Experimente zum Thema Stoffkreisläufe: O 2 /CO 2 -Kreislauf - Versuche zu Atmung und CO 2 - Projekttitel: Nachhaltige Chemie im Agnes-Pockels-SchülerInnen- Labor Neue pädagogische Angebote zu Stoffkreisläufen und Ressourcenschonung Aktenzeichen: 28352 Laufzeit: 01.09.2010-31.08.2012 Projektleitung: Wiss. Mitarbeiterin: Prof. Dr. Petra Mischnick Dr. Beate Faustmann Institution: Technische Universität Braunschweig Institut für Lebensmittelchemie Partnerschule: Realschule Maschstraße, Braunschweig Erika Hirsch, Birgit Meinert, Petra Schille Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 1 von 16
Inhalt Versuch 1. Kohlenstoffdioxidnachweis mit Kalkwasser 3 Versuch 2.1 Kohlenstoffdioxid in der Atemluft 4 Versuch 2.2 Kohlenstoffdioxid als Produkt der Verbrennung 6 Versuch 2.3 Kohlenstoffdioxid in Autoabgasen 9 Versuch 3. Speicherung/Bindung von Kohlenstoffdioxid in Muscheln 11 und/oder Kalksteinen Versuch 4. Bedeutung von Kohlenstoffdioxid als Treibhausgas 12 Materialliste Materialliste für 30 SchülerInnen bzw. 15 Zweiergruppen 14 Laborplan Laboreinteilung für die Versuche zu Atmung und CO 2 16 Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 2 von 16
Name: Datum: 1. Kohlenstoffdioxidnachweis mit Kalkwasser Materialien: 100 ml Becherglas, 50 ml Messzylinder, Soda-Club-Maschine, 600 ml Abfallgefäß für Kalkwasserlösungen-Gemisch Chemikalien: Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Kalkwasser ist ätzend. Trage Handschuhe und eine Schutzbrille! Hintergrundinformation Kohlenstoffdioxid kann man in Druckbehältern kaufen und zum Sprudeln von Leitungswasser im Haushalt verwenden (Soda-Club-Maschine). Durchführung: 1. Fülle mit Hilfe des Messzylinders 25 ml Kalkwasser in das Becherglas. 2. Leite nun mit Hilfe eines aufgesteckten Schlauches das Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus der Druckgasflasche der Soda-Club-Maschine in das Becherglas. Was beobachtest du? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 3 von 16
Name: Datum: 2.1 Kohlenstoffdioxid in der Atemluft Materialien: 1 Stativ, 1 Halterung für den Kolbenprober, 100 ml Erlenmeyerkolben, 1 zweifach perforierter Stopfen, 1 Glasröhrchen lang, 1 Glasröhrchen, kurz, für den Druckausgleich, 1 Kolbenprober (100 ml), 1 Dreiwegehahn mit 3 Verbindungsschlauchstücken, 1 Mundstück (z.b. neuer Schlauch oder Strohhalm), 100 ml Messzylinder 600 ml Abfallgefäß für Kalkwasserlösungen-Gemisch Chemikalien: Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Kalkwasser ist ätzend. Trage Handschuhe und eine Schutzbrille! Durchführung: 1. Befestige den Kolbenprober mit Hilfe der Halterung am Stativ, verbinde ihn mit dem Dreiwegehahn über ein Schlauchstück und stecke ein weiteres Schlauchstück auf das Mittelstück des Dreiwegehahnes. Führe die beiden Glasröhrchen durch den perforierten Stopfen und verbinde das längere Glasröhrchen mit dem Schlauchstück am Mittelteil des Dreiwegehahnes. Das dritte Schlauchstück verbindet das Mundstück (z.b. sauberer Schlauch oder Strohhalm) ebenfalls mit dem Dreiwegehahn. 2. Fülle mit dem Messzylinder 50 ml Kalkwasser in den Erlenmeyerkolben. 3. Setze sofort nach dem Befüllen des Erlenmeyerkolbens den Stopfen mit den beiden Glasröhrchen auf den Erlenmeyerkolben. Das lange Glasröhrchen muss dabei in die Flüssigkeit hineinragen. Das Glasröhrchen, welches nur für den Druckausgleich dient, darf keine Verbindung zur Flüssigkeit haben. 4. Drehe den Dreiwegehahn so, dass nur eine Verbindung vom freien Mundstück zum Kolbenprober besteht. Puste kräftig hinein, bis der Kolben vollständig mit Atemluft gefüllt ist (100 ml). 5. Schließe nun den Dreiwegehahn so, dass das Mundstück keine Verbindung mehr zum Kolbenprober hat, sondern nur noch eine Verbindung zwischen Kolbenprober und Erlenmeyerkolben mit der Kalkwasserlösung besteht. 6. Drücke nun mit dem Kolben die Atemluft in die Kalkwasserlösung. Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 4 von 16
