Europäischer Chemielehrerkongress Leoben Österreich im April 2007

Transkript

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2 Einfache und erprobte Experimente für den Anfangsunterricht im Fach Chemie

3 1. Stoffumwandlung Stoffe reagieren Aggregatzustandsänderung Zusammensetzung der Luft Gesetz von der Erhaltung der Masse Reaktion von Nichtmetallen mit reinem Sauerstoff und dem Sauerstoff der Luft Geräte: Chemikalien: Durchführung: 2 Quarzreagenzgläser, 6 Einwegspritzen, 2 Metall- Reagenzglashalter, 4 Reagenzgläser, 6 Stopfen, Brenner, Stativmaterial Schwefel ( nur Plättchen ), Aktivkohle (reinst für die Analyse), Kupferspäne, Calciumhydroxidlösung, Xi, R:41, S: , Universalindikatorlösung, Wasser A) In ein Makroreagenzglas werden 0,014g Schwefel (Plättchen) gegeben und das Reagenzglas mit Sauerstoff gefüllt. Mit einem Silikonstopfen mit aufgesetzter Einwegspritze (Kanüle mündet im Reagenzglas) das Reagenzglas verschließen. Reagenzglas in der Brennerflamme erhitzen. (Gasvolumen in die Einwegspritze überführen und dann in ein Makroreagenzglas mit Indikatorlösung einleiten.) In ein Quarzreagenzglas werden 0,008 g Kohlenstoff (Aktivkohlepulver) gegeben und das Reagenzglas mit Sauerstoff gefüllt. Mit einem Stopfen mit aufgesetzter Einwegspritze (Kanüle mündet im Reagenzglas) das Reagenzglas verschließen. Reagenzglas am Stativ einspannen und in der Brennerflamme erhitzen. (Gasvolumen in die Einwegspritze überführen und dann in ein Makroreagenzglas mit Indikatorlösung leiten.) In ein Makroreagenzglas werden 3 Kupferspäne gegeben und das Reagenzglas mit Sauerstoff gefüllt und mit einem Stopfen verschlossen. In der Brennerflamme langsam erhitzen. B) Der Reaktionen werden nur mit dem Sauerstoff der Luft durchgeführt. Beobachtung: A) Es ist eine blaue Flamme zu sehen. Nach dem Erhitzen sind keine Schwefelpartikel mehr im Reagenzglas zu sehen. Die Aktivkohle glüht leuchtend. Nach dem Erhitzen sind keine Aktivkohlepartikel mehr im Reagenzglas zu sehen. Der Kolben der Einwegspritze bewegt sich. Nach dem Überführen des Reagenzglasinhaltes in Calciumhydroxid-Lösung wird ein weißer Niederschlag sichtbar. Die Kupferspäne werden schwarz. 1

4 B) Der Schwefel wird flüssig, am Reagenzglasrand sind nach dem Erhitzen Schwefelpartikel zu sehen. Die Aktivkohle glüht schwach auf und es sind nach dem Erhitzen noch Aktivkohlepartikel zu sehen. Nicht alle Kupferspäne werden schwarz. Auswertung: A) Schwefel reagiert mit dem Sauerstoff. Der Aggregatzustand hat sich verändert. Es bedarf nur kurze Zeit, bis die Reaktion beginnt Entzündungstemperatur Aktivierungsenergie. Aktivkohle hat mit dem Sauerstoff reagiert. Der Aggregatzustand hat sich verändert. Es bedarf hoher Temperatur für den Beginn der Reaktion Entzündungstemperatur Aktivierungsenergie. Es ist Kohlenstoffdioxid entstanden. Kupferspäne reagieren mit dem Sauerstoff, der Aggregatzustand hat sich nicht verändert. B) Für die vollständige Stoffumwandlung war nicht ausreichend Sauerstoff vorhanden. Luft ist nicht gleich Sauerstoff in der Luft kann Sauerstoff nur zu einem bestimmten Anteil vorhanden sein Entsorgung: Reagenzgläser mit Schwefeldioxid unter dem Abzug entgasen, Reagenzglas mit Schwefelpartikeln in heißes Wasser stellen, abfiltrieren-sondermüll. 2

