Basisexperiment - Flammenfärbung

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1 1 Lehrerversion Lehrplanbezug: Atombau Basisexperiment - Flammenfärbung Ziel: Die Schüler sollen die Technik der Flammenfärung erlernen und die Ursache für die Lichtemission erfahren. Weiters sollen Anwendungsbeispiele erläutert werden. Materialien: Brenner, Feuerzeug, Magnesiastäbchen, Kobaltglas Natriumchlorid-, Kaliumchlorid-, Lithiumchlorid-, Bariumchlorid-Lösung Vorgehensweise: 1. Die SchülerInnen tauchen nacheinander mittels benetztem Magnesiastächen verschiedene Metallsalzlösungen in eine Brennerflamme 2. Nach dem Protokollieren der Flammenfarben sollen mindestens drei Fragen formuliert werden, die den SchülerInnen zu dem Experiment einfallen. 3. Falls die SchülerInnen aufgrund des durchgenommenen Stoffes zur Interpretation fähig sind, sollten sie das nach dem Experiment tun. Falls nicht, soll die Lehrkraft am Ende des Experiments die Interpretation vornehmen. Hinweis: Da schon Spuren von Natrium eine sehr intensive Leuchterscheinung verursachen, stört dieses Licht bei der Beobachtung von Kalium. Dies kann man umgehen, indem man bei der Kaliumprobe durch ein Kobaltgas sieht. Während das Kobaltglas das Natriumlicht absorbiert, lässt es das Kaliumlicht durch. Ergebnisse: Durch die verschiedenen Wellenlängen entsteht eine für das jeweilige Element typische Farbe. Element Farblinien Wellenlänge Natrium 1 gelbe 589 nm Kalium 1 tiefrote 768 nm Lithium 1 rote 671 nm Barium 4 grüne 524 nm und 514 nm Interpretation: Von Interesse sind vor allem die Außenelektronen (Valenzelektronen) der Metallsalze. Da die Außenelektronen erstens am weitesten vom Kern entfernt sind und zweitens den höchsten Energiegehalt besitzen, können sie am leichtesten Energie aus der Umgebung (hier aus die Flamme) aufnehmen und in eine freie noch unbesetzte Schale übertreten. In diesem angeregten Zustand verweilen die Elektronen nur sehr kurz (ca. 1 Milliardstel Sekunde). Beim Zurückwechseln in den vorherigen Zustand ( Grundzustand ) geben die Elektronen die zuvor aufgenommene Energie in Form von Licht wieder ab. Spezielle Anwendung: Spezielle Anwendung findet man in der Feuerwerkerei. Nach der Explosion einer Feuerwerksrakete erhalten die darin enthaltenen Metallsalze so viel Energie, dass die Elektronen angeregt werden können und ein farbiges Schauspiel erzeugen. Auch das gelbe Kerzenlicht kommt durch dieses Phänomen zustande. Hier sind es die Elektronen der Kohlenstoff-Atome, die beim Verbrennen des Kerzenwachses als Ruß entstehen. Vermittelte Grundkompetenzen aus diesem Basisexperiment Fachwissen Atombau / Aufbau der Elektronenhülle Bohrsches Atommodell Exp. Fertigkeiten Umgang mit Brenner Sachgerechter Umgang mit Salzlösungen Protokollierung von Ergebnissen Abstraktionsfähigkeit Zusammenhang zw. Lichtemission Elektronenzustände herstellen können Interpretationsfähigkeit Interpretation der Lichtemission / Interpretation unterschiedlicher Farben