7. Wiederhole ggf. die Vorgänge 4-6, bis eine Veränderung der Kalkwasserlösung eintritt. Was beobachtest du? Wie kannst du deine Beobachtungen erklären? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 5 von 16
Name: Datum: 2.2 Kohlenstoffdioxid als Produkt der Verbrennung Materialien: 1 Stativ, 2 Halterungen, Holzklotz (statt Laborboy), 1 Porzellanschale, 1 Trichter (Glas), 1 Gaswaschflasche, 1 Wasserstrahlpumpe, 1 Gummischlauch, 1 hitzebeständiger Schlauch, 1 Tiegelzange, Streichhölzer, 100 ml Becherglas mit Wasser für die gebrauchten Streichhölzer, Waage, Holz (z.b. Streichhölzer ohne Kopf) 1000 ml Abfallgefäß für Kalkwasserlösungen-Gemisch Chemikalien: Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Kalkwasser ist ätzend. Trage Handschuhe und eine Schutzbrille! - Die bei diesem Versuch verwendeten Geräte werden sehr heiß. Müssen Geräte (z.b. Trichter) angefasst werden, so ist darauf zu achten, dass diese genügend abgekühlt sind. Versuchsaufbau: 1. Befestige den Trichter mit Hilfe der Halterung verkehrt herum am Stativ. 2. Schiebe den Trichter nach oben und stelle die Porzellanschale darunter. Die Trichteröffnung soll etwa 8 cm über dem Boden der Porzellanschale sein. 3. Fülle die Kalkwasserlösung in die Gaswaschflasche. Das Glasrohr soll etwa 1 cm tief in die Flüssigkeit reichen (ca. 50 ml). 4. Stelle die Gaswaschflasche auf den hochkant gestellten Holzklotz und befestige sie mit der Halterung am Stativ. 5. Schraube die Wasserstrahlpumpe am Wasserhahn fest. Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 6 von 16
6. Verbinde den Trichter über den feuerfesten Schlauch mit dem langen Glasrohr der Gaswaschflasche. 7. Schraube den Gummischlauch an die Gaswaschflasche und an die Wasserstrahlpumpe. Vorversuch: Stelle die Wasserstrahlpumpe an und beobachte, was mit der Flüssigkeit in der Gaswaschflasche passiert. Beobachtung Durchführung: 1. Wiege die leere Porzellanschale und notiere das Gewicht in der Tabelle. 2. Wiege in der Porzellanschale 1,5 g Holz (Streichhölzer ohne Köpfe) ab und notiere dieses Gewicht ebenfalls in der Tabelle. 3. Schichte die Holzstücke zu einem Mini-Lagerfeuer auf. 4. Stelle die Wasserstrahlpumpe an. 5. Zünde das Holz mit einem Streichholz an und entsorge dieses sofort im Becherglas, welches mit Wasser gefüllt ist. 6. Stelle die Porzellanschale schnell mit der Tiegelzange unter den Trichter. Sollte das Feuer ausgehen, zünde es wieder an. Das Holz sollte möglichst vollständig verkohlt sein. 7. Wiege nach dem Abkühlen die Schale mit dem Inhalt erneut und notiere dieses Gewicht in der Tabelle. Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 7 von 16
Was beobachtest du? Gewicht [g] Beobachtung Porzellanschale leer Porzellanschale mit Inhalt vor der Verbrennung Porzellanschale mit Inhalt vor der Verbrennung Differenz Bei der Verbrennung von Holz nimmt das Gewicht. Was beobachtest du in der Gaswaschflasche? Wie kannst du deine Beobachtungen erklären? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 8 von 16