5 2. Reaktion von Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor im Verbrennungsrohr Geräte: Behelfsgasentwickler, 5 Verbrennungsrohre ( Borsilikatglas), Gasableitungsrohr, 4 Makroreagenzgläser, 2 Makroreagenzglas mit seitlichem Ansatz, 6 Magnesiarinnen, Erlenmeyerkolben mit seitlichem Ansatz, Aquarienpumpe Chemikalien: Wasserstoffperoxidlösung ( 10%) Xi, R: 34, S: (1/2)-28-36/39-45, Aktivkohlepulver, Schwefel, Phosphor (rot) F, N, R: 11, 16, 50, S: (2) Calciumhydroxidlösung Xi, R: 41, S: , Wasser, Universalindikator, 2 Aktivkohlefilter Durchführung: A) Ein Quarzrohr in der Mitte mit 0,02g Kohlenstoff (Aktivkohlepulver) beschicken und über ein Trockenrohr mit dem Gasentwickler verbinden. An das andere Ende des Verbrennungsrohres ein Ableitungsrohr mit Stopfen, das in ein Makroreagenzglas mit seitlichem Ansatz und Indikatorlösung mündet, anschließen. Danach mit einem Makroreagenzglas mit Kalkwasser gefüllt, verbinden. Sauerstoffstrom erzeugen und Kohlenstoff erhitzen. Nach Beendigung des Experimentes Verbindung lösen. B) Der Gasentwickler wird durch eine Aquarienpumpe ersetzt und Kohlenstoff im Luftstrom erhitzt. C) Ein Verbrennungsrohr in der Mitte mit 0,02g Schwefel (Plättchen) oder in Keramikfaser gewälzt beschicken, mit Glaswolle festsetzen und über ein Trockenrohr mit dem Gasentwickler verbinden. An das andere Ende des Verbrennungsrohres ein Ableitungsrohr mit Stopfen, das in ein Makroreagenzglas mit seitlichem Ansatz und Indikatorlösung mündet, anschließen. Danach ein Absorptionsrohr an das Reagenzglas mit seitlichem Ansatz anschließen. Sauerstoffstrom erzeugen und Schwefel erhitzen. Nach Beendigung des Experiments Verbindung lösen. D) Der Gasentwickler wird durch eine Aquarienpumpe ersetzt und Schwefel im Luftstrom erhitzt. E) Ein Verbrennungsrohr in der Mitte mit 0,02g Phosphor (Pulver getrocknet) beschicken und über ein Trockenrohr mit dem Gasentwickler verbinden. An das andere Ende des Verbrennungsrohres ein Ableitungsrohr mit Stopfen, das in ein Erlenmeyerkolben mit seitlichem Ansatz und Indikatorlösung mündet, anschließen. Danach ein Absorptionsrohr an das Reagenzglas mit seitlichem Ansatz anschließen. Sauerstoffstrom erzeugen und nach 2 Minuten Phosphor erhitzen. 3

6 Experimentieranordnung: Beobachtung: Auswertung: Entsorgung: A) Es ist ein starkes Aufglühen erkennbar. Nach dem Einleiten des gebildeten Gases in Calciumhydroxidlösung entsteht ein weißer Niederschlag. Universalindikatorlösung färbt sich rot. B) Bei Einsatz der Aquarienpumpe treten die Effekte im Vergleich zum Einsatz von reinem Sauerstoff zeitlich später ein, die Lichterscheinungen sind mit reinem Sauerstoff intensiver. C) Schwefel verbrennt mit blauer Flamme. Die Indikatorlösung färbt sich rot. D) Bei Einsatz der Aquarienpumpe treten die Effekte im Vergleich zum Einsatz von reinem Sauerstoff zeitlich später ein E) Es ist eine grelle Lichterscheinung wahrnehmbar, weißer Rauch wird sichtbar, der in den Erlenmeyerkolben übergeleitet wird. Die Indikatorlösung färbt sich langsam rot, der weiße Rauch verschwindet. A+B) Mit Calciumhydroxidlösung kann Kohlenstoffdioxid nachgewiesen werden. Es ist Kohlenstoffdioxid entstanden, das mit Wasser zur sauren Lösung reagiert. C+D) Es ist Schwefeldioxid entstanden. Es reagiert mit Wasser zur zur sauren Lösung. E) Es ist Diphosphorpentaoxid entstanden. Es reagiert mit Wasser zur sauren Lösung. Saure Lösung neutralisieren. Calciumhydroxidlösung neutralisieren - Ausguss 4

