Unterrichtsentwurf für die benotete Lehrprobe im Fach CHEMIE. Realschule Zell. 8 a. Chemiesaal. 08:40 09:25 Uhr. Frau Berdan.

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1 STAATL. STUDIENSEMINAR FÜR DAS LEHRAMT AN REALSCHULEN TRIER Unterrichtsentwurf für die benotete Lehrprobe im Fach CHEMIE Gemäß 10 der LVO über die Ausbildung und Zweite Staatsprüfung für das Lehramt an Realschulen vom ,i.d.Fassung vom 17. Juli 2002 Schule: Klasse: Raum: Realschule Zell 8 a Chemiesaal Datum: Zeit: Fachlehrerin: Fachleiter: Vertreter des Seminars: 08:40 09:25 Uhr Frau Berdan Herr Kießling Herr Haberkamp Schulische Ausbildungsleiterin: Frau Schmitz Thema: Groblernziel: Das Thermit-Verfahren eine technische Anwendung einer Redoxreaktion Die Schülerinnen und Schüler sollen das Thermitverfahren als angewandte Redoxreaktion erkennen und mit Hilfe ihres Vorwissens erklären. Vorgelegt von: K. Berdan Zell, den Unterschrift

2 1. Lerngruppenanalyse 1. Beobachtungen zum Lernverhalten Die Klasse 8a der Realschule Zell setzt sich aus 8 Mädchen und 12 Jungen zusammen. Das Verhältnis der SchülerInnen untereinander ist zum Teil angespannt. Zwei Schüler nehmen Außenseiterrollen ein. Es handelt sich bei der Klasse 8a um eine sehr heterogene Lerngruppe. Eine kleine Gruppe von SchülerInnen besitzt eine hohe Auffassungsgabe, erkennt Zusammenhänge und kann ihr Wissen in Transferaufgaben anwenden. Einige SchülerInnen haben jedoch Schwierigkeiten mit der naturwissenschaftlichen Denkweise, verstehen die Sachverhalte nur langsam und beteiligen sich nur selten am Chemieunterricht. Einige Lernende haben zurzeit Schwierigkeiten, sich auf das Unterrichtsgeschehen zu konzentrieren. Die Einteilung der Gruppen erfolgt nach der Sitzordnung, wobei sowohl soziale als auch leistungsbezogene Aspekte bereits berücksichtigt wurden. Auf diese Weise sind keine sozialen Konflikte in der Gruppenarbeitsphase zu erwarten. In den heterogenen Gruppen kann das Helfersystem zum Einsatz kommen. Sollten dennoch fachliche Schwierigkeiten auftreten, können Hilfekärtchen eingesehen werden. Leistungsstarke Gruppen erhalten eine Zusatzaufgabe, falls der Arbeitsauftrag frühzeitig erledigt ist. 2. Bezug zum konkreten Thema Die SchülerInnen zeigen derzeit kein großes Interesse am Chemieunterricht. Es fällt ihnen schwer, sich für die theoretische Seite der Experimente zu begeistern. Nur wenige SchülerInnen beteiligen sich aktiv am Unterrichtsgeschehen. Das Erlernen der chemischen Fachsprache fällt vielen Lernenden schwer. Das Thermit - Verfahren zeigt den SchülerInnen einen Bezug zum Alltag auf. Die heftige Reaktion trägt zusätzlich dazu bei, das Interesse am Fach Chemie wieder zu wecken. Die SchülerInnen erhalten die Gelegenheit das bereits erworbene Wissen anzuwenden. 3. Besonderheiten Die Klasse 8a ist mir seit Beginn des Schuljahres durch Hospitationen sowie einigen eigenständigen Unterrichtsstunden vertraut. Zum Halbjahreswechsel habe ich die Lerngruppe im Rahmen des eigenverantwortlichen Unterrichts übernommen. Zwei Schüler wurden vor kurzem neu in die Klasse aufgenommen. Ein Schüler, der die Klasse wiederholt, verfügt über ein gutes Vorwissen, dass er jedoch häufig unaufgefordert zum Ausdruck bringt. Die Schüler haben bereits Anschluss in der Klasse gefunden. Ich werde darauf achten, dass sich der Schüler vor einem Beitrag meldet und nicht in die Klasse ruft. 4. Rahmenbedingungen Die Unterrichtsstunde findet im Chemiesaal statt. Es besteht keine Möglichkeit Gruppentische zu stellen, sodass die SchülerInnen auch während der Gruppenarbeit in einer Bankreihe zusammensitzen.

