Modulbeschreibung Schularten: Fächer: Zielgruppen: Autor: Zeitumfang: Werkrealschule; Fächerverbund Welt-Zeit-Gesellschaft (WRS/HS); 9 (WRS/HS), Guido Hennrich Ca. sechs Stunden Stahl ist seit Beginn der industriellen Revolution einer der wichtigsten Werkstoffe. Ausgehend von einfachen chemischen Reaktionen, die sie zum Teil selbst durchführen, lernen die Schülerinnen und Schüler die chemischen Prozesse kennen, bei denen aus Eisenverbindungen bzw. Erzen metallisches Eisen gewonnen wird. Mit diesen wird dann die Redoxreaktion eingeführt. Von ihrer technischen Anwendung - dem Thermitverfahren zum Verschweißen von Eisenbahnschienen - führt der Weg zur Eisen- und Stahlerzeugung großen Stils im Hochofen. Neben den chemischen Vorgängen bei der Gewinnung von Stahl werden Verfahren zur Aufbereitung der Ausgangsstoffe (Eisenerz und Kohle), zur Eisenreduktion im Hochofen sowie die Weiterverarbeitung des Roheisens zu Stahl gezeigt. Ein Blick auf das Rohstoffrecycling schließt das Thema ab. (Modulbild: 2010 LMZ-BW/Andrea Rachele) Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich: Kenntnisse: Metalle und Nichtmetalle, insbesondere Wasserstoff; einfacher Oxidationsbegriff; Metalloxide; Nichtmetalloxide, insbesondere deren chemischen Aufbau von Wasser; Elementsymbole; Wortgleichung, chemische Formeln, Reaktionsgleichungen einrichten 1
Unterrichtsverlauf 1. Stunde: Redoxreaktionen Ein/e Schüler/in entzündet unter Einhaltung der Sicherheitsregeln etwas Magnesiumband, das mit einer Tiegelzange gehalten wird und verbrennt es über einer Schale. Er/sie beschreibt das Reaktionsprodukt, bzw. gibt es den Mitschülern zur Ansicht herum. Die Schülerinnen und Schüler (SuS) wissen, dass Sauerstoff der reagierende Teil der Luft ist und sich das Metall mit ihm zu Magnesiumoxid verbunden hat. Sie formulieren die Wortgleichung, ermitteln die Formel von Magnesiumoxid und richten die Gleichung zur Reaktion ein. 2 Mg + O2 2 MgO Die Lehrkraft demonstriert mit dem Versuch Redoxreaktion von Wasser und Magnesium ebenfalls eine Reaktion mit Magnesium. Bei der Reaktion entsteht neben Magnesiumoxid elementarer Wasserstoff. Das im Reaktionsrohr entstandene Produkt wird den SuS zur Ansicht gezeigt. Sie sehen, dass das Produkt genau so aussieht, wie das im ersten Versuch. Wieder ist Magnesiumoxid entstanden. Im Unterrichtsgespräch wird herausgearbeitet, dass der Sauerstoff für die Reaktion des Magnesiums zu Magnesiumoxid nur aus dem Wasser(dampf) stammen kann, da keine Luft mehr in der Apparatur vorhanden war. Das Wasser überträgt den in den Wassermolekülen gebundenen Sauerstoff an das Magnesium. Gleichzeitig wird der Wasserstoff frei, der sich zu H 2-Molekülen verbindet. H2O + Mg H2 + MgO Die Reaktion kann durch die Animation in der Präsentation: Wasserdampf reagiert mit Magnesium (Folien 2-5) verdeutlicht werden. Die SuS formulieren erneut Wortgleichung, Formeln und Reaktionsgleichung zur gezeigten Reaktion. Zusätzlich kann ein Merksatz zur Redoxreaktion formuliert und aufgeschrieben werden. Anschließend führen die SuS den VersuchKupferoxid und Eisen reagieren durch. Dazu erhitzen sie in einem Reagenzglas ein Gemisch aus Kupfer-II-Oxid-Pulver und Eisenpulver. Beobachtungen während des Versuchs sollen in einem kurzen Versuchsprotokoll ebenso festgehalten werden wie die Fragen auf der Versuchsanleitung. Die Reaktion verläuft unter großer Wärmeentwicklung, eine feuerfeste Unterlage ist daher notwendig! Die Ergebnissicherung erfolgt im Unterrichtsgespräch und kann durch die Folien 6 10 der Präsentation: Wasserdampf reagiert mit Magnesium unterstützt werden. 2
