Vom Handy bis zum Mountainbike Metalle in unserem Alltag im Fokus

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1 1 von 42 m Handy bis zum Mountainbike Metalle in uerem Alltag im Fokus t h c i s n a r o V In uerem Alltag kommen wir bewusst und unbewusst mit den unterschiedlhsten Metallen und Metallverbindungen in Kontakt sei es beim Gebuch von Besteck, bei der Benutzung ueres Fahrdes, beim Bezahlen mit Münzgeld oder ganz einfach bei der Verwendung eines Nagels zum Bildaufhängen. Selten machen wir u jedoch Gedanken darüber, wo die Metalle für uere Alltagsgegetände herkommen, wie sie gewonnen und verbeitet werden und welche Eigechaften sie haben. Ihre Schüler führen in Kleingruppen selbstständig Versuche durch, erstellen Versuchsprotokolle und prüfen ihr Wissen anhand von Fgestellungen mit Alltagsbezug und eines abschließenden Kreuzworträtsels. Die Stahlschienen bei der Acerbahn halten enorme Belastungen aus. Auch viele andere Gegetände, die wir im Alltag nutzen, sind aus Metallen gefertigt. Taugt ein : e b a g f u a als Forscher sgetränk g n u h c is Erfr rner? Rostentfe Das Wigste auf einen Blk Klassen: ab Klasse 8 Aus dem Inhalt: Dauer: Stunden Wie wird aus einem Klumpen Erz das gewüce Metall? Kompetenzen: Die Schüler sind in der Lage, rkommen, Gewinnung und Verwendung wiger Metalle zu beschreiben. führen selbstständig Versuche durch, erstellen Versuchsprotokolle und tauschen ihre Erfahrungen aus. Was bedeutet verrosten chemisch betcet? Welche Eigechaften haben Metalle? Welches Metall ist in Handy, Laptop und Co. unerlässlh? erkennen, dass viele chemische rgänge im Zusammenhang mit Metallen und Materialien sie in ihrem Alltag ständig begleiten. Beteiligte Fächer: Chemie Physik Anteil hoch mittel gering Foto: Thinkstockphotos.com Günther Lohmer, Leverkusen

2 10 von 42 M1 Metalle Meister der Vielseitigkeit! Hättet ihr gewusst, welche Metalle u in uerem Alltag begegnen und welche heute für u im Grunde unverzbar geworden sind? In welchen Berehen nutzen wir Metalle? Schaut euch die Abbildungen an. Fotos: Thinkstockphotos.com, istockphoto, G. Lohmer 1. Um welche Metalle könnte es sh in den Abbildungen jeweils handeln bzw. welche Metalle sind in den einzelnen Gegetänden enthalten? Was glaubt ihr? 2. Schreibt eure Vermutungen zu den verwendeten Metallen auf und besprec eure Ergebnisse achließend in der Klasse.

