Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht eine Möglichkeit für ein Kindergarten meets chemistry - Angebot

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1 1 von 30 Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht eine Möglichkeit für ein Kindergarten meets chemistry - Angebot Silke Schreiber, Birgit Becker Neustadt (Wied) Niveau: Dauer: Sek. I Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Verbrennungsreaktionen am Beispiel einer Kerze. Bedeutung der Entzündungstemperatur von Stoffen. Kapillarwirkung des Dochtes. Kohlenstoffdioxid und Wasser als Verbrennungsprodukte. Flammenerstickende Wirkung von Kohlenstoffdioxid. Verbrennungsreaktionen benötigen Sauerstoff. Erkenntnisgewinnung: Die Schüler führen qualitative experimentelle und andere Untersuchungen durch und protokollieren diese, beachten beim Experimentieren Sicherheitsaspekte, nutzen geeignete Modelle, um chemische Fragestellungen zu bearbeiten, planen geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypothesen. Kommunikation: Die Schüler beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und/oder mithilfe von Modellen und Darstellungen, stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her und übersetzen dabei bewusst Fachsprache in Alltagssprache und umgekehrt. Sie präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit situationsgerecht und adressatenbezogen, leiten Kindergartenkinder beim Experimentieren an und erarbeiten mit ihnen die Zusammenhänge. Bewertung: Sie nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen. Der Beitrag enthält Materialien für: ü Schüler- und Lehrerversuche ü Vertretungsstunden ü Chemie-AG ü Lernzirkel/Gruppenpuzzle/Projekt ü Mitmachexperimente für Schulfeste ü Kindergartenkinder experimentieren Hintergrundinformationen Im Chemie-Anfangsunterricht sind Verbrennungsreaktionen ein wichtiger Unterrichtsinhalt, den man fast vollständig am Beispiel einfach durchzuführender Kerzenexperimente erarbeiten kann. Wir haben dieses Thema im Chemieunterricht der Klasse 8 als Lernzirkel sowie im NAWI-Wahlpflichtfach der Klasse 9 und in einer Kindergartenmeets-chemistry -AG als Projekt durchgeführt und anschließend Kindergartenkinder und ihre Erzieher zum Experimentieren eingeladen. Betreut und angeleitet wurden die Kindergartenkinder dann hauptsächlich von unseren Schülern. Die Kindergartenkinder waren richtig fasziniert und beim Experimentieren oft nicht mehr zu bremsen und selten waren wir Lehrerinnen so begeistert und gerührt im Unterricht! Auch von den Eltern der Kindergartenkinder stürmte Begeisterung auf uns ein: Tagelang haben die Kinder noch von den tollen Versuchen erzählt, die sie machen durften. Ganz stolz haben die Kinder auf den Laufzettel gezeigt und erklärt, was sie in der Schule alles gemacht hatten! Aber auch die Schüler waren von diesem Projekt begeistert: Es gibt zahlreiche Wahlmöglichkeiten, unterschiedlichste Möglichkeiten der Schwerpunktbildung bei der Arbeit (kreativ, chemisch oder