Name: Datum: 2.3 Kohlenstoffdioxid in Autoabgasen Materialien: 1 Reagenzglas, 1 Reagenzglasständer, Schlauchverbindung für den Kolbenprober, Kolbenprobe (100 ml), abgeschnittener vorderer Teil einer Pasteurpipette (Kunststoff), Schraubklemme für den Abgasbeutel, Abgasbeutel, Autoabgase 250 ml Abfallgefäß für Kalkwasserlösungen-Gemisch Chemikalien: Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Kalkwasser ist ätzend. Trage Handschuhe und eine Schutzbrille! Versuchsaufbau: 2 1 1. Befülle das Reagenzglas mit ungefähr 2 ml Kalkwasserlösung. 2. Verbinde den Kolbenprober mit dem Schlauch des Abgasbeutels. Durchführung: 1. Öffne die Schraubklemme des Abgasbeutels und ziehe den Kolben des Kolbenprobers schnell und gleichmäßig nach hinten, bis der Kolbenprober vollständig mit Abgasen gefüllt ist. 2. Schließe den Hahn des Kolbenprobers und die Schlauchklemme, bevor du den Kolbenprober vom Schlauch abziehst. 3. Schiebe den abgeschnittenen Teil der Pasteurpipette (Kunststoff) in ein Schlauchstück und befestige dieses am Kolbenprober. Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 9 von 16
4. Halte die Pipette in das Reagenzglas, so dass sich die Öffnung in der Kalkwasserlösung befindet. 5. Öffne den Hahn des Kolbenprobers und drücke die Abgase in die Kalkwasserlösung. 6. Wiederhole den Vorgang 1-2 mal. Was beobachtest du? Wie erklärst du deine Beobachtungen? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 10 von 16
Name: Datum: 3. Speicherung/Bindung von Kohlenstoffdioxid in Muscheln und Kalkgestein Materialien: 1 Erlenmeyerkolben (50 ml), 1 Gärröhrchen mit durchbohrtem Gummistopfen, 1 Becherglas (250 ml) für das Kalkwasser, 1 Uhrglas 1000 ml Abfallgefäß für Kalkwasserlösungen-Gemisch Chemikalien: Muscheln und/oder Kalksteine Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 Salzsäure (HCl, 10 %) Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Kalkwasser und Salzsäure sind ätzend. Trage Handschuhe und eine Schutzbrille! Durchführung: 1. Gib eine Muschel oder ein Stück Kalkstein in den Erlenmeyerkolben. 2. Bereite das Gärröhrchen vor, indem du es vorsichtig mit Kalkwasser füllst bis die kugeligen Erweiterungen des Glases bis etwa zur Hälfte gefüllt sind (Becherglas nach der Entnahme des Kalkwassers sofort wieder mit dem Uhrglas verschließen, damit kein Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit dem Kalkwasser reagieren kann). 3. Gib nun einige Tropfen Salzsäure auf die Muschel bzw. den Kalkstein und verschließe den Erlenmeyerkolben sofort mit dem vorbereiteten Gärröhrchen. Achte darauf, dass der Gummistopfen das Gefäß dicht verschließt. Drück aber nicht so stark, dass das Glas platzt (Verletzungsgefahr!). Was beobachtest du? Wie kannst du deine Beobachtung erklären (aus welchem Material ist die Muschel oder der Kalkstein)? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 11 von 16
Name: Datum: 4. Bedeutung von Kohlenstoffdioxid als Treibhausgas Materialien: 2 Erlenmeyerkolben (100 ml), 2 Glasröhrchen, 2 Thermometer, 2 doppelt durchbohrte Gummistopfen, Soda-Club-Maschine, 1 Infrarotlampe (z.b. Fa. Beurer, 100 Watt), Stoppuhr, 1 Becherglas (250 ml) Hintergrundinformation Kohlenstoffdioxidgas der Atmosphäre absorbiert einen Teil der von der Erde abgestrahlten langwelligen Infrarotstrahlung (= Wärmestrahlung). Diese Erscheinung, die als Treibhauseffekt bezeichnet wird, kann zu einer globalen Erwärmung mit diversen Konsequenzen führen. Durchführung: 1. Führe das Thermometer und das Glasröhrchen durch den doppelt durchbohrten Stopfen. Das Glasröhrchen sollte bis zum Boden des Erlenmeyerkolbens reichen. 2. Bereite den zweiten Stopfen genauso vor. 3. Fülle das Becherglas mit Hilfe der Soda-Club-Maschine etwa 30 s mit Kohlenstoffdioxid (bleibt am Boden des Becherglases, da Kohlenstoffdioxid-Gas schwerer als Luft ist) und gieße es langsam in den entsprechend beschrifteten Erlenmeyerkolben. 4. Verschließe nun beide Erlenmeyerkolben (auch den Erlenmeyerkolben, der mit Luft gefüllt ist) mit den Stopfen und stelle sie 1 Stunde unter die Infrarotlampe. 5. Notiere alle 5 Minuten die Temperaturen beider Erlenmeyerkolben. Was beobachtest du? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 12 von 16
