Stoffe und ihre Eigenschaften 9. Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) Weißes Gold? Kalk in Natur und Technik

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1 II Stoffe und ihre Eigenschaften 9. Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) 1 von 30 Weißes Gold? Kalk in Natur und Technik Ein Beitrag von Peter Baumgartner, Freiburg Mit Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart Ohne Kalk kein Beton, kein Stahl, kein Papier und auch kein Zucker: Als Grundstoff, Zuschlag oder Füllstoff ist Kalk aus der modernen industriellen Produktion nicht mehr wegzudenken. In der Lebenswelt der Schüler dagegen hat Kalk kein gutes Image, schädigen doch seine Ablagerungen Waschmaschine, Wasserkocher und Co. Und der Begriff verkalkt führt auch nicht zu positiven Assoziationen. In dieser Unterrichtseinheit beschäftigen sich die Schüler theoretisch, experimentell und spielerisch mit Kalk. Sie lernen die Kreisläufe des Kalks in Natur und Technik kennen und erfassen die Bedeutung dieses faszinierenden Rohstoffs. Alle wichtigen Unterrichtsschritte als Präsentation auf CD! Das Wichtigste auf einen Blick Überwinden Sie gemeinsam mit Ihren Schülern die VorurteilegegenüberKalkundindenSieallesWissenswerte über diesen Rohstoff heraus! Foto: Thinkstock/Fuse Klasse: 9/10 Dauer: 8 Stunden (Minimalplan: 5) Kompetenzen: Die Schüler bestimmen mit Experimenten die Wasserhärte quantitativ und qualitativ und kennen. kennen die Auswirkungen von Wasserhärte im Alltag. kennen die Abläufe im natürlichen und im technischen Kalkkreislauf. bildendieabläufeimnatürlichenundim technischen Kalkkreislauf teilweise mit Versuchen nach. Versuche: Mit Kalk und Säure zum Gas nur zu welchem? (SV) WasseristnichtgleichWasser(SV) BestimmungderWasserhärtenachPellet (SV) ThermischeZersetzungvonKalk(SV) Übungsmaterial: BistdueinKalkproi? Wasser hartoderweich,dasisthierdie Frage! DernatürlicheKalkkreislauf Jetztweißich s! Kalk