3 2. Didaktische Analyse Stoffliche Voraussetzungen Lehrplanbezug Nach dem aktuellen Lehrplanentwurf für Realschulen in Rheinland-Pfalz kann das Stundenthema Das Thermit - Verfahren eine technische Anwendung einer Redoxreaktion in die Unterrichtseinheit Chemische Reaktionen des 8. Schuljahres eingeordnet werden. Die SchülerInnen sollen die chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen verstehen und wissen, dass Oxidation und Reduktion gekoppelte chemische Vorgänge sind. Sie lernen die Redoxreaktion als stofflichen Kreisprozess kennen. Darüber hinaus sollen die SchülerInnen fähig sein, chemische Reaktionen mit Wortgleichungen zu beschreiben und erkennen, dass chemische Reaktionen mit Energieumsätzen verbunden sind. Der Lehrplan sieht für diese Unterrichtseinheit einen Zeitrichtwert von 18 Stunden vor. 1 Eingliederung in die Unterrichtsreihe Stunde Inhalt 1/2 Verbrennung von Metallen 3 Bindungsbestreben von Metallen zu Sauerstoff 4 Langsame Oxidation 5 Verbrennung von Kohlenstoff 6 Verbrennung von Schwefel 7 Historische Kupfergewinnung, Einführung der Redoxreaktion 8 Kupferoxid reagiert mit Eisen 9 Das Thermit - Verfahren eine technische Anwendung einer Redoxreaktion 10 Hochofenprozess Vorwissen der SchülerInnen Zu Beginn des Schulhalbjahres wurde die chemische Reaktion eingeführt. In diesem Zusammenhang haben die SchülerInnen gelernt chemische Reaktionen mit Hilfe von Wortgleichungen zu beschreiben. Chemische Reaktionen wurden auch aus energetischer Sicht betrachtet und dabei Begriffe wie exotherm, endotherm und Aktivierungsenergie verwendet. Die SchülerInnen wurden in die chemische Formelsprache eingeführt. Im Rahmen dieser Unterrichtsreihe haben die SchülerInnen zunächst erfahren, dass Metalle mit Sauerstoff reagieren. Der Begriff Oxidation wurde eingeführt. In diesem Zusammenhang wurde dann das Bindungsbestreben der Metalle zu Sauerstoff erarbeitet. Die SchülerInnen haben die Reihe der Metalle kennen gelernt und wissen, dass unedle Metalle ein großes, Edelmetalle dagegen kein oder nur ein geringes Bindungsbestreben zu Sauerstoff aufweisen. In den letzen Unterrichtsstunden wurden die Begriffe Reduktion, Redoxreaktion, Reduktionsmittel und Oxidationsmittel anhand der historischen Kupfergewinnung eingeführt und der Zusammenhang dieser Begriffe erarbeitet. Bedeutung des Themas Eisenbahnschienen gehören auch zum Landschaftsbild der Mosel. Überall werden Trassen ausgebaut. Jeder Schüler ist wahrscheinlich schon einmal mit dem Zug gefahren. Da die Züge heutzutage immer schneller werden, erhöht sich auch der Qualitätsanspruch an das verwendete Material. Dieses Thema bietet die Gelegenheit darauf aufmerksam zu machen, inwieweit die Kenntnis chemischer Prozesse von Nutzen sein kann. Das Thermit - Verfahren wird beim Verschweißen von Eisenbahnschienen eingesetzt. 1 Vgl. Lehrplan-Entwürfe; Lernbereich Naturwissenschaften; S. 219

