3 Naturlehre / Physik Chemie

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1 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas 3 Naturlehre Physik Chemie Unterricht AUFGABENÜBERSICHT 3 Naturlehre / Physik Chemie Lernziele: Die Schülerinnen Schüler lernen am Anwendungsbeispiel Apfelsaftherstellung physikalische Gesetze und physikalisch-chemische Verfahren kennen, reflektieren und selbstständig anwenden: 1. Kraftübertragung mit Hebel und schiefer Ebene bei der Mostpresse Trennverfahren von Gemischen: filtern, destillieren 3.2, 3.3 Aufgaben: Arbeitsblatt 3.1: Kraftübertragung auf der Mostpresse. Mostpresse mit Spindel und Hebel. 1. Ausrücken des Apfels von Hand (geht nicht). 2. Ausdrücken von Apfelstücken von Hand und mit einer Knoblauchpresse im Vergleich, Erkennen der Hebelwirkung und Berechnung der Kraftaufwandsminderung. 3. Erkennen der Prinzipien schiefe Ebene und Hebel an der Mostpresse, (ev. Berechnung der entsprechenden Kraftaufwandsminderung). Arbeitsblatt 3.2: Von urtrüb zu klar. A. Problemstellung: 1 Flasche naturtrüber Most (a) 1 Flasche klarer Most (b). Wie komme ich von a zu b? B. Experimentieren: Verschiedene Methoden erfinden mit selbst organisiertem Material. Wer bekommt klareren Most? Gibt es schnelle und langsame Methoden? C. Lernen: Trennung von Stoffgemischen im Chemiebuch nachlesen. Welche Verfahren wurden unter B spontan angewendet? D. Anwendung im Labor: Das am besten geeignete Verfahren (Druckfilterpresse) mit Laboreinrichtungen und naturtrübem Most nochmals durchführen. E. Anwendung in der Praxis: Im Film beobachten, welche Verfahren angewendet werden. Arbeitsblatt 3.3: Voll konzentriert. Das Konzentrieren ist eigentlich ein Destillationsprozess. Dieser kann im Labor mit den Schülerinnen und Schülern nachgestellt werden. Beim Destillieren verdampfen zuerst die Aromen (Aldehyd und Ester), dann das Wasser. Im Schulversuch werden die Aromen nicht separat abgefangen. In der Mosterei geschieht das Abdampfen unter Vakuum, so beginnt die Verdampfung schon nach 1 2 Minuten zwischen 60 und 80, dadurch verkocht der Apfelsaft nicht und bleibt in guter Qualität. Achtung, Geschmacksprobe: Aus Sicherheitsgründen nur mit getränktem Wattestäbchen oder Einwegpipette! LID.CH 2010

2 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum zum Glas ARBEITSBLATT Naturlehre / Physik Kraftübertragung Kraftübertragung auf der Mostpresse 1. Quetschen Versuche, einen Apfel von Hand zu zerquetschen, dass der Saft rauskommt wie das Girl im Apfelsaft-Werbespot. Was stellst du fest? (Erkundige dich bei der Lehrperson nach dem Schlüssel zum werbespotmässigen Erfolg.) 2. Hebeln Zerschneide einen Apfel in 2x2cm grosse Stücke. a. Presse die Hälfte davon mit den Fingern aus und miss mit einem Messbecher, wie viel Saft du herausbringst (notiere Menge A unter c.). b. Nimm dann eine Knoblauchpresse, presse die andere Hälfte damit aus und miss auch hier den Saft im Massbecher (notiere Menge B unter c.). c. Vergleiche die Saftmengen und schätze ab, wo du wie viel Kraft gebraucht hast. Menge A: ml < / = / > Menge B: ml Kraftaufwand A < / = / > Kraftaufwand B d. Erkläre das Resultat mit dem Hebelgesetz, lies dazu im Physikbuch nach, worum es geht:

3 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum zum Glas LÖSUNGSBLATT 3.1 / 2 e. Zeichne auf, wie das Hebelgesetz an der Knoblauchpresse angewendet wird (Knoblauchpresse zeichnen, Hebel einzeichnen). f. Berechne mit der Hebelgesetz-Formel (findest du im Buch), um wie viel sich deine Kraft beim Pressen mit der Knoblauchpresse verändert. 3. Drehen und hebeln Betrachte eine Hand-Mostpresse. Sie dient dazu, die Körperkraft so zu unterstützen, dass man einen möglichst hohen Druck auf die Äpfel ausüben kann. Das hat physikalisch gesehen mit der schiefen Ebene und mit dem Hebelgesetz zu tun. Erkläre, wie diese beiden Prinzipien an der Mostpresse angewendet sind. Lies dazu im Physikbuch nach, worum es bei der schiefen Ebene und beim Hebelgesetz geht. Schreibe deine Erklärung auf.