2 5 von 30 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Farbfolie Die angegebenen Mengen beziehen sich auf die Arbeit in einer Kleingruppe von drei Lernenden bzw. drei Kindergartenkindern. Sie gelten sowohl für die Vorbereitung eines Lernzirkels in der Klasse als auch für das Experimentieren mit den Kindergartenkindern. M 1a Ab, SV V: 5 min D: 5 min M 1b Ab, SV V: 5 min D: 1 min M 1c Ab, SV V: 1 min D: 7 min M 2a Ab, SV Wichtig für das Anzünden einer Kerze: die Entzündungstemperatur (Teil 1) r 6 Streichhölzer r 1 Filterpapier r Sägespäne (einen Spatellöffel voll) r Dreifuß r Ceran-Platte r Gasbrenner r Spatellöffel Wichtig für das Anzünden einer Kerze: die Entzündungstemperatur (Teil 2) r 4 5 Streichhölzer r 4 5 Stecknadeln r Gasbrenner Was passiert beim Entzünden einer Kerze? r 3 Christbaumkerzen r mit Tinte angefärbtes Wasser (5 ml) r 3 Feuerzeuge r 3 Glimmspäne Spannend: der Flammensprung V: 15 min r mindestens 9 weiße Christbaumkerzen D: 5 min als Unterlage r 3 Messingröhrchen (ca. 4 mm Durchmesser, ca. 5 cm lang) r lange Streichhölzer für die Kindergartenkinder r 3 Kapillaren r 3 Uhrgläser r 1 Becherglas, 25 ml r 3 feste, aber biegsame Drahtstücke ohne Kunststoffumwicklung (je ca. 15 cm lang) M 2b Ab, SV V: 15 min D: 3 min Verwunschen: die Doppelkerze r mindestens 9 weiße, gleich lange Christbaumkerzen r 3 Trinkhalmstücke (ca. 8 cm lang) M 3 Ab, SV Die Kerze im Wasserbad V: 5 min D: 5 min M 4a Ab,SV V: 15 min D: 5 min r 1 Christbaumkerze r Leitungswasser r 1 Teil einer großen Petrischale (ca. 15 cm Durchmesser) r 1 Messzylinder (100 ml) r 1 Ständer für die Kerze (ca. 3-4 cm hoch, passt vom Durchmesser her in den Messzylinder, z. B. ein kleines wassergefülltes Schnappdeckelgläschen oder ein Metallzylinder) Das Reaktionsprodukt der Kerzenverbrennung r 1 Christbaumkerze r Bariumhydroxid-Lösung (Ba(OH) 2(aq), Barytwasser ) r Wasserstrahlpumpe r Gaswaschflasche r Spatellöffel r 2 Erlenmeyerkolben (250 ml)

3 6 von Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht M 4b Ab, SV V: 1 min D: 1 min M 4c Ab, SV r Wasser dest. r 2 x Stativmaterial (Stativ, Muffe, Klammer) r 2 Glastrichter r Laborhebebühne r 2 Stücke PVC-Schlauch (passend zum Glastrichter und Kolbenprober, ca. 20 cm lang) Gefangen: die Kerze im Becherglas r 3 Teelichter r 3 Bechergläser (250 ml, hohe Form) r Rundfilterpapier r Uhrglas r Pipette r Schutzhandschuhe (Einmal-Handschuhe) Mysteriös: Verbrennungsreaktionen auf der Waage V: 15 min r 2 gleich große Christbaumkerzen D: 20 min r Kohlenstoffdioxid-Druckgasflasche r Eisenwolle (Fe) r Laborwaage M 4d Ab, SV V: 5 min D: 1 min Geheimnisvoll: die Kerzentreppe r Kohlenstoffdioxid-Druckgasflasche r 4 Weihnachtsbaum-Kerzen, die unterschiedlich hoch sind r 1 Becherglas (5000 ml) r 1 Becherglas (50 ml) r 1 Becherglas (100 ml) r 1 Becherglas (250 ml) r 2 gleichartige Luftballons (ca. 2 cm Durchmesser am weiten Ende) r Balkenwaage r Lineal r Gasbrenner r Pneumatische Wanne oder Aquarium r Frischhaltefolie r Tesafilm (oder Streichhölzer) r Glimmspan M 5 Ab, SV Selbstgemachte Dekorationen aus Wachs V: 7 min r verschiedenfarbige Christbaumkerzen D: 15 min r Leitungswasser r Schokoladenadventskalender r Faden zum Aufhängen r 3 kleine Bechergläser r Spatel r Faden r Schere r Küchenrolle M 6 Fo Forscherregeln so experimentieren wir sicher M 7 Ab Kindergarten-Laufzettel: spannende Experimente rund um die Kerze M 8 Ab, LV Explosiv die Wachsverpuffung M 9 Ein Demonstrationsexperiment für das Ende der Veranstaltung Bildergeschichten einer Schülerin zwei Beispiele M 10 Beispiel einer Einladung für den Kindergarten Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie ab Seite 26.