4 Darüber hinaus ist die Gewinnung von Eisen für viele weitere Bereiche von Bedeutung. Eisen ist eines der wichtigsten Gebrauchsmetalle. So werden z.b. Legierungen des Eisens bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau eingesetzt. Aber auch in Werkzeugen oder Haushaltsgeräten findet Eisen seine Verwendung. Sachanalyse Das Thermit - Verfahren, auch aluminothermisches - oder Goldschmidt - Verfahren genannt, ist ein chemisches Verfahren, um hohe Temperaturen zu erreichen und so schwer isolierbare Metalle wie Chrom, Titan oder Mangan kohlenstofffrei, d.h. ohne Bildung von Carbiden, zu gewinnen. Dazu mischt man die Metalloxide mit Aluminiumgrieß und zündet das Gemisch (Thermit genannt) mit speziellen Zündmitteln. Durch die große Reaktionswärme erreicht man Temperaturen von über 2000 C. Dadurch fällt das entstehende Metall flüssig an. Das Aluminiumoxid schwimmt als leichte, graue Schlacke über dem Metall und kann für Schleifzwecke verwendet werden. Das Thermitschweißen wird zum Verschweißen von Bahnschienen genutzt. Hierzu wird ein Gemisch von Eisen(III)oxid und Aluminiumgrieß zur Reaktion gebracht. Es entstehen dabei Temperaturen bis ca C, sodass flüssiges Eisen entsteht, welches die Schweißnaht bildet. Es handelt sich dabei um eine Redoxreaktion, die durch folgende Gleichung beschrieben werden kann: 0 Fe O + 2 Al Fe + Al O Δ H = kj/mol Reduktion: Fe e - Fe 0 +3 Oxidation: Al Al + 3e - Redoxreaktion: Fe 3+ + Al Fe + Al Didaktische Reduktion In dieser Unterrichtstunde geht es in erster Linie darum, einen Bezug zum Alltag herzustellen und den SchülerInnen die Möglichkeit zu geben, ihr Vorwissen anzuwenden. Deshalb wird der Hochofenprozess, ein weiteres Verfahren zur Eisengewinnung, nicht thematisiert, sondern in der nachfolgenden Stunde erarbeitet. Die SchülerInnen sollten in der Lage sein, aus ihren Beobachtungen die Redoxvorgänge abzuleiten und zu erklären. Dabei sollten die Lernenden erkennen, dass aufgrund des unterschiedlichen Bindungsbestrebens zu Sauerstoff der beteiligten Metalle Sauerstoff abgegeben bzw. aufgenommen wird. Die Lernenden stellen dann eine entsprechende Wortgleichung auf, in der Reduktion und Oxidation gekennzeichnet werden. Elektronenübergänge werden nicht betrachtet, da dieses erst Bestandteil der Klasse 9 bzw. 10 ist. Schwierigkeitenanalyse Die größten Schwierigkeiten sind bei der Versuchserklärung in den Gruppen zu erwarten. Deshalb ist es wichtig die Beobachtungen an der Tafel z.b. durch eine Nummerierung zu strukturieren, damit die Lernenden bei der Versuchserklärung eine Orientierung haben und kleinschrittig vorgehen können. Zur Versuchserklärung ist das Vorwissen mehrerer Chemiestunden erforderlich, das nicht bei allen SchülerInnen in gleicher Weise vorhanden und abrufbar ist. Zunächst sollten die Lernenden einer Gruppe gemeinsam versuchen zu einer Erklärung zu kommen, indem jeder sein Wissen in die Arbeit einbringt. Sollten sie dennoch z.b. keine Idee haben, warum Aluminium Sauerstoff aufnimmt, können Tipps in Form von

