Rätselhaftes Bermudadreieck Teil 2: Methanhydrat

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1 Rätselhaftes Bermudadreieck Teil 2: Methanhydrat Silke Schreiber, Neustadt (Wied) Niveau: Sek. I Dauer: 4 5 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Aufbau und Eigenschaften von Methanhydrat, Entstehen explosiver Gemische, Satz von Archimedes zur Schwimmfähigkeit von Körpern, Methanhydrat als vielversprechende Energiequelle, Methan als Treibhausgas. Erkenntnisgewinnung: Qualitative Untersuchungen durchführen und protokollieren; Fragestellungen erkennen und entwickeln, die mithilfe chemischer Kenntnisse und Untersuchungen, insbesondere chemischer Experimente, zu beantworten sind (experimentelle Dichtebestimmung); geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypothesen planen. Kommunikation: Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache veranschaulichen oder erklären; protokollieren; fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren. Standpunkte gegenüber der Lehrkraft und den Mitschülern vertreten. Bewertung: Fragestellungen erkennen, die einen engen Bezug zu anderen Unterrichtsfächern aufweisen, und diese Bezüge aufzeigen. Fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten nutzen, um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen. Aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen entwickeln, die unter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie beantwortet werden können. Der Beitrag enthält Materialien für: offene Unterrichtsformen fachübergreifenden Unterricht Lehrerversuche Schülerversuche Hausaufgaben Hintergrundinformationen Das Bermudadreieck ist bekannt für seine mysteriösen Schiffsunglücke und Flugzeugabstürze. Aberwitzige Erklärungsmöglichkeiten versuchten die Geheimnisse der verschwundenen Schiffe und Flugzeuge aufzuklären: Von Toren zu anderen Welten bis hin zu geheimnisvollen Kraftfeldern, die von der versunkenen Insel Atlantis ausgehen, ist da zum Beispiel die Rede. Erst geochemische Entdeckungen, die in den 1980er-Jahren gemacht wurden, brachten Licht ins Dunkel der ernsthaften Erklärungsversuche der Unglücke am Bermudadreieck: Zunächst wurden große Gasblasen im Bereich des Unglücksgebiets gesichtet. Dann wurden nicht nur im Bereich des Bermudadreiecks von Meeresgeologen vermehrt Sichtungen eines weißen, im Meer schäumenden und sich auflösenden Feststoffes gemacht, der kalt ist und zudem noch brennen kann: Methanhydrat oder auch brennendes Eis genannt. Seit 1986 haben die Meeresgeologen rund um Prof. Dr. Erwin Suess vom Kieler GEOMAR- Institut Methanhydrat und dessen Vorkommen erforscht und kartiert. Methanhydrat ist ein eisähnlicher Feststoff: Er bildet sich bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken in Tiefen zwischen Metern aus Wasser und Methan, das durch den Abbau organischer Substanzen durch Bakterien entsteht. Die einzelnen Wassermoleküle bauen bei diesem Gashydrat ähnlich wie beim Wassereis einen festen Gitterkäfig auf. Bei den Gashydraten sind in diesen Gitterkäfig jedoch Gasmoleküle eingeschlossen, hier Methan-Moleküle. Deswegen spricht man auch von Einschlussverbindungen oder Clathraten (von lat.: clatratus = eingekapselt). Diese Eiskäfige sind imstande, erstaunliche Men-

2 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt mit Aufgaben D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Farbfolie M 1 Ab, SV, LV Das geheimnisvolle Gas des Bermudadreiecks M 2a Ab M 2b Ab V: 10 min D: 15 min Methan-Gas-Kartusche (CH 4 ), 9 Luftballons 8 Schnüre (ca. 1 m lang) 8 Reagenzgläser 8 Reagenzglasstopfen 8 Glimmspäne 8 Reagenzglasständer ggf. Kerze an einem langen Holzstab Schutzbrillen, Schutzkittel, Schutzhandschuhe Das Geheimnis des Bermudadreiecks: Methanhydrat Tandem-Übung zum Methanhydrat M 3 Fo Methanhydrat spannender Stoff vom Meeresboden M 4 Ab, LV, Videoausschnitt V: 10 min Die Enträtselung der Flugzeugexplosionen am Bermudadreieck: ein Modellversuch D: 2 min Wasserstoff-Druckgasflasche (H 2 ) leere, saubere Weißblechdose ohne Deckel (z. B. Ravioli- Dose) Nagel Hammer langer Glimmspan Feuerzeug feuerfeste Unterlage Schutzbrille, Schutzkittel, Schutzhandschuhe M 5 Ab, SV Die Enträtselung des plötzlichen Verschwindens von Schiffen am Bermudadreieck: ein Modellversuch V: 10 min D: 10 min Leitungswasser M 6 Ab, DVD Methanhydrat ein zukunftsweisender Stoff 4 Plastikschiffchen 4 pneumatische Wannen, möglichst hoch viele Strohhalme zum Umbiegen Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie ab hier.