Zeit [min] Temperatur Kolben CO 2 [ o C] Temperatur Kolben Luft [ o C] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Wie kannst du deine Beobachtungen erklären? Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 13 von 16
Materiallisten für 30 SchülerInnen bzw. 15 Zweiergruppen Versuch 1.: Stationsversuch 3 Stationen 3 Bechergläser (100 ml) 3 Messzylinder (50 ml) 3 Soda-Club-Maschinen 1 Bechergläser (600 ml) als Abfallgefäß 3 Bechergläser (250 ml) mit je 150 ml Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) Versuch 2.1: Stationsversuch 3 Stationen 3 Stative und 3 Halterungen für die Kolbenprober 3 Erlenmeyerkolben (100 ml) 3 zweifach perforierte Gummistopfen 3 Glasröhrchen lang, 3 Glasröhrchen kurz für den Druckausgleich 3 Kolbenprober 3 Dreiwegehähne mit 9 Verbindungsschläuchen 15 Mundstücke (neue Schläuche oder Strohhalme) 3 Messzylinder (100 ml) 1 Becherglas (1000 ml) als Abfallgefäß 3 Bechergläser (400 ml) mit je 200 ml Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ) + Uhrglas Versuch 2.2: Stationsversuch (3 Stationen, Abzüge im kleinen Labor) 3 Stative und 6 Halterungen für die Trichter und die Gaswaschflaschen 3 Holzklötze (statt Laborboy) 15 Porzellanschalen 3 Trichter (Glas) 3 Gaswaschflaschen 3 Wasserstrahlpumpen 3 Gummischläuche 3 hitzebeständige Schläuche 3 Tiegelzangen 3 Packungen Streichhölzer (lang) 3 Bechergläser (100 ml) mit Wasser für die gebrauchten Streichhölzer 1 Waage Holz (z.b. Streichhölzer ohne Kopf) 1 Becherglas (1000 ml) als Abfallgefäß Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ), 1000 ml-gefäß + Deckel Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 14 von 16
Versuch 2.3: Stationsversuch 3 Stationen 15 Reagenzgläser, 3 Reagenzglasständer 3 Kolbenprober und 3 Schlauchverbindungen für die Kolbenprober 3 abgeschnittene vordere Teile einer Pasteurpipette (Kunststoff) 3 Abgasbeutel, 3 Schraubklemmen für die Abgasbeutel Autoabgase 1 Becherglas (250 ml) als Abfallgefäß Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ), 50 ml-gefäß + Deckel Versuch 3.: Stationsversuch 4 Stationen 15 Erlenmeyerkolben (50 ml) 15 Gärröhrchen 15 Muscheln oder Kalksteine 1 Becherglas (1000 ml) als Abfallgefäß Kalkwasser (gesättigte Lösung von Ca(OH) 2 ), 3 250 ml-gefäße + Deckel Salzsäure (10 %) in 15 Tropfflaschen (30 ml) Versuch 4.: Gruppenversuch 2 Gruppen 4 Erlenmeyerkolben (100 ml) 2 Glasröhrchen 2 Thermometer 2 doppelt durchbohrte Gummistopfen 2 Soda-Club-Maschinen 2 Bechergläser (250 ml) 2 Stoppuhren 2 Infrarotlampen (z.b. Fa. Beurer, 100 Watt) Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 15 von 16
Laboreinteilung: CO 2 -Versuche Waschbecken Tür 18 Reserve- Material 12 Abzug 15 kleines 13 Labor Abzug 16 14 Abzug 17 Reserve- 1 2 3 4 5 Trocken- Material schrank 19 Tür großes Labor Waschbecken 10 Abzug 6 7 11 Abzug 8 9 Abzug (Abfall) Waschbecken Spülmaschine Versuche: alles Stationsversuche, von denen jeweils 3 bis 4 Plätze aufgebaut werden V 4 ist ein Gruppenversuch, der in zwei Gruppen am Anfang durchgeführt wird V 1 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 3 V 4 CO 2 -Nachweis CO 2 in Atemluft CO 2 durch Verbrennung CO 2 in Autoabgase Speicherung von CO 2 in Muscheln CO 2 als Treibhausgas Agnes-Pockels-SchülerInnenlabor, TU Braunschweig 18.08.2013 Seite 16 von 16