2 2 von Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) Stoffe und ihre Eigenschaften II Was Sie zum Thema wissen müssen Der technische Kalkkreislauf Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter Kalk Verschiedenes verstanden: Kalkstein (Calciumcarbonat CaCO 3 ), gebrannter Kalk (Calciumoxid CaO) und gelöschter Kalk (Calciumhydroxid Ca(OH) 2 ). Es handelt sich hierbei um drei unterschiedliche Stoffe, die Bestandteile des technischen Kalkkreislaufs sind. Wird wasserunlösliches Calciumcarbonat, also das natürlich vorkommende Kalkgestein, stark erhitzt ( gebrannt ), bildet sich unter Abspaltung von CO 2 Calciumoxid. Dieses löst sich sehr gut und unter heftiger Wärmeentwicklung in Wasser ( löschen ). Das gebildete Calciumhydroxid nimmt beim Verdunsten des Wassers wieder CO 2 auf undesbildetsicherneutcalciumcarbonat derkreislaufistgeschlossen. Natürliches Vorkommen von Kalk DieschwäbischeunddiefränkischeAlb,großeTeilederAlpenundvieleweitereLandschaften bestehen aus Kalkgestein, insgesamt sind es 5 % der Erdkruste. Kalkgestein bildete sich aus Ablagerungen, die im Laufe von Jahrmillionen entstanden sind. Diese kilometerdicken Ablagerungen sind die Überreste von Mikroorganismen und erhalten gebliebene Skelette von Schnecken, Muscheln und Schwämmen, die sich auf den Böden von heute nicht mehr existierenden Meeren gesammelt haben. Der natürliche Kalkkreislauf Das wasserunlösliche Kalkgestein (Calciumcarbonat) wandelt sich im Kontakt mit saurem Regen zu Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO 3 ) 2 ). Dessen Wasserlöslichkeit ist der Grund für die ausgewaschenen Höhlen in Kalkgebirgen. Beim Verdunsten des Wassers bildet sich wieder Calciumcarbonat, das in Form von Tropfsteinen oder auch als unschöner Niederschlag auf Trinkgläsern bekannt ist. Dieser Kreislauf ist der natürliche Kalkkreislauf. Die Wasserhärte In Gebieten mit viel Kalkgestein lagert sich viel Calciumcarbonat im Wasser ab. Man spricht hier von hartem Wasser. Es mindert die Waschwirkung von Seifen durch Bildung von Kalkseife und hinterlässt störende Ablagerungen, z. B. in Wasserleitungen ( Verkalkung ). Diese Ablagerungen können mit Säure wieder beseitigt werden. Die Wasserhärte wird in drei Bereiche eingeteilt: weich, mittel und hart. Eine genauere Einteilung gibt die Angabe Grad deutscher Härte ( dh). 1 dh entspricht der Menge von 10 mg Calciumoxid in 1 Liter Wasser. Weiches Wasser misst weniger als 8,4 dh, mittleres Wasser 8,4 bis 14 dh und hartes Wasser mehr als 14 dh. Die Wasserhärte kann mit Teststäbchen, Schaumtests und per Titration bestimmt werden. Anwendung von Kalk Calciumcarbonat ist ein wichtiger Stoff zum Entfernen von Verunreinigungen. Es bindet unerwünschte Stoffe beim Gewinnen von Zucker aus der Zuckerrübe. Im Hochofen wirkt beigefügtes Kalkgestein als Zuschlag und ermöglicht die Herstellung von Eisen aus verunreinigtem Eisenerz. Die Abgase aus Kohlekraftwerken werden durch Kalkmilch geleitet und dadurch von giftigenschwefelverbindungengereinigt esentstehtunschädlichergips. Calciumcarbonat ist aber auch ein wichtiger Rohstoff:Esbildet10 15%desRohstoffsfür die Herstellung von Glas. Papier wird durch einen Kalkaufstrich mit einer glatten Oberfläche versehen. In der Bauindustrie wird aus Calciumcarbonat und Ton unter starker Hitze Zement hergestellt. Dieser wird mit Sand, Kies und Wasser vermischt und bindet dann als hartes Betongestein ab.

3 II Stoffe und ihre Eigenschaften 9. Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) 5 von 30 Die Einheit im Überblick V = Vorbereitung FO = Folie LEK = Lernerfolgskontrolle D = Durchführung SV = Schülerversuch LP = Lehrerpräsentation VP = Versuchsprotokoll AB = Arbeitsblatt = Zusatzmaterial auf CD Stunden 1 2: M 1 (FO) M 2 (SV) V: 10 min D: 20 min * Exemplar(e) pro Gruppe M 3 (VP) Einführung zum Thema Kalk Was haben diese Dinge gemeinsam? Kalkstein Becherglas Säure Schutzbrille Mit Kalk und Säure zum Gas nur zu welchem? 3 Schutzbrillen* 1 Reagenzglasständer* 1 Pipette* 1 Gasableitungsrohr* 1 Reagenzglas* 1 Reagenzglas mit Ansatz* 2 Stopfen* 1 Glasschale* 1 kurzes Schlauchstück* 2 3Kalksteinchen* 10%igeSalzsäure oder Essigessenz* 1 Reagenzglas mit Kalkwasser* Versuchsprotokoll: Mit Kalk und Säure zum Gas (mit Lückentexten) M 3 (VP) Versuchsprotokoll: Mit Kalk und Säure zum Gas (ohne Lückentexte) M 4 (AB) M 5 (AB) M 5 (AB) Kalk Experten informieren Bist du ein Kalkprofi? (mit Hilfen) Bist du ein Kalkprofi? (ohne Hilfen) (LP) Kalk Lehrerpräsentation (S. 1 5) Stunden 3 5: Wasserhärte M 6 (SV) V: 15 min D: 30 min * Exemplar(e) pro Gruppe M 7 (AB) M 8 (AB) M 9 (SV) V: 10 min D: 20 min * Exemplar(e) pro Gruppe Wasser ist nicht gleich Wasser 3 Schutzbrillen* 3 Objektträger* 1 Reagenzglasständer* 1 Gasbrenner* Weiches Wasser hartes Wasser Wasser hart oder weich, das ist hier die Frage! Bestimmung der Wasserhärte nach Pellet 3 Schutzbrillen* 1 Erlenmeyerkolben (100 ml)* 1 Stopfen* 3 Reagenzgläser* 3 Wasserproben* 1 Reagenzglasklammer* 1 Pipette* Pellet-Seifenlösung Leitungswasser (LP) Kalk Lehrerpräsentation (S. 6 17)

