Chemie macht Spaß!

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Chemie macht Spaß!

Chemie macht Spaß!
Chemistry is fun!
kompetenzorientierte Unterrichtsplanung im
Chemieunterricht
© Gregor von Borstel , KT Köln, Team LNCU, www.lncu.de
"Erkläre es mir, und ich werde es vergessen.
Zeige es mir, und ich werde mich erinnern.
Lass es mich selber tun, und ich werde es
verstehen."
Konfuzius
Inhaltsverzeichnis
Kompetenzbereiche in Bildungsstandards und Kernlehrplänen ....................... 3
Werbung als Kontext – Löslichkeit von Sauerstoff ............................................ 5
Auszug aus der Freiarbeit Luft – kreatives Experimentieren und mehr ............ 9
Egg-Race Feuerlöscher................................................................................... 25
Egg-Race Säuren im Haushalt ........................................................................ 27
"Von Kältepacks und heißem Kakao..." .......................................................... 28
„... zu Latentwärmekissen – Lösungsenthalpien von Salzen“ ......................... 30
Tipps und troubleshooting im “Handbuch ChemZ” ......................................... 32
… alles Weitere sowie die Ideen und Materialien finden Sie unter
www.lebensnaherchemieunterricht.de J
© Gregor von Borstel
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Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen (KMK 2004)
Quelle: http://www.kmk.org/schul/Bildungsstandards/bildungsstandards.htm Stand 11/2008
Chemische Phänomene, Begriffe, Gesetzmäßigkeiten kennen und Konzepten zuordnen
Die Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen werden nach den ausgewiesenen
Basiskonzepten gegliedert:
F 1 Stoff-Teilchen-Beziehungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
o F 1.1 nennen und beschreiben bedeutsame Stoffe mit ihren typischen Eigenschaften.
o F 1.2 beschreiben modellhaft den submikroskopischen Bau ausgewählter Stoffe.
o F 1.3 beschreiben den Bau von Atomen mit Hilfe eines geeigneten Atommodells.
o F 1.4 verwenden Bindungsmodelle zur Interpretation von Teilchenaggregationen, räumlichen
o Strukturen und zwischenmolekularen Wechselwirkungen.
o F 1.5 erklären die Vielfalt der Stoffe auf der Basis unterschiedlicher Kombinationen und
o Anordnungen von Teilchen.
F 2 Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
o F 2.1 beschreiben und begründen Ordnungsprinzipien für Stoffe, z.B. mit ihren typischen
o Eigenschaften oder mit charakteristischen Merkmalen der Zusammensetzung und
o Struktur der Teilchen.
o F 2.2 nutzen ein geeignetes Modell zur Deutung von Stoffeigenschaften auf Teilchenebene.
o F 2.3 schließen aus den Eigenschaften der Stoffe auf ihre Verwendungsmöglichkeiten und
o auf damit verbundene Vor- und Nachteile.
F 3 chemische Reaktion
o F 3.1 beschreiben Phänomene der Stoff- und Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen.
o F 3.2 deuten Stoff- und Energieumwandlungen hinsichtlich der Veränderung von Teilchen und
des Umbaus chemischer Bindungen.
o F 3.3 kennzeichnen in ausgewählten Donator-Akzeptor-Reaktionen die Übertragung von
Teilchen und bestimmen die Reaktionsart.
o F 3.4 erstellen Reaktionsschemata/Reaktionsgleichungen durch Anwendung der Kenntnisse
über die Erhaltung der Atome und die Bildung konstanter Atomzahlenverhältnisse in
Verbindungen.
o F 3.5 beschreiben die Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen.
o F 3.6 beschreiben Beispiele für Stoffkreisläufe in Natur und Technik als Systeme chemischer
Reaktionen.
o F 3.7 beschreiben Möglichkeiten der Steuerung chemischer Reaktionen durch Variation von
Reaktionsbedingungen.
F 4 energetische Betrachtung bei Stoffumwandlungen
o F 4.1 geben an, dass sich bei chemischen Reaktionen auch der Energieinhalt des
Reaktionssystems durch Austausch mit der Umgebung verändert.
o F 4.2 führen energetische Erscheinungen bei chemischen Reaktionen auf die Umwandlung
o eines Teils der in Stoffen gespeicherten Energie in andere Energieformen zurück.
o F 4.3 beschreiben die Beeinflussbarkeit chemischer Reaktionen durch den Einsatz von
Katalysatoren.
Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
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o E 1 erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe chemischer Kenntnisse und
Untersuchungen, insbesondere durch chemische Experimente, zu beantworten sind.
o E 2 planen geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypothesen.
o E 3 führen qualitative und einfache quantitative experimentelle und andere Untersuchungen
durch und protokollieren diese.
o E 4 beachten beim Experimentieren Sicherheits- und Umweltaspekte.
o E 5 erheben bei Untersuchungen, insbesondere in chemischen Experimenten, relevante Daten
oder recherchieren sie.
o E 6 finden in erhobenen oder recherchierten Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen,
erklären diese und ziehen geeignete Schlussfolgerungen.
o E 7 nutzen geeignete Modelle (z.B. Atommodelle, Periodensystem der Elemente) um
chemische Fragestellungen zu bearbeiten.
o E 8 zeigen exemplarisch Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und
Erkenntnissen der Chemie auf.
Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen
Die Schülerinnen und Schüler
o K 1 recherchieren zu einem chemischen Sachverhalt in unterschiedlichen Quellen.
o K 2 wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus.
o K 3 prüfen Darstellungen in Medien hinsichtlich ihrer fachlichen Richtigkeit.
o K 4 beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung
der Fachsprache und/oder mit Hilfe von Modellen und Darstellungen.
o K 5 stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen
her und übersetzen dabei bewusst Fachsprache in Alltagssprache und umgekehrt.
o K 6 protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von Untersuchungen und Diskussionen in
angemessener Form.
o K 7 dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit
situationsgerecht und adressatenbezogen.
o K 8 argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig.
o K 9 vertreten ihre Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und reflektieren Einwände
selbstkritisch.
o K 10 planen, strukturieren, reflektieren und präsentieren ihre Arbeit als Team.
Standards für den Kompetenzbereich Bewertung
Chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten
o B 1 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen chemische Kenntnisse
bedeutsam sind.
o B 2 erkennen Fragestellungen, die einen engen Bezug zu anderen Unterrichtsfächern
aufweisen und zeigen diese Bezüge auf.
o B 3 nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktisch
bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen.
o B 4 entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen, die unter Nutzung
fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie beantwortet werden können.
o B 5 diskutieren und bewerten gesellschaftsrelevante Aussagen aus unterschiedlichen
Perspektiven.
o B 6 binden chemische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein, entwickeln
Lösungsstrategien und wenden diese an.
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Kontext Werbung „Active O2“
Fachwissen und Bewertung
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BEWERTENDE EXPERIMENTE
ACTIVE O2
Gregor von Borstel, Andreas Böhm, Oliver Hahn und Herbert Welter
„Powerstoff mit Sauerstoff?"
Kritisches Hinterfragen von Werbeaussagen
Die Inhalte dieses Artikels wurden verändert in der MNU 7/2006 veröffentlicht – Film etc. finden Sie unter www.lncu.de –
Lösungen zum Problem s. auch Handbuch ChemZ am Ende des Skripts
Kurzfassung
Ausgehend von der Bewerbung des sauerstoffhaltigen Getränkes Active O2 wird untersucht, wie viel
Sauerstoff sich in Wasser lösen kann. Sämtliche Experimente lassen sich kostengünstig, sicher und
umkompliziert mit medizintechnischen Geräten durchführen. Die Verknüpfung mit der Lebenswelt der
Schülerinnen und Schüler ermöglicht neben einer Einführung der Löslichkeit von Gasen auch
Berechnungen zu den Gasgesetzen oder zum Massenwirkungsgesetz. Dabei liefert der motivierende
Aufhänger die Chance zur kritischen Auseinandersetzung mit Werbeaussagen.
Hintergrund
Seit 2001 befindet sich das Getränk Active O2 auf dem Markt. „Das Produkt
selbst ist ein Sauerstoffwassergetränk, d.h. es ist angereichert mit der 15fachen Menge an Sauerstoff, verglichen mit einem konventionellen
Mineralwasser. Active O2 ist gegenwärtig in der Sport- und Outdoorszene als
›Powerstoff zum Auftanken‹ sehr gut positioniert, was ständig steigende
Absatzzahlen zeigen“ [1], es ist somit einer Vielzahl von Schülerinnen und
Schülern bekannt.