7 3. Massenverhältnisse - Gesetz von der Erhaltung der Masse Reaktion von Nichtmetallen und Metallen mit Sauerstoff im geschlossenen System Geräte: Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: Auswertung: Entsorgung: Quarzreagenzgläser, Einwegspritzen, Reagenzglashalter, Reagenzgläser, Stopfen, Brenner, Waage, Stativmaterial. Schwefel (Plättchen ), Aktivkohle (für die Analyse), Kupferspäne. A) Ein Makroreagenzglas durch Luftveränderung mit Sauerstoff füllen und 2 bis 3 Kupferspäne dazugeben. Das Reagenzglas fest mit einem Stopfen verschließen. Mit einem Brenner das Reagenzglas an der Stelle vorsichtig erhitzen, an der sich die Kupferspäne befinden. Die Masse des verschlossenen Reagenzglases vor und nach dem Erhitzen bestimmen bzw. die Massen vergleichen. B) Ein Quarzreagenzglas mit 0,008g Kohlenstoff (Pulver) geben und durch Luftverdrängung mit Sauerstoff füllen. Stopfen mit Einwegspritze aufsetzen. Masse des Reagenzglases vor und nach dem Erhitzen bestimmen. Reagenzglas am Stativ waagerecht einspannen und kräftig erhitzen. Die Masse des verschlossenen Reagenzglases vor und nach dem Erhitzen bestimmen bzw. die Massen vergleichen. C) In ein Makroreagenzglas werden 0,014g Schwefel (Plättchen) gegeben und das Reagenzglas mit Sauerstoff gefüllt. Mit einem Silikonstopfen mit aufgesetzter Einwegspritze (Kanüle mündet im Reagenzglas) das Reagenzglas verschließen. Reagenzglas am Stativ einspannen und in der Brennerflamme erhitzen. Die Masse des verschlossenen Reagenzglases vor und nach dem Erhitzen bestimmen bzw. die Massen vergleichen. Die Masse der jeweils zur Reaktion gebrachten Stoffe, beträgt vor g und nach der Reaktion..g. Im geschlossenen System ist die Masse der Ausgangsstoffe gleich der Masse der Reaktionsprodukte. Reagenzglas mit Schwefeldioxid unter dem Abzug entgasen, Kupferspäne sammeln - aufarbeiten 5

8 4. Saurer Regen Modellexperiment - Schülerexperiment Geräte: 2 Einwegspritzen, 2 Reagenzglashalter, 2 Reagenzgläser, 2 Stopfen, Brenner, Stativmaterial, 1 Aktivkohlefilter, 3 kleine Kristallisierschalen Chemikalien: Schwefel ( nur Plättchen oder Schwefelpulver auf Keramikfaser gebunden ), Indikatorlösung, Wasser Durchführung: A) In ein Makroreagenzglas werden 0,014g Schwefel (Plättchen) gegeben und das Reagenzglas mit Sauerstoff gefüllt. Mit einem Silikonstopfen mit aufgesetzter Einwegspritze (Kanüle mündet im Reagenzglas), in die zuvor 10 ml dest. Wasser überführt wurden, das Reagenzglas verschließen. Reagenzglas mittels Metall- Reagenzglashalter in der Brennerflamme erhitzen. Spritzenkolben ein wenig ausziehen und Spritze von der Kanüle abnehmen. Spritzeninhalt in eine mit Indikatorlösung und Wasser gefüllte kleine Kristallisierschale tropfenweise überführen ( Regen ). Experimentieranordnungen: B) Zwischen Makroreagenzglas und mit Wasser gefüllte Einwegspritze wird ein kleines Trockenrohr mit Aktivkohle geschalten. Nach dem Aufbau der Experimentieranordnung erfolgt die Durchführung wie bei A). C) Die dritte Kristallisierschale wird ebenfalls mit Indikatorlösung und Wasser gefüllt und dient als Vergleichslösung. 6