4 6 von Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) Stoffe und ihre Eigenschaften II Stunden 6 7: M 10 (AB) M 11 (AB) Der natürliche und der technische Kalkkreislauf Tropfsteinhöhlen ein Beispiel für den natürlichen Kalkkreislauf Der Kalkkreislauf in der Natur (Vorlage) M 12 (SV) V: 10 min D: 20 min * Exemplar(e) pro Gruppe M 13 (AB) Drehscheibe der natürliche Kalkkreislauf Thermische Zersetzung von Kalk 3 Schutzbrillen* 1 Gasbrenner* 1Dreifuß* 1 Drahtnetz* Der technische Kalkkreislauf 2 Reagenzgläser* 1 Reagenzglasständer* 1 Tiegelzange* 1 Pipette* 2 Kalksteinchen Universalindikator Wasser (LP) Kalk Lehrerpräsentation (S ) Stunde 8: M 14 (LEK) M 15 (LEK) Minimalplan Lernerfolgskontrolle Jetzt weiß ich s! Kalk Jetzt weiß ich s! Kalkkreisläufe Steht Ihnen weniger Zeit zur Verfügung, können Sie die Unterrichtseinheit auf fünf Stunden verkürzen, indem Sie die Schülerversuche M 2 und M 6 weglassen und die Arbeitsblätter M 4 und M 5 als Hausaufgabe aufgeben.

5 II Stoffe und ihre Eigenschaften 9. Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) 7 von 30 Was haben diese Dinge gemeinsam? M Fotos:1,4,9:Colourbox;2:Thinkstock/DigitalVision;3,5 8Thinkstock/iStock

6 8 von Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) Stoffe und ihre Eigenschaften II M 2 Mit Kalk und Säure zum Gas nur zu welchem? Man kann Kohlenstoffdioxid nachweisen, indem man das Gas in Kalkwasser leitet. Trübt sich das klare Kalkwasser, handeln es sich bei dem Gas um Kohlenstoffdioxid. Findet hier heraus, ob bei der Reaktion von Kalkstein und Säure Kohlenstoffdioxid entsteht! Schülerversuch in Dreiergruppen Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min Aufgabe Führt den folgenden Versuch durch. So führt ihr den Versuch durch Versuch Teil1 1. Einer von euch holt die folgenden Materialien an den Platz. 3 Schutzbrillen 1 Reagenzglasständer 1 Glasschale 1 Reagenzglas 1 Gasableitungsrohr 2. Setzt die Schutzbrillen auf. 1 Reagenzglas mit Ansatz 1 kurzes Schlauchstück 10%igeSalzsäure oder Essigessenz 3. Füllt die Glasschale zu zwei Drittel mit Wasser. 1 Pipette 2 3Kalksteinchen 2 Stopfen 1 Reagenzglas mit Kalkwasser 4. Füllt das leere Reagenzglas randvoll mit Wasser und dichtet es mit dem Daumen ab. Stellt es mit der Öffnung nach unten in die Glasschale. Entfernt den Daumen erst kurz vor dem Abstellen. 5. Verbindet den Ansatz des Reagenzglases und das Gasableitungsrohr über das Schlauchstück. Taucht das freie Ende des Gasableitungsrohrs in die Glasschale mit Wasser. 6. Gebt mithilfe der Pipette etwas Säure in das Reagenzglas. Gebt dann einige KalksteinchenindieSäureundverschließt das Reagenzglas mit dem Stopfen. 7. Stülpt das mit Wasser gefüllte Reagenzglas nach ca. 10 Sekunden über das Gasableitungsrohr. Notiert erste Beobachtungen im Protokoll. Versuch Teil2 8. Dichtet das mit Gas gefüllte Reagenzglas aus der Schale unter Wasser mit dem Daumen ab, nehmt es aus dem Wasser, dreht es um und füllt es mit Kalkwasser. 9.VerschließtesmiteinemStopfenundschütteltes. Notiert weitere Beobachtungen im Protokoll. Versuchsaufbau Reagenzglas mit Ansatz Säure Kalksteinchen Gasableitungsrohr Reagenzglas mit Wasser Glasschale mit Wasser