3 11 von 42 Eisen woher kommt es und wie wird es gewonnen? M2 Wusstest du, dass über 90 Prozent des weltweit genutzten Metalls Eisen sind? Eisen bzw. sein Verbeitungsprodukt Stahl dient u in mannigfaltiger Weise. Hier erfährst du mehr über dieses Element, sein rkommen, seine Gewinnung und seine Nutzung. Eisen altbekannt und noch immer heiß begehrt! Eisen gehört zu den am längsten bekannten Metallen. Nach ihm ist eine Periode der Ur- und Frühgesche benannt, die sogenannte Eisenzeit. Die Eisenzeit dauerte in Mitteleuropa von 800 vor Christi bis 100 vor Christi. Gegetände aus Eisen und Stahl kommen vielfach in uerem Schon in der Frühgesche Alltag vor, sei es in Form von Nägeln, Schuben, Maschinen, wurde Eisen für Werkzeuge Brücken oder Schiffen. Selbst in uerem Körper spielt es eine und Waffen verwendet. entscheidende Rolle, da der rote Blutfarbstoff das Hämoglobin Eisen enthält, an das sh der Sauerstoff bindet und dieser dann im Körper tportiert werden kann. Eisen ist wie zahlrehe andere Metalle sehr reaktiofreudig und ge mit anderen Elementen zahlrehe Verbindungen ein. rkommen in der Natur In der Erdkruste ist Eisen mit 4,7 % das vierthäuigste Element und nach Aluminium das zweithäuigste Metall. Eisen kommt aufgrund seiner Reaktiofreudigkeit in der Natur aber fast nur in gebundener Form vor. Gewinnung Eisen ist nach Aluminium das zweit häufigste Metall in der Erdkruste. Die wigsten eisenhaltigen Gesteine (Erze) sind die Erze Magnetit Fe3O4 (bis 72 % Eisengehalt) und Hämatit Fe2O3 (bis 70 % Eisengehalt). Hämatit gehört zu der am häuigsten natürlh auftretenden Modiikation des Eisen-(I)-oxids. Es hat eine rote bis rötlhe Farbe. Neben diesen Erzen sind sowohl das Eisenerz Siderit FeCO3 als auch das Eisenerz Pyrit FeS2 als Ausgangsmaterial für den Hochofenprozess von Bedeutung. Fotos: Thinkstockphotos.com Das chemische Symbol für Eisen lautet Fe. Eisenerz kann sowohl im Untertagebau als auch oberirdisch im Tagebau abgebaut werden. Die Hauptlagerstätten für den oberirdischen Abbau von Eisenerz beinden sh in Bsilien, China, Ost-Europa (u. a. Ukine), Kanada und im Westen von Austlien. Das abgebaute Eisenerz (Eisengehalt mehr als 60 %) wird direkt am Abbauort von unerwücen Beimengungen der sogenannten Gangart getrennt. Die groben Gesteibrocken werden mithilfe von Brechern und Mühlen zerkleinert. Das feine Eisenerz wird unter hohen Tempeturen zu kleineren Brocken verbacken. Diesen Prozess nennt man sintern. 1. Lest euch die Infotexte aufmerksam durch. Erstellt zusammen eine Mindmap auf einem Plakat rund um das Thema Eisen. Ihr könnt auch eigene, passende Bilder oder Skizzen dazu zehnen. 2. Präsentiert in einem kurzen rtg eure Ergebnisse euren Mitschülern. Helft euch gegeeitig, eventuell fehlende Informationen zu ergänzen.

4 13 von 42 Hier ge es ganz schön heiß her Gewinnung von Roheisen M3 Mit dem gewonnenen Eisenerz kann der Mech zunächst noch n viel anfangen. Die Erzeugung von Roheisen in einem Hochofen ist sehr aufwendig und benötigt sehr viel Energie. Findet nun heus, wie Roheisen hergestellt wird und warum es zur weiteren Verbeitung zu Stahl veredelt wird. Der Hochofenprozess Der Hochofen einer Eisenhütte (also der eisenproduzierenden Anlage) ist eine Kotruktion eines bis zu 75 m hohen Turmes, der einem Schortein oder Kamin ähnelt. Unten ist er etwas breiter als oben. Die chemischen Reaktionen im Hochofen Im Hochofenprozess ge es darum, dem oxidischen Eisenerz (Magnetit, Hämatit) den Sauerstoff zu entziehen. Diesen Entzug von Sauerstoff bezehnet man als Reduktion. Der Hochofen wird abwechselnd mit dem abgebauten Eisenerz und Koks (kohletoffhaltiger Brentoff) befüllt. Je nachdem, welche Erzbeimengungen mit dem Eisenerz in den Hochofen gelangen, setzt man Kalkstein, Dolomit, Feldspat oder Schsilate zu (auch als Zuschlag bezehnet). Dieser Zuschlag bildet mit den Erzbeimengungen (auch Gangart genannt) le schmelzbare Verbindungen, die Schlacke. Dieses Gemisch (auch Möller genannt) wird achließend stark erhitzt. Dazu wird von unten mithilfe von sogenannten Winderhitzern heiße Luft mit ca C eingeblasen. Dabei verbrennt der Kohletoff aus dem Koks an der Einblasöffnung mit dem eitrömenden Sauerstoff zunächst zu CO2. Dabei entstehen Tempeturen bis zu C. Das CO2 reagiert sofort mit dem heißen Koks weiter zu Kohlenmonoxid CO. 1. Kohletoff Sauerstoff Kohletoffdioxid C O2 CO2 2. Kohletoffdioxid Kohletoff CO2 C HR = 393 kj/mol Kohletoffmonoxid 2 CO HR = 173 kj/mol Da diese zweite Reaktion Energie verbuc ( HR = 173 kj/mol), kühlt sh das Gas ganz le ab. Die Tempeturen im unteren Teil des Hochofe liegen nun bei ca C. Dieses steigt im Hochofen auf und reduziert dabei stufenweise die darüberliegenden Erzschen zu Eisen und CO2. Im unteren Teil des Hochofe ist das Eisen bereits teilreduziert und liegt in Form von Eisen-()oxid FeO (Wüstit genannt) vor. Dieses wird zu Fe und CO2 reduziert. 3. Eisenoxid Kohletoffmonoxid Eisen FeO CO Fe Kohletoffdioxid CO2 HR = 17 kj/mol

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6 23 von 42 Was hilft gegen Rost? Spürnasen aufgepasst! Ihr habt heusgefunden, dass Eisen, wenn es n durch spezielle Beschungen oder Verfahren geschützt wird, relativ schnell rostet. Aber was tun, wenn der Rost nun einmal da ist? Gibt es vielle ganz einfache Mittel, um ihn wieder loszuwerden? Aufgabe Führt zu zweit den folgenden Versuch durch. Notiert euch dabei sorgfältig eure Beobacungen! Das benötigt ihr 2 rostige Stücke Eisen (Nägel oder Blech) 2 Bechergläser à 100 ml Gummihandschuhe Messzylinder 50 ml 10 %ige Phosphorsäure 50 ml Cola Schutzbrille Laborkittel So ge ihr vor 1. Füllt ein Becherglas zur Hälfte mit 10%iger Phosphorsäure, ein weiteres mit 50 ml handelsüblher Cola. 2. Legt vorsig ein rostiges Stück Eisen in das Becherglas mit Phosphorsäure und eines in das zweite Becherglas mit der Cola. Acung: Phosphorsäure ist ätzend! Arbeitet vorsig und mit Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhen! 3. Wartet circa 30 Minuten und holt dann die Teile vorsig mit einer Zange wieder heus. Spült die Teile mit Wasser ab. Schreibt eure Beobacungen auf! rostiges Stück Eisen in Cola rostiges Stück Eisen in Phosphorsäure 1. Informiert euch in eurem Chemiebuch über folgende Begriffe und schreibt euch kurze Deinitionen dazu auf: Oxidation; Reduktion; Redoxreaktion; Oxidatiozahl 2. Vervollständige die Reaktioglehung bei der Umwandlung von Rost, also Eisen-(I)-oxidhydroxid, bzw. FeO(OH), mithilfe von Phosphorsäure H3PO4 zu Eisenphosphat und Wasser. Schreibt die zugehörigen Oxidatiozahlen über die Glehung. FeO(OH) H3PO4 M8

7 30 von 42 M 12 Töpfe, Pfannen und Co. Metallen wird s oft ganz schön heiß! Metalle haben viele nützlhe Eigechaften. Eine davon nutzen wir beinahe täglh. Schon die alten Römer haben Kessel aus ganz bestimmten Metallen zum Kochen und Schmoren verwendet. Warum waren hierfür einige aber besser geeignet als andere? Führt folgenden Versuch in Vierergruppen durch. Das benötigt ihr 1 Stövchen Strehhölzer Wachsplättchen, Teel Stoppuhr So ge ihr vor Metallstreifen aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Zink, Bronze Tiegelzange bzw. Wärmeschutzhandschuhe Feuerfeste Unterlage, beispielsweise Porzellanteller 1. Nehmt die Metallstreifen und klebt jeweils am Ende eines jeden Metallstreife ein Wachsplättchen dauf. Stövchen 2. Haltet eine Stoppuhr bereit. Zündet das Teel im Stövchen an und legt vorsig den ersten Metallstreifen über die Teellamme. Acet dabei dauf, dass sh das Wachsplättchen am Ende des Metallstreife beindet. Sobald der Metallstreifen über dem Teel liegt, startet eure Stoppuhr. Metallstreifen Zeit Eisen Kupfer Teel Wachsplättchen Aluminium Metallstreifen Zink Bronze 3. Ermittelt mithilfe eurer Stoppuhr, wie lange das Wachsplättchen benötigt, um vollständig zu schmelzen. Notiert die Zeit. 4. Entfernt den Metallstreifen vorsig mithilfe der Tiegelzange vom Stövchen und legt ihn auf die feuerfeste Unterlage. Hinweis: Acet dabei dauf, dass kein lüssiges Wachs verläuft. Sherheitshalber könnt ihr das Teel ausblasen und warten, bis der Streifen abgekühlt und das Wachs fest geworden ist! 1. Teste mithilfe der unterschiedlhen Metallstreifen, beispielsweise Eisen, Kupfer, Aluminium, Zink und Bronze, welches Material am besten die Wärme leitet. Ordne deine Metallproben entsprechend. Das Material mit der besten Wärmeleitfähigkeit ste an erster Stelle usw. 2. Überlege anhand deiner Beobacungen, welches Material du für die Herstellung von Heizspilen verwenden würdest. Begründe deine Antwort.