Eine Anfrage beim Hersteller ergab, dass der Sauerstoff unter Veränderung
der physikalischen Parameter Druck und Temperatur unter starker
Verwirbelung in das Wasser eingebracht wird. Der Sauerstoff ist dann rein
physikalisch im Wasser gelöst. Nach dem Öffnen der Flasche dauert es
überraschend lange, bis der Sauerstoff langsam entweicht und sich ein neuer
Gleichgewichtszustand einstellt. [2]
Mittlerweile gibt es eigene Sauerstoffspender [3] – diese kann man ebenso
als Aufhänger der Stunde verwenden.
Kurzbeschreibung einer möglichen Umsetzung
Der Sachverhalt bietet zahlreiche Aufhänger für die Klassenstufen 7 bis 12.
Ausgehend von der Werbung für das Getränk (z.B. als Flasche, Folie oder aber als kleiner Film [4]) wird
geklärt, wer dieses Getränk schon genossen hat, was es kostet und welches Gas der Hersteller als
"Sprudel" nimmt.
Hier wird die Frage aufgeworfen, warum das Getränk so beliebt ist und was sich konkret hinter der
Werbeaussage, das Getränk enthalte 15 mal mehr Sauerstoff als herkömmliches Mineralwasser,
verbirgt.
Experimentell lässt sich dies auf zweierlei Wegen hinterfragen:
• zum einen kann man das Getränk nehmen und durch Auskochen alles Gas austreiben. Das so
gewonnene Gas untersucht man durch einfache Nachweisreaktionen darauf, ob es sich im
Wesentlichen um Sauerstoff handelt.
• Einen etwas anderen Weg beschreitet man, wenn die Schülerinnen und Schüler untersuchen
lässt, wie viel Sauerstoff sich tatsächlich bei Raumtemperatur und Normaldruck in Wasser löst.
Beide Experimente lassen sich sehr einfach mit medizintechnischen Geräten als Partnerarbeit
durchführen [5]:
Das Gas kann man direkt aus einer Flasche Active O2 austreiben. Dazu ersetzt man den Verschluss
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ACTIVE O2
durch einen passenden Stopfen (ca. 22x17mm), durch den man zuvor eine Spritzenkanüle und
gegebenenfalls ein Thermometer gebohrt hat. Will man die Flasche nicht öffnen, stülpt man über den
Flaschenverschluss ein Stück abgequetschten, alten Fahrrad - oder Silikonschlauch zur Abdichtung und
durchbohrt Schlauch und Verschluss mit der Kanüle. Die Kanüle verbindet man in beiden Fällen
(gegebenenfalls über eine Heidelberger Verlängerung und einen Hahn) gasdicht mit einer leicht
laufende Luer-Lock Spritze zum Auffangen des Gases. Die Flasche erwärmt man im Wasserbad.
Stellt man beide Versuche nebeneinander, erhält man einen Vergleich zwischen verschlossener und
trinkfertiger, geöffneter Flasche. Im Mittel ergaben die Versuche eine Menge von ca. 150mL Gas pro
halbem Liter Active O2, weitaus weniger aus einer geöffneten Flasche. Versuche einer Jugend-forscht
Gruppe am Gymnasium Nonnenwerth zeigten, dass beim Öffnen der Flasche bereits ca. die Hälfte der
gelösten Gasmenge entweicht.
Um zu überprüfen, ob man tatsächlich Sauerstoff oder daneben vielleicht auch noch Kohlenstoffdioxid
aufgefangen hat, leitet man etwas Gas pneumatisch in ein Reagenzglas um und führt die
Glimmspanprobe durch. Dann spritzt man den Rest des aufgefangenen Gases mit Hilfe einer flexiblen
Kunststoffkanüle durch wenige mL Kalkwasser. Prinzipiell kann man durch Überleiten über heißes
Kupfer oder Eisen die Menge an Sauerstoff auch quantitativ erfassen.
Sehr leicht kann man auch ohne Kolbenprober herausfinden, wie viel Sauerstoff sich in einer
vorgegebenen Menge Wasser überhaupt lösen. Dazu werden zwei Spritzen gasdicht miteinander
verbunden, in die eine füllt man 40mL abgekochtes Wasser, in die andere im Überschuss Sauerstoff.
Das Gas wird solange durch das Wasser gedrückt, bis sich kein weiteres löst. Verblüfft stellen die
Schüler fest, das dies in der Regel nur 1mL ist (31ml O2 pro L Wasser bei 20°C [6]). Damit wird die
Aussage, dass in der Flasche 15-mal mehr Sauerstoff als in normalem Wasser enthalten sind, zugleich
begreifbar und hinterfragt!