2. Stunde: Thermitverfahren Die Lehrkraft informiert die SuS darüber, dass sich die Stunde um die direkte Gewinnung von metallischem Eisen aus Eisenoxid durch eine einfache chemische Reaktion dreht. Zunächst sollen die SuS durch Betrachten des Films : Erze (2:48) die folgenden Fragen klären: Was sind Erze? Wie entstehen Erze? Welche zwei Arten von Erzlagerstätten gibt es? Die Sicherung kann mit der Präsentation:* Thermitreaktion (Folien 2 bis 4) oder dem Arbeitsblatt: Entstehung von Eisenerz erfolgen. Danach wird grob erklärt, wie aus Eisenerz metallisches Eisen gewonnen wird. Der Text der Folie 5 aus der Präsentation Thermitreaktion wird von den SchülerInnen übernommen. Im sich anschließenden Demonstrationsversuch zur Thermitreaktion lernen die SuS die zu Stundenbeginn angekündigte Reaktion zur Eisengewinnung kennen. Die Lehrkraft erklärt den SchülerInnen die Zusammensetzung des Reaktionsgemischs, das anschließend in der speziell für diese Reaktion aufgebauten Versuchsapparatur gezündet wird (zum Versuchsaufbau vgl.: Weblink: Thermitverfahren). Nach der Reaktion formulieren die SuS zuerst die Wort- und dann die Reaktionsgleichung. Mit Folie 7 und 8 der Präsentation Thermitreaktion können die Ergebnisse gesichert werden. Dass die Thermitreaktion eine praktische Anwendung im Alltag erfährt, erfahren die SuS im Film: Oxidation und Reduktion Redoxreaktionen im Alltag (4:12). Optional können die SuS den Auftrag erhalten, die gezeigten Arbeitsschritte stichwortartig festzuhalten. Nach der Betrachtung des Films erfolgt ein zusammenfassendes Gespräch zu dessen Inhalt. Mit der Übernahme des Textes vonfolie 10 der Präsentation Thermitreaktion endet die Stunde. * In der Präsentation sollten zuvor die interaktiven Schaltflächen mit den entsprechenden Filmclips verlinkt werden. 3. Stunde: Metallgewinnung und Eisenherstellung im Rennofen Die Stunde widmet sich den chemischen Prozessen, die zur großtechnischen Herstellung von Eisen im genutzt werden. Nachdem die SuS darüber informiert worden sind, wird die Stunde mit dem Schülerversuch Kupferoxid reagiert mit Kohlenstoff Variante 1 oder 2 fortgesetzt. Am besten ist es, beide Varianten gruppenteilig durchführen zu lassen. Die SuS führen den Versuch nach der Versuchsanleitung durch und bearbeiten die Aufgaben dazu. Bei Variante 1 des Versuchs wird deutlich, dass bei der Reaktion Kohlenstoffdioxid entsteht, Variante 2 erhält man eine gute Ausbeute an leuchtend roten Kupferdrähtchen. Die Besprechung der Versuche ergibt, dass zur Metallherstellung Kohlenstoff in Form von Kohle benötigt wird, der zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Metalloxid wird zu elementarem Metall reduziert. Kohle und Kohlenstoffoxide spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Metall aus Erz. Die Reaktionsgleichungen werden 3
