Übersicht zu den weiteren thematischen Einsatzmöglichkeiten

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1 Inhaltsverzeichnis Übersicht zu den weiteren thematischen Einsatzmöglichkeiten der Aufgaben 9 Einleitende Bemerkungen 11 Überlegungen zur Aufgabenerstellung 11 Hinweise zum Aufbau der Publikation 12 Anlage 1: Gemeinsame Lehrplanthemen von Realschule und Gymnasium 14 Anlage 2: Operatoren 15 Anlage 3: Aufgabenvariationen zum Thema Lösungswärme 16 Anlage 4: Ideen zur Aufgabenerstellung 18 Anlage 5: Auswahl an Bezugsquellen für Chemikalien, Materialien und Geräte 21 Anlage 6: Weiterführende Literatur und Links 22 Grundlegende Artikel 23 Prof. Dr. Michael A. Anton: Von der Geräte- und Chemikalienkunde zur Hypothesenprüfung Die Entwicklung des Eperimentierens und Argumentierens im Chemieunterricht 23 Gregor von Borstel/ Andreas Böhm: Chemieunterricht macht Spaß! - Kreative Eperimente mit medizintechnischen Geräten 26 Dr. David-S Di Fuccia: Schülereperimente im Chemieunterricht 39 Prof. Dr. Katrin Sommer/ Dr. Susanne Metzger: Schülerübungen im Chemieunterricht der Realschule in Bayern Zwischen Lehrplan, Schulalltag und Bildungsstandards 47 Dr. Torsten Witteck/ Prof. Dr. Ingo Eilks: Offenes Eperimentieren und kooperatives Lernen in der Lernfirma ein Beispiel zur Stofftrennung für den Chemieanfangsunterricht 59

2 Eperimentelle Aufgabenstellungen 69 Umgang mit Chemikalien und Geräten 69 1 Safety first: Chemiesaalrallye (S. 69) 2 Auffangen von Gasen (S. 82) Stoffeigenschaften und Reinstoffe 85 3 Wer gehört zusammen? (S. 85) 4 Leitfähigkeit von festen Stoffen und Flüssigkeiten (S. 88) 5 Es ist nicht alles Gold was glänzt! Dichte von Metallspitzern (S. 92) Stoffgemische 95 6 Wie viel Sauerstoff ist in der Luft? (S. 95) Trennverfahren Stofftrennungsolympiade (S. 100) 8 Trennung eines Stoffgemisches (S. 106) 9 Branntwein selbst herstellen (S. 109) Teilchenmodell Keschern von Teilchen (S. 112) Chemische Reaktion Low-cost-Hofmann (S. 115) 12 Volumenverhältnisse bei der Wassersynthese (S. 118) 13 Das Gesetz der konstanten Proportionen (S. 121) 14 Unlöschbare Magnesium-Brände (S. 124) Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Energie in Karamell (S. 128) 16 Knallgasreaktion mit Katalysator (S. 131) 17 Den Blondierungsmitteln auf der Spur (S. 134) Formeln und Reaktionsgleichungen Kupfersulfid ein Reinstoff? (S. 137) Stoffmengenbezogene Größen Masse bei chemischen Reaktionen (S. 142) Metalle und Metallbindung Eisenherstellung im Hochofen (S. 145)

3 21 Wundersame Steine (Variante 1) (S. 149) 22 Wundersame Steine (Variante 2) (S. 153) Salze und Ionenbindung Salz ist nicht gleich Salz temperaturabhängige Löslichkeiten von verschiedenen Salzen (S. 157) Wechselwirkungen zwischen Teilchen Lösungswärme (S. 162) Redoreaktionen Macroscale-Elektrolyse einer Zinkiodidlösung (S. 165) 26 Zink ist nicht gleich Zink! Microscale-Elektrolyse einer Zinkiodidlösung (S. 168) 27 Galvanisieren von metallischen Werkstücken (S. 173) 28 Redoreihe der Halogene (S. 176) 29 Korrosionsschutz Wir vermeiden Redoreaktionen! (S. 179) 30 Der Chlorreinigerunfall (S. 188) 31 MacGyverismus (S. 192) 32 Redospektakel (S. 195) Säure-Base-Reaktionen Das Springbrunneneperiment (S. 198) 34 Neutralisation (S. 200) 35 Wer ist die Stärkste hier? (S. 202) Kohlenwasserstoffe Eigenschaften organischer Verbindungen (Aufgabe 1) Wo ist das Styropor geblieben? (S. 205) 37 Eigenschaften organischer Verbindungen (Aufgabe 2) Enthält Iodtinktur Iod? (S. 208) 38 Eigenschaften organischer Verbindungen (Aufgabe 3) Zucker oder Salz? (S. 211) 39 Eigenschaften organischer Verbindungen (Aufgabe 4) Achtung Eplosionsgefahr! (S. 216) 40 Pyrolyse (S. 222) 41 Gruppenarbeit zum Thema Tankerunglück (S. 229) Organische Verbindungen mit Sauerstoffatomen Löslichkeit von Alkanolen (Variante 1) (S. 236) 43 Löslichkeit von Alkanolen (Variante 2) (S. 239) 44 Strukturaufklärung von Ethanol (S. 242) 45 Glycerin Von Schülern untersucht (S. 246) Biomoleküle Cyclodetrine Kohlenhydrate als Geruchskiller (S. 250) 47 Denaturierung von Proteinen/ Enzymen (S. 255)

4 48 Woraus besteht Fett? (S. 259) 49 Herstellung von Estern (S. 264) 50 Falten weg! mit Polyester (S. 267) 51 Das who-is-who der Zucker (S. 270) 52 Vitamin C (S. 274) Analytik Flammenfarben (S. 276) 54 Qualitative Elementaranalyse von Feuerzeuggas (S. 285) 55 Der Lagerbrand Chaos bei den Silberhalogeniden (S. 288) 56 Schwer lösliche Salze (S. 294) 57 Coca-Cola gesund oder ungesund? (S. 299) 58 Küchenanalytik Hausmittel unter der Lupe! (S. 305) 59 Fotosynthese oder Zellatmung? (S. 317) Chemie im Alltag Backpulver-Chemie (S. 320) Impressum 323

5 Inhaltlicher Themenbereich Anforderung an die eperimentelle Umsetzung Lehrer- oder Schülereperiment Schülereigenständigkeit Trennverfahren ** S X Lehrerinformation Erstellt von Wolf Kraus 8 - Trennung eines Stoffgemisches Vorwissen der Schüler Stoffgemische; Trennverfahren Weitere thematische Einsatzmöglichkeiten --- Ziele der Aufgabenstellung und Hinweise zum Einsatz im Unterricht Die Schüler sollen üben, selbstständig Versuche zu planen, aufzubauen und durchzuführen. Es bietet sich an, die Klasse im Übungsraum in Tür- und Fensterreihe zu unterteilen, die jeweils parallel evtl. mit Wettkampfcharakter arbeiten. Sobald sich die Schüler einer Bankreihe auf einen praktikablen Vorschlag für ein sinnvolles Vorgehen zur Stofftrennung geeinigt haben (die Lehrkraft sollte evtl. Planungsfehler zulassen!), dürfen sie in Kleingruppen die Versuchsanordnungen bauen. Eventuell benötigte Materialien werden von der Lehrkraft bereitgestellt. An jedem Schülertisch wird dabei nur ein Trennverfahren aufgebaut. Im Anschluss werden die Trennverfahren entsprechend den Schülervorschlägen durchgeführt. Um Leerlauf bei den gerade nicht beteiligten Schülern zu vermeiden, fertigen diese in der Zwischenzeit das entsprechende Versuchsprotokoll an. In einer anschließenden Präsentationsphase stellen die Gruppen jeweils ihren Lösungsvorschlag dem Plenum vor. Naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg Fragestellung Hypothese Planung Durchführung Auswertung Interpretation Zuständigkeiten beim Eperimentieren L L + S S Anlagen und Word-Datei Schülermaterial CD-ROM: 08-D-Trennung-Stoffgemisch.doc Geräte/ Materialien Geräte für eine Destillationsapparatur, Trichter, Filter, Reagenzgläser, Magnete, Uhrgläser oder Petrischalen, Teesieb Chemikalien Polypropen-Stückchen Glasscherben Kochsalz Ethanol, [F; R: 11; S: 7-16] Eisenpulver, [F; R: 11; S: 16] Eperimentelle Durchführung Nur nach Vorlage eines schriftlichen Versuchsplans erhält die Gruppe die benötigten Materialien sowie das zu trennende Stoffgemisch. Vor einer Destillation muss natürlich etwas Wasser hinzu gegeben werden, um eine ausreichende Flüssigkeitsmenge zu erhalten. Besondere Hinweise zur Durchführung Wird zum ersten Mal ein etwas kompleerer Versuchsaufbau von den Schülern zusammengebaut (z.b. Destillation), benötigen sie bezüglich der Arbeit mit dem Stativmaterial oftmals noch Hilfestellungen. Schutzbrille 106

6 Lösungsansatz und Hinweise zur Auswertung des Eperiments 1. Dichte in g/cm³ Löslichkeit in Wasser (bei 22 C) Schmelztemperatur in C Siedetemperatur in C Magnetisierbarkeit Polypropylen 0,9 nein 160 bis nein Kochsalz 2, g/l nein Eisen 7,87 nein ja Ethanol 0,79 beliebig 114,4 78,37 nein Wasser 1 ja nein Glas ca. 2,5 nein ca nein 2. Polypropylen Kochsalz Eisen Glas Ethanol Wasser Schwimm-Sink-Verfahren (Dichte) Eisen Kochsalz Glas Ethanol Wasser Polypropylen Filtration (Teilchengröße) Ethanol Wasser Kochsalz Eisen Glas Trocknen / Magnettrennung (Magnetisierbarkeit) Eisen Glas Destillation (Siedetemperatur) Wasser Kochsalz Ethanol Verdunstung / Abdampfen (Siedetemperatur) Kochsalz Wasser 107

7 Anlage: Schülermaterial So eine Sauerei! Aufgabe/ Arbeitsauftrag Birger möchte Herrn Kraus helfen, ein Gefäß mit Kochsalz aus der Chemie-Vorbereitung in den Übungssaal zu tragen. Dabei packt er dieses versehentlich nur am Deckel und behält diesen und leider nur diesen in seiner Hand das Glasgefäß zerspringt am Boden in viele winzig kleine Stücke. Guten Willens kehrt Birger die Scherben zusammen mit dem Kochsalz auf und füllt alles in ein Becherglas, das scheinbar schon andere Abfälle enthält. Der heraneilende Kollege Herr Pistohl protestiert zu spät, da er darin für seine Schülerübung zur Stofftrennung bereits mühevoll ein Gemisch aus Eisenpulver, Alkohol (Ethanol), Kunststoffkügelchen aus Polypropen und Wasser zusammengestellt hat. Zur Strafe muss Birger nun das Stoffgemisch wieder trennen - allein auf das Wasser möchte der Kollege verzichten. 1. Recherchiere die Eigenschaften der genannten Stoffe, die sich für eine Stofftrennung ausnutzen ließen und stelle sie in einer Tabelle zusammen. 2. Schlage (schriftlich!) unter der jeweiligen Angabe des Trennverfahrens sowie der ausgenutzten Stoffeigenschaft ein Verfahren vor, um letztlich alle Stoffe wieder voneinander zu trennen! 3. Baut in Kleingruppen die Gerätschaften für je ein Trennverfahren zusammen und führt die Trennverfahren entsprechend eurem Plan nacheinander durch. 4. Haltet Euer Vorgehen in Form eines Protokolls fest. Geräte/ Materialien Geräte für eine Destillationsapparatur, Trichter, Filter, Reagenzgläser, Magnete, Uhrgläser oder Petrischalen, Teesieb Chemikalien Polypropen-Stückchen Glasscherben Kochsalz Ethanol, [F; R: 11; S: 7-16] Eisenpulver, [F; R: 11; S: 16] Eperimentelle Durchführung Nur nach Vorlage eines schriftlichen Versuchsplans beim Lehrer erhaltet ihr die benötigten Materialien sowie das zu trennende Stoffgemisch. Besondere Hinweise zur Durchführung Schutzbrille 108

8 Inhaltlicher Themenbereich Anforderung an die eperimentelle Umsetzung Lehrer- oder Schülereperiment Schülereigenständigkeit Metalle und Metallbindung * S X Lehrerinformation Erstellt von Holger Gottschalk 21 - Wundersame Steine (Variante 1) Vorwissen der Schüler Metalle, Metalloide, Reaktionsgleichungen, Wertigkeit Weitere thematische Einsatzmöglichkeiten Redoreaktionen als Sauerstoffübertragungsreaktionen Ziele der Aufgabenstellung und Hinweise zum Einsatz im Unterricht Im Vorfeld haben die Schüler die Ionenbindung sowie die Synthese verschiedener Salze aus Metallen und Nichtmetallen kennen gelernt. Die Elektrolyse als Umkehrung der Salzbildung und/oder der Hochofenprozess zur Herstellung von Metallen aus Metallerzen bieten sich an, um in die Thematik Darstellung eines Metalls aus einem Salz einzuführen. Vor allem der Hochofenprozess liefert gute Voraussetzungen und Vorwissen für die Schüler zur Durchführung dieses Eperiments. Schwierig hierbei ist der Zwischenschritt über Kupferoid zum Kupfer. Das Rösten des Malachits wird hier nicht eplizit angesprochen, sondern ergibt sich erst bei der genauen Planung des Versuchs. Die abgestuften Hilfekärtchen erleichtern das Aufstellen der Reaktionsgleichung. Die abgestuften Lernhilfen liefern Anhaltspunkte, die den Schülern die Auswertung des Versuchs ermöglichen. Naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg Fragestellung Hypothese Planung Durchführung Auswertung Interpretation Zuständigkeiten beim Eperimentieren L L + S S Anlagen und Word-Datei Schülermaterial: Arbeitsauftrag und Hilfekärtchen CD-ROM: 21-K-Malachit_Var1.doc Geräte/ Materialien Gasbrenner, Reagenzgläser, Stativmaterial, Holzrührstäbchen, Behälter zum Sammeln von Kupferresten, ggf. Mörser mit Pistill Chemikalien 3g Malachit (CuCO 3 *Cu(OH) 2 ), [Xn; R: 22-36/37/38; S: 22-36] 0,16g Holzkohlepulver Eperimentelle Durchführung Die begrenzte Auswahl an Geräte und die vorgegebene Menge der Chemikalien (3g Malachit und 0,16g gepulverte Holzkohle) erlaubt den Schülern zum Beispiel folgende Durchführung: Ein Reagenzglas wird am Stativ senkrecht eingespannt. Das Malachit wird zugegeben und mit dem Gasbrenner erhitzt. Es bildet sich schwarzes Kupferoid. Danach wird das Holzkohlepulver zugegeben und mit dem Kupferoid vermischt. Durch Quereinspannen des Reagenzglases wird nun die Kontaktoberfläche zwischen Kohle und Kupferoid erhöht (Hinweis siehe unten). Durch starkes Erhitzen des Gemischs glüht dieses gänzlich durch. Es entsteht pulvriges Kupfer. Durch hinzugefügtes Wasser kann der rote Feststoff (setzt sich ab) von Kohleresten (nicht reagiertes Edukt) getrennt werden. 149

9 Besondere Hinweise zur Durchführung Schutzbrille! Die 3g Malachit und 0,16g Holzkohlepulver vorab abwiegen und an die Schüler (wenn von diesen gefordert) ausgeben. Schüler, die Malachit sofort mit Holzkohlepulver vermengen und erhitzen, werden zu keinem, bzw. sehr schlechten Versuchsergebnissen kommen. Die Reduktion des Kupferoids mit Kohlenstoff gelingt am besten, wenn eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den beiden Ausgangsstoffen hergestellt wird. Dazu sind prinzipiell zwei Wege denkbar: das Holzkohle/CuO- Gemisch wird mit einem Holzstab im Reagenzglas gemischt und letzteres wird schräg eingespannt oder das entstandene Zwischenprodukt CuO wird im Mörser mit Holzkohle gut zermörsert. Kein Wasser in das noch heiße Reagenzglas kippen lassen. Die abgestuften Hilfen nicht austeilen, sondern gesondert am Lehrerpult liegen lassen. Die Schüler kommen nach vorne, lesen den Hinweis durch, lassen die Hilfekarten am Pult liegen und verarbeiten die Information an ihrem Platz weiter. Lösungsansatz und Hinweise zur Auswertung des Eperiments Die Schüler planen zeichnerisch ihre Versuchsdurchführung. Anhand des Aufbaus und der selbst erstellten Vorgehensweise führen sie das Eperiment durch. Die Hypothese des Chemielehrers erweist sich als richtig. Die Reaktionsgleichung könnte wie folgt aussehen: 1. Schritt: CuCO 3 CuO + CO 2 Cu(OH) 2 CuO + H 2 O CuCO 3 *Cu(OH) 2 2 CuO + H 2 O + CO 2 2. Schritt: 2 CuO + C CO Cu Vor allem der erste Schritt erweist sich als schwierig, da die chemische Formel für Malachit ungewöhnlich aussieht. Durch die abgestufte Lernhilfe sollte diese Problematik umgangen werden. 150

10 Anlage: Schülermaterial Wundersame Steine Arbeitsauftrag Beim Zelten machen Susi und Tom ein kleines Lagerfeuer. Um die Feuerstelle zu sichern, legen sie kreisförmig Steine um die brennenden Holzscheite. Tom findet besonders große Steine, die auffällige, grüne Streifen besitzen. Während das Feuer so vor sich hin brennt, möchte er Susi die schönen Steine zeigen. Aber die vorher grünen Stellen sind komplett schwarz geworden. Die beiden stellen schnell fest, dass es sich nicht um Ruß handelt, der an den Steinen haftet, da durch Reiben die Grünfärbung nicht mehr wieder herzustellen ist. Später dann, als das Feuer nur noch aus glühender Holzkohle besteht, legen die beiden die Steine mit den schwarzen Streifen nach unten auf die sehr heiße Kohle. Sie versuchen dabei eine möglichst große Fläche zwischen Holzkohle und Steinen herzustellen. Somit sichern sie die Feuerstelle vor Funkenflug. Während Tom und Susi schlafen gehen glüht die Holzkohle mit den Steinen darauf weiter durch. Als die beiden am nächsten Morgen aufstehen und die Feuerstelle mit Wasser ablöschen, bemerken sie, dass die schwarzen Streifen auf den Steinen nun rot geworden sind. Sie nehmen einen der Steine mit in die Schule und zeigen ihn ihrem Chemielehrer. Der meint zu ihrer Geschichte nur: Ihr habt wahrscheinlich Steine gefunden die Malachit- Stellen besaßen und daraus dann versehentlich Kupfer hergestellt. Das wollen Tom und Susi noch mal selbst nachprüfen. Geräte/ Materialien Gasbrenner, Reagenzgläser, Stativmaterial, Holzrührstäbchen, Mörser mit Pistill Chemikalien 3g Malachit (CuCO 3 *Cu(OH) 2 ), [Xn; R: 22-36/37/38; S: 22-36] 0,16g Holzkohlepulver Eperimentelle Durchführung: Fertige für sämtliche Aufgaben ein Protokoll an! Falls du nicht weiterkommst, nutze die Hilfekärtchen am Lehrerpult! 1. Erstelle für die beiden eine geeignete Versuchsanleitung mit den hier angegebenen Materialien. 2. Überprüfe dann mit Deiner Versuchsanordnung eperimentell die Aussage des Chemielehrers. 3. Kupfer(II)-hydroid-carbonat (CuCO 3 *Cu(OH) 2 ) ist der wissenschaftliche Name des Malachits. Durch starkes Erhitzen werden Kohlenstoffdioid und Wasser aus dem Malachit freigesetzt. Der daraus entstehende schwarze Stoff kann dann mit Holzkohle zu reinem Kupfer reagieren. Um welchen schwarzen Stoff handelt es sich hierbei? Erstelle für die chemischen Reaktionen die hier ablaufen Reaktionsgleichungen. Besondere Hinweise zur Durchführung Schutzbrille! Kein kaltes Wasser in das heiße Reagenzglas geben! Kupfersalze dürfen nicht ins Abwasser gelangen. Reste in den ausstehenden Behälter am Pult geben! geschliffener Malachiteinschluss 151

11 Anlage: Abgestufte Hilfen Hilfen zur Aufgabe 3 Wundersame Steine Lösungen auf der Rückseite! Hilfe 1: Nimm für die Formel von Malachit an, dass es sich hier um ein Gemisch zweier Stoffe handelt, nämlich CuCO 3 und Cu(OH) 2 die im Verhältnis 1:1 aneinandergebunden sind. Hilfe 2: Es handelt sich um zwei getrennte Reaktionen. Erstens, die Zersetzung von Malachit, zweitens die Analyse des schwarzen Stoffes. Du hast hoffentlich auch zwei getrennte Versuche durchgeführt! Hilfe 3: Es entstehen Wasser und Kohlenstoffdioid! Der schwarze Feststoff der bei der ersten Reaktion übrig bleibt ist Kupfer(II)-oid! Lösung zu Hilfe 2: Zuerst wird das Kupfercarbonat und das Kupferhydrooid in das Oid ü- berführt (= Rösten ). Danach reagiert der schwarze Feststoff in einer zweiten Reaktion mit reinem Kohlenstoff zu Kupfer. Lösung zu Hilfe 3: Kupferoid CuO bildet sich neben Wasser und Kohlenstoffdioid. Hilfe 4: Bei der zweiten Reaktion entsteht neben dem Kupfer auch noch ein farbund geruchloses Gas. Dieses wird immer bei der Verbrennung von Kohle freigesetzt! Lösung zu Hilfe 4 CO 2 bildet sich. Hilfe 5: Malachit zersetzt sich unter Hitzeeinwirkung in CO 2, H 2 O und CuO. Mit Kohlenstoff und unter starkem erhitzen bildet sich Cu und CO 2 Lösung zu Hilfe 5: CuCO 3 CuO + CO 2 Cu(OH) 2 CuO + H 2 O 2 CuO + C CO Cu 152