Genauer kann man mit einem Dreiwegehahn und einer kleinen dritten Spritze arbeiten. Zunächst füllt
man wenig Gas aus der einen Spritze in die 1mL Spritze. Dann dreht man den Hahn und versucht,
diesen 1 ml im abgekochten Wasser der anderen Spritze zu lösen.
Die Ergebnisse können vorgestellt, festgehalten und ggf. auf einen Liter umgerechnet werden. Um
wieder auf das Eingangsproblem zurückzukommen, kann man vergleichend ausrechnen, wie viel
Sauerstoff man mit einem tiefen Atemzug inkorporieren kann. Vereinfachend geht man von einem
maximalen Lungenvolumen von 5L und einem Sauerstoffanteil von 20% aus. Dies soll darauf
hinweisen, ob sich der Kauf des Getränkes aufgrund des versprochenen Sauerstoffgehaltes lohnt.
Als Auswertung bietet sich an, zu hinterfragen ob wirklich gilt: " Active O2, der Powerstoff mit
Sauerstoff". Dazu kann man wahlweise auch die Werbeaussage und die Texte des Herstellers im Netz
mit dazu kontroversen Aussagen vergleichen [z.B. 7], gegebenenfalls ist dies Hausaufgabe. Ein
abrundendes Stundenende liefert der Impuls, bei wem diese Stunde eine Veränderung hinsichtlich
seines Verbraucherverhaltens bewirken könnte.
Erweiterung, Vertiefung, Anwendung
Schön lässt sich zum Vergleich testen, wie gut sich hingegen Kohlenstoffdioxid in Wasser löst (880mL
pro L Wasser [6]), daran kann man auch eine Stunde zum Thema Kohlensäure und andere „Sprudler“
aufziehen.
Des weiteren kann man die Erfahrung der Schülerinnen und Schüler, dass Flaschen im Sommer beim
Öffnen stärker zischen, nutzen, um den Aspekt der Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit in den
Blickpunkt zu ziehen.
In der Oberstufe kann man den Zusammenhang zwischen Druck und Löslichkeit (im Rahmen von
Gleichgewichtsreaktionen) im Experiment untersuchen [8]. In eine Spritze füllt man Kohlendioxid und
Wasser, hinzu gibt man z.B. Mischindikator Nr. 5 oder Universalindikator. Dann verschließt man sie und
drückt sie kräftig zusammen, eine Farbveränderung ist zu erkennen. Als Anwendungsaufgabe kann
man hinterfragen, was kurze Zeit nach dem Öffnen einer Getränkeflasche mit dem gelösten Gas
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ACTIVE O2
passiert.
Weitere vertiefende Aspekte liefern folgende Impulse:
• Vergleiche die Menge an gelöstem Sauerstoff in einer Flasche Active O2 mit der Menge, die
man pro Atemzug (ca. 1L Luft, 21% davon ist Sauerstoff und ca. 16% wird wieder ausgeatmet)
zu sich nimmt. Nimm Stellung zu der Werbeaussage für Active O2 – lohnt sich der Kauf
aufgrund des vermehrten Sauerstoffangebots deiner Meinung nach?
• Warum wird abgekochtes Wasser für den Versuch verwendet?
• Warum ist es sinnvoll, das Wasser für den Sodastreamer vor dem „Sprudeln“ in den
Kühlschrank zu stellen?
•
•
Viele Tiere leben im Wasser und atmen dort mit Hilfe von Kiemen. Damit entnehmen sie dem
Wasser Sauerstoff, der darin gelöst ist. Erkläre kurz, warum ein Aquariumsbesitzer auf die
Temperatur des Wassers achten muss.
Häufig wird die Menge an gelöstem Sauerstoff in mg/L angegeben – wie kann man dies mit
Hilfe der Dichte von Sauerstoff (bei Normalbedingungen, also 0°C ca. 1427 mg/L) in mL/L
umrechnen?
[mit V/T=const. oder pV=nRT und der Kenntnis vom Molvolumen kann man auch auf 20°C bzw.
293 K umrechnen: 32g entsprechen bei 273,15K 22,42L, bei 293,15K also 24,06L, die Dichte
ergibt sich als Masse/Volumen, also 32g/22,06L=1,329g/L]
Fazit
Wir haben den Sachverhalt schon in verschiedenen Stufen und Schulformen durchgeführt, stets waren
Motivation und Beteiligung der Schülerinnen und Schüler hoch und es gab zum Ende der Stunden rege
Diskussionen.