9 Beobachtung: A) Die Indikatorlösung färbt sich nach Zugabe des Spritzeninhaltes rot. B) Die Indikatorlösung bleibt nach Zugabe des Spritzeninhaltes grün und ist mit der Vergleichslösung identisch. Auswertung: Filteranlagen verhindern das Austreten von Schwefeldioxid in die Atmosphäre 7

10 5. Saurer Regen - Lehrerdemonstrationsexperiment Geräte: Verbrennungsrohr, Magnesiarinne, Keramikfaser, Gasableitungsrohr, Erlenmeyerkolben mit seitlichem Ansatz, Stopfen, durchbohrter Stopfen mit aufgesetzter Einwegspritze ( 100 ml ) Glasstopfen, kleines Gummischlauchstück ( durchlöchert ) Aquarienpumpe, Brenner Chemikalien: Schwefel (Schwefelpulver auf Keramikfaser gebunden), Indikatorlösung, Wasser Durchführung: A) Experimentieranordnungen: Die Experimentieranordnung wird wie in der folgenden Abbildung aufgebaut. Danach Luftstrom mittels Aquarienpumpe erzeugen und Keramikfaser mit Schwefelpulver ( 0,02g ) erhitzen. Nach dem der Schwefel vollständig reagiert hat, Spritzeninhalt in den Erlenmeyerkolben überführen ( Regen ). B) Zwischen Verbrennungsrohr und Erlenmeyerkolben wird ein Aktivkohlefilter ( Trockenrohr mit Aktivkohle ) geschalten. Nach dem Aufbau der Experimentieranordnung erfolgt die Durchführung wie bei A). Erlenmeyerkolben Erlenmeyerkolben 8

11 Auswertung: Entsorgung: Wasser in der Atmosphäre verbindet sich unter anderem mit Schwefeldioxid. Es entsteht eine saure Lösung der Saure Regen. Aktivkohlefilter absorbieren Schwefeldioxid und verhindern den Austritt in die Atmosphäre. Saure Lösung neutralisieren. 9

12 6. Redoxreaktion - Reaktion von Magnesium mit Wasser Geräte: Quarzreaktionsrohr, Stopfen, Magnesiarinne, Sand, Brenner, Stativmaterial Chemikalien: Magnesium (Späne) F, R: 11-15, S: (2)-7/8-43, Wasser Durchführung: Ein Quarzrohr wird etwa 10 cm hoch mit angefeuchtetem Sand gefüllt und mit einem Stopfen verschlossen. Vor dem Sand in einem Abstand von ca. 5 cm eine etwa 3 cm lange Schicht Magnesiumspäne auf eine Magnesiarinne einbringen und die Magnesiumspäne zum Glühen bringen. Anschließend durch Erhitzen des feuchten Sandes Wasserdampf über die glühenden Magnesiumspäne leiten. Bis zur restlosen Umsetzung kontinuierlich Wasserdampf überleiten. Beobachtung: Magnesiumspäne glühen zunächst auf. Nach Überleitung von Wasserdampf ist eine Flamme sichtbar, die zum offenen Quarzrohrende wandert. Nach der Reaktion ist ein weißer Feststoff auf der Magnesiarinne. Auswertung: Es ist Wasserstoff entstanden, der sich entzündet. Der weiße Feststoff ist Magnesiumoxid. Entsorgung: Magnesium-/oxid sammeln - Sondermüll 10

13 Materialien und Chemikalien für den Selbstbau eines Gasentwicklers (Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid) (entwickelt im Arbeitskreis Didaktik der Chemie) 1. Reaktionsrohr 2. Tropftrichter 100 ml 3. Einweghahn 4. Teflonsieb 5. 1 Stopfen mit 2 Lochbohrungen 6. T- Stück 7. Glasrohr 8. Braunsteinbrocken, Zinkgranalien, Marmorstücke 9. Wasserstoffperoxidlösung (10%), Salzsäure (20%), 10. Gummischlauch oder Silikonschlauch für Druckausgleich 11. Glaswinkel mit durchbohrtem Stopfen 12. kleines Becherglas 100 ml Gesamtkosten ca. 40 Euro 11