4 9 von 30 M 1b Wichtig für das Anzünden einer Kerze: die Entzündungstemperatur Teil 2 Die Hölle für Streichholzköpfe oder Im Zentrum des flammenden Infernos so oder so ähnlich könnte die Überschrift für dieses Experiment in einer Boulevardzeitung lauten! Worum es geht und ob die Boulevardzeitung mit diesen reißerischen Schlagzeilen richtig läge, erfahrt ihr hier. Schülerversuch: Ein Streichholz im Zentrum des Gasbrenners V: 5 min D: 1 min Ihr braucht: r 4 5 Streichhölzer r 4 5 Stecknadeln Versuchsaufbau Foto: Silke Schreiber r Gasbrenner Versuchsdurchführung Brecht die Streichholzköpfe vom Streichholz so ab, dass die Hölzchen danach noch ca. 1 cm lang sind. Legt die Kopfstücke auf den Tisch und durchbohrt das Hölzchen ca. 1-2 mm unterhalb des Streichholzkopfes senkrecht in der Mitte mit einer Stecknadel (siehe Versuchsaufbau). Öffnet die Luftzufuhr des Gasbrenners, sodass ihr gleich eine rauschende, nicht leuchtende Flamme einstellen könnt. Entzündet den Brenner aber noch nicht! Das aufgespießte Streichholzköpfchen positioniert ihr nun mithilfe der Stecknadel im Schornstein des Gasbrenners (der Gasbrenner ist dabei noch nicht entzündet!), indem ihr die Stecknadel auf dem Rand des Schornsteins ablegt. Das Streichholzköpfchen muss von allen Seiten des Schornsteins den gleichen Abstand haben und in der Mitte liegen. Es darf auch nicht zu weit aus dem Schornstein herausragen. Überlegt euch, was passieren wird, bevor ihr den Gasbrenner entzündet. Entzündet dann vorsichtig den Gasbrenner.

5 10 von Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht Aufgaben 1. Was geschieht eurer Meinung nach mit den Streichholzköpfen im Zentrum des Gasbrenners nach dem Entzünden? 2. Was könnt ihr tatsächlich beobachten? Wie begründet ihr eure Beobachtungen? 3. Informiert euch im Internet oder im Chemiebuch über die Flammentemperaturen in der Brennerflamme. Beschriftet folgende Gasbrennerflamme. Welches ist die heißeste Zone? Ergänzt auch die entsprechenden Temperaturen. Temperatur ca. Temperatur ca. 4. Bereitet den Versuch zur Präsentation in eurer Klasse vor. Fragt auch eure Klassenkameraden, was sie erwarten, was mit dem Streichholzköpfchen im Zentrum des Gasbrenners geschehen wird. Erklärt die chemischen Hintergründe und geht dabei auch auf die Flammentemperaturen und die Entzündungstemperaturen ein! Benutzt dazu euer neu erworbenes Hintergrundwissen aus den Aufgaben Bereitet das Experiment für den Besuch der Kindergartenkinder vor. So betreut ihr die Kindergartenkinder: Temperatur ca. Erklärt den Kindern den Versuchsaufbau, die Durchführung und fragt sie, was passieren könnte. Führt dann den Versuch durch. Hebt besonders die erstaunliche Beobachtung hervor, dass das Streichholzköpfchen mitten im Gasbrenner kein Feuer fängt! Erklärt kurz die chemischen Hintergründe des Versuchs. Nur das dürfen die Kindergartenkinder tun: Bei diesem Experiment schauen die Kinder nur zu. Darauf müsst ihr besonders achten: Die Kinder und ihr selbst müsst die Schutzbrillen tragen! Die Kinder dürfen während des Experiments und danach nicht an den Bunsenbrenner fassen!