3 M 2a Das Geheimnis des Bermudadreiecks: Methanhydrat 5 Im Vorkommen des Methans am Meeresboden gibt es jedoch noch eine Besonderheit, die das Methan des Bermudadreiecks zu einem Stoff mit faszinierenden Eigenschaften werden lässt welche Besonderheit das ist, kannst du in diesem Material herausfinden: In der Natur wurde dieser Stoff erstmals in den 1930er-Jahren als Ursache von Verstopfungen von Gaspipelines entdeckt wegen der tiefen Wintertemperaturen konnte er sich dort bilden. In den sechziger Jahren fand man ihn in den Permafrostgebieten Sibiriens und Nordamerikas. Aus Laboren war er schon länger bekannt. Nach seismologischen Untersuchungen vor der Südostküste der USA in den siebziger Jahren vermuteten ihn die Forscher auch in Meeresböden. Und tatsächlich: 1980 förderte das Tiefseebohrschiff Glomar Challenger ein winziges Stück zutage das meiste davon war allerdings bereits zerfallen, als der Bohrkern an Bord kam: Methanhydrat. Ein festes, eisartiges Stoffgemisch aus Methan und Wasser, das ganz besondere Eigenschaften hat: Aufgrund des hohen Methan-Gehaltes brennt dieses skurrile Eis! Die ersten großen Brocken des brennenden Eises wurden 1996 vom Meeresgeologen Prof. Dr. Erwin Suess vom Forschungszentrum für marine Geowissenschaften (GEOMAR) in Kiel aus dem Pazifik geborgen. Er enträtselte viele Geheimnisse um diesen faszinierenden Stoff, fand Methanhydrat an zahlreichen Stellen der Ozeane und kartierte deren Vorkommen. Im Sommer 1999 fand der wachhabende Offizier des deutschen Forschungsschiffes Sonne vor der Küste des US-Staates Oregon kühlschrankgroße weiße schäumende Klumpen dieses Methanhydrats. Wild schäumend durch das entweichende Gas wurden sie kleiner. Niemand zuvor hatte beobachten können, dass Methanhydrat an die Wasser- oberfläche aufsteigt, schnell zerfällt und Methan direkt an die Atmosphäre freisetzt. Später entdeckten die Geowissenschafter aus Kiel rund um Prof. Dr. Suess bei Tauchfahrten im nordöstlichen Pazifik eine 125 m hohe Gasblase. Es gibt dort Methan ist ein leicht entzündliches Gas und hat eine geringere Dichte als Luft. Wenn es am Meeresboden vorkommt und von dort in großen Mengen entweicht, müsste es doch eigentlich viel öfter zu Schiffsunglücken kommen. Aus einer offenen Sprudelflasche entweicht auch ständig Gas zwar Kohlenstoffdioxid aber der Effekt wäre doch ähnlich. Brennendes Methanhydrat einen richtigen Hydrat-Rücken, ein unterseeisches Gebirgsmassiv von der Größe des Harzes. Bis heute wurde Methanhydrat an zahlreichen Stellen in den Ozeanböden nachgewiesen und kartiert. Um die ganze Erde herum kommt es an den Kontinentalhängen bis in Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-Geomar)