5 Hilfekärtchen eingesehen werden. Die einzelnen Gruppen erhalten dadurch genau an den Stellen gezielte Hilfen, an denen die Probleme auftreten. Dies ermöglicht eine innere Differenzierung. 3. Methodische Analyse Zu Beginn der Unterrichtsstunde wird zur Motivation ein Foto mit Hilfe des Overheadprojektors gezeigt, auf dem ein Bauarbeiter zu sehen ist, der Eisenbahnschienen zusammenschweißt. Dadurch wird ein Bezug zum Alltag hergestellt, was sofort zum Thema der Stunde das Thermit - Verfahren führt. Alternativ hätte die Lehrerin die Geschichte erzählen können, dass Eisenbahnschienen verlegt werden sollen. Daraufhin hätten die SchülerInnen Vermutungen äußern können, wie Schienenstücke verlegt und zusammengefügt werden. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass die Lehrerin das Gespräch stark lenken muss, um zum Thermit Verfahren zu gelangen. Deshalb habe ich mich für das zielgerichtete Foto entschieden. Danach stellt die Lehrerin den Modellversuch zum Thermit-Verfahren kurz vor. Da die SchülerInnen keinen Einblick in das Reaktionsgefäß haben, erhalten sie ein Arbeitsblatt, auf dem sich sowohl eine Beschreibung der Durchführung, als auch eine Skizze zum Versuchsaufbau befinden. Dieses vorgefertigte Versuchsprotokoll werden die Lernenden im Laufe der Unterrichtsstunde vervollständigen. Anschließend führt die Lehrerin diesen Versuch als Demonstrationsexperiment vor. Auf Grund der heftig ablaufenden Reaktion ist es aus Sicherheitsgründen nicht empfehlenswert, diesen Versuch als Schülerexperiment durchführen zu lassen. Die SchülerInnen beobachten den Versuch, der im Abzug durchgeführt wird, und notieren die Beobachtungen in Einzelarbeit. Alternativ kann der Versuch im Freien durchgeführt werden, was jedoch durch das Verlassen des Chemiesaals mehr Zeit in Anspruch nehmen würde. Deshalb habe ich mich für die Versuchsdurchführung im Abzug entschieden. Anschließend werden die Beobachtungen im Plenum gesammelt und zur Visualisierung und Orientierung strukturiert an der Tafel festgehalten. Daraufhin können die SchülerInnen erste Erklärungsansätze äußern, die ebenfalls zur Orientierung an der Tafel fixiert werden. Im Anschluss daran ist es die Aufgabe der SchülerInnen, in Dreiergruppen diese Erklärungsansätze mit Hilfe ihres Vorwissens zu überprüfen und zu ergänzen, wodurch das Transferdenken gefördert werden soll. Bei größeren Schwierigkeiten können gezielt Hilfekärtchen eingesehen werden, die der inneren Differenzierung dienen. Allerdings kommt in den heterogenen Gruppen zunächst das Helfersystem zum Einsatz. Erst wenn dieses nicht zum Erfolg führt, dürfen die SchülerInnen die Hilfekärtchen hinzuziehen. Der Lehrer vergewissert sich, dass wirklich Unterstützung notwendig ist und schickt die Gruppe gezielt zu einem Tipp, der an dieser Stelle geeignet ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die SchülerInnen optimal gefördert werden und nicht zu früh Hilfen einfordern. Da die SchülerInnen während dieser Gruppenarbeit ihre Gedanken verständlich darstellen sowie anderen Gruppenmitgliedern zuhören und zu Korrekturen bereit sein müssen, werden auch sozial kommunikative Kompetenzen gefördert. Leistungsstärkere Gruppen erhalten die Zusatzaufgabe die Reaktionsgleichung aufzustellen, falls der Arbeitsauftrag frühzeitig erledigt ist. Auch dies dient der inneren Differenzierung. Mit Hilfe einer Folie bereiten sich alle Gruppen auf eine Präsentation ihrer Ergebnisse vor. Nach der Gruppenarbeitsphase folgt zur Sicherung der Ergebnisse eine Schülerpräsentation mit Hilfe der Folie. Alternativ könnten die SchülerInnen ihre Ergebnisse an der Tafel präsentieren. Allerdings würde dies mehr Zeit in Anspruch nehmen. Folien haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie bei Bedarf in der nachfolgenden Chemiestunde wieder aufgelegt werden können. Die Zuhörer vergleichen die vorgetragenen Erklärungen mit ihren eigenen