6 15 von 30 M 3 Die Kerze im Wasserbad Bei diesem Experiment wird die Kerze nicht nur in einen Glaskasten gesetzt, sondern mit den Füßen auch noch ins Wasser gestellt! Wozu man das macht, erfahrt ihr hier! Schülerversuch: Die Kerze im Wasserbad V: 5 min D: 5 min Ihr braucht: r 1 Christbaumkerze r Leitungswasser r 1 Teil einer großen Petrischale (ca. 15 cm Durchmesser) r 1 Messzylinder (100 ml) r 1 Ständer für die Kerze (ca. 3-4 cm hoch, passt vom Durchmesser her in den Messzylinder) Versuchsdurchführung Füllt die Petrischale etwa zu zwei Drittel mit Leitungswasser. Befestigt die Christbaumkerze mit ein paar Wachstropfen auf ihrem Ständer und stellt diesen dann in die Mitte der wassergefüllten Petrischale. Entzündet die Kerze und lasst sie einen Moment lang brennen. Stülpt dann den Messzylinder mit der Öffnung nach unten über die brennende Kerze. Ach tet darauf, dass der gesamte Ausguss des Messzylinders unterhalb der Wasseroberfläche liegt! Aufgaben 1. Was beobachtet ihr bei diesem Experiment? 2. Erklärt eure Beobachtungen. Bezieht dabei eure Erkenntnisse aus dem Experiment mit der Kerze im Becherglas ein (M 4b). 3. Wie viel Prozent Sauerstoff enthält die Luft? Recherchiert gegebenenfalls in eurem Chemiebuch oder im Internet. Recherchiert auch, wie viel Prozent davon bei Verbrennungen verbraucht werden. Erklärt, was das für die Glucose-Verbrennung in unserem Körper und die Mund-zu-Nase-Beatmung bei der Ersten Hilfe bedeutet. 4. Bereitet das Experiment für eure Klasse vor und erklärt die chemischen Hintergründe! Benutzt dazu auch euer neu erworbenes Hintergrundwissen aus den Aufgaben Bereitet das Experiment für die Kindergartenkinder vor. So betreut ihr die Kindergartenkinder: Geht beim Experimentieren so vor, wie ihr es bereits gemacht habt nur dass diesmal die Kindergartenkinder mitexperimentieren dürfen. Geht motivierend mit ihnen um, versucht, ihre Neugier zu wecken, und ermutigt sie! Lobt sie, wenn sie etwas gut gemacht haben! Nur das dürfen die Kindergartenkinder tun: Die Kinder dürfen den Messzylinder über die brennende Kerze stülpen. Darauf müsst ihr besonders achten: Die Kinder und ihr selbst müsst die Schutzbrillen tragen! Die Kinder dürfen sich beim Überstülpen des Messzylinders nicht verbrennen, und keine brennbaren Materialien dürfen Feuer fangen (Schals etc. vorher ablegen, lange Haare zusammenbinden)! Steht direkt neben den Kindern, damit ihr jederzeit eingreifen könnt!