formuliert und gesichert. Kupferoxid + Kohlenstoff Kupfer + Kohlenstoffdioxid 2 CuO + C 2 Cu + CO2 Dass dies seit langem bekannt ist, erfahren die SuS an einem historischen Beispiel. Sie erfahren, wie bereits die Römer in einem so genannten Rennofen Eisen gewannen. Dazu erhalten sie das Arbeitsblatt: Eisenherstellung - Rennofen. Neben den fehlenden Informationen des Lückentextes sollen die SuS dabei auf die chemischen Reaktionen im Rennofen achten und diese später wiedergeben können. Dann werden die ersten 6:31 Minuten des Films: Total Phänomenal - Vom Erz zum Stahl betrachtet. Im Anschluss wird der Lückentext des Arbeitsblatts besprochen die Lückentextwörter können zur Hilfe eventuell auf einer Folie mit dem Tageslichtprojektor angegeben werden. Die chemischen Prozesse sollen von den SchülerInnen schriftlich formuliert werden und dienen zum Einstieg in die nächste Stunde. 4. Stunde: Eisenherstellung im Hochofen Die Stunde beginnt mit einer kurzen Wiederholung zum Rennofen. Die chemischen Prozesse im Rennofen werden besprochen. Dabei wird deutlich, dass der Kohlenstoff nicht direkt mit dem Eisenoxid in einer Redoxreaktion reagiert, sondern erst über die Bildung von Kohlenstoffmonooxid. Kohlenstoffmonooxid ist das Reduktionsmittel. Entsprechend können die Wortgleichungen formuliert werden. Kohlenstoff + Sauerstoff Kohlenstoffmonooxid Kohlenstoffmonooxid + Eisenoxid Eisen + Kohlenstoffdioxid Das Wissen um die Eisenherstellung im Rennofen wird nun in den großtechnischen Maßstab der Eisenherstellung im Hochofen übertragen. Zunächst wird geklärt, welche Art des Kohlenstoffs als Rohstoff für die Eisenherstellung im Hochofen benutzt wird. Dazu wird der Film: Eisen und Stahlerzeugung - Koks (2:38) angesehen. Die SuS erklären und begründen anschließend die Verwendung von Koks. Danach wird der Hochofen vorgestellt. Die SuS erhalten das Arbeitsblatt: Aufbau Hochofen, das die Querschnittzeichnung eines Hochofens abbildet. Um wichtige Elemente des Hochofens beschriften zu können, müssen die SuS nun den 2. Teil des Films Total Phänomenal - Vom Erz zum Stahl (6:31 10:46) verfolgen. Die Besprechung und Sicherung kann mit dem Tageslichtprojektor und einer Folie des Lösungsblatts Aufbau Hochofen erfolgen oder mit der Präsentation:* Eisenherstellung im Hochofen Folie 4 (interaktive Folie). Danach wird näher auf die chemischen Reaktionen im Hochofen eingegangen. Die SuS verfolgen die chemischen Prozesse, die im Film: Eisen und Stahlerzeugung Hochofen (2:54) gezeigt werden, um sie später wiederzugeben und zu erklären. Zur Nachbesprechung kann die Folie 6 der Präsentation Eisenherstellung im Hochofen eingesetzt werden. C + O2 CO2 4
CO2 + C 2 CO Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2 An die Erarbeitung schließt sich die Frage an, warum man im Hochofen keinen Stahl, sondern Roheisen erhält und was der Unterschied zwischen den beiden Stoffen ist. Des Weiteren wird die Frage gestellt, wie man aus Eisen zum Stahl erhält und wie es gelingt Stahl mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Die Fragen können den SchülerInnen mit Folie 8 der Präsentation Eisenherstellung im Hochofen vermittelt werden. Die Filme Eisen und Stahlerzeugung: Sauerstoffblasverfahren (2:48) und Eisen und Stahlerzeugung: Legierungen (1:21) geben Antwort auf die gestellten Fragen. Für die Besprechung und Sicherung eignet sich die Folie 9 der Präsentation Eisenherstellung im Hochofen. Mit Hilfe einer Folie der Sachinformation: Vom Erz zum Stahl wird der komplette Vorgang der Herstellung von Stahl in einem Stahlwerk noch einmal abschließend verbalisiert. * Bei Verwendung der Präsentation sollten zuvor die interaktiven Schaltflächen mit den entsprechenden Filmclips verlinkt werden. 