2 2 Schülerversion Basisexperiment Flammenfärbung Aufgabenstellung: Finde heraus, wie und warum Metallionen auf Wärmeenergie reagieren! Materialien: Brenner, Feuerzeug, Magnesiastäbchen, Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Lithiumchlorid, Bariumchlorid, Kobaltglas Sicherheit: Schutzbrille tragen! Lange Haare beim Arbeiten mit offenen Flammen zusammen binden! Vorgehensweise: 1. Zunächst muss das Stäbchen ausgeglüht werden, um Verunreinigungen zu beseitigen. Halte dazu das Stäbchen für ca. 30 Sek. in die Flamme bis die Farbe der Flamme unscheinbar wird. 2. Tauche das Stäbchen kurz in die Metallsalz-Lösung 3. Halte das Stäbchen in die Flamme des Bunsenbrenners und beobachte die Flammenfärbung dieser Substanz. Trage deine Beobachtungen in die Tabelle ein. Achte darauf, dass keine Tropfen vom Stäbchen wegspritzen, da sie ätzend wirken. 4. Verfahre in gleicher Weise mit den anderen Salzen. Verwende für jede Salz-Lösung ein eigenes Stäbchen! Eventuell Vorder- und Rückseite verwenden. Hinweis: Da schon Spuren von Natrium eine sehr intensive Leuchterscheinung verursachen, stört dieses Licht vor allem bei der Beobachtung von Kalium. Dies kannst du umgehen, indem du bei der Kaliumprobe durch ein Kobaltgas siehst. Während das Kobaltglas das Natriumlicht absorbiert, lässt es das Kaliumlicht durch. Abfallbeseitigung: Nachdem die Stäbchen abgekühlt sind, werden sie wieder eingesammelt. Die Brenner werden im ausgekühlten Zustand mit einem feuchten Tuch abgewischt. Ergebisse: Metallsalz Natriumchlorid-Lsg. Kaliumchlorid-Lsg. Lithiumchlorid-Lsg. Bariumchlorid-Lsg. Flammenfärbung Interpretation: Von Interesse sind vor allem die Außenelektronen (Valenzelektronen) der Metallsalze. Da die Außenelektronen erstens am weitesten vom Kern entfernt sind und zweitens den höchsten Energiegehalt besitzen, können sie am leichtesten Energie aus der Umgebung (hier aus die Flamme) aufnehmen und in eine freie noch unbesetzte Schale übertreten. In diesem angeregten Zustand verweilen die Elektronen nur sehr kurz (ca. 1 Milliardstel Sekunde). Beim Zurückwechseln in den vorherigen Zustand ( Grundzustand ) geben die Elektronen die zuvor aufgenommene Energie in Form von Licht wieder ab. Spezielle Anwendung: Spezielle Anwendung findet man in der Feuerwerkerei. Nach der Explosion einer Feuerwerksrakete erhalten die darin enthaltenen Metallsalze so viel Energie, dass die Elektronen angeregt werden können und ein farbiges Schauspiel erzeugen. Auch das gelbe Kerzenlicht kommt durch dieses Phänomen zustande. Hier sind es die Elektronen des Kohlenstoffs, der beim Verbrennen des Kerzenwachses als Ruß entsteht. Formuliere drei Fragen, die dir zu diesem Experiment einfallen!

3 3 Selbsteinschätzung zum Basisexperiment Flammenfärbung: Nachdem du das Experiment durchgeführt hast, solltest du nun einige Fertigkeiten und Grundkompetenzen besitzen. Wie würdest du dich nun einschätzen, müsstest du das Experiment wiederholen: Umgang mit Brenner Umgang mit Salzlösungen Stoffe mittels Flammenfärbung untersuchen Ergebnisse protokollieren Ergebnisse interpretieren Ergebnisse kommunizieren gar nicht nur zum Teil gut bestens

4 4 Lehrerversion KOPEx - Flammenfärbung Voraussetzung: Grundkompetenzen aus dem Basisexperiment Flammenfärbung Gedankliche Problemstellungen: G-1: Ein Winter- Advent- oder Weihnachtsgedicht auf chemisch. Hinweis: Die Schüler sollten informiert sein, dass auch die gelbe Flammenfarbe einer Kerze durch die Anregung der Valenzelektronen des Ruß-Kohlenstoffs entsteht! Schreibe ein kurzes Winter- Advent- oder Weihnachtsgedicht, indem folgende Fachausdrücke vorkommen: Kerze, Valenzelektron, Flammenfärbung, Kohlenstoff, angeregter Zustand, Emission. G-2: Life Act zum Phänomen der Flammenfärbung Schüler müssen das Phänomen der Flammenfärbung in einem Life Act darstellen und erklären, warum Na gelbes Licht und Lithium rotes Licht emittiert. G-3: Ein Tribunal zum Thema: Abschaffung der Feuerwerkerei Nach dem Betrachten eines Feuerwerks auf Youtube sollen sich Schülerinnen Argumente für bzw. gegen das Verbot für Feuerwerke überlegen. Zwei Vertreter jeder Gruppe diskutieren vor der Klasse. Experimentelle Problemstellungen: E-1: Kannst Du mir bitte das Salz reichen! Schülergruppen bekommen 3 nicht etikettierte Proben, wobei eine Probe reinstes Natriumchlorid, die zweite Kristallzucker und die dritte Quarzsand ist. Die SchülerInnen müssen die Proben mittels ausgegebener Materialien identifizieren. Der eingeschlagene Weg muss auf einem A3-Papier festgehalten und nach der Experimentierphase vor der Klasse präsentiert werden. Materialien: Brenner, Feuerzeug, Spatel, Bechergläser, Wasser, Magnesiastäbchen, Kobaltglas Variante 2: Wie Var.1 nur dass alle Proben mit Kohlepulver verunreinigt sind. Beobachten & Erfassen Zuordnung zur Handlungskompetenz BEx G-1 G-2 G-3 E-1 Erfassung Beschreibung - Fachsprache Zuordnung Untersuchungsfrage stellen Hypothesen aufstellen Untersuchen & Bearbeiten Recherche Planung eines Experiments Protokollführung Durchführung eines Experiments Synthese Analyse-Überprüfung Interpretation der Ergebnisse Bewerten & Anwenden Bewertung & Schlussfolgerung Kommunikation Legende: Bex Basisexperiment / G-1, G-2, G-3 Gedankliche Problemstellung / E-1 Exp. Problemstellung

5 5 Schülerversion KOPEx - Flammenfärbung Voraussetzung: Grundkompetenzen aus dem Basisexperiment Flammenfärbung Gedankliche Problemstellungen: G-1: Ein Winter- Advent- oder Weihnachtsgedicht auf chemisch. Schreibe ein kurzes Winter- Advent- oder Weihnachtsgedicht, indem folgende Fachausdrücke vorkommen: Kerze, Valenzelektron, Flammenfärbung, Kohlenstoff, angeregter Zustand, Emission. G-2: Life Act zum Phänomen der Flammenfärbung Stelle das Phänomen der Flammenfärbung mit Hilfe eines Life Acts dars und erkläre, warum Na gelbes Licht und Lithium rotes Licht emittiert. G-3: Ein Tribunal zum Thema: Abschaffung der Feuerwerkerei Nach dem Betrachten eines Feuerwerks auf Youtube sollen Argumente für bzw. gegen das Verbot für Feuerwerke überlegt werden. Zwei Vertreter jeder Gruppe diskutieren vor der Klasse. Experimentelle Problemstellungen: E-1: Kannst Du mir bitte das Salz reichen! 3 nicht etikettierte Proben sind mit den Buchstaben A, B und C gekennzeichnet. Eine davon muss reinstes Natriumchlorid, die zweite Kristallzucker und die dritte Quarzsand sein. Leider sind alle drei Proben noch dazu durch den Rauchfangkehrer mit Kohlepulver verunreinigt worden. 1) Entwickelt einen Versuch um diese drei Stoffe zu identifizieren und führt ihn experimentell durch. 2) Haltet den eingeschlagenen Weg auf einem A3-Papier fest 3) Präsentiert nach der Experimentierphase vor den anderen eure Vorgehensweise Materialien: Brenner, Feuerzeug, Spatel, Bechergläser, Wasser, Magnesiastäbchen, Spektrometer, Filterpapier, Filtrationsvorrichtung Kosten ist aus Sicherheitsgründen nicht gestattet. Skizziert eure Ideen: Selbsteinschätzung: Wie würdest du dich nun einschätzen, müsstest du das Experiment wiederholen: Problem erfassen Lösungsansatz entwickeln Experiment planen Experiment durchführen Ergebnisse interpretieren Ergebnisse vor anderen präsentieren gar nicht nur zum Teil gut bestens