7 16 von Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht M 4a Das Reaktionsprodukt der Kerzenverbrennung Wie sieht eigentlich das Reaktionsprodukt der Kerzenverbrennung aus? Gibt es überhaupt eins? Findet es heraus! Schülerversuch: Reaktionsprodukt der Kerzenverbrennung V: 15 min D: 5 min Chemikalien/ Gefahrenhinweise Geräte r 1 Christbaumkerze r Bariumhydroxid- Lösung (Ba(OH) 2(aq), Barytwasser ) r Wasser dest. r 2 x Stativmaterial (Stativ, Muffe, Klammer) r 1 Glastrichter r Laborhebebühne r 2 Stücke PVC-Schlauch (passend zum Glastrichter und Kolbenprober, ca. 20 cm lang) r Wasserstrahlpumpe r Gaswaschflasche r Spatellöffel r 2 Erlenmeyerkolben (250 ml) r Rundfilterpapier r Uhrglas r Pipette r Schutzhandschuhe (Einmal-Handschuhe) Achtung: Bariumhydroxid und Barytwasser sind ätzend! Bei der Arbeit damit sind Schutzhandschuhe und Schutzbrille zu tragen! Bei Berührung der Augen, Haut oder Kleidung die betreffenden Stellen sofort mit viel Wasser abwaschen! Entsorgung: Barytwasser kann nach dem Neutralisieren im Abguss entsorgt werden. Versuchsaufbau

8 17 von 30 Versuchsdurchführung Gebt einen Spatellöffel Bariumhydroxid in einen Erlenmeyerkolben. Fügt 50 ml destilliertes Wasser hinzu und stellt durch vorsichtiges Umschwenken eine Lösung her. Filtriert die trübe Lösung in einem zweiten Erlenmeyerkolben ab. Befestigt eine Kerze auf einenunterlage und stellt sie auf die Laborhebebühne. Steckt ein Stück PVC-Schlauch auf den Glastrichter und montiert den Glastrichter mit dem Stativmaterial über die Kerze (große Öffnung nach unten). Füllt die Gaswaschflasche zu etwa einem Drittel mit der frisch abfiltrierten klaren Bariumhydroxid-Lösung und befestigt sie am Stativmaterial. Verbindet das lang eintauchende Rohr der Gaswaschflasche mit dem Glastrichter über der Kerze. Das andere Ausgangsstück verbindet ihr über den zweiten PVC-Schlauch mit der Wasserstrahlpumpe. Dann entzündet ihr die Kerze und stellt die Wasserstrahlpumpe an. Aufgaben 1. Beschreibt, was rein physikalisch in der Apparatur nach dem Anstellen der Wasserstrahlpumpe geschieht. 2. Welche chemischen Beobachtungen könnt ihr machen? Recherchiert im Internet oder in eurem Chemiebuch, wozu man Barytwasser verwendet. Wie könnt ihr die Funktion des Barytwassers beweisen? 3. Bereitet das Experiment für eure Klasse vor und erklärt die chemischen Hintergründe! Benutzt dazu auch euer neu erworbenes Hintergrundwissen aus den Aufgaben Bereitet das Experiment für die Kindergartenkinder vor. So betreut ihr die Kindergartenkinder: Geht beim Experimentieren so vor, wie ihr es bereits gemacht habt nur dass diesmal die Kindergartenkinder mitexperimentieren dürfen. Geht motivierend mit ihnen um, versucht, ihre Neugier zu wecken, und ermutigt sie! Lobt sie, wenn sie etwas gut gemacht haben! Besprecht mit den Kindern die Beobachtungen und die Hintergründe zu dem Versuch (s. Aufgabe 1 und 2). Nur das dürfen die Kindergartenkinder tun: Wenn die Kerze brennt, darf ein Kind die Wasserstrahlpumpe anstellen. Darauf müsst ihr besonders achten: Die Kinder und ihr selbst müsst die Schutzbrillen tragen! Die Kinder dürfen sich nicht an der brennenden Kerze verbrennen!

9 24 von Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht M 6 Forscherregeln so experimentieren wir sicher Haare zusammen und Ärmel hoch Nicht essen und trinken Platz aufräumen Nicht mit Feuer spielen Hände waschen Nicht rennen Experimente nicht zu Hause nachmachen!