4 M 2b Tandem-Übung zum Methanhydrat So geht s In dieser Tandem-Übung setzt ihr euch gegenüber. Schüler A beginnt mit dem Vorlesen der Frage 1 und beantwortet diese Frage auch selbst. Schüler B überprüft die Antwort mit Hilfe der Antwort 1 und bestätigt, gibt Hilfestellungen oder korrigiert die Aussagen von Schüler A. Dann fährt Schüler B mit dem Vorlesen und Beantworten von Frage 2 fort, Schüler A kontrolliert und macht mit Frage 3 weiter, usw. Danach tauscht ihr, sodass Schüler B mit Frage 1 beginnt. Frage 1: In welcher Form kommt das Methan auf dem Meeresboden des Bermudadreiecks vor und aus welchen Stoffen besteht es? Antwort 2: Bei Methanhydrat handelt es sich um eine Einschlussverbindung (auch Gitter- oder Käfig-Verbindung genannt), in der die Wassermoleküle ähnlich wie im Wasser-Eis einen Käfig bilden, in den Methan-Moleküle eingelagert werden. Frage 3: Welches Volumen an Methan kann man aus einem einzigen Kubikzentimeter Methanhydrat gewinnen? Antwort 4: Methanhydrat brennt, es wird deshalb auch als brennendes Eis bezeichnet. Antwort 1: Als Methanhydrat. Es besteht aus Wasser und Methan. Frage 2: Beschreibe, was Methanhydrat ist. Antwort 3: 164 cm³ Methan Frage 4: Welche besonderen Eigenschaften hat Methanhydrat, obwohl es zu einem hohen Prozentteil aus Wasser besteht, und wie nennt man es deswegen auch? Frage 5: Unter welchen Bedingungen kann sich Methanhydrat nur bilden? Antwort 6: Es zersetzt sich wieder in seine Bestandteile Wasser und Methan, wobei das Methan-Gas frei wird. Antwort 5: Bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken. Frage 6: Was passiert mit Methanhydrat an der Wasseroberfläche bzw. bei steigender Temperatur und fallendem Druck? Frage 7: Wo auf der Erde kommt Methanhydrat vor? Antwort 8: Nein, es ist nicht stabil: Bei Seebeben, Erdrutschen oder einem Ansteigen der Temperatur kann es plötzlich und in großen Mengen zerfallen. Frage 9: Warum kann man brennendes Methanhydrat in den Händen halten? Antwort 7: An Kontinentalhängen der Ozeane bis in einige Hundert Meter Tiefe sowie in Permafrostböden Sibiriens und Amerikas. Frage 8: Begründe, ob das Methanhydrat am Ozean-Boden stabil ist! Antwort 9: Weil das Methan dem brennenden Eis entweicht. Es enthält eben auch Wasser-Eis, das die Hände so weit abkühlt, dass diese nicht verbrannt werden können.

5 M 3 Methanhydrat spannender Stoff vom Meeresboden Tiefsee-Bohrschiff Chikyū picture alliance / Kyodo Brennendes Methanhydrat picture alliance / dpa / MARUM Foto: GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum Aus dem festen Stoff vom Meeresboden löst sich Methan

6 M 5 Die Enträtselung des plötzlichen Verschwindens von Schiffen am Bermudadreieck: ein Modellversuch Warum Flugzeuge über dem Bermudadreieck plötzlich explodieren, könnt ihr nun wissenschaftlich erklären ohne Außerirdische oder Tore zu anderen Welten. Warum aber Schiffe wie aus heiterem Himmel verschwinden, das könnt ihr eindrucksvoll in einem weiteren Modell-Versuch herausfinden: Schülerversuch: Schiffe verschwinden am Bermudadreieck ein Modell-Versuch Vorbereitung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Leitungswasser Versuchsdurchführung Durchführung: 10 min Füllt die Wanne zu etwa drei Vierteln mit Leitungswasser. Setzt das Plastikschiffchen auf die Wasseroberfläche und lasst es schwimmen. Jeder nimmt dann einen Strohhalm. Nehmt das lange Ende in den Mund. Biegt das kurze Ende des Halms und taucht ihn so ins Wasser, dass er in ca. 3 4 cm Abstand unter dem Kiel des Schiffchens mit der Öffnung nach oben endet. Verteilt euch so, dass ihr eine möglichst große Fläche unter dem Schiff beblubbern könnt. Beginnt dann gleichzeitig, in die Strohhalme reinzupusten und erzeugt einen langen Luftstrom unter dem Schiff. Geräte Plastikschiffchen, das gut schwimmt pneumatische Wanne, möglichst hoch 4 Strohhalme zum Umbiegen Aufgaben 1. Was könnt ihr beobachten? 2. Erklärt, warum das Schiff im Modellexperiment plötzlich sinkt. Tipp: Warum schwimmt das Schiff überhaupt? Dazu ein bisschen Physik: Nach dem Satz von Archimedes ist die Auftriebskraft eines Schiffes so groß wie die Masse des durch ihn verdrängten Wassers. 3. Übertragt das Modellexperiment auf die Schiffsunglücke am Bermudadreieck! Übrigens nennt man solche Methan ausbrüche aus instabil gewordenem Methanhydrat in Ozeanen auch blowout (Gasausbruch). Dieses Methanhydrat kann so instabil sein, dass sehr große untermeerische Hänge ins Rutschen geraten, was sogar Tsunamis auslösen kann.

7 Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Da die Schüler die Experimente in Aufgabe 3 selbst planen sollen, ist die Geräteliste im Schülermaterial nicht aufgeführt. Die Geräte/Chemikalien, die Sie bereithalten sollten, sind unter Lösungen (M 1), zu 3. aufgeführt. Die Schüler werden Experimente entwickeln, die sie aus dem vorangegangenen Unterricht kennen: Eine Methangas-Probe wird in ein Reagenzglas gegeben und mit einem Glimmspan auf seine Brennbarkeit untersucht. Und in einen Ballon gefüllt kann das Gas auf seine Dichte hin untersucht werden (Letzteres ist ein Lehrerversuch). Das Problem ist jedoch, dass im Methan-gefüllten Reagenzglas kein Sauerstoff vorhanden ist, der für die Verbrennung notwendig ist, und die Flamme des Glimmspans deswegen erlischt. Dies sollten Sie thematisieren: Methan im Erdgas ist im Gasbrenner, der über eine zusätzliche Luftzufuhr verfügt, auch brennbar. Auch der Methangas-gefüllte Ballon brennt: Wenn der Ballon platzt, entzündet sich das Gas, weil eine größere Oberfläche bzw. Kontaktfläche mit Luft als bei der Reagenzglasöffnung zur Verfügung steht. Des Weiteren sollten Sie beim Dichteversuch (Ballon mit Luft gefüllt sowie Ballon mit Methangas gefüllt) thematisieren, dass der Ballon auch ein Eigengewicht hat und deswegen die sichtbaren Unterschiede nicht so groß sein werden. Ergänzend zu den Aufgaben 3 und 4 lässt man als Lehrerversuch einen Methan-Gas- Ballon steigen und entzündet ihn vorsichtig mit einem langen Glimmspan oder einer brennenden Kerze, die an einem langen Holzstab befestigt ist. Dabei sind Schutzbrille und - kittel zu tragen! Lehrerversuch: Untersuchung von Methan-Gas (CH 4 ) Vorbereitung: 2 min Durchführung: 1 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Methangas-Kartusche (CH 4 ) Geräte 1 Luftballon 1 Schnur (ca. 1 m lang) 1 Glimmspan Schutzbrille, Schutzkittel, Schutzhandschuhe Achtung: Schutzhandschuhe, Schutzkittel und Schutzbrille tragen! Der Ballon muss mit einem langen Glimmspan oder einer brennenden Kerze an einem langen Holzstab entzündet werden. Lösungen (M 1) Zu 1.: Da das Gas aus dem Meer nach oben zu den Flugzeugen strömen muss, muss es eine geringere Dichte als Luft haben. Da die betroffenen Flugzeuge explodierten, muss das frei werdende Gas leicht entzündlich bzw. brennbar sein. Wasserstoff hat die Eigenschaften, die das Gas des Bermudadreiecks haben muss, aber es kommt am Meeresboden nicht elementar, also in Form von Wasserstoff, vor. Es muss noch ein weiteres Gas geben, das eine geringere Dichte als Luft hat, deswegen vom Meeresboden bzw. der Meeresoberfläche nach oben in die Luft steigen kann und das brennbar ist und damit zur Explosion von Flugzeugen führen kann. Zu 2.: Es könnte sich um Erdgas handeln, dessen Hauptbestandteil Methan (75 99 % je nach Lagerstätte) ist, oder um Methan selbst.