4 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas ARBEITSBLATT Naturlehre / Chemie Trennverfahren 1 Von urtrüb zu klar 1. Apfelsaft klären Apfelsaft gibt es im Laden in verschiedenen Formen unter anderem in trübem und klarem Zustand. Im ursprünglichen Zustand nach dem Pressen ist der Saft trüb. Welche Möglichkeiten gibt es, den Saft zu klären? Experimentiert gruppenweise mit den Mitteln, die ihr zur Verfügung habt. Wer bringt den klarsten Saft heraus? 2. Trennverfahren prüfen Lest im Chemiebuch nach, welche Trennverfahren es für Stoffgemische gibt. a. Welche habt ihr unter 1 verwendet? b. Welche können angewendet werden? c. Welches davon ist das Wirksamste? d. Welches Verfahren wird im Film Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas angewendet? 3. Trennverfahren anwenden Trennt nun urtrüben Apfelsaft mithilfe von Laboreinrichtungen aus dem Chemieraum mit der wirksamsten Trennmethode (2c) professionell. a. Erstellt eine Materialliste b. Zeichnet die Versuchseinrichtung, schreibt die Einrichtungsgegenstände an.

5 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas LÖSUNGSBLATT 3.2 / 2 c. Wie heissen die chemischen Fachbegriffe für - die Flüssigkeit, die getrennt werden soll? - das, was zurückbleibt und ausgeschieden wird? - das, was wir gewinnen? d. Führt den Versuch durch. Haltet das Resultat fest - Ausgangsmenge Apfelsaft urtrüb in Gramm: in %: - Rückstand in Gramm: in %: - Ergebnismenge reiner Apfelsaft in Gramm: in %: - Vergleich des eignen Ergebnisses mit gekauftem klarem Apfelsaft: e. Rückstand: Wie riecht er? Was könnte man damit tun? Was macht die Mosterei damit (Film: Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas)?

6 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas ARBEITSBLATT Naturlehre / Chemie Trennverfahren 2 Voll konzentriert Die Mosterei wird während der Erntezeit Herbst mit vielen Tonnen Äpfel beliefert, die sie zu Apfelsaft verarbeitet. Der Apfelsaft wird dann übers ganze Jahr an die Verbraucher ausgeliefert. Damit er platzsparend gelagert werden kann, wird er konzentriert und erst vor dem Verkauf wieder auf das ursprüngliche Volumen zurückgeführt. 1. Blick in die Praxis Beobachte im Film, was beim Konzentrationsprozess erhalten bleibt (A, B) und was ausgeschieden wird: A. C. B. 2. Selbst ausprobieren a. Forsche im Chemiebuch, welches der folgenden Verfahren für das Konzentrieren in Frage kommt (zutreffendes ankreuzen). Filtrieren Eindampfen Destillieren Sedimentieren Zentrifugieren Extrahieren Chromatographieren Magnettrennung b. Bereite ein separates Blatt vor mit dem Titel: Konzentration von Apfelsaft und dem Auftrag: 0,5 dl Apfelsaft auf einen Fünftel des Volumens konzentrieren. c. Orientiere dich an einem Beispiel im Physikbuch, welche Ausrüstung es dazu braucht und erstelle auf deinem Blatt eine Liste (Ausrüstung: usw.). Skizziere die Versuchsanlage:

7 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas ARBEITSBLATT 3.3 / 2 d. Stelle die Ausrüstung zusammen und baue die nötige Anlage auf. e. Schreibe auf dem Blatt zuerst eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für das Verfahren (Vorgehen: usw.). Lass die Anleitung von der Lehrperson prüfen. f. Wenn du das Okay der Lehrperson hast, kannst du den Prozess starten. Beobachte genau, was passiert und schreibe auf dem Blatt ein Protokoll, in dem du jede Veränderung notierst (linke Spalte: Uhrzeit, rechte Spalte: Beschreibung). Untersuche nach Abschluss des Verfahrens das Konzentrat und das Nebenprodukt und beschreibe Mengen, Beschaffenheit und Geruch. Notiere das Ergebnis auf das Blatt. g. Führe anschliessend die Hälfte des Konzentrats wieder in die ursprüngliche Verdünnung zurück. Schreibe auch hier zuerst auf, wie du vorgehen willst und führe es dann aus. Vergleiche mit einer Geschmacksprobe (nur Wattestäbchen im Saft tränken, nicht wirklich trinken!) das Ausgangsprodukt mit dem konzentrierten und wieder verdünnten Saft.