10 25 von 30 M 7 Kindergarten-Laufzettel Spannende Experimente rund um die Kerze Entzünden sich die Stoffe auf der heißen Platte selbst? Kerze selbst anzünden und Flamme beobachten Entzündet sich der Streichholzkopf? Kerze unterm Becherglas geheimnisvolle Kerzentreppe Doppelkerze auspusten (Zauberei?) Milchige Färbung Kerze im Wasserbad Wachstropfbilder machen Flammensprung Fotos: Silke Schreiber

11 26 von Kerzenexperimente im Chemieanfangsunterricht Erläuterungen und Lösungen Lösungen (M 1a) Zu 1.: Manche Schüler erwarten, dass nichts passiert, weil keine offene Flamme in Kontakt mit den Stoffen kommt. Andere erwarten, dass sich die Stoffe trotzdem entzünden, weil die Platte heiß wird. Die meisten vermuten, dass die Streichholzköpfe zuerst brennen (weil diese sonst auch ohne offene Flamme entzündet werden), gefolgt von Papierschnipsel oder Sägespänen (weil die im Vergleich zu den Hölzchen feiner sind), und dass die Hölzchen erst zum Schluss brennen, weil sie am größten sind. Zu 2.: Die meisten Stoffe entzünden sich tatsächlich ohne Kontakt mit einer offenen Flamme die Sägespäne verkohlen häufig nur (wenn man sie zu einem großen Häufchen aufschüttet und sie nicht einzeln auf die Ceranplatte legt). Die Streichhölzer entzünden sich zuerst, gefolgt von den Papierschnipseln (die häufig vor dem Sägemehl brennen, wenn dies auf einen kompakten Haufen geschüttet wurde). Dann brennen meist die Hölzchen ab. Dass die feineren Sägespäne mit der eigentlich größeren Ober- und damit auch Angriffsfläche meist nur verkohlen oder sich nach den großen Hölzchen entzünden, liegt daran, dass die Sägespäne relativ dicht aneinander liegen, sodass kaum Sauerstoff innerhalb des Häufchens vorhanden ist, der aber für die Verbrennung notwendig ist. Fehlerquellen bestehen darin, dass sich die Stoffe gegenseitig entzünden, wenn sie Feuer fangen, oder dass die Stoffe nicht den gleichen Abstand von der Mitte bzw. der heißesten Stelle haben. Zu 3.: Unter der Entzündungstemperatur versteht man die Temperatur, bei der sich die Stoffe von selbst, also ohne offene Flamme, entzünden. Diese Temperatur ist eine Stoffeigenschaft also von Stoff zu Stoff verschieden. Streichholzköpfchen haben in dem Versuch eine niedrige, Holz eine höhere Entzündungstemperatur. Zu 4.: Ähnliche Unfallquellen im Alltag, bei denen auch ohne offene Flammen die Entzündungstemperaturen von Stoffen erreicht werden können, findet man z. B. bei Herdplatten oder Bügeleisen. Deswegen sollte man nie brennbare Stoffe auf dem Herd ablegen, da diese sich entzünden könnten, wenn aus Versehen (z. B. von einem Kleinkind) die Platte angestellt wird. Auch das Bügeleisen sollte nie in Bügelposition auf dem Bügelbrett stehen gelassen werden, sondern hochkant gestellt werden, da sonst der Stoff des Bügelbretts seine Entzündungstemperatur erreichen könnte. Lösungen (M 1b) Zu 1.: Die meisten Schüler vermuten, dass sich das Streichholzköpfchen sofort und besonders heftig mitten im Gasbrenner entzünden wird. Zu 2.: Tatsächlich entzündet sich das Streichholzköpfchen nicht, wenn man es richtig im Gasbrenner positioniert hat es bleibt tatsächlich minuten- oder gar stundenlang im Zentrum des Brenners, ohne Feuer zu fangen! Die Entzündungstemperatur des Streichholzköpfchens ist in diesem Teil der Flamme nicht erreicht. Zu 3.: Außenkegel, Temperatur ca C heißeste Zone, Temperatur ca C Innenkegel, Temperatur ca. 300 C