5./6. Stunde: Recycling Die letzte Stunde widmet sich dem Thema Metall-Recycling. Der Film Recyclingverfahren Einführungsfilm Gesamt (11:21) gibt einen Überblick über das gesamte Thema Recycling. Die SuS finden damit heraus, welche zwei Arten des Recyclings man grob unterscheidet, welche guten Gründe es für das Recycling von Stoffen gibt und welche Stoffe als Sekundärrohstoffe für das stoffliche Recycling in größerem Umfang gewonnen werden. Als Arbeitsauftrag erhalten die SuS entsprechende Beobachtungsfragen. Die Ergebnisse werden nach Betrachtung des Films schriftlich gesichert. Ausgehend von den Gründen für das Recycling, welche die SuS nun kennen, ergeht die Frage, welche Gründe für das Recycling von Metallen sprechen. Neben der Schonung von natürlichen Ressourcen und Energieersparnis wird selbstverständlich auf Umweltaspekte eingegangen z.b. Vermeidung von Landschaftsverbrauch, weniger Schadstoffe durch niedrigeren Energieeinsatz aber auch die Begrenztheit der natürlichen Rohstoffe wird angeführt. Es folgt nun eine genauere Betrachtung des Recyclings am Beispiel des Wegs eines ausgedienten Autos. Dazu erhalten die SuS das Arbeitsblatt Autorecycling Arbeitsschritte. Mit ihm wird zunächst das vorhandene Wissen der SuS mobilisiert. Danach werden die Aufgaben, die drei im Arbeitsblatt angedeuteten Arbeitsschritte beim Recycling genauer zu beschreiben, arbeitsteilig an drei Gruppen vergeben. Eine vierte Gruppe erhält den Auftrag, die Funktion einer Nichteisen-Scheideanlage besonders eingehend zu betrachten und sie später zu erklären. Dann werden die Filme Recyclingverfahren Weg eines alten Autos (5:21) sowie Recyclingverfahren: Technische Anlagen - Nichteisen-Scheideanlage (0:48) angesehen. Die Gruppen beschreiben die Vorgänge im Detail und halten sie in kurzer Form auf OHP-Folie oder 5
Plakaten schriftlich fest. Die Gruppe Nichteisen-Scheideanlage kann dazu auch eine Folie des Arbeitsblatts Nichteisen-Scheideanlage verwenden. Anschließend präsentieren die Gruppen mittels Tageslichtprojektor und/oder Plakatvortrag alles vor der Klasse. Die dabei aufgeführten Punkte können von allen SuS übernommen werden. Als alternative Zusammenfassung des Autorecyclings kann jedoch auch das Arbeitsblatt: Autorecycling Übersichteingesetzt werden. Nach dem Zurückgewinnen von Stoffen müssen Metalle wieder in eine handelsübliche Form gebracht werden. Wie das gemacht wird, zeigen die drei Filme Eisen und Stahlerzeugung: Elektrostahlerzeugung (1:24), Recyclingverfahren Sekundärrohstoff Aluminium (1:02) und Recyclingverfahren - Sekundärrohstoff Kupfer (2:07). Drei weitere Schülergruppen erhalten zuvor den Auftrag, die Informationen der Filme in Stichworten zusammenzufassen und sie vorzustellen. Dabei werden jeweils die Verfahren, die Verfahrensbedingungen sowie technische Angaben und Beispiele für Anwengungen erfasst. Erneut werden den Mitschülern die wichtigsten Informationen und Angaben mittels Folie und Tageslichtprojektor bzw. Plakat vermittelt. Als Abschluss bietet es sich an, um die Aspekte der Themen Recycling und Recycling von Eisen und Stahl im Überblick darzustellen, die SuS eine Mindmap darüber anfertigen zu lassen. 6
Bildungsplanbezug Link zum Bildungsplan: http://www.bildung-staerkt-menschen.de/service/downloads/bildungsplaene 7