(Modulbild: Sinterterrassen im Yellowstone-Park LMZ-BW / Al-Kayal)

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1 Modulbeschreibung Schulart: Fach: Zielgruppe: Autor: Zeitumfang: Realschule Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten (RS) 10 (RS) Guido Hennrich ca. sieben Stunden ist ein allgegenwärtiger Stoff. Er baut und formt Landschaften, wir finden ihn im Trinkwasser, benutzen ihn als Baustoff und als Rohstoff zur Herstellung vieler Alltagsprodukte wie z.b. Glas, Papier und Stahl. In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die verschiedenen Facetten des s kennen. Nach der Klärung des chemischen Aufbaus und der Frage, wie die mächtigen steinschichten, die ganze Gebirge bauen, entstanden sind, wird Fragen nach typischen Eigenschaften von sowie seiner Verwendung nachgegangen. Die Jugendlichen erkennen dabei die Unterschiede zwischen dem natürlichen und dem technischen kreislauf. (Modulbild: Sinterterrassen im Yellowstone-Park LMZ-BW / Al-Kayal) Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich: Kenntnisse über Alkali- und Erdalkalimetalle, insbesondere deren Flammenfarben; Löslichkeit; Salze; Säuren; wasserprobe als Nachweis für CO2; Erstellen von Reaktionsgleichungen 1

2 Unterrichtsverlauf 1. Stunde: Was ist? Die Schülerinnen und Schüler (SuS) erschließen sich das Thema durch einen ersten kleinen Versuch selbst und stimmen sich auf das Thema ein. (Vorbereitung: Man stellt vor der Stunde eine alkoholische Seifenlösung her, indem man einige Seifenflocken in 50 ml Ethanol unter Erwärmen löst. Diese Seifenlösung wird für den Versuch benötigt.) Zwei Flaschen mit unterschiedlichen Wasserproben werden von der Lehrperson bereitgestellt. Eine Flasche enthält destilliertes oder demineralisiertes Wasser, die zweite wasser (gesättigte Ca(HCO3)2-Lösung). Die SuS (2er-Teams) erhalten zwei Reagenzgläser und nehmen von jeder Wasserprobe so viel, dass beide Reagenzgläser zu einem Drittel mit den verschiedenen Proben gefüllt sind. In jedes RG wird nun gleichviel von der zubereiteten Seifenlösung gegeben, ca. 5 Tropfen. Anschließend werden die RGs mit Stopfen verschlossen und kräftig geschüttelt. Die Ergebnisse werden kurz besprochen. In einer der Wasserproben schäumt die Seife viel stärker als in der anderen. Woran mag das liegen? Die SuS stellen Vermutungen darüber an. ollten die SuS noch nicht davon gehört haben, dass hartes Wasser die Waschwirkung und Schaumbildung von Seife herabsetzt zeigt man eine Folie mit einer Waschmitteldosieranleitung. Mit ihr erschließen sich die SuS, dass man bei hartem Wasser mehr Waschmittel benötigt. Eine Wasserprobe war also hart. Auf die Frage, was der Ausdruck hartes Wasser bedeute, fällt nun bestimmt der Begriff, womit die Überschrift für das folgende Thema gefunden wäre. Sollte wider Erwarten der Begriff noch immer nicht gefallen sein, lässt man zwei Jugendliche im Demonstrationsversuch Proben aus den zwei Wasserflaschen vorsichtig eindampfen. Die SuS werden nun vermutlich schnell darauf kommen, dass es sich bei dem Rückstand in dem einen Reagenzglas um handelt, während die zweite Wasserprobe destilliertes Wasser war. Das Thema ist damit gefunden und wird als Überschrift notiert. Hartes Wasser enthält also. Was ist chemisch gesehen? Wie aus welchen Elementen und wie setzt es sich zusammen? Hierzu folgt der