8 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum zum Glas LÖSUNGSBLATT Naturlehre / Physik Kraftübertragung Kraftübertragung auf der Mostpresse 1. Quetschen Versuche, einen Apfel von Hand zu zerquetschen, dass der Saft rauskommt wie das Girl im Apfelsaft-Werbespot. Was stellst du fest? Das funktioniert so nicht! (Erkundige dich bei der Lehrperson nach dem Schlüssel zum werbespotmässigen Erfolg.) (Filmtrick: Im Film wurde ein präparierter Kunststoffapfel verwendet!) 2. Hebeln Zerschneide einen Apfel in 2x2cm grosse Stücke. a. Presse die Hälfte davon mit den Fingern aus und miss mit einem Messbecher, wie viel Saft du herausbringst (notiere Menge A unter c.). b. Nimm dann eine Knoblauchpresse, presse die andere Hälfte damit aus und miss auch hier den Saft im Massbecher (notiere Menge B unter c.). c. Vergleiche die Saftmengen und schätze ab, wo du wie viel Kraft gebraucht hast. Menge A: ml < / = / > Menge B: ml Kraftaufwand A < / = / > Kraftaufwand B Das Ausdrücken mit den Fingern ist viel unhandlicher, was den Vergleich schwierig macht, aber der geringere Kraftaufwand ist auf jeden Fall eindrucksmässig nachvollziehbar. d. Erkläre das Resultat mit dem Hebelgesetz, lies dazu im Physikbuch nach, worum es geht: Mit Hebeln kann man Betrag, Richtung und Angriffspunkt einer Kraft ändern. Die Kraft- Wirkung verstärkt sich mit der Entfernung des Angriffspunktes von der Drehachse.

9 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum zum Glas LÖSUNGSBLATT 3.1 / 2 e. Zeichne auf, wie das Hebelgesetz an der Knoblauchpresse angewendet wird (Knoblauchpresse zeichnen, Hebel einzeichnen). Hebelarm r 1 Hebelarm r 2 Kraft F 2 Kraft F 1 f. Berechne mit der Hebelgesetz-Formel (findest du im Buch), um wie viel sich deine Kraft beim Pressen mit der Knoblauchpresse verändert. F 1 r 1 = F 2 r 2 3. Drehen und hebeln Betrachte eine Hand-Mostpresse. Sie dient dazu, die Körperkraft so zu unterstützen, dass man einen möglichst hohen Druck auf die Äpfel ausüben kann. Das hat physikalisch gesehen mit der schiefen Ebene und mit dem Hebelgesetz zu tun. Erkläre, wie diese beiden Prinzipien an der Mostpresse angewendet sind. Lies dazu im Physikbuch nach, worum es bei der schiefen Ebene und beim Hebelgesetz geht. Schreibe deine Erklärung auf. In der Spindel ist das Prinzip der schiefen Ebene angewendet, die schiefe Ebene windet sich spiralförmig um den Stab. Das Hebelgesetz wird einerseits an den Griffen (Bild rechts) angewandt (je länger der Griff, desto grösser der Hebel), andererseits auch beim zusätzlichen seitlichen Hebel mit Drehpunkt, mit dem die Spirale weiter gedreht wird.

10 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas LÖSUNGSBLATT Naturlehre / Chemie Trennverfahren 1 Von urtrüb zu klar 1. Apfelsaft klären Apfelsaft gibt es im Laden in verschiedenen Formen unter anderem in trübem und klarem Zustand. Im ursprünglichen Zustand nach dem Pressen ist der Saft trüb. Welche Möglichkeiten gibt es, den Saft zu klären? Experimentiert gruppenweise mit den Mitteln, die ihr zur Verfügung habt. Wer bringt den klarsten Saft heraus? 2. Trennverfahren prüfen Lest im Chemiebuch nach, welche Trennverfahren es für Stoffgemische gibt. a. Welche habt ihr unter 1 verwendet? Vermutlich am häufigsten Filtrieren b. Welche können angewendet werden? Sedimentieren, Filtrieren (auch Druckfilterpresse), c. Welches davon ist das Wirksamste? Druckfilterpresse d. Welches Verfahren wird im Film Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas angewendet? Druckfilterpresse 3. Trennverfahren anwenden Trennt nun urtrüben Apfelsaft mithilfe von Laboreinrichtungen aus dem Chemieraum mit der wirksamsten Trennmethode (2c) professionell. a. Erstellt eine Materialliste Saugflasche Filterpapier Nutsche Lochzapfen Wasserstrahlpumpe b. Zeichnet die Versuchseinrichtung, schreibt die Einrichtungsgegenstände an.