Eine derartige Aufgabenstellung eignet sich in geübteren Kursen auch gut für freie Experimente [9/10].
Die Bewerbung dieses Produktes, welches i. d. R. mit mehr als 1,33€ pro Liter vergleichsweise teuer ist,
bietet mehr als einen hervorragenden Aufhänger zur Untersuchung der Löslichkeit von Gasen in
Wasser – der Unterricht wird lebensnah und zeigt die Verknüpfung von Chemie zum Alltag auf!
[1] s. Einleitungstext zur prämierten Werbekampagne von 2003, Gesamtverband der Kommunikationsagenturen GWA,
http://www.gwa.de/uploads/media/active_o2.pdf.
[2] Auskunft auf persönliche Anfrage beim Hersteller September 2005
[3] http://www.sauerstoffwasserspender.de/
[4] unter http://www.active02.de/ kann man stets die aktuelle Werbekampagne als selbstlaufenden Film herunterladen (über
Menupunkt „Sitemap“ die Seite „Active TV“ anwählen).
[5] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, ChemZ - Chemieunterricht mit medizintechnischem Gerät, Naturwissenschaft im
Unterricht Chemie, Heft 81, S.48f
[6] Römpp, Chemielexikon, 9. Aufl., Thieme, Stuttgart 1994
[7] z.B. http://www.fettarmleben.de/fitness/index.htm?http://www.fitness-infos.com/fitness/artikel3.htm, (siehe Menüpunkt
“Artikel – alle Fitness-Infos Artikel> Artikel:“Sauerstoffwasser – Zaubertrank oder Abzocke?)
[8] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, Le Chatelier einmal anders, Gleichgewichtsverschiebungen am Kontext
Sprudelwasser, NiU Chemie, Heft 96, Sicher Experimentieren, 6/2006, S. 34-37
[9] Gregor von Borstel und Andreas Böhm, Bau eines Schaumlöschers - ein Egg-Race mit medizintechnischen Geräten, in
NiU Chemie 14 2003 Nr. 75
[10] H. J. Gärtner und Gregor von Borstel, Kohlenstoffdioxid und Wettbewerb, "Egg-Races" in der Sekundarstufe I,
Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 78, November 2003
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Freiarbeit
„Luft und Verbrennung“
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung,
Bewertung und Kommunikation
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SAUERSTOFF
EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS
1
A. Einführung
A. EINFÜHRUNG:
Hier sollt ihr Sauerstoff erstmals kennenlernen und herausfinden, wie man ihn von
den anderen Gasen der Luft unterscheidet. Dabei lernt ihr auch einen Nachweis für
Sauerstoff kennen.
Einen „Nachweis“ nennen Chemikerinnen und Chemiker einen Versuch, mit dem
man einen Stoff identifizieren kann.
SICHERHEITSHINWEIS: SCHUTZBRILLE TRAGEN!
BRENNT SAUERSTOFF ODER UNTERHÄLT ER DIE VERBRENNUNG?
B. Experiment
Füllt ein Reagenzglas wie besprochen mit
Sauerstoff.
Entzündet einen langen Holzspan und haltet
ihn an die Öffnung des Reagenzglases.
Brennt Sauerstoff?
Blast die Flamme aus, so dass das Holz gerade noch
glüht. Öffnet das Reagenzglas und haltet dann den
glimmenden Span in den Sauerstoff. Unterhält
Sauerstoff die Verbrennung? Was sieht man
genau?
Das was ihr beobachten könnt, ist die
„Glimmspanprobe“ – mit ihr erkennt man, ob ein
unbekanntes Gas Sauerstoff ist.
C. Aufgaben
C. AUFGABEN:
1. Schreibt ein kurzes Protokoll unter der Überschrift „Nachweis für Sauerstoff“
Wenn ihr unsicher seid, wie der Nachweis funktioniert, dann schaut ihn euch noch
einmal auf Video an – notiert euch, wie der Nachweis heißt.
2. Solltet ihr schon Station 2 oder 3 erledigt haben, so überlegt, wie man Sauerstoff
von den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu
nicht dienen.
3. Bearbeitet die Zusatzinfos auf der Rückseite
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SAUERSTOFF
1
D. ZUSATZINFO:
1. DIE VERWENDUNG VON SAUERSTOFF
D. Zusatzinfo
Wie ihr auf den Bildern seht, wird Sauerstoff im Krankenhaus eingesetzt (die
internationale Abkürzung für Sauerstoff findet ihr dort übrigens auch).