zweite Versuch: Die Lehrkraft zeigt den SchülerInnen gepulverten reinen. Er löst etwas von dem in ein wenig konzentrierter Salzsäurelösung auf. Die SuS tauchen anschließend Magnesiastäbchen in die Lösung ein und bringen sie in die nicht leuchtende Gasbrennerflamme, welche sich daraufhin rotorange (etwas roter als die Natriumflamme) färbt. Die SuS kennen diese typische Flammenfarbe und identifizieren sie als Flammenfarbe von Calcium. Ein Bestandteil des s ist damit gefunden. Den nächsten Versuch führen die SuS in Kleingruppen nach der Versuchsanleitung Woraus ist aufgebaut? - A9 oder Aufbau von - A2 durch. 2

3 Nach Durchführung des Versuchs wird dieser ausführlich besprochen. Beim Versuch Woraus ist aufgebaut? können die SuS zweierlei Beobachtungen machen. Zum einen beginnt der zu schäumen, sobald er in Kontakt mit der Salzsäure kommt. Es entsteht also ein Gas. Zum anderen trübt dieses Gas eine gesättigte lösung, wenn man es darin einleitet. Die SuS, denen diese Reaktion bekannt ist, schließen daraus, dass bei der Reaktion Kohlenstoffdioxid (CO2) entstanden ist. Das bedeutet zugleich, dass neben Calcium die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff am Aufbau der Verbindung beteiligt sind. Beim Versuch Aufbau von sind die Beobachtungen noch vielfältiger (siehe Lösungsblatt). Besonders wichtig sind die Beobachtungen, dass in destilliertem Wasser und in kohlensäurehaltigem Mineralwasser nach Zugabe von Calcium verschiedene Produkte entstehen und das sich das Produkt in der Mineralwasserlösung beim Zutropfen von Salzsäure genau so verhält wie eine Lösung von (Calciumcarbonat), dass nämlich Gasbläschen entstehen. Der Lehrperson teilt den SuS schließlich mit, dass mit chemischem Namen Calciumcarbonat heißt und das Calciumsalz der Kohlensäure ist. Gemeinsam mit der Klasse wird die Wort- und Reaktionsgleichung formuliert. Calcium + Kohlensäure Calciumcarbonat + Wasserstoff Ca + H2CO3 CaCO3 + H2 Somit ist die chemische Formel von hergeleitet. 2. Stunde: formt Landschaften Karstformen; Wasserhärte Es wird die Problematik der ersten Stunde angesprochen, dass man bei hartem, kalkreichen Wasser mehr Waschmittel zum Reinigen benötigt, als in weichem, kalkarmen. Woher aber stammt der und wie kommt er ins Wasser hinein? Zu diesem Zweck erfolgt die Betrachtung der Films Die Alb e bauen eine Landschaft (11:13). Die SuS erhalten Beobachtungsaufgaben zum Film. Diese können für alle SuS gleich sein oder in Gruppen vergeben werden, die im Anschluss der Klasse ihre Lösungen präsentieren. Die Beantwortung der Fragen 1, 3, 4 und 6 erfolgen am besten in Textform an der Tafel oder mit einer OHP-Folie. Für die Beantwortung der Fragen 2 und 5 empfiehlt es sich einfache Mindmaps anfertigen zu lassen. (Werden nur Aufgabe 2 und 3 bearbeitet, genügt der Film e wachsen im Meer (1:37)). Beobachtungsaufgaben zum Film: Wann entstanden die gesteine der Schwäbischen Alb, in welchem geologischen Zeitalter? (Vor rund 150 Millionen Jahren in der Jurazeit.) Woraus wurde der stein gebildet? (gestein: Aus den Schalen von Meerestieren, Korallen- und Schwammriffen.) Wie kommt der in die Landschaft? (Die im Meer gebildeten steinschichten wurden durch Kräfte im Erdinneren über den Meeresspiegel angehoben.) 3