6 und können nach der Präsentation Fragen stellen sowie Verbesserungsvorschläge äußern. Die SchülerInnen ergänzen und verbessern ihre eigenen Erklärungen, sodass am Ende alle Lernenden auf dem gleichen Wissensstand sind und ein vollständiges Versuchsprotokoll haben. Am Ende der Unterrichtsstunde wird in einem Unterrichtsgespräch das Besondere des Thermit-Verfahrens, das innerhalb kurzer Zeit in einem transportablen Reaktionsgefäß hohe Temperaturen und dadurch flüssiges Eisen erzeugt werden können, herausgearbeitet, sodass den SchülerInnen die Bedeutung des Verfahrens bewusst wird. In der Hausaufgabe wird das Erlernte vertieft, indem die SchülerInnen einen Text über das Schweißen von Eisenbahnschienen bearbeiten, wodurch auch nochmals der Bezug zum Alltag hergestellt wird. In diesem Zusammenhang sollen die Lernenden die zugehörige Reaktionsgleichung aufstellen, sowie Reduktions- und Oxidationsmittel benennen. Auf diese Weise erhalten die SchülerInnen die Gelegenheit ihr Wissen unter Verwendung der chemischen Fachsprache auf ein alltagsbezogenes, technisches Verfahren zu übertragen.

7 4. BILDUNGSSTANDARDS Kompetenzbereiche Fachwissen F 3.3 (S kennzeichnen in ausgewählten Donator Akzeptor-Reaktionen die Übertragung von Teilchen und bestimmen die Reaktionsart.) F 3.4 (S erstellen Reaktionsschemata / Reaktionsgleichungen durch Anwendung der Kenntnisse über die Erhaltung der Atome und die Bildung konstanter Atomzahlenverhältnisse in Verbindungen.) Kommunikation K 4 (S beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter der Verwendung der Fachsprache und/oder mit Hilfe von Modellen und Darstellungen.) K 7 (S dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit situationsgerecht und adressatenbezogen) Bewertung B 3 (S nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktische bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen) Aufgabenstellungen Anforderungsbereich 1 AF 2 AF 3 Beschreibe das Thermit - Verfahren Gib deine Beobachtungen strukturiert wieder. Formuliere eine Wortgleichung zum Thermit-Verfahren. Um welche Art der Reaktion handelt es sich bei der Thermitreaktion? Begründe deine Antwort mit Hilfe deines Vorwissens. Erarbeitet gemeinsam in der Gruppe die Erklärungen zu den einzelnen Beobachtungen und präsentiert eure Ergebnisse anhand einer Folie unter Verwendung der Fachsprache. Hört euch dabei gegenseitig aufmerksam zu und seid zu Korrekturen bereit. Welche Bedeutung hat das Thermit-Verfahren für das unkomplizierte Verlegen von Eisenbahnschienen? Erkläre die chemischen Vorgänge des Thermit Verfahrens.

8 Planungsskizze CU Thema: Das Thermit - Verfahren eine technische Anwendung einer Redoxreaktion Groblernziel: Die Schülerinnen und Schüler sollen das Thermit Verfahren als angewandte Redoxreaktion erkennen und mit Hilfe ihres Vorwissens erklären. Schule: Realschule Zell Klasse: 8a Datum: U-Std.: 2.Stunde Zeit: 8:40 9:25 Methodischer Schwerpunkt Gruppenarbeit mit anschließender Schülerpräsentation 1. Einstieg (Alltag/Umwelt) L zeigt Folie mit Foto, auf dem Schienen zusammengeschweißt werden 2. Hinführung S beschreiben Foto; S vermuten, was auf Foto getan wird Experimente Lehrerdemonstrationsversuch: Modellversuch zum Thermit-Verfahren 3. Problemstellung Wie kann man Eisenbahnschienen zusammenschweißen? 4. Didaktischer Schwerpunkt Lernschleife Lernvoraussetzungen - Bindungsbestreben der Metalle zu Sauerstoff - Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel Sonstige Medien (ohne Exp.) Folien, OHP Tafel, Heft, Arbeitsblätter, Hilfekärtchen Oxidation und Reduktion beim Thermit - Verfahren Hypothesenbildung Eisenbahnschienen werden durch - elektrischen Strom - schmelzen - Klebstoff - chem. Verfahren zusammengefügt. 5. Problemlösung (wenn nötig, gesondertes Blatt verwenden!) L führt Versuch zum Thermit-Verfahren durch. S notieren ihre Beobachtungen, die anschließend an der Seitentafel gesammelt werden. S erklären in Gruppen die einzelnen Beobachtungen und stellen eine Wortgleichung auf, in der Reduktion und Oxidation gekennzeichnet werden. Bei Schwierigkeiten können Hilfekärtchen eingesehen werden. 7. Anwendung/Vertiefung S bearbeiten Text über das Schweißen von Schienen, stellen Reaktionsgleichung auf und kennzeichnen Oxidations- u. Reduktionsmittel. 6. Sicherung/Ergebnis Eine Gruppe präsentiert ihre Erklärungen mit Hilfe einer Folie. Zuhörer ergänzen bzw. verbessern ihre eigenen Erklärungen. Im Unterrichtsgespräch wird das Besondere des Thermit-Verfahrens erarbeitet.