Wofür wird er benutzt? (Wenn ihr nicht sicher seid, dann lest im Buch nach!)
2. SAUERSTOFF UND DIE VERBRENNUNG
Wenn ihr Zeit habt, dann schaut euch die Videoclips der Reaktionen von Stoffen mit
reinem Sauerstoff an. Welche Aussage kann man über die Rolle von Sauerstoff bei
der Verbrennung machen?
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KOHLENSTOFFDIOXID
2
A. Einführung
A. EINFÜHRUNG:
Nur ca. 0,035% der Luft sind Kohlenstoffdioxid (auch Kohlendioxid genannt). Dennoch
ist es für uns ein wichtiges Gas, da sein Anteil an der Luft zur Zeit stetig zunimmt und
es unter anderem mitverantwortlich dafür ist, dass die Temperatur auf der Erde steigt
(s. Station 6).
B. EXPERIMENT: EIGENSCHAFTEN UND NACHWEIS VON KOHLENSTOFFDIOXID
Hier sollt ihr das Gas untersuchen und heraus finden, wie man es von den anderen
Gasen der Luft unterscheiden kann. Dazu lernt ihr einen Nachweis für
Kohlenstoffdioxid kennen.
Einen „Nachweis“ nennen Chemikerinnen und Chemiker einen Versuch, mit dem man
einen Stoff (hier Kohlenstoffdioxid) identifizieren kann.
Bei allen Versuchen Schutzbrillen tragen!
B. Experiment
Rest vom Kalkwasser in den dafür vorgesehenen Sammelbehälter geben!
EXPERIMENT 1:
Füllt ein Reagenzglas wie besprochen mit
Kohlenstoffdioxid. Nehmt das Reagenzglas aus dem
Wasser. Entzündet einen langen Holzspan und haltet ihn
an die Öffnung. Brennt Kohlenstoffdioxid?
Taucht den brennenden Span nun in das Kohlendioxid.
Unterhält Kohlenstoffdioxid die Verbrennung?
EXPERIMENT 2:
Kalkwasserprobe (Kohlenstoffdioxidnachweis): Gebt
in ein Reagenzglas einige Milliliter Kalkwasser und lasst
anschließend aus einer Spritze Kohlenstoffdioxid mit der
Magensonde durch das Kalkwasser sprudeln.
[Vorsicht! Kalkwasser ist ätzend!]
C. Aufgaben
Führt den Versuch zum Vergleich mit einem anderen Gas oder mit Luft durch.
C. AUFGABEN:
1. Fertigt ein Protokoll zu den Experimenten an (Überschrift Nachweis für Kohlendioxid).
2. Überlegt, welchen Sinn der Vergleichsversuch mit einem anderen Gas bzw. der Luft hat.
3. Solltet ihr schon Station 1 oder 3 erledigt haben, so überlegt, wie man Kohlenstoffdioxid von
den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu nicht dienen.
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STICKSTOFF
A. Einführung
EIGENSCHAFTEN UND VERWENDUNG
3
A. EINFÜHRUNG:
Luft besteht zu ca. 78% aus Stickstoff. Hier sollt ihr das Gas ein wenig kennen lernen
und herausfinden, wie man es von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid unterscheiden
kann.
B. Experiment
B. EXPERIMENT: DIE EIGENSCHAFTEN VON STICKSTOFF
Füllt ein Reagenzglas wie besprochen
mit Stickstoff.
Nehmt das Reagenzglas aus dem
Wasser. Entzündet einen langen
Holzspan und haltet ihn an die Öffnung.
Brennt Stickstoff?
Taucht den brennenden Span nun in das
Reagenzglas mit Stickstoff. Unterhält
Stickstoff die Verbrennung?
C. Aufgaben
C. AUFGABEN:
1. Fertigt für ein Protokoll an!
2. Solltet ihr schon Station 1 oder 2 erledigt haben, so überlegt, wie man Stickstoff
von den anderen Gasen unterscheiden kann und welche Eigenschaften dazu
nicht dienen.
3. Wenn ihr Zeit habt, lest die Zusatzinfos und bearbeitet die Zusatzaufgaben
D. ZUSATZINFO:
D. Zusatzinfo
Wenn man gasförmigen Stickstoff stark abkühlt,
erhält man flüssigen