7 II Stoffe und ihre Eigenschaften 9. Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) 11 von 30 Kalk Experten informieren M 4 Papier, Zucker und Glas das hat alles mit Kalk zu tun? Erfahrt hier die wichtigsten Fakten zum Thema Kalk von Experten. Aufgabe: Lest den Text aufmerksam durch und markiert wichtige Informationen. Papier erhält seine glatte, weiße Oberfläche durch einen Aufstrich von Kalk. Jährlich werden 10 Millionen Tonnen Kalk zur Papierherstellung benötigt. In Deutschland stellen wir Haushaltszucker aus Zuckerrüben her. Diese werden in Schnitzel geschnitten und inheißemwassereingeweicht.bevor der entstehende süße Saft zu Zucker eingedampft wird, müssen Verunreinigungen entfernt werden. Dies erreichen wir durch Zugabe von Kalk, der die unerwünschten Stoffe bindet. Der chemische Name für Kalk ist Calciumcarbonat, die Formel lautet CaCO 3. Es handelt sich um das Calciumsalz der Kohlensäure. Kalk ist ein Feststoff und in Wasser nicht löslich. Bei der Reaktion mit Säure entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid. Hochhäuser, Brücken, Türme und viele andere Gebäude werden aus Beton hergestellt. Beton ist ein Gemisch aus Kies und Sand, das mit dem Bindemittel Zement steinhart verklebt wird. Und dieser Zement wird wiederum durch Erhitzen eines Gemischs von Ton und Kalk auf 1400 C hergestellt. EinGroßteildesabgebautenKalkgesteins wird für in die Herstellung von Zement benötigt. Chemiker Lebensmittelchemikerin Umwelttechniker im Kohlekraftwerk Glasbläser Hochofenarbeiter Papiergroßhändler Über 40 % des Stroms in Deutschland werden durch das Verfeuern von Kohle erzeugt. Kohle enthält Schwefel. Damit das giftige Verbrennungsprodukt Schwefeldioxid nicht in die Atmosphäre gelangt, werden die Abgase mit Kalk behandelt, der Schwefeldioxid in Gips umwandelt. Bei der Glasherstellung bringen wir ein Gemisch aus Quarzsand, Soda und Kalk bei 1200 C zum Schmelzen. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid und Glas, das zuerst flüssig ist und dann erstarrt. Im Hochofen erhitzen wir das Erz Eisenoxid auf 1300 C. Beigefügter Koks reduziert das Eisenoxid zu reinem Eisen. Die vielen anderen Stoffe im Erz würden das Eisen verunreinigen. Also gibt man Kalk hinzu, das die Verunreinigungen bindet. Zur Herstellung von einer Tonne Eisen benötigen wir 200 Kilogramm Kalkgestein. Geologin Architektin Vor mehreren hundert Millionen Jahren sanken abgestorbene Schnecken, Muscheln und Korallen auf den Meeresboden. Im Laufe der Zeit bildeten sich aus ihren Schalen und Skeletten kilometerdicke Kalkablagerungen. So sind die Alpen zu großen Teilen nichts anderes als Überreste von Lebewesen. Kalk kann als Kreide, Kalkstein oder Marmor vorkommen. Schulkreide besteht aber nicht aus Kalk, sondern aus Gips (CaSO 4 ). Fotos: Colourbox

8 22 von Kalk in Natur und Technik (Kl. 9/10) Stoffe und ihre Eigenschaften II M 11 Der Kalkkreislauf in der Natur Ihr habt den natürlichen Kalkkreislauf anhand der Bildung von Tropfsteinen kennengelernt. Zeigt, was ihr verstanden habt. Aufgaben 1. Ordnet den Stoffen mit Pfeilen die richtigen Summenformeln zu. Calciumcarbonat Calciumhydrogencarbonat Kohlensäure Kohlenstoffdioxid Wasser H 2 CO 3 CaCO 3 CO 2 H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 2. Tragt die Reaktionsgleichungen des Kalkkreislaufes mit Summenformeln in die Abbildung ein. 3. Zeichnet Pfeile ein, die zeigen, dass es sich um einen Kreislauf handelt.