11 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas LÖSUNGSBLATT 3.2 / 2 c. Wie heissen die chemischen Fachbegriffe für - die Flüssigkeit, die getrennt werden soll? Suspension - das, was zurückbleibt und ausgeschieden wird? Rückstand - das, was wir gewinnen? Filtrat d. Führt den Versuch durch. Haltet das Resultat fest - Ausgangsmenge Apfelsaft urtrüb in Gramm: in %: - Rückstand in Gramm: in %: - Ergebnismenge reiner Apfelsaft in Gramm: in %: - Vergleich des eignen Ergebnisses mit gekauftem klarem Apfelsaft: e. Rückstand: Wie riecht er? Was könnte man damit tun? Was macht die Mosterei damit (Film: Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas)? Rückstand: Trester, wird als Viehfutter verwendet

12 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum zum Glas LÖSUNGSBLATT Naturlehre / Chemie Trennverfahren 2 Voll konzentriert Die Mosterei wird während der Erntezeit Herbst mit vielen Tonnen Äpfel beliefert, die sie zu Apfelsaft verarbeitet. Der Apfelsaft wird dann übers ganze Jahr an die Verbraucher ausgeliefert. Damit er platzsparend gelagert werden kann, wird er konzentriert und erst vor dem Verkauf wieder auf das ursprüngliche Volumen zurückgeführt. 1. Blick in die Praxis Beobachte im Film, was beim Konzentrationsprozess erhalten bleibt (A, B) und was ausgeschieden wird: A. Dicksaft C. Wasser B. Aromen 2. Selbst ausprobieren a. Forsche im Chemiebuch, welches der folgenden Verfahren für das Konzentrieren in Frage kommt (zutreffendes ankreuzen). Filtrieren Eindampfen Destillieren Sedimentieren Zentrifugieren Extrahieren Chromatographieren Magnettrennung b. Bereite ein separates Blatt vor mit dem Titel: Konzentration von Apfelsaft und dem Auftrag: 0,5 dl Apfelsaft auf einen Fünftel des Volumens konzentrieren. c. Orientiere dich an einem Beispiel im Physikbuch, welche Ausrüstung es dazu braucht und erstelle auf deinem Blatt eine Liste (Ausrüstung: usw.). Skizziere die Versuchsanlage.

13 DVD/VIDEO Der Apfelsaft Vom Baum ins Glas LÖSUNGSBLATT 3.3 / 2 d. Stelle die Ausrüstung zusammen und baue die nötige Anlage auf. Anlage kontrollieren! e. Schreibe auf dem Blatt zuerst eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für das Verfahren (Vorgehen: usw.). Lass die Anleitung von der Lehrperson prüfen. Anleitung überprüfen! f. Wenn du das Okay der Lehrperson hast, kannst du den Prozess starten. Beobachte genau, was passiert und schreibe auf dem Blatt ein Protokoll, in dem du jede Veränderung notierst (linke Spalte: Uhrzeit, rechte Spalte: Beschreibung). Untersuche nach Abschluss des Verfahrens das Konzentrat und das Nebenprodukt und beschreibe Mengen Beschaffenheit und Geruch. Notiere das Ergebnis auf das Blatt. Zeit 10:50 10:55 Arbeitsschritte / Beobachtungen Start heizen erster Dampf steigt auf g. Führe anschliessend die Hälfte des Konzentrats wieder in die ursprüngliche Verdünnung zurück. Schreibe auch hier zuerst auf, wie du vorgehen willst und führe es dann aus. Vergleiche mit einer Geschmacksprobe (nur Wattestäbchen im Saft tränken, nicht wirklich trinken!) das Ausgangsprodukt mit dem konzentrierten und wieder verdünnten Saft.