3. Lass dir dann von deinem Lehrer eine Spatelspitze Braunstein in das Reagenzglas füllen. 4. Nun musst du schnell sein: Zünde den Glimmspan an und puste ihn aus, sodass er nur noch glüht. Halte ihn in das Reagenzglas. 5. Berühre das Reagenzglas vorsichtig mit dem Handrücken. Beobachtung: Erklärung: Energiediagramm: Energie Reaktionsverlauf

9 15. Chemische Reaktionen unter dem Aspekt Energieumsatz 15 von 24 M 9 Katalysatoren und unser Körper Auch im Stoffwechsel von Zellen fällt regelmäßig das stark oxidierend wirkende Zellgift Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) an. Es wird durch das Enzym Katalase, das z. B. im Lebergewebe vorkommt, abgebaut und unschädlich gemacht. Wie das funktioniert? Führe den Versuch durch und finde es heraus. Schülerversuch: Enzyme als Katalysatoren Vorbereitung: 5 min Durchführung: 10 min Colourbox.de Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte r Wasserstoffperoxidlösung, c 5 % r 2 Reagenzgläser r Messzylinder 10 ml r rohe Kartoffel r Glimmspan r gekochte Kartoffel r Messer Achtung: Auch Kartoffeln enthalten das Enzym Katalase. Somit musst du nicht mit roher Leber arbeiten. Entsorgung: Die Kartoffelstücke können gründlich abgewaschen im normalen Mülleimer entsorgt werden. Stark verdünnt kann Wasserstoffperoxid dem Abwasser zugeführt werden. Die Verdünnung muss allerdings so stark sein, dass die Wasserstoffperoxidlösung sicher unter 3 % verdünnt wird. Versuchsdurchführung: 1. Setze die Schutzbrille auf. 2. Stelle sowohl aus der rohen wie auch aus der gekochten Kartoffel kleine Stifte her. 3. Gib einige Stifte in beide Reagenzgläser. 4. Gib nun 2 ml Wasserstoffperoxidlösung dazu. 5. Zünde den Glimmspan an und puste ihn aus, sodass er nur noch glüht. 6. Führe den Glimmspan in das Reagenzglas ein. Beobachtung: Erklärung: