"Erkläre es mir, und ich werde es vergessen. Zeige es mir, und ich werde mich erinnern. Lass es mich selber tun, und ich werde es verstehen.

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1 Chemie macht Spaß! Chemistry is fun! kompetenzorientierte Unterrichtsplanung im Chemieunterricht Gregor von Borstel, KT Köln, Team LNCU, "Erkläre es mir, und ich werde es vergessen. Zeige es mir, und ich werde mich erinnern. Lass es mich selber tun, und ich werde es verstehen." Konfuzius

2 Inhaltsverzeichnis Kompetenzbereiche in Bildungsstandards und Kernlehrplänen... 3 Werbung als Kontext Löslichkeit von Sauerstoff... 5 Auszug aus der Freiarbeit Luft kreatives Experimentieren und mehr... 9 Egg-Race Feuerlöscher Egg-Race Säuren im Haushalt "Von Kältepacks und heißem Kakao..." zu Latentwärmekissen Lösungsenthalpien von Salzen Tipps und troubleshooting im Handbuch ChemZ alles Weitere sowie die Ideen und Materialien finden Sie unter J Gregor von Borstel Seite 2 von 67

3 Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen (KMK 2004) Quelle: Stand 11/2008 Chemische Phänomene, Begriffe, Gesetzmäßigkeiten kennen und Konzepten zuordnen Die Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen werden nach den ausgewiesenen Basiskonzepten gegliedert: F 1 Stoff-Teilchen-Beziehungen Die Schülerinnen und Schüler... o F 1.1 nennen und beschreiben bedeutsame Stoffe mit ihren typischen Eigenschaften. o F 1.2 beschreiben modellhaft den submikroskopischen Bau ausgewählter Stoffe. o F 1.3 beschreiben den Bau von Atomen mit Hilfe eines geeigneten Atommodells. o F 1.4 verwenden Bindungsmodelle zur Interpretation von Teilchenaggregationen, räumlichen o Strukturen und zwischenmolekularen Wechselwirkungen. o F 1.5 erklären die Vielfalt der Stoffe auf der Basis unterschiedlicher Kombinationen und o Anordnungen von Teilchen. F 2 Struktur-Eigenschafts-Beziehungen Die Schülerinnen und Schüler... o F 2.1 beschreiben und begründen Ordnungsprinzipien für Stoffe, z.b. mit ihren typischen o Eigenschaften oder mit charakteristischen Merkmalen der Zusammensetzung und o Struktur der Teilchen. o F 2.2 nutzen ein geeignetes Modell zur Deutung von Stoffeigenschaften auf Teilchenebene. o F 2.3 schließen aus den Eigenschaften der Stoffe auf ihre Verwendungsmöglichkeiten und o auf damit verbundene Vor- und Nachteile. F 3 chemische Reaktion Die Schülerinnen und Schüler... o F 3.1 beschreiben Phänomene der Stoff- und Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen. o F 3.2 deuten Stoff- und Energieumwandlungen hinsichtlich der Veränderung von Teilchen und des Umbaus chemischer Bindungen. o F 3.3 kennzeichnen in ausgewählten Donator-Akzeptor-Reaktionen die Übertragung von Teilchen und bestimmen die Reaktionsart. o F 3.4 erstellen Reaktionsschemata/Reaktionsgleichungen durch Anwendung der Kenntnisse über die Erhaltung der Atome und die Bildung konstanter Atomzahlenverhältnisse in Verbindungen. o F 3.5 beschreiben die Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen. o F 3.6 beschreiben Beispiele für Stoffkreisläufe in Natur und Technik als Systeme chemischer Reaktionen. o F 3.7 beschreiben Möglichkeiten der Steuerung chemischer Reaktionen durch Variation von Reaktionsbedingungen. F 4 energetische Betrachtung bei Stoffumwandlungen Die Schülerinnen und Schüler... o F 4.1 geben an, dass sich bei chemischen Reaktionen auch der Energieinhalt des Reaktionssystems durch Austausch mit der Umgebung verändert. o F 4.2 führen energetische Erscheinungen bei chemischen Reaktionen auf die Umwandlung o eines Teils der in Stoffen gespeicherten Energie in andere Energieformen zurück. o F 4.3 beschreiben die Beeinflussbarkeit chemischer Reaktionen durch den Einsatz von Katalysatoren. Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen Die Schülerinnen und Schüler... Gregor von Borstel Seite 3 von 67

4 o E 1 erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe chemischer Kenntnisse und Untersuchungen, insbesondere durch chemische Experimente, zu beantworten sind. o E 2 planen geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypothesen. o E 3 führen qualitative und einfache quantitative experimentelle und andere Untersuchungen durch und protokollieren diese. o E 4 beachten beim Experimentieren Sicherheits- und Umweltaspekte. o E 5 erheben bei Untersuchungen, insbesondere in chemischen Experimenten, relevante Daten oder recherchieren sie. o E 6 finden in erhobenen oder recherchierten Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen, erklären diese und ziehen geeignete Schlussfolgerungen. o E 7 nutzen geeignete Modelle (z.b. Atommodelle, Periodensystem der Elemente) um chemische Fragestellungen zu bearbeiten. o E 8 zeigen exemplarisch Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und Erkenntnissen der Chemie auf. Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen Die Schülerinnen und Schüler o K 1 recherchieren zu einem chemischen Sachverhalt in unterschiedlichen Quellen. o K 2 wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus. o K 3 prüfen Darstellungen in Medien hinsichtlich ihrer fachlichen Richtigkeit. o K 4 beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und/oder mit Hilfe von Modellen und Darstellungen. o K 5 stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her und übersetzen dabei bewusst Fachsprache in Alltagssprache und umgekehrt. o K 6 protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von Untersuchungen und Diskussionen in angemessener Form. o K 7 dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit situationsgerecht und adressatenbezogen. o K 8 argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig. o K 9 vertreten ihre Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und reflektieren Einwände selbstkritisch. o K 10 planen, strukturieren, reflektieren und präsentieren ihre Arbeit als Team. Standards für den Kompetenzbereich Bewertung Chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten Die Schülerinnen und Schüler... o B 1 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen chemische Kenntnisse bedeutsam sind. o B 2 erkennen Fragestellungen, die einen engen Bezug zu anderen Unterrichtsfächern aufweisen und zeigen diese Bezüge auf. o B 3 nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen. o B 4 entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen, die unter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie beantwortet werden können. o B 5 diskutieren und bewerten gesellschaftsrelevante Aussagen aus unterschiedlichen Perspektiven. o B 6 binden chemische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein, entwickeln Lösungsstrategien und wenden diese an. Gregor von Borstel Seite 4 von 67

5 Kontext Werbung - Active O2 Fachwissen und Bewertung Gregor von Borstel Seite 5 von 67

6 BEWERTENDE EXPERIMENTE ACTIVE O 2 Gregor von Borstel, Andreas Böhm, Oliver Hahn und Herbert Welter Powerstoff mit Sauerstoff?" Kritisches Hinterfragen von Werbeaussagen Die Inhalte dieses Artikels wurden verändert in der MNU 7/2006 veröffentlicht Film etc. finden Sie unter Lösungen zum Problem s. auch Handbuch ChemZ am Ende des Skripts Kurzfassung Ausgehend von der Bewerbung des sauerstoffhaltigen Getränkes Active O2 wird untersucht, wie viel Sauerstoff sich in Wasser lösen kann. Sämtliche Experimente lassen sich kostengünstig, sicher und umkompliziert mit medizintechnischen Geräten durchführen. Die Verknüpfung mit der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler ermöglicht neben einer Einführung der Löslichkeit von Gasen auch Berechnungen zu den Gasgesetzen oder zum Massenwirkungsgesetz. Dabei liefert der motivierende Aufhänger die Chance zur kritischen Auseinandersetzung mit Werbeaussagen. Hintergrund Seit 2001 befindet sich das Getränk Active O2 auf dem Markt. Das Produkt selbst ist ein Sauerstoffwassergetränk, d.h. es ist angereichert mit der 15- fachen Menge an Sauerstoff, verglichen mit einem konventionellen Mineralwasser. Active O2 ist gegenwärtig in der Sport- und Outdoorszene als Powerstoff zum Auftanken sehr gut positioniert, was ständig steigende Absatzzahlen zeigen [1], es ist somit einer Vielzahl von Schülerinnen und Schülern bekannt. Eine Anfrage beim Hersteller ergab, dass der Sauerstoff unter Veränderung der physikalischen Parameter Druck und Temperatur unter starker Verwirbelung in das Wasser eingebracht wird. Der Sauerstoff ist dann rein physikalisch im Wasser gelöst. Nach dem Öffnen der Flasche dauert es überraschend lange, bis der Sauerstoff langsam entweicht und sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt. [2] Mittlerweile gibt es eigene Sauerstoffspender [3] diese kann man ebenso als Aufhänger der Stunde verwenden. Kurzbeschreibung einer möglichen Umsetzung Der Sachverhalt bietet zahlreiche Aufhänger für die Klassenstufen 7 bis 12. Ausgehend von der Werbung für das Getränk (z.b. als Flasche, Folie oder aber als kleiner Film [4]) wird geklärt, wer dieses Getränk schon genossen hat, was es kostet und welches Gas der Hersteller als "Sprudel" nimmt. Hier wird die Frage aufgeworfen, warum das Getränk so beliebt ist und was sich konkret hinter der Werbeaussage, das Getränk enthalte 15 mal mehr Sauerstoff als herkömmliches Mineralwasser, verbirgt. Experimentell lässt sich dies auf zweierlei Wegen hinterfragen: zum einen kann man das Getränk nehmen und durch Auskochen alles Gas austreiben. Das so gewonnene Gas untersucht man durch einfache Nachweisreaktionen darauf, ob es sich im Wesentlichen um Sauerstoff handelt. Einen etwas anderen Weg beschreitet man, wenn die Schülerinnen und Schüler untersuchen lässt, wie viel Sauerstoff sich tatsächlich bei Raumtemperatur und Normaldruck in Wasser löst. Beide Experimente lassen sich sehr einfach mit medizintechnischen Geräten als Partnerarbeit durchführen [5]: Das Gas kann man direkt aus einer Flasche Active O2 austreiben. Dazu ersetzt man den Verschluss Gregor von Borstel Seite 6 von 67

7 BEWERTENDE EXPERIMENTE ACTIVE O 2 durch einen passenden Stopfen (ca. 22x17mm), durch den man zuvor eine Spritzenkanüle und gegebenenfalls ein Thermometer gebohrt hat. Will man die Flasche nicht öffnen, stülpt man über den Flaschenverschluss ein Stück abgequetschten, alten Fahrrad - oder Silikonschlauch zur Abdichtung und durchbohrt Schlauch und Verschluss mit der Kanüle. Die Kanüle verbindet man in beiden Fällen (gegebenenfalls über eine Heidelberger Verlängerung und einen Hahn) gasdicht mit einer leicht laufende Luer-Lock Spritze zum Auffangen des Gases. Die Flasche erwärmt man im Wasserbad. Stellt man beide Versuche nebeneinander, erhält man einen Vergleich zwischen verschlossener und trinkfertiger, geöffneter Flasche. Im Mittel ergaben die Versuche eine Menge von ca. 150mL Gas pro halbem Liter Active O2, weitaus weniger aus einer geöffneten Flasche. Versuche einer Jugend-forscht Gruppe am Gymnasium Nonnenwerth zeigten, dass beim Öffnen der Flasche bereits ca. die Hälfte der gelösten Gasmenge entweicht. Um zu überprüfen, ob man tatsächlich Sauerstoff oder daneben vielleicht auch noch Kohlenstoffdioxid aufgefangen hat, leitet man etwas Gas pneumatisch in ein Reagenzglas um und führt die Glimmspanprobe durch. Dann spritzt man den Rest des aufgefangenen Gases mit Hilfe einer flexiblen Kunststoffkanüle durch wenige ml Kalkwasser. Prinzipiell kann man durch Überleiten über heißes Kupfer oder Eisen die Menge an Sauerstoff auch quantitativ erfassen. Sehr leicht kann man auch ohne Kolbenprober herausfinden, wie viel Sauerstoff sich in einer vorgegebenen Menge Wasser überhaupt lösen. Dazu werden zwei Spritzen gasdicht miteinander verbunden, in die eine füllt man 40mL abgekochtes Wasser, in die andere im Überschuss Sauerstoff. Das Gas wird solange durch das Wasser gedrückt, bis sich kein weiteres löst. Verblüfft stellen die Schüler fest, das dies in der Regel nur 1mL ist (31ml O2 pro L Wasser bei 20 C [6]). Damit wird die Aussage, dass in der Flasche 15-mal mehr Sauerstoff als in normalem Wasser enthalten sind, zugleich begreifbar und hinterfragt! Genauer kann man mit einem Dreiwegehahn und einer kleinen dritten Spritze arbeiten. Zunächst füllt man wenig Gas aus der einen Spritze in die 1mL Spritze. Dann dreht man den Hahn und versucht, diesen 1 ml im abgekochten Wasser der anderen Spritze zu lösen. Die Ergebnisse können vorgestellt, festgehalten und ggf. auf einen Liter umgerechnet werden. Um wieder auf das Eingangsproblem zurückzukommen, kann man vergleichend ausrechnen, wie viel Sauerstoff man mit einem tiefen Atemzug inkorporieren kann. Vereinfachend geht man von einem maximalen Lungenvolumen von 5L und einem Sauerstoffanteil von 20% aus. Dies soll darauf hinweisen, ob sich der Kauf des Getränkes aufgrund des versprochenen Sauerstoffgehaltes lohnt. Als Auswertung bietet sich an, zu hinterfragen ob wirklich gilt: " Active O2, der Powerstoff mit Sauerstoff". Dazu kann man wahlweise auch die Werbeaussage und die Texte des Herstellers im Netz mit dazu kontroversen Aussagen vergleichen [z.b. 7], gegebenenfalls ist dies Hausaufgabe. Ein abrundendes Stundenende liefert der Impuls, bei wem diese Stunde eine Veränderung hinsichtlich seines Verbraucherverhaltens bewirken könnte. Erweiterung, Vertiefung, Anwendung Schön lässt sich zum Vergleich testen, wie gut sich hingegen Kohlenstoffdioxid in Wasser löst (880mL pro L Wasser [6]), daran kann man auch eine Stunde zum Thema Kohlensäure und andere Sprudler aufziehen. Des weiteren kann man die Erfahrung der Schülerinnen und Schüler, dass Flaschen im Sommer beim Öffnen stärker zischen, nutzen, um den Aspekt der Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit in den Blickpunkt zu ziehen. In der Oberstufe kann man den Zusammenhang zwischen Druck und Löslichkeit (im Rahmen von Gleichgewichtsreaktionen) im Experiment untersuchen [8]. In eine Spritze füllt man Kohlendioxid und Wasser, hinzu gibt man z.b. Mischindikator Nr. 5 oder Universalindikator. Dann verschließt man sie und drückt sie kräftig zusammen, eine Farbveränderung ist zu erkennen. Als Anwendungsaufgabe kann man hinterfragen, was kurze Zeit nach dem Öffnen einer Getränkeflasche mit dem gelösten Gas Gregor von Borstel Seite 7 von 67

8 BEWERTENDE EXPERIMENTE ACTIVE O 2 passiert. Weitere vertiefende Aspekte liefern folgende Impulse: Vergleiche die Menge an gelöstem Sauerstoff in einer Flasche Active O2 mit der Menge, die man pro Atemzug (ca. 1L Luft, 21% davon ist Sauerstoff und ca. 16% wird wieder ausgeatmet) zu sich nimmt. Nimm Stellung zu der Werbeaussage für Active O2 lohnt sich der Kauf aufgrund des vermehrten Sauerstoffangebots deiner Meinung nach? Fazit Warum wird abgekochtes Wasser für den Versuch verwendet? Warum ist es sinnvoll, das Wasser für den Sodastreamer vor dem Sprudeln in den Kühlschrank zu stellen? Viele Tiere leben im Wasser und atmen dort mit Hilfe von Kiemen. Damit entnehmen sie dem Wasser Sauerstoff, der darin gelöst ist. Erkläre kurz, warum ein Aquariumsbesitzer auf die Temperatur des Wassers achten muss. Häufig wird die Menge an gelöstem Sauerstoff in mg/l angegeben wie kann man dies mit Hilfe der Dichte von Sauerstoff (bei Normalbedingungen, also 0 C ca mg/l) in ml/l umrechnen? [mit V/T=const. oder pv=nrt und der Kenntnis vom Molvolumen kann man auch auf 20 C bzw. 293 K umrechnen: 32g entsprechen bei 273,15K 22,42L, bei 293,15K also 24,06L, die Dichte ergibt sich als Masse/Volumen, also 32g/22,06L=1,329g/L] Wir haben den Sachverhalt schon in verschiedenen Stufen und Schulformen durchgeführt, stets waren Motivation und Beteiligung der Schülerinnen und Schüler hoch und es gab zum Ende der Stunden rege Diskussionen. Eine derartige Aufgabenstellung eignet sich in geübteren Kursen auch gut für freie Experimente [9/10]. Die Bewerbung dieses Produktes, welches i. d. R. mit mehr als 1,33 pro Liter vergleichsweise teuer ist, bietet mehr als einen hervorragenden Aufhänger zur Untersuchung der Löslichkeit von Gasen in Wasser der Unterricht wird lebensnah und zeigt die Verknüpfung von Chemie zum Alltag auf! [1] s. Einleitungstext zur prämierten Werbekampagne von 2003, Gesamtverband der Kommunikationsagenturen GWA, [2] Auskunft auf persönliche Anfrage beim Hersteller September 2005 [3] [4] unter kann man stets die aktuelle Werbekampagne als selbstlaufenden Film herunterladen (über Menupunkt Sitemap die Seite Active TV anwählen). [5] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, ChemZ - Chemieunterricht mit medizintechnischem Gerät, Naturwissenschaft im Unterricht Chemie, Heft 81, S.48f [6] Römpp, Chemielexikon, 9. Aufl., Thieme, Stuttgart 1994 [7] z.b. (siehe Menüpunkt Artikel alle Fitness-Infos Artikel> Artikel: Sauerstoffwasser Zaubertrank oder Abzocke?) [8] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, Le Chatelier einmal anders, Gleichgewichtsverschiebungen am Kontext Sprudelwasser, NiU Chemie, Heft 96, Sicher Experimentieren, 6/2006, S [9] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, Bau eines Schaumlöschers - ein Egg-Race mit medizintechnischen Geräten, in NiU Chemie Nr. 75 [10] H. J. Gärtner und Gregor von Borstel, Kohlenstoffdioxid und Wettbewerb, "Egg-Races" in der Sekundarstufe I, Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 78, November 2003 Gregor von Borstel Seite 8 von 67

9 Freiarbeit Luft und Verbrennung Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation Gregor von Borstel Seite 9 von 67

10 SAUERSTOFF 1 EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Hier sollt ihr Sauerstoff erstmals kennenlernen und herausfinden, wie man ihn von den anderen Gasen der Luft unterscheidet. Dabei lernt ihr auch einen Nachweis für Sauerstoff kennen. Einen Nachweis nennen Chemikerinnen und Chemiker einen Versuch, mit dem man einen Stoff identifizieren kann. SICHERHEITSHINWEIS: SCHUTZBRILLE TRAGEN! BRENNT SAUERSTOFF ODER UNTERHÄLT ER DIE VERBRENNUNG? B. Experiment Füllt ein Reagenzglas wie besprochen mit Sauerstoff. Entzündet einen langen Holzspan und haltet ihn an die Öffnung des Reagenzglases. Brennt Sauerstoff? Blast die Flamme aus, so dass das Holz gerade noch glüht. Öffnet das Reagenzglas und haltet dann den glimmenden Span in den Sauerstoff. Unterhält Sauerstoff die Verbrennung? Was sieht man genau? Das was ihr beobachten könnt, ist die Glimmspanprobe mit ihr erkennt man, ob ein unbekanntes Gas Sauerstoff ist. C. AUFGABEN: C. Aufgaben 1. Schreibt ein kurzes Protokoll unter der Überschrift Nachweis für Sauerstoff Wenn ihr unsicher seid, wie der Nachweis funktioniert, dann schaut ihn euch noch einmal auf Video an notiert euch, wie der Nachweis heißt. 2. Solltet ihr schon Station 2 oder 3 erledigt haben, so überlegt, wie man Sauerstoff von den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu nicht dienen. 3. Bearbeitet die Zusatzinfos auf der Rückseite Gregor von Borstel Seite 10 von 67

11 SAUERSTOFF 1 EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS D. ZUSATZINFO: 1. DIE VERWENDUNG VON SAUERSTOFF Wie ihr auf den Bildern seht, wird Sauerstoff im Krankenhaus eingesetzt (die internationale Abkürzung für Sauerstoff findet ihr dort übrigens auch). D. Zusatzinfo Wofür wird er benutzt? (Wenn ihr nicht sicher seid, dann lest im Buch nach!) 2. SAUERSTOFF UND DIE VERBRENNUNG Wenn ihr Zeit habt, dann schaut euch die Videoclips der Reaktionen von Stoffen mit reinem Sauerstoff an. Welche Aussage kann man über die Rolle von Sauerstoff bei der Verbrennung machen? Gregor von Borstel Seite 11 von 67

12 KOHLENSTOFFDIOXID EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS 2 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Nur ca. 0,035% der Luft sind Kohlenstoffdioxid (auch Kohlendioxid genannt). Dennoch ist es für uns ein wichtiges Gas, da sein Anteil an der Luft zur Zeit stetig zunimmt und es unter anderem mitverantwortlich dafür ist, dass die Temperatur auf der Erde steigt (s. Station 6). B. EXPERIMENT: EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS VON KOHLENSTOFFDIOXID Hier sollt ihr das Gas untersuchen und heraus finden, wie man es von den anderen Gasen der Luft unterscheiden kann. Dazu lernt ihr einen Nachweis für Kohlenstoffdioxid kennen. Einen Nachweis nennen Chemikerinnen und Chemiker einen Versuch, mit dem man einen Stoff (hier Kohlenstoffdioxid) identifizieren kann. B. Experiment Bei allen Versuchen Schutzbrillen tragen! Rest vom Kalkwasser in den dafür vorgesehenen Sammelbehälter geben! EXPERIMENT 1: Füllt ein Reagenzglas wie besprochen mit Kohlenstoffdioxid. Nehmt das Reagenzglas aus dem Wasser. Entzündet einen langen Holzspan und haltet ihn an die Öffnung. Brennt Kohlenstoffdioxid? Taucht den brennenden Span nun in das Kohlendioxid. Unterhält Kohlenstoffdioxid die Verbrennung? EXPERIMENT 2: Kalkwasserprobe (Kohlenstoffdioxidnachweis): Gebt in ein Reagenzglas einige Milliliter Kalkwasser und lasst anschließend aus einer Spritze Kohlenstoffdioxid mit der Magensonde durch das Kalkwasser sprudeln. [Vorsicht! Kalkwasser ist ätzend!] Führt den Versuch zum Vergleich mit einem anderen Gas oder mit Luft durch. C. Aufgaben C. AUFGABEN: 1. Fertigt ein Protokoll zu den Experimenten an (Überschrift Nachweis für Kohlendioxid). 2. Überlegt, welchen Sinn der Vergleichsversuch mit einem anderen Gas bzw. der Luft hat. 3. Solltet ihr schon Station 1 oder 3 erledigt haben, so überlegt, wie man Kohlenstoffdioxid von den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu nicht dienen. Gregor von Borstel Seite 12 von 67

13 STICKSTOFF 3 EIGENSCHAFTEN UND VERWENDUNG A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Luft besteht zu ca. 78% aus Stickstoff. Hier sollt ihr das Gas ein wenig kennen lernen und herausfinden, wie man es von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid unterscheiden kann. B. EXPERIMENT: DIE EIGENSCHAFTEN VON STICKSTOFF B. Experiment Füllt ein Reagenzglas wie besprochen mit Stickstoff. Nehmt das Reagenzglas aus dem Wasser. Entzündet einen langen Holzspan und haltet ihn an die Öffnung. Brennt Stickstoff? Taucht den brennenden Span nun in das Reagenzglas mit Stickstoff. Unterhält Stickstoff die Verbrennung? C. Aufgaben C. AUFGABEN: 1. Fertigt für ein Protokoll an! 2. Solltet ihr schon Station 1 oder 2 erledigt haben, so überlegt, wie man Stickstoff von den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu nicht dienen. 3. Wenn ihr Zeit habt, lest die Zusatzinfos und bearbeitet die Zusatzaufgaben D. Zusatzinfo D. ZUSATZINFO: Wenn man gasförmigen Stickstoff stark abkühlt, erhält man flüssigen Stickstoff. Der Siedepunkt von Stickstoff liegt bei 196 C ( Sauerstoff siedet bei 183 C). Auf den PCs findet ihr verschiedene Videoclips zu Versuchen mit flüssigem Stickstoff, z.b. werden Blumen, Blätter oder ein Gummiball hineingetaucht. Zusatzaufgaben: Beschreibt, was man in den Videos sieht und versucht dies zu erklären. Wofür verwendet man Stickstoff (Tipp: überlegt, was Pizzen, Gemüse und andere Fertigkost mit fl. Stickstoff zu tun haben könnten). Gregor von Borstel Seite 13 von 67

14 KOHLENSTOFFDIOXID 4 DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID A. Einführung A. EINFÜHRUNG Ihr wisst, dass alle Stoffe, die eine kleinere Dichte als Wasser haben, oben auf dem Wasser schwimmen. Stoffe mit einer größeren Dichte versinken. Auch die Gase der Luft haben ein gewisse Dichte, die kleiner ist als Wasser. Daher steigen Gasblasen im Wasser nach oben. Innerhalb der Luft haben die verschiedenen Gase unterschiedliche Dichten. Es ist zwar schwer vorstellbar, dass die Gase mit einer geringeren Dichte oben schweben, die mit der größeren Dichte unten. Es ist aber tatsächlich so, auch wenn man es bei farblosen Gasen nicht sehen kann. Allerdings muss man dazu sagen, dass die Gase sich durch die Bewegungen im Raum immer wieder vermischen. Ihr sollt hier feststellen, welche Dichte Kohlenstoffdioxid hat. In einem Zusatzexperiment könnt ihr dann erschließen, ob es eine geringere oder größere Dichte als die restlichen Gase der Luft hat. B. Experimente B. EXPERIMENTE ZUR DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID Experiment 1: Bestimmung der Dichte von Kohlenstoffdioxid Das Prinzip der Messung beruht darauf, die Masse von 50 ml Kohlenstoffdioxid zu bestimmen. Hierzu wiegt man ein zunächst eine Spritze mit 50mL Nichts, dann füllt man die Spritze mit 50 ml Kohlenstoffdioxid und wiegt die Spritze erneut. Der Massenzuwachs ist auf das in der Spritze enthaltene Kohlendioxid zurückzuführen. Geräte: Spritze mit Verschluss, Waage Chemikalien: Kohlenstoffdioxid Durchführung: 1. Leere Spritze verschließen, auf 50 ml herausziehen und mit dem Nagel fixieren 2. Leere Spritze so wiegen. 3. Spritze mit 50 ml Kohlenstoffdioxid befüllen. 4. Gefüllte Spritze wiegen (mit Nagel/Verschluss). 5. Masse durch 50mL teilen und wenn möglich auf Gramm pro Liter (g/l) umrechnen. Experiment 2: Ist die Dichte von Kohlenstoffdioxid größer als die der Luft? Geräte: Becherglas, Spritze, Kerze Chemikalien: Kohlenstoffdioxid Durchführung: 1. Die Spritze wird mit Kohlenstoffdioxid gefüllt. 2. Stellt in das rote Gefäß eine brennende Kerze. Nun spritzt das Kohlendioxid langsam von oben an die Innenseite des Gefäßes (evtl. müsst ihr einen Schlauch verwenden, um auszuschließen, dass die Wärme der Flamme das Gas nach oben trägt). Was passiert? Nagel Kohlenstoffdioxid Vakuum Kohlenstoffdioxid?? C. Aufgaben C. AUFGABEN: 1. Notiert Eure Beobachtungen im Heft wie könnt ihr sie deuten? 2. Lest euch die Zusatzinformationen (Rückseite) durch wie sind sie zu erklären? Gregor von Borstel Seite 14 von 67

15 KOHLENSTOFFDIOXID 4 DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID D. Zusatzinfo KOHLENSTOFFDIOXID EIN GEFÄHRLICHES GAS Aufgabe: Fasse den Artikel zusammen und erkläre mit Hilfe der Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid was passiert ist. Gregor von Borstel Seite 15 von 67

16 KOHLENSTOFFDIOXID - VERÄNDERUNG DER LUFT BEIM ATMEN TEIL I 7 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Unsere Atmung hat zwei wichtige Funktionen: Der Körper wird ständig mit Sauerstoff versorgt Das im Körper gebildete Kohlenstoffdioxid wird an die Umgebungsluft abgegeben und kann so nicht den Körper vergiften. B. Experiment B. EXPERIMENT: Plant ein Experiment, mit dem ihr nachweisen könnt, dass ausgeatmete Luft im Vergleich zu unserer Umgebungsluft tatsächlich mehr Kohlenstoffdioxid enthält. Als Hilfsmittel dürft ihr verwenden: Reagenzgläser, Schlauch, Wanne mit Wasser, Gläser, Stoppuhr, durchbohrte Stopfen, Spritzen, Kalkwasser, Luftballon (kann man evtl. auch zeigen, dass die ausgeatmete Luft bei körperlicher Anstrengung besonders viel Kohlenstoffdioxid enthält?) Wie geht denn das? Vielleicht macht ihr erst mal zusammen eine kleine Skizze?! C. Aufgabe C. AUFGABE: Fertigt für euren Versuch ein Protokoll an! Schreibt zunächst, was ihr plant, später was ihr beobachtet und herausgefunden habt. Solltet ihr während des Versuches merken, dass ihr etwas ändern müsst, so notiert, warum ihr was geändert habt. D. Zusatzinfo D. ZUSATZINFO: BESTIMMT EUER ATEMVOLUMEN Wenn ihr wollt, könnt ihr euer Atemvolumen bestimmen. Füllt dazu ein großes Gefäß mit Wasser, deckt es z. B. mit der Hand oder einem Deckel ab und stellt es mit der Öffnung nach unten in eine Wanne mit Wasser. Hier öffnet ihr es nun. Einer von euch beginnt und führt das Ende des Schlauchs in das Gefäß. Atme nun ruhig einmal ein und aus ermittle das von der Ausatemluft verdrängte Wasservolumen es entspricht deinem normalen Atemvolumen! Streng dich nun kurz an, in dem zu z.b. 5 mal schnell aufstehst bestimme erneut dein Atemvolumen und vergleiche die Werte aus beiden Versuchen. Erkläre! Notiert eure Vorgehensweise und Ergebnisse. Gregor von Borstel Seite 16 von 67

17 KOHLENSTOFFDIOXID - VERÄNDERUNG DER LUFT BEIM ATMEN TEIL I 7 D. ZUSATZINFO: KOHLENSTOFFDIOXID EIN GEFÄHRLICHES GAS Beispiel I: In der Umgebung von Neapel in Italien gibt es viele Vulkane: Im Osten der Stadt erhebt sich der Vesuv. In diesem Gebiet befindet sich auch die sogenannte Hundsgrotte von Neapel. Das ist eine kleine Höhle, die nur etwa 4 m tief, 1,5 m breit und 3 m hoch ist (siehe Bild). Solche kleinen Höhlen nennt man auch Grotten. Für einen Erwachsenen ist das Betreten dieser Grotte gefahrlos. Ein Hund (oder ein anderes kleines Tier) wird jedoch nach kurzer Zeit betäubt oder erstickt sogar! Daher hat die Höhle ihren Namen. D. Zusatzinfo Beispiel II: Bei der Gärung von Wein, der häufig in Kellern in großen Fässern gelagert wird, entsteht auch Kohlenstoffdioxid. Auf dem Foto seht ihr einen Weinkeller unter Budapest. Erklärt, warum in Weinkellern häufig brennende Kerzen auf den Boden gestellt werden. Aufgabe: Versucht eine Erklärung für die beiden Beispiele zu finden. Zusatzinfo: Die Kerze bietet keinen vollständigen Schutz, da sie auch in einer Atmosphäre brennt, in der wir bewusstlos werden! Gregor von Borstel Seite 17 von 67

18 WAS SPRUDELT DA? WIR UNTERSUCHEN EINE BRAUSETABLETTE 8 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Im Haushalt nutzen wir verschiedene Gase. So machen wir z. B. mit Kohlenstoffdioxid aus dem Sodastreamer unser Sprudelwasser. Eine Verbindung aus Stickstoff und Sauerstoff läßt Sahne schäumen. Auch Backen hat etwas mit Gas zu tun - aus Hefe oder dem Backpulver entweicht Kohlenstoffdioxid und lässt dann den Teig aufgehen. Wie ist das bei einer Brausetablette? B. EXPERIMENT: WELCHES GAS KOMMT AUS EINER BRAUSETABLETTE? Brausetabletten sprudeln beim Auflösen im Wasser. Entsteht beim Lösen einer Brausetablette Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Sauerstoff? C. Aufgaben B. Experiment C. AUFGABEN: Plant für diese Versuchsfrage einen Versuch und führt ihn durch. Wie geht denn das? Vielleicht macht ihr erst mal zusammen eine kleine Skizze?! Fertigt für euren Versuch ein Protokoll an: Versuchsfrage, evtl. Vermutung, Geräte, Chemikalien, Sicherheitshinweise, Aufbau und Durchführung, Beobachtung, Auswertung, Antwortsatz. Solltet ihr während des Versuches merken, dass ihr etwas ändern müsst, so notiert, warum ihr was geändert habt. Gregor von Borstel Seite 18 von 67

19 SAUERSTOFF- CHEMISCHE HERSTELLUNG 9 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Das Herstellen von Stoffen aus Chemikalien nennen Chemikerinnen und Chemiker üblicherweise darstellen. An dieser Station lernt ihr ein Verfahren kennen, mit dem man Sauerstoff darstellen kann. B. Experiment C. Zusatzinfo D. Aufgabe B. EXPERIMENT: DARSTELLUNG VON SAUERSTOFF Schutzbrille und Handschuhe tragen Geräte: Reagenzglas mit seitlichem Ansatz und passender Schlauch, Reagenzglasständer, Reagenzglas, mit der Kanüle durchbohrter Stopfen, mit Wasser gefüllte Wanne, Spritze Chemikalien: Wasserstoffperoxid-Lösung 3% (xi reizend), Trockenhefe Aufbau und Durchführung: 1. Füllt in das Reagenzglas mit dem seitlichen Ansatz einen Spatel voll Hefe [Info: Hefe enthalten wie auch andere Lebewesen ein Enzym namens Katalase, welches Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff spaltet mehr Infos erhaltet ihr beim Lehrer J.] 2. Zieht in die Spritze 10 ml Wasserstoffperoxid-Lösung und setzt sie auf die im Stopfen steckende Kanüle. 3. Gebt mit der Einwegspritze nach und nach Wasserstoffperoxid-Lösung auf die Hefe Achtung, durch die dünne Kanüle muss man langsam hindurchdrücken! 4. Wartet ein wenig, bis das entstehende Gas die Luft aus dem Reagenzglas verdrängt hat. Fangt nun das entstehende Gas auf und zeigt, dass es Sauerstoff ist! C. ZUSATZINFO: WASSERSTOFFPEROXID IN BLONDIERMITTELN Auch im Blondiermitteln ist Wasserstoffperoxid enthalten. Der freigesetzte Sauerstoff reagiert mit den Pigmenten (Farbstoffen) im Haar und hellt sie dabei auf. Der unangenehme Geruch von Blondiermitteln ist auf darin enthaltenen Ammoniak zurückzuführen, der die Haare für Wasserstoffperoxid aufnahmefähiger macht. Beim Blondieren von braunen, dunklen oder rotbraunen Haaren kommt es leicht zu einem Rot- oder Orangeton. Die käuflichen Blondiermittel dürfen nur 6%iges Wasserstoffperoxid enthalten, da der Stoff die Kopfhaut angreift. Bei dunklen Haaren reicht diese Konzentration für eine Blondierung nicht aus, daher sollte man das Färben einem Frisör überlassen. D. AUFGABE: Wasserstoffperoxid ca. 3% 1. Fertigt ein Versuchsprotokoll an! 2. Freiwilliges Zusatzexperiment: Testet mit einer Haarprobe, ob die im Experiment verwendete Wasserstoffperoxid-Lösung in der Lage ist, Haare zu bleichen. Hefe Gregor von Borstel Seite 19 von 67

20 SAUERSTOFF, STICKSTOFF UND IHR ANTEIL AN DER LUFT 12 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Luft besteht fast nur aus Stickstoff und Sauerstoff. Einer der beiden Stoffe reagiert mit Eisen und dabei entsteht viel Wärme. Dies nutzen Wärmekissen aus, die man in der Apotheke kaufen kann. Wenn man wissen will, wie viel Sauerstoff und wie viel Stickstoff in der Luft enthalten sind, nutzt man die Tatsache, dass eines der Gase sich bei der Reaktion an das Eisen bindet, das andere aber nichtj! B. EXPERIMENT: WIE VIEL SAUERSTOFF UND WIE VIEL STICKSTOFF SIND IN DER LUFT ENTHALTEN? Geräte: zwei Spritzen 50mL, Dreiwegehahn Chemikalien: 50 ml Stickstoff, 50mL Sauerstoff, 50mL Luft, ThermaCare, (Eisen / Wasser / Salz / Aktivkohle) Aufbau und Durchführung: B. Experiment 1. Vorversuch: In eine Spritze werden 50mL Stickstoff gegeben, in die andere das Stück ThermaCare. Beide Spritzen werden miteinander verbunden und der Stickstoff zum ThermaCare gegeben warte 3 Minuten kannst du etwas beobachten? 2. Vorversuch: In eine Spritze werden 50mL Sauerstoff gegeben und der Versuch wie unter 1 ausgeführt. Nun weißt du, welches Gas mit dem Eisen reagiert! 3. Versuch: Nun werden in die eine Spritze 50mL Luft gegeben und der Versuch wie unter 1 ausgeführt. C. Aufgaben Aufgabe: Nach wenigen Minuten sollte ein Teil der Luft verschwunden sein.wenn sich nichts mehr am Volumen ändert, notiere, wie viel Gas fehlt. Was C. AUFGABEN: 1. Notiert euer Ergebnis im Heft unter der Überschrift Anteil der Hauptbestandteile an der Luft. 2. Welches Gas ist noch in der Spritze, welches ist durch die Reaktion verschwunden? 3. Rechnet aus, wie viel Prozent der Luft nach eurem Versuchsergebnis Sauerstoff sind. Gregor von Borstel Seite 20 von 67

21 SAUERSTOFF UND SEIN ANTEIL AN DER LUFT 12 A. Einführung B. Experiment C. Aufgaben A. EINFÜHRUNG: Die normale Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Wenn man wissen will, wie viel Sauerstoff enthalten ist, nutzt man die Tatsache, dass Sauerstoff mit vielen Metallen reagiert und leichter eine Verbindung bildet als Stickstoff. So bindet man den Sauerstoff aus der Luft und bestimmt anhand des geringeren Volumens nach der Reaktion, wie viel Sauerstoff in der Luft waren, Wie es genau geht, findet ihr nun beschrieben. B. EXPERIMENT: WIE VIEL SAUERSTOFF IST IN DER LUFT? Geräte: Stativ, zwei Spritzen, ein hitzebeständiges Glasrohr, Brenner Chemikalien: 50mL Luft, Eisenwolle Sicherheit: Schutzbrillen tragen, Vorsicht, dem Glasrohr sieht man nicht an, ob es heiß ist vorsichtig die offene Hand zum Testen in einigen Zentimetern Abstand darüber halten! Aufbau und Durchführung: In eine Spritze werden 50mL Luft gesaugt, die andere bleibt leer. Die Spritzen werden mit dem Glasrohr gasdicht verbunden. Im Glasrohr ist ein Metallnetz. Testet, ob die Apparatur dicht ist. (Wenn ihr eine Spritze hineindrückt, müsste die andere sich bewegen). Mit dem Brenner wird das Metall erhitzt. Dann wird die Luft zwischen den Spritzen einige Male hin und her geschoben. Aufgabe: Notiert nach dem Abkühlen der Apparatur, wie viel Gas noch in der Spritze ist. Anschließend an den Spritzen anfassen und auf den Tisch legen Vorsicht, das Glas könnte noch heiß sein. Schaut euch die Eisenwolle nach der Reaktion an. C. MACHT EINE AUSWERTUNG: 1. Notiert euer Ergebnis im Heft unter der Überschrift. 2. Das Gas, welches noch in der Spritze ist, ist Stickstoff erklärt, wo der Sauerstoff geblieben ist. 3. Rechnet aus, wie viel Prozent der Luft nach eurem Versuchsergebnis Sauerstoff sind. 4. Erklärt, warum man die Apparatur vor dem Ablesen abkühlen lassen muss. Gregor von Borstel Seite 21 von 67

22 LÖSLICHKEIT VON GASEN POWERSTOFF MIT SAUERSTOFF? 16 A. EINFÜHRUNG: A. Einführung Gase lösen sich in Wasser. So enthält normaler Sprudel gelöstes Kohlenstoffdioxid. Wie sich zeigen lässt, ist die Löslichkeit eines Gases wie wir es schon von anderen Stoffen wissen begrenzt. Drückt man mehr Gas in das Wasser hinein, als sich lösen kann, so sprudelt es über kurz oder lang wieder hinaus und wir sehen kleine Gasbläschen aufsteigen eben Sprudelwasser. Seit 2001 ist das Getränk Active O2 auf dem Markt, welches ihr vielleicht schon einmal getrunken habt. Es enthält anstelle von Kohlenstoffdioxid gelösten Sauerstoff. Der Hersteller bewirbt das Getränk damit, dass es bis zu 15 mal mehr Sauerstoff enthält als herkömmliches Wasser und verspricht, dass das Getränk dem Konsumenten Power liefert. Hier könnt ihr herausfinden, wie viel der beiden Gase sich jeweils überhaupt in 1 Liter Wasser lösen. B. EXPERIMENTE: LÖSLICHKEIT VON GASEN IN WASSER EXPERIMENT 1: LÖSLICHKEIT VON SAUERSTOFF IN WASSER B. Experiment Nehmt zwei 50mL Spritzen und etwas, mit denen ihr sie gasdicht verbinden könnt. Füllt eine Spritze mit 30mL Sauerstoff, die andere mit 25mL abgekochtem Wasser. Schraubt die beiden Spritzen dicht zusammen und schiebt das Gas mehrfach durch das Wasser, bis sich kein weiteres löst. EXPERIMENT 2: UM VERGLEICH: LÖSLICHKEIT VON KOHLENSTOFFDIOXID IN WASSER Führt den oben beschriebenen Versuch nun mit Kohlenstoffdioxid durch. EXPERIMENT 3: IST DIE LÖSLICHKEIT VON KOHLENSTOFFDIOXID TEMPERATURABHÄNGIG? VORSICHT, VERBRÜHT EUCH NICHT AM WASSER! Erwärmt ein Glas Sprudelwasser langsam auf 50 C. Stellt aufgrund der Beobachtung eine begründete Vermutung auf, ob sich Kohlenstoffdioxid besser in kaltem oder warmen Wasser löst und überprüft sie in einem geeigneten Experiment. C. AUFGABEN: C. Aufgaben 1. Fertige ein Protokoll zu den Experimenten an. Notiere, wie viel ml der Gase sich in 25mL Wasser lösen. Rechne aus, wie viel sich in einem Liter lösen würden. 2. Vergleiche die Menge an gelöstem Sauerstoff in einer Flasche Active O2 mit der Menge, die man pro Atemzug (ca. 1L Luft, 20% davon ist Sauerstoff) zu sich nimmt. Nimm Stellung zu der Werbeaussage für Active O2! 3. Recherchiere, welches Produkt unter beworben wird. Lohnt sich der Kauf? Nimm begründet Stellung. 4. zu Experiment 3: überlegt, warum es sinnvoll ist, das Wasser für den Sodastreamer vor dem Sprudeln in den Kühlschrank zu stellen. Gregor von Borstel Seite 22 von 67

23 LÖSLICHKEIT VON GASEN POWERSTOFF MIT SAUERSTOFF? 16 Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser bei verschiedenen Temperaturen mg/l Minimum für viele Fischarten sind 3 4 mg/l 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C 35 C Viele Tiere leben im Wasser und atmen dort mit Hilfe von Kiemen. Damit entnehmen sie dem Wasser Sauerstoff, der darin gelöst ist. Wie ihr anhand des Diagramms oben sehen könnt, löst sich nur sehr wenig Sauerstoff in Wasser. Dies zeigt zum einen, wie leistungsfähig die Kiemen von Fischen sind, macht es aber zum anderen für uns schwer, im Experiment zu erforschen, wie viel Sauerstoff sich nun genau lösen. Erkläre kurz, warum ein Aquariumbesitzer auf die Temperatur des Wassers achten muss. Häufig wird die Menge an gelöstem Sauerstoff in mg/l angegeben wie kann man dies mit Hilfe der Dichte von Sauerstoff (bei Normalbedingungen ca mg/l) in ml/l umrechnen? Gregor von Borstel Seite 23 von 67

24 LÖSLICHKEIT VON GASEN EINE KLEINE KNOBELEI 17 A. Einführung A. EINFÜHRUNG: Wie sich zeigen lässt, ist die Löslichkeit eines Gases wie wir es schon von anderen Stoffen wissen begrenzt. Drückt man mehr Gas in das Wasser hinein, als sich lösen kann, so sprudelt es über kurz oder lang wieder hinaus und wir sehen kleine Gasbläschen aufsteigen eben Sprudelwasser. Hier sollt ihr herausfinden, wie viel ml Gas aus einer Brausetablette sprudeln B. Experiment B. EXPERIMENT: WIE VIEL GAS ENTSTEHT AUS EINER BRAUSETABLETTE Überlegt euch einen Versuch, mit dem ihr dies heraus findet. Am besten verwendet ihr in irgendeiner Form eine Spritze als Auffangbehälter für das Gas. Führt das Experiment durch. Für Experten: Besonders interessant ist der Versuch, wenn ihr mehr als 30mL Wasser nehmt und die Tablette in zwei Hälften brecht, die ihr nacheinander auflöst. Wichtig ist, dass ihr die 2. Tablettenhälfte nicht in frischem Wasser, sondern in der bereits entstandenen Trinkbrause auflöst. Stellt zunächst eine Vermutung auf: Wie viel Gas wird aus der zweiten Hälfte der Tablette sprudeln, wenn ihr das Wasser nicht wechselt. Notiert eure Überlegung und führt den Versuch erneut durch. Wie geht denn das? Vielleicht macht ihr erst mal zusamme n eine kleine Skizze?! C. Aufgaben C. AUFGABEN: Fertigt ein Protokoll zu den Experimenten an. Erklärt eure Beobachtung! Gregor von Borstel Seite 24 von 67

25 Egg-Races - eigene Wege gehen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation Gregor von Borstel Seite 25 von 67

26 KREATIVE EXPERIMENTE WIR BAUEN EINEN FEUERLÖSCHER Baue unter Verwendung einer Spritze einen Feuerlöscher! Erlaubtes Material: ChemZ-Koffer Wasser Brausetablette Spülmittel Kerze Beim Löschen darf das Volumen in der Spritze nicht verkleinert werden! Gregor von Borstel Seite 26 von 67

27 KREATIVE EXPERIMENTE SAURE REINIGER WELCHE GASE ENTSTEHEN? Welches Gas entsteht beim Kontakt eines sauren Reinigers mit Kalk oder unedlen Metallen? Wichtig: wir wiederholen erst gemeinsam kurz die Nachweise für die unterschiedlichen Gase. Da wir nicht wissen, welches Gas entsteht, gehen wir vom gefährlichsten aus und testen zunächst auf dieses! Gregor von Borstel Seite 27 von 67

28 Wärmekissen und selbsterhitzende Essen Elektronenübertragungsreaktionen aus dem Leben (mehr s. Handbuch ChemZ am Ende) Gregor von Borstel Seite 28 von 67

29 Von Kältepacks und heißem Kakao zur Lösungsenthalpie Kältekissen für den Sport und selbsterwärmende Kakaopackungen werden zerschnitten und liefern den Aufhänger, sich mit dem Lösen von Salzen im Wasser einmal genauer zu beschäftigen. Gregor von Borstel Seite 29 von 67

30 Wir betrachten den Lösungsvorgang im Modell und tun so, als liefe er als Film ab: Kältepacks und heißer Kakao LÖSUNGSENTHALPIEN UND BINDUNGSLEHRE Aufgaben: 1. Beschrifte die Legende, ergänze die fehlenden Teilladungen. 2. Zeichne Bilder fertig. 3. Schreibe einen erklärenden Text daneben. Verwende u.a. folgende Begriffe: anlagern, Ionenbindung, Kation, Anion, lockern, lösen, Energie, Dipol Gregor von Borstel Seite 30 von 67

31 Arbeitsaufträge 1. Führe den Versuch durch und notiere deine Beobachtungen. 2. Informiere dich über Anwendungen der Latentwärmespeicher (im Hausbau...). Versuchsanleitung Geräte Folienschweißgerät und Plastikbeutel leere Getränkedose, Schere Schleifpapier, Thermometer, Waage, kleines Becherglas, Spatel, Spritze Wasserkocher Tiegelzange Chemikalien / Gefahrensymbole Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa 3H2O) ggfls. Aceton zum Säubern des Metallplättchen F Dest. Wasser Durchführung Schneide aus dem Blech einer Getränkedose ein rundes Stück mit einem Durchmesser von etwa 2 cm aus (Handschuhe tragen!) und entferne mit Schmirgelpapier sorgfältig scharfe Schnittkanten. Falte das Blech zweimal in der Mitte zusammen, so dass ein Kreuz entsteht. Das Metallplättchen steht nun unter Spannung ( Knackfrosch ). Wiege 30 g Natriumacetat-Trihydrat in ein mit einem Gefrierbeutel ausgekleidetes Becherglas ab und gib 3 ml Wasser mit der Spritze und das vorbereitete Metallplättchen hinein. Drücke möglichst vollständig die Luft heraus und schweiße den Beutel mit dem Folienschweißgerät zu. Wenn der Beutel zu groß sein sollte, drehe ihn um 90 0 und schweiße noch einmal. Solltest du Folie übrig haben, schweiße den Beutel ein zweites mal ein. Lege den Beutel für ca. 5 min in fast kochendes Wasser, bis das Natriumacetat-Trihydrat vollständig gelöst ist und hole ihn dann mit der Tiegelzange heraus. Lasse den Beutel an der Luft erkalten. Der Inhalt des Beutels muss flüssig bleiben, anderenfalls muss der Beutel nochmals einige Minuten im Wasserbad erwärmt werden. Knicke das im Beutel eingeschlossene Metallplättchen einige Male hin- und her, bis die Kristallisation beginnt sollte dies nicht funktionieren, drücke und quetsche ihn. Verfolge den Ablauf der Kristallisation und prüfe dabei die Temperaturänderung. Erklärungen dazu findet man unter Gregor von Borstel Seite 31 von 67

32 Hinweis: Hintergrund für Lehrende Es ist darauf zu achten, dass der Beutel sorgfältig zugeschweißt wird, sonst tritt die Flüssigkeit im Wasserbad aus. Nach Ablauf des Experimentes kann der Beutel erneut in heißes Wasser gelegt werden, bis wieder eine klare Schmelze entstanden ist. Nach dem Abkühlen ist er wieder einsatzbereit. Die Erklärung Auch die Latentwärmespeicherkissen enthalten Natriumacetat-Trihydrat NaCH3COO 3 H2O. Dieses liegt im "geladenen Zustand" in einer übersättigten Lösung vor. Bei vorsichtiger Handhabung bleibt die Kristallisation des Salzes über einen weiten Temperaturbereich aus. Man kann den Zustand tagelang erhalten. Erst durch "Anstoßen" wird der Zustand gestört; das Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte Wärme ("latente Wärme") frei. Diesen scheintoten Zustand nennt man "metastabil". CH3COO (aq.) + Na + (aq.) > CH3COONa 3 H2O (fest) /exotherm Die Ionen bauen zunächst das Ionengitter auf. Simultan nehmen Wassermoleküle in den Zwischenräumen des Ionengitters festgelegte Plätze ein, wobei sie auch noch ihre Dipole exakt ausrichten. Die Wassermoleküle bilden sozusagen ein Gitter im Kristallgitter. Die Anzahl der Wassermoleküle pro Formeleinheit ist genau definiert. In unserem Beispiel sind es drei. Ein Teil der bei diesem Vorgang freigesetzten latenten Wärme ist die Lösungswärme bzw. Kristallisationswärme des Salzes. Allerdings erklärt diese allein nicht die starke Wärmetönung der Kristallbildung. Wichtig für die kräftige Erwärmung des Kissens ist auch die parallel ablaufende, stark exotherme Bildung des Wassermolekül-Gitters. Literaturauswahl: H. SCHMIDKUNZ: Salzhydrate als Wärmespeicher. NiU-Chemie 7 (1996) H. SCHMIDKUNZ: Die thermische Energiespeicherung. NiU-Chemie 10 (1999) 4 7 H. SCHMIDKUNZ: Salzhydrate als chemische Wärmespeicher. NiU-Chemie 10 (1999) Gregor von Borstel Seite 32 von 67

33 Le Chatelier einmal anders Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid CO2 (g)+ H2O CO2(aq) + H2O H2CO3 CO2 (aq) H2CO3 H + (aq) + HCO3 - (aq) Geräte: 2 Luer-Lock-Spritzen 50mL, Anschluss an Gasflasche, Verbindungsstück (female - female) oder Dreiwegehahn, Verschlussstopfen oder Absperrhahn, Becherglas 250mL, Wasserkocher oder ähnliches, Thermometer Chemikalien: abgekochtes Wasser, Kohlenstoffdioxid, ggfls. Sprudelwasser, Universalindikator, Natronlauge (c = 0,1mol/L), Salzsäure (c =0,1 mol/l) V1: Bestimmung der Löslichkeit von Kohlestoffdioxid in Wasser (abgekocht, 25 C) Eine Spritze wird mit 25 ml abgekochtem aber wieder abgekühltem Wasser befüllt, die andere wird aus der Gasflasche mit 25mL Kohlestoffdioxid befüllt. Beide Spritzen werden über einen Verbinder gasdicht miteinander verschraubt Gas und Wasser werden in eine Spritze gedrückt und die Apparatur geschüttelt, bis sich kein weiteres Gas mehr löst. Abschließend wird hochgerechnet, wie viel Kohlestoffdioxid sich in einem Liter Wasser lösen V2: Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid Wie V1 mit verschieden warmem Wasser kein Wasser der Temperatur >50 C verwenden - Verbrühungsgefahr. (Tipp: Spritze mit Isolierung für Kupferleitungen aus dem Baumarkt überziehen) Alternativ kann eine Spritze halb mit Sprudelwasser (übersättigte Kohlestoffdioxidlösung) gefüllt werden. Dann verschließt man sie und stellt sie nacheinander in Gefäße mit Wasser unterschiedlicher Temperatur. V3: Einfluss des Drucks auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid In eine Spritze mit durchbohrtem Stempel füllt man 20 ml mit Indikator versetztes Wasser aus einer weiteren Spritze läßt man durch die Lösung CO2 sprudeln (ca. 5 ml), bis die Farbe des Indikators umschlägt. Die Lösung wird auf zwei Spritzen verteilt. Die eine Spritze bewahrt man als Farbvergleich auf. Die andere Spritze mit dem durchbohrten Stempel wird verschlossen und durch kräftiges Ziehen am Stempel ein Unterdruck erzeugt. Der Stempel kann durch das Loch mit einem Nagel fixiert werden Schütteln, Farben vergleichen! V4: Einfluss des ph-wertes des Lösemittels auf die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid Wie V1, nur werden anstelle von Wasser 0,1 molare Salzsäure oder Natronlauge verwenden. Gregor von Borstel Seite 33 von 67

34 Chemie mit medizintechnischem Zubehör Experimente mit ChemZ Handbuch zu den Versuchen Version 1.2 Stand 2009 Gregor von Borstel

35 Vorbemerkung Liebe Kolleginnen und Kollegen, seit Jahren entwickle ich im Team mit anderen Kollegen Bausteine für einen modernen Experimentalunterricht und stelle diese allen Interessierten kostenlos zur Verfügung. Für viele Versuche nutze ich dabei Geräte aus der Medizintechnik, auf die ich u. a. durch Arbeiten von Herrn Obendrauf, Herrn Schwarz, Herrn Häusler oder Herrn Menzel erstmalig aufmerksam wurde. All diese Autoren haben eigene Versuchsanleitungen entwickelt und vertreiben teilweise eigene, dazu passende Versuchssets, die auf ihre Versuche abgestimmt sind und mit denen man diese Versuche am besten durchführen kann! Neu an unserem Ansatz ist, dass wir die Medizintechnik einsetzen, um Schüler selbst experimentelle Lösungen zu Problemen finden zu lassen, ohne ihnen konkrete Anleitungen zu geben. Dafür entwickelten wir einen eigenen Ansatz mit eigenen Sets. Auf Wunsch zahlreicher Kolleginnen und Kollegen in Fortbildungen habe ich dafür in einem ersten Handbuch die Versuche beschrieben, die ich mit ChemZ durchführe. Dies ist eine reines Versuchshandbuch. Die Einbettung der Experimente in die konkreten Inhalte und die Stundenbeschreibungen sowie finden Sie unter Aus zahlreichen Jahren Unterrichtserfahrung in allen Jahrgangsstufen sowie aus diversen Fortbildungen mit begeisterten Kollegien weiß ich, dass die Geräte geradezu zum Ausprobieren herausfordern und kann sie Ihnen nur wärmstens ans Herz legen. In den Jahren der Entwicklung und Erweiterung war ein Problem stets die Vielzahl der verschiedenen Anbieter, aus deren Angebot wir uns die diversen Einzelteile mühsam zusammenstellen mussten. Daher bin ich dankbar, dass sich mittlerweile mit der Fa. ChemZ [ ein Anbieter gefunden hat, der alle benötigten Geräte sehr preiswert aus einer Hand vertreibt. Gerne stelle ich daher der Fa. dieses Handbuch kostenlos zur Verfügung. Aber auch andere Firmen wie Hedinger [ Herr Häusler [ oder die Fa. Klüver & Schulz [ u. v. m. bieten medizintechnische Komplettsets oder Einzelteile an. Mir ist es an dieser Stelle wichtig zu betonen, dass ich in keiner Weise am Gewinn einer der genannten Firmen beteiligt bin und es Ihnen natürlich offen steht, die Materialen auch anderweitig zu erstehen. Beim Entdecken der Materialien oder Erfinden weiterer Versuche wünsche ich Ihnen viel Spaß und stehe gerne für Rückfragen unter bereit. Alfter 2009 Gregor von Borstel Haftungsausschluss Alle im folgenden beschriebenen Experimente sind sorgfältig erprobt worden und die Anleitungen wurden nach bestem Wissen erstellt. Dennoch geschieht die Benutzung der hier vorliegenden Informationen vollkommen auf eigene Verantwortung. Haftung für Schäden oder Verluste, die beim Umgang mit den hier beschriebenen Stoffen, Materialien oder Geräten entstehen, ist ausgeschlossen; ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund falscher oder fehlender Angaben. Der Autor schließt somit jegliche unmittelbare oder mittelbare Haftung für Schäden, die beim Gebrauch der Materialien entstehen, ausdrücklich aus. ChemZ-Handbuch Version 1.2 Stand 2009 Gregor von Borstel 35