9 Anhang Inhalt 1. Literatur 2. Gefahrstoffverordnung 3. Folie zum Einstieg 4. Arbeitsblatt zum Modellversuch 5. Hilfekärtchen 6. Geplantes Tafelbild 7. mögliche Schülerpräsentation 8. Arbeitsblatt Wie Eisenbahnschienen verschweißt werden 1. Literatur Blickpunkt Chemie, Neubearbeitung, Schroedel Verlag, 2005 Bundesverband der Unfallkassen (Herausgeber): GUV-SR 2004, Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz; Anhang 1 zur GUV-Regel, Umgang mit Gefahrstoffen im Unterricht Gefahrstoffliste ; Ausgabe Januar 1998, aktualisierte Fassung Juli Elemente der Zukunft: Chemie, Ausgabe N, Oldenbourg Schulverlag, München, 1996 Falbe, Regitz: CD-Römpp, Chemielexikon, 9. Auflage, Thieme, Stuttgart, 1995 Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Weiterbildung; Lehrplan-Entwürfe, Lernbereich Naturwissenschaften, Biologie, Physik, Chemie; Mainz; 1997 Natur und Technik Chemie 8-10, Sekundarstufe I Rheinland-Pfalz, Cornelsen Verlag; Berlin, 2005 Riedel, Erwin: Anorganische Chemie, 4. Auflage, de Gruyter Verlag, 1999 Schülerduden Chemie, 4. Auflage 2001, Dudenverlag, Mannheim Umwelt: Chemie Ausgabe A, 8-10, 2. Auflage, Ernst Klett Verlag, Stuttgart, 1996

10 2. Gefahrstoffverordnung Aluminiumpulver: F (leicht entzündlich) R 15: Reagiert mit Wasser unter Bildung leichtentzündlicher Gase. R 17: Selbstentzündlich an der Luft. S 7 / 8: Behälter dicht geschlossen und trocken halten. S 43: Zum Löschen (vom Hersteller anzugeben) verwenden (wenn Wasser die Gefahr erhöht, anfügen: Kein Wasser verwenden ). E 6: Nicht in den Hausmüll geben. E 9: Unter größter Vorsicht in kleinsten Portionen reagieren lassen (z.b. offen im Freien verbrennen). Magnesiumpulver: F (leicht entzündlich) R 15: Reagiert mit Wasser unter Bildung leichtentzündlicher Gase. R 17: Selbstentzündlich an der Luft. S 7 / 8: Behälter dicht geschlossen und trocken halten. S 43: Zum Löschen (vom Hersteller anzugeben) verwenden (wenn Wasser die Gefahr erhöht, anfügen: Kein Wasser verwenden ). E 6: Nicht in den Hausmüll geben. E 9: Unter größter Vorsicht in kleinsten Portionen reagieren lassen (z.b. offen im Freien verbrennen). 3. Folie zum Einstieg:

11 4. Arbeitsblatt zum Modellversuch: Versuch: Thermit Verfahren Material: Waage, Spatel, Porzellanschale, 2 Tonblumentöpfe verschiedener Größe, Trichter, Filterpapier, Alufolie, Sand, Dreifuß, Auffangschale, Magnet. Chemikalien: Eisen (III)-oxidpulver, Aluminiumgrieß, Aluminiumpulver, Magnesiumpulver, Magnesiumband. Sicherheitsmaßnahmen: Schutzbrille; Versuch im Freien bzw. im Abzug durchführen; Sicherheitsabstand (mind. 3m) bzw. Schutzscheibe; feuerfeste Unterlage. Durchführung: In einer Porzellanschale wird das Thermitgemisch (15g Eisen (III)-oxidpulver, 5g Aluminiumgrieß und 0,5g Aluminiumpulver) hergestellt. Der Boden des kleineren Blumentopfes wird mit einem Filterpapier ausgelegt. Eine Hülse aus Alufolie wird in der Mitte des Topfes platziert und durch das Einfüllen von Sand um die Hülse herum stabilisiert. Anschließend wird das Thermitgemisch in die Hülse gegeben. Das Gemisch wird mit etwas Magnesiumpulver bedeckt und ein Streifen Magnesiumband wird leicht schräg in das Gemisch gesteckt. Dieser Blumentopf wird nun aus Sicherheitsgründen in einen größeren Hülse gestellt. Das Reaktionsgefäß wird dann in einem Dreifuß über einer Auffangschale mit Sand platziert. Das Magnesiumband wird entzündet. Nach dem Abkühlen wird das Reaktionsprodukt mit einem Magneten geprüft. 5. Hilfekärtchen: Welche Aufgabe hat das Magnesium für den Verlauf der Reaktion? Das Magnesium reagiert mit dem Luftsauerstoff und wird oxidiert. Dadurch entsteht die nötige Temperatur, um das Thermitgemisch zu zünden. Welche Reaktionsprodukte entstehen aus den Ausgangsstoffen Eisenoxid und Aluminium? Warum entzieht Aluminium dem Eisenoxid Sauerstoff?

12 Reihe der Metalle unedel Magnesium Aluminium Zink Eisen Kupfer Silber Gold Platin Mg Al Zn Fe Cu Ag Au Pt edel Edle und unedle Metalle Edelmetalle: kein bzw. nur geringes Bestreben sich mit Sauerstoff zu verbinden. Unedelmetalle: großes Bestreben sich mit Sauerstoff zu verbinden. Welcher Stoff wird reduziert, welcher oxidiert? Reduktion: Eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff abgegeben wird, nennt man Reduktion. Oxidation: Eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff aufgenommen wird, nennt man Oxidation. Redoxreaktion: Eine chemische Reaktion, bei der gleichzeitig eine Oxidation und eine Reduktion stattfindet, nennt man Redoxreaktion. Dichte von Aluminiumoxid: Dichte von Eisen: 6. Geplantes Tafelbild: 3,98 g/cm³ 7,87 g/cm³

13 7. mögliche Schülerpräsentation Erklärungen: Versuch: Thermit Verfahren 1. Verbrennung von Magnesium liefert Aktivierungsenergie für die Thermitreaktion; Magnesium dient als Zünder 2. Wortgleichung: Reduktion Eisenoxid + Aluminium Eisen + Aluminiumoxid Oxidation Es findet eine Redoxreaktion statt. Das Eisen (III)-oxid wird von dem Aluminium reduziert, weil Aluminium unedler ist als Eisen und somit ein größeres Bindungsbestreben zu Sauerstoff hat. Das Aluminium oxidiert gleichzeitig. Bei der Reaktion wird sehr viel Energie frei, welche das Eisen zum Schmelzen bringt. 3. Das Aluminiumoxid setzt sich wegen der geringeren Dichte über dem Eisen ab, sodass das flüssige Eisen zuerst aus dem Reaktionsgefäß läuft. Durch das Abkühlen ändert sich der Aggregatzustand des Eisens von flüssig nach fest. 4. Die magnetische Eigenschaft des Reaktionsproduktes bestätigt, dass bei der Reaktion Eisen entstanden sein muss.

14 8. Arbeitsblatt: Es ist acht Uhr morgens auf dem Hauptbahnhof. Das schadhafte "Herzstück" einer Weiche soll ausgewechselt werden. In zwei Stunden muss die Arbeit getan sein. Die Reparatur soll mit Hilfe des Thermitverfahrens durchgeführt werden. Du wirst gleich sehen, dass auch dabei eine Redoxreaktion abläuft. Zu Beginn schneiden die Männer des Schweißtrupps das alte Schienenstück mit einem Schneidbrenner heraus. Der entstehende Spalt ("Stoß") wird noch auf 25 mm verbreitert. Das ist notwendig, damit später beim Thermitschweißen der flüssige Stahl gut hineinfließen kann. "Was ist eigentlich Thermit?" Diese Frage beantwortet der Oberbauschweißer so: "Thermit ist ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminiumpulver. Wenn man es entzündet, reagieren beide Stoffe zu Eisen und Aluminiumoxid. Aus 1000 g Thermit entstehen dabei 425 g Eisen. Bei dieser Reaktion wird sehr viel Wärme frei. Es entstehen Temperaturen bis zu 2400 C. Das ist jedoch zum Schweißen zu heiß. Deshalb mischt man dem Thermitgemisch feinen Stahlschrott, zum Kühlen' bei. Außerdem kommen noch Vanadium, Mangan, Titan, Silicium und Kohlenstoff dazu. Der Schweißstahl wird dadurch etwas härter als der Schienenstahl selbst." Währenddessen füllt der Schweißer eine Portion von 9 kg Thermitgemisch in den Gießofen. An der Schweißsteile ist inzwischen eine vorgefertigte Gießform aus gepresstem Quarzsand über dem Schienenspalt befestigt worden. Mit einem Propangasbrenner werden nun die Form und die Schienenenden auf 900 c vorgewärmt. Dann wird der Gießofen aufgesetzt. "Einige Schritte zurücktreten!", heißt es plötzlich. Mit einer besonderen "Wunderkerze" wird das Thermitgemisch gezündet. Innerhalb weniger Sekunden glüht es im Ofen heilweiß auf. Nach etwa 3-4 Minuten fließt der weiß glühende Stahl in die Form. Dabei füllt er den "Stoß" zwischen den Schienenenden von unten nach oben. Die Gießform wird schließlich zerschlagen und die Schweißnaht liegt frei. Überstehendes Eisen wird noch rot glühend "abgeschert" und die Schienenoberfläche glatt geschliffen. Der ganze Schweißvorgang hat nur knapp 20 Minuten gedauert. Eine schnelle und saubere Arbeit! An drei Stellen wiederholt sich dieser Vorgang und kurz vor 10 Uhr rollt der erste Zug über das erneuerte Gleisstück. Quelle: Natur und Technik Chemie 8-10, Sekundarstufe I Rheinland-Pfalz; Cornelsen Verlag; Berlin; 2005; S.96 Fragen und Aufgaben zum Text 1. Beschreibe kurz in Stichworten die einzelnen Arbeitsschritte beim Verschweißen von Eisenbahnschienen. 2. Stelle die Reaktionsgleichung für die Thermitreaktion auf. (Hinweise: Ein Molekül Eisenoxid besteht aus zwei Atomen Eisen und drei Atomen Sauerstoff. Bei der Reaktion verbinden sich zwei Aluminiumatome mit drei Sauerstoffatomen.) 3. Welcher Stoff dient als Reduktionsmittel, welcher als Oxidationsmittel? Begründe! Lösung: 1. - altes Schienenstück wird herausgeschnitten - Stoß wird auf 25mm verbreitert - Thermitgemisch wird in den Gießofen gefüllt - Gießform aus gepresstem Quarzsand wird über dem Schienenspalt befestigt - Gießform und Schienenenden werden vorgewärmt - Gießofen wird aufgesetzt - Thermitgemisch wird gezündet

15 - Gießform wird zerschlagen - überstehendes Eisen wird abgeschert und Schienen glatt geschliffen 2. Fe 2O3 + 2 Al 2 Fe + Al2O3 3. Aluminium dient als Reduktionsmittel. Da Aluminium unedler ist als Eisen und somit ein größeres Bindungsbestreben zu Sauerstoff hat als Eisen, entzieht es dem Eisenoxid den Sauerstoff und ermöglicht dadurch die Reduktion des Eisenoxids. Eisenoxid dient als Oxidationsmittel. Da Eisen edler ist als Aluminium und somit nur ein geringes Bestreben zu Sauerstoff hat, gibt es den Sauerstoff an Aluminium ab und ermöglicht dadurch die Oxi