4 Welche Eigenschaften hat das gestein? (Manchmal kommt es als Felsbänke oder Felsplatten vor, manchmal als ungeordneter Massenkalk. Der ist sehr fest und hart.) Welche Landschaftsformen sind ganz typisch für die Schwäbische Alb? (Karstformen der Alb: Zeugenberge, Hochflächen, Kuppen, Trockentäler, trichterförmige Dolinen, Karstquellen wie z.b. der Blautopf, Trockenhöhlen, Tropfsteine Stalaktiten und Stalagmiten, steinerne Rinnen aus tuff) Was geschieht mit dem durch Umwelteinflüsse? (Durch Kohlensäure im Regenwasser kann das gestein gelöst und forttransportiert werden. Es entstehen kleine und große Hohlräume.) Die Ergebnisse werden von den SuS unter der Überschrift Die Schwäbische Alb ein Karstgebirge ins Heft übernommen. Um den SuS die Wirkung des kohlensäurehaltigen Wassers zu zeigen kann der Film Boden-Experimente: Chemische Verwitterung (1:43) gezeigt werden. Wasser ist bei Karstgebirgen also ein ganz wichtiger Faktor. Das gestein entstand im Meerwasser und das Regenwasser formt das Gestein und bringt ungewöhnliche und typische Landschaftsformen eines gebirges hervor die so genannten Karstformen (benannt nach dem Karstgebirge zwischen Triest in Italien dem Berg Snežnik in Slowenien. Die Namen der dortigen typischen geomorphologischen Formen werden für alle ähnlichen Landschaften auf der Erde angewandt, so z.b. auch für die Formen der Schwäbischen Alb). Der Anteil an gestein in einer Region spiegelt sich in ihrem Grundwasser wider. Man kann sagen: Je härter das Wasser, desto größer ist der Anteil an gestein. Die Wasserhärte lässt sich mit Schnelltests einfach und genau messen. Gerade für die richtige Dosierung von Waschmitteln ist es wichtig die Härte des Trinkwassers im Haushalt zu kennen. Die SuS führen die Bestimmung der Wasserhärte (vgl. Bestimmung der Wasserhärte A3) an verschiedenen Wasserproben durch. Besonders interessant kann dabei der Unterschied zwischen Oberflächenwasser und Trinkwasser in Gebieten mit Bodenseewasserversorgung sein. Finden die Jugendlichen eine Lösung für widersprüchliche Messergebnisse? Je nach zur Verfügung stehender Zeit kann der Versuch mit oder ohne Weiterführung durchgeführt werden. Nach Beendigung des Versuchs werden die Ergebnisse miteinander verglichen und interpretiert. 3. Stunde: Karstformen, verwitterung, bildung Begonnen wird mit der Wiederholung und Vertiefung der Formen im Karst. Dazu wird der kurze Film Karstphänomene Lösungsformen (2:20) gezeigt, dem sich sogleich die Präsentation und Karst anschließt. Mit ihr wird auch der erste Einblick in die chemischen Vorgänge von verwitterung und bildung gegeben. Hierzu sollen die SuS das Schaubild auf Folie 3 in eigene Worte fassen. Folien 4 bis 11 zeigen dann nochmals exemplarische Verwitterungsformen im Karst, die bereits in den Filmen gezeigt wurden. Die SuS können dabei prüfen, ob sie die Formen wieder erkennen und 4

5 benennen können. Mit Folie 12 können sie ihr erworbenes Wissen zu den Karstformen der Schwäbischen Alb zusammenfassend überprüfen und festigen. Passend dazu kann das Arbeitsblatt Karstformen in der Alb (AB 3a) an die SuS ausgegeben werden. Nun unterbricht man die Präsentation und zeigt den Film Karstphänomene Fällungsformen (3:15), um danach mit der Präsentation fortzufahren. Folie 14 beschreibt ganz grob, wie aus hartem Wasser durch Veränderung der Temperatur (vgl. Versuch Bestimmung der Wasserhärte ) oder der Druckverhältnisse in fester Form ausgefällt wird. An Folie 15 können die SuS einmal selbst versuchen zu erklären, wie und wieso es zur Bildung von Tropfsteinen in Höhlen kommt (vgl. Inhalt von Folie 14). Eine Sicherung kann mit dem Arbeitsblatt : Entstehung von Tropfsteinen (AB 9a) erfolgen. Die Folien 16 bis 22 zeigen in Bildern verschiedene Formen ausgefällten s. Nach dem ersten Einblick in die chemischen Vorgänge der verwitterung und bildung folgt nun die genaue Betrachtung der Vorgänge. Die SuS können sich diese in Partnerarbeit am PC selbst erschließen und erhalten dazu ein Zeitkontingent von z.b. 15 Minuten. Den Jugendlichen stehen zur Lösung der Aufgaben die Filme verwitterung (0:44), verwitterung Teilchenmodell (Animation) (1:33), bildung (0:55) und bildung Teilchenmodell (Animation ) (1:06) sowie die Präsentation Verwitterung und Bildung über den Schulserver zur Verfügung. Die zu lösende Aufgabe wird in der Präsentation Verwitterung und Bildung formuliert. Die Präsentation zeigt die Reaktionen auf der molekularen Ebene (Standbilder der Animationsfilme). Zu den Folien 7,11,16, 18 und 20 sollen die SuS Reaktionsgleichungen formulieren. Nach Ablauf der Arbeitszeit werden die Lösungen im Klassenverband besprochen und die SuS erklären in eigenen Worten die Vorgänge von Lösung und Fällung des steins (vgl. Verwitterung und Bildung (Lösung)). Die Ergebnisse werden notiert. Bei genügend Zeit kann zum Abschluss der Film Kreislauf des s in der Natur (3:17) gezeigt werden, der die gerade besprochenen Inhalte noch einmal wiederholt und erweitert. Der natürliche kreislauf kann von den SuS schriftlich wiedergegeben werden. Als Zusatzaufgabe (Hausaufgabe) kann folgende Frage an die Klasse gerichtet werden, die die SuS mit ihrem neuen Wissen versuchen können zu erklären: wasser trübt sich beim Einleiten von CO2 binnen kurzer Zeit. Leitet man weiterhin CO2 ein, dann verschwindet die Trübung wieder und die Lösung wird wieder klar. Wie kommt das? ( Zu Beginn bildet sich das unlösliche Calciumcarbonat, das als weißer Niederschlag ausfällt: Ca(OH) 2 + CO2 CaCO 3 + H2O. Bei weiterem Einleiten von CO2 reagiert dieses mit dem Carbonat und Wasser zu löslichem Calciumhydrogencarbonat, das sich unsichtbar in Wasser löst: CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO 3)2) 4./5. Stunde: als Rohstoff In dieser Stunde geht es um die Rolle von als wichtiger Rohstoff in der Industrie. Die SuS erhalten dazu verschiedene Arbeitsaufträge als Rohstoff, die sie mit Hilfe der Internetseite Mit durch das Jahr erledigen sollen. Die Seite ist übersichtlich gegliedert und die SuS sollten keine Probleme haben, die gesuchten Informationen zu finden. Die Aufgaben können für bis zu sieben Gruppen gruppenteilig vergeben werden. 5

6 Es bietet sich an, jede Gruppe ein Plakat zu ihrem Unterthema gestalten zu lassen, das dem Rest der Klasse vorgestellt wird. Bei der Präsentation der Ergebnisse stellen die Gruppen mit den Aufgaben Allgemeine Informationen und Gewinnung und Aufbereitung des s ihre Plakate zuerst vor. Die anderen Gruppen schließen sich in beliebiger Reihenfolge an. Zusätzlich können alle SuS nach der Präsentation der Ergebnisse ein Arbeitsblatt als Rohstoff - Infoblatt A5 erhalten, auf dem Informationen aus den Plakaten ergänzt werden müssen. Auf diese Weise lässt sich die Sicherung für alle aktiv gestalten. 6./7. Stunde: Technischer kreislauf Die Stunde beginnt mit einem kurzen Vortrag: Es ist aus der vorigen Stunde bekannt, dass ein sehr wichtiger Rohstoff für die Baustoffindustrie ist. Damit seine nutzbringende Funktion als Baustoff entfalten kann, durchläuft er eine technische Umwandlung in drei Schritten, der als technischer Kreislauf des s bezeichnet wird. Die drei Schritte sind: 1. Brennen des abgebauten und gereinigten steins. Hierzu kann der Film Technischer Kreislauf des s Branntkalk (0:41) gezeigt werden. 2. Löschen des Branntkalks. Siehe Film Technischer Kreislauf des s Löschkalk (0:44) 3. Abbinden an der Luft. In allen drei Fällen kommt es zu chemischen Reaktionen. Nachdem die Filme betrachtet wurden, werden die chemischen Vorgänge nochmals von den SuS formuliert: (z.b.) Zunächst wird dem stein Kohlenstoffdioxid entzogen um ihn zu Branntkalk umzuwandeln. Der Branntkalk wird mit Sand gemischt und es wird Wasser zugesetzt, mit dem der unter Energieabgabe zu Löschkalk (hydrat / Calciumhydroxid) reagiert. Die SuS erhalten das Arbeitsblatt - Technischer Kreislauf - AB 8a. Sie füllen die Lücken des Blatts, angefangen oben bei stein, mit den passenden Lösungswörtern. Die Lösungsvorschläge werden besprochen und gegebenenfalls wird mit passenden Hilfen korrigiert. Insbesondere beim Schritt Abbinden bedarf es vermutlich etwas Hilfe. So müssen die Jugendlichen wissen, dass beim Abbinden der Löschkalk im Mörtel wieder zu Calciumcarbonat wird, wobei er folglich Kohlenstoffdioxid aus der Luft aufnehmen und Wasser abgeben muss. Nach der Besprechung kann zum Zweck der Veranschaulichung eine Folie der Abbildung Technischer Kreislauf des s aufgelegt werden. Die besprochenen Vorgänge werden schließlich von den SuS in Form von Reaktionsgleichungen formuliert: CaCO3 (+E) CaO + CO 2 CaO + H2O Ca(OH) 2 (+E) Ca(OH)2 + CO2 CaCO 3 + H2O Brennen Löschen Abbinden Es können sich nun Versuche rund um das Thema als Baustoff und zum 6

7 technischen Kreislauf anschließen: als Baustoff - Branntkalk (Versuch), als Baustoff - Löschkalk (Versuch), Arbeitsblatt: als Baustoff - Mörtel (Versuch). Der Versuch Mörtel sollte zu Demonstrationszwecken und zum Zweck der Auswertung zusätzlich bereits Tags zuvor von der Lehrkraft durchgeführt werden. Die Versuche müssen nicht am Ende der Unterrichtseinheit stehen. Sie können durchaus auch an den Anfang der 6. Stunde gestellt werden und ihre Auswertung so zum Ausgangspunkt für die Besprechung des technischen kreislaufs sein. Zum Abschluss des Themas bearbeiten die SuS das Arbeitsblatt Rätsel - AB 1, dessen Besprechung den Schlusspunkt der Einheit bildet. Als zusätzliche Aufgabe (Hausaufgabe) bietet es sich an, die SuS nach der Herstellung und Zusammensetzung von Zement und Beton suchen zu lassen. Soll ein Projekt zum Thema durchgeführt werden, bietet das Brennen von nach der Anleitung Branntkalk: Herstellung eine Möglichkeit (aufwändiger Versuch!). 7

8 Bildungsplanbezug Realschule Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten 4. KOMPETENZERWERB IM GRUNDLAGENORIENTIERTEN UNTERRICHT DER KLASSEN 8 UND 9 (Aus: Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 Realschule: Kompetenzen und Inhalte für Naturwissenschaftliches Arbeiten, Klassen 5 bis 10; Seite 102) Ausführliche Informationen zum Bildungsplan Baden-Württemberg gibt es unter Bildung stärkt Menschen. 8