CO 2 -Story. Thema: Verbrennung

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1 Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Gymnasien) Rottweil CO 2 -Story Thema: Verbrennung Schülerseiten 1. Einleitung Das nachfolgende Diagramm zeigt die Kohlenstoffdioxid-Zunahme der Atmosphäre in den letzten Jahren. Hauptsächlich verantwortlich für den Anstieg des Kohlenstoffdioxids sind: Heizen mit fossilen Brennstoffen Brandrodungen Stromerzeugung Verkehrswesen Warum dies der Fall ist, wirst du in den nächsten Versuchen herausfinden. Dabei wirst du dich ausführlich mit den Themen Verbrennung und menschliche Atmung beschäftigen. Seite 1

2 Schülerseiten 2.1. Teilversuch 1 Verbrennung Material: Teelicht Teelicht, bei welchem das Wachs mit Butter ausgetauscht wurde Streichhölzer Holzspäne Erdgas (Bunsenbrenner) flache feuerfeste Unterlage Feuerzeug Becherglas mit Kalkwasser 5 Reagenzgläser 60ml Spritze stumpfe Kanüle (Vorsicht!) Aufgabenstellung Zünde die Teelichter, Streichhölzer, Holzspäne und das Erdgas nacheinander an. Entnimm direkt über der Flamme eine Luftprobe mit der Spritze. Teste die Luftprobe im Kalkwasser. Durchführung 1. Verteile das Kalkwasser auf verschiedene Reagenzgläser (Füllhöhe ca. 2 cm) und blase zum Vergleich langsam eine Spritze voll Raumluft in die Lösung. 2. Zünde die beiden Teelichter nacheinander an und entnimm jedes Mal eine Luftprobe. 3. Gib die Luftprobe mit der Spritze in das Kalkwasser und beobachte dieses. 4. Lege mehrere Streichhölzer auf die feuerfeste Platte und entzünde sie. Zünde ebenfalls einige wenige Holzspäne an. Verfahre mit deinen Luftproben wie oben. 5. Stelle die Flamme des Bunsenbrenners auf die rauschende Flamme und entnimm ebenfalls eine Luftprobe. Schutzbrille bei der Arbeit mit Kalkwasser tragen! Aufgaben a) Stellst du eine Veränderung der Nachweislösung nach Zugabe der Luftprobe fest? b) Zum Nachweis welchen Gases wird Kalkwasser verwendet? Um welches Gas handelt es sich demnach hauptsächlich in unseren Luftproben? c) Wie wirkt sich eine verstärkte Verbrennung von Holz/Wäldern auf die weltweite Luftzusammensetzung aus? Siehst du darin Gefahren? d) Butter besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenstoffatomen, die zu langen kettenförmigen Molekülen verknüpft sind. Kannst du einen Zusammenhang zwischen deinem Versuchsergebnis und der Tatsache, dass der Mensch Kohlenstoffdioxid ausatmet, herstellen? Seite 2

3 Schülerseiten e) Angenommen, ein Einfamilienhaus wird lediglich mithilfe von Holzpellets beheizt und verbraucht 6 Tonnen pro Jahr. Als Vereinfachung wird außerdem angenommen, dass Holz lediglich aus Cellulose besteht. Wieviel Kohlenstoffdioxid wird pro Jahr ausgestoßen? Welche Heizvariante wäre nach deiner Rechnung umweltschonender? Vergleichswert: Wird ein Haus mit Erdöl beheizt, fallen ca kg Kohlenstoffdioxid an. Verwende für deine Rechnung folgende Angaben: Cellulose: C 6 H 10 O 5 (M = 324,28 g/mol) Kohlenstoffdioxid: CO 2 (M = 44 g/mol) C 6 H 10 O O 2 6 CO H 2 O Seite 3

4 Schülerseiten 2.2 Teilversuch 2 Atmung Material: Wanne mit Wasser 1 Trinkhalm pro Schüler/-in 2x 60ml Spritzen Dreiwegehahn Becherglas mit Kalkwasser Reagenzgläser Aufgabenstellung Benutzt die genannten Materialien, um: das Volumen eines tiefen Atemzugs von jedem Teilnehmer eurer Gruppe zu bestimmen einen Kohlenstoffdioxid-Nachweis eurer Atemluft durchzuführen Durchführung Fertigt eine Versuchsskizze, sowie eine Tabelle mit den einzelnen Volumenangaben an. Seite 4

5 3. Kurzbeschreibung Verbrennung Lehrerseiten In den letzten Jahren ist die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre kontinuierlich angestiegen. Anhand der beiden Versuche sollen die SuS erkennen, dass bei alltäglichen Verbrennungen Kohlenstoffdioxid entsteht. Da keinerlei Gefahrenstoffe verwendet werden und die Materialien kostengünstig sind, eignen sich diese Versuche als Schülerexperimente. Das Verbrennen von Streichhölzern und Holzspänen stellt Brandrodung im Miniaturmaßstab dar. Hier sollte auf den Anstieg des Kohlenstoffdioxids in der Luft, sowie auf die reduzierte Möglichkeit zur Photosynthese hingewiesen werden. Die Verbrennung der Butterkerze stellt einen guten Übergang zur menschlichen Atmung dar. Den SuS soll bewusst werden, dass im Körper ebenfalls Verbrennungsprozesse stattfinden. Der Körper gewinnt daraus Energie und atmet Kohlenstoffdioxid als Verbrennungsprodukt aus. Darüber hinaus wird durch eine einfache Rechnung die ökologische Bedeutung von alternativen Heizmethoden verdeutlicht. Bei der Verbrennung von Streichhölzern und Holzspänen (Teilversuch 1) sollte keine Schale verwendet werden, da hier die Sauerstoffzufuhr nicht gewährleistet ist. Statt der Trinkhalme in Teilversuch 2 kann auch ein Plastikschlauch benutzt werden. Aus sicherheitstechnischen und hygienischen Gründen sind jedoch Trinkhalme zu bevorzugen. 4. Lernziel Diese Lerneinheit soll ein Verständnis von Verbrennungsprozessen in Natur, Umwelt, Technik und Alltag herstellen. Die vergleichende Rechnung zwischen einem mit Erdöl und einem mit Holzpellets beheizten Haus soll Lösungsstrategien zu einem individuellen ökologischen Handeln geben. Unter dem Aspekt des entdeckenden Lernens können Schülerinnen und Schüler durch Verbrennung einfacher Materialien den grundlegenden Prozess der Verbrennung untersuchen. Der Schwerpunkt dieser Einheit liegt darin, dass bei jeder alltäglichen Verbrennung Kohlenstoffdioxid entsteht. Darüber hinaus wird das einfache Experimentieren geübt, unter anderem die Gasgewinnung mithilfe der pneumatischen Wanne. 5. Versuchsdauer ca. 1 Unterrichtsstunde Die Versuche können aber auch ohne Probleme in getrennten Stunden durchgeführt werden. Seite 5

6 Lehrerseiten 6. Beispiellösungen Teilversuch 1 Verbrennung a. Stellst Du eine Veränderung des Kalkwassers vor und nach Zugabe der Luftprobe fest? Beschreibe diese! Ja, es kommt zu einer Trübung des Kalkwassers. Bei Kalkwasser handelt es sich um eine gesättigte Calciumhydroxidlösung. Wird Kohlenstoffdioxid eingeleitet, entsteht zunächst Kohlensäure, die sofort zerfällt und zu Calciumcarbonat abreagiert. Es kommt zur Trübung. Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion, die nach dem Prinzip von Le Chatelier verschoben werden kann. Mit überschüssigem Kohlenstoffdioxid verschwindet Trübung allmählich und es bildet sich eine Lösung von Calciumhydrogencarbonat. CaO + H2O Ca(OH)2 CO2+ H2O H2CO3 H2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2 H2O CO 2 + CaCO 3 + H 2O Ca(HCO 3) 2 b. Zum Nachweis welchen Gases wird Kalkwasser verwendet? Um welches Gas handelt es sich demnach hauptsächlich bei unseren Luftproben? Kalkwasser wird zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid verwendet. Demnach entsteht Kohlenstoffdioxid bei allen unseren Verbrennungen! c. Wie wirkt sich eine verstärkte Verbrennung von Holz/Wäldern auf die weltweite Luftzusammensetzung aus? Siehst Du darin Gefahren? Bei der Verbrennung von Holz entsteht Kohlenstoffdioxid. Dies geschieht besonders bei der Brandrodung großer Waldstücke. Bäume sind hauptsächlich für den Abbau von Kohlenstoffdioxid zuständig (= Photosynthese). Werden sie jedoch in großem Maßstab gerodet, kommt es zu geringerer Photosynthese. Das heißt, es ist weniger Photosynthese möglich und das Kohlenstoffdioxid steigt durch die Verbrennung noch zusätzlich an. Es kommt zu einem weltweiten Anstieg von Kohlenstoffdioxid in der Luft. d. Butter besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenstoffatomen, die zu langen kettenförmigen Molekülen verknüpft sind. Kannst du einen Zusammenhang zwischen deinem Versuchsergebnis und der Tatsache, dass der Mensch Kohlenstoffdioxid ausatmet, herstellen? Im menschlichen Körper findet ebenfalls eine Verbrennung statt, allerdings ohne Flammenbildung. Die Kohlenstoffatome in der Butter werden mit den Atomen aus den Sauerstoffmolekülen zu Kohlenstoffdioxid-Molekülen, welche anschließend ausgeatmet werden. Seite 6

7 e. Angenommen, ein Einfamilienhaus wird lediglich mithilfe von Holzpellets beheizt und verbraucht 6 Tonnen pro Jahr. Als Vereinfachung wird außerdem angenommen, dass Holz lediglich aus Cellulose besteht. Wieviel Kohlenstoffdioxid wird pro Jahr ausgestoßen? Welche Heizvariante wäre nach deiner Rechnung umweltschonender? Vergleichswert: Wird ein Haus mit Erdöl beheizt, fallen ca kg Kohlenstoffdioxid an. Lehrerseiten Verwende für deine Rechnung folgende Angaben: Cellulose: C 6 H 10 O 5 (M = 324,28 g/mol) Kohlenstoffdioxid: CO 2 (M = 44 g/mol) C 6 H 10 O O 2 6 CO H 2 O Verbrennung von 6000 kg Holz (Cellulose): n (Cellulose) = 18,5 kmol, n (CO 2) = 111 kmol m (CO 2 ) = 4884 kg Es werden 4884 kg Kohlenstoffdioxid ausgestoßen. Somit wäre die Holzpelletheizung umweltschonender. Teilversuch 2 Fertigt eine Versuchsskizze, sowie eine Tabelle mit den einzelnen Volumenangaben an. Versuchsskizze: Seite 7

8 Lehrerseiten Tabelle: Schüler A Schüler B Schüler C Schüler D Volumen ml ml ml ml 7. Bezugsquellen Versuchslegende Herausgeber: Technikinitiative NwT Hochschule Furtwangen Furtwangen University Jakob-Kienzle-Str Villingen-Schwenningen technikinitiative-nwt@hs-furtwangen.de Autor: Bärbel Ringwald und Alexandra Laber In Zusammenarbeit mit: Matthias Kremer, Daniel Jenkner und Hubert Rösch Erstellt: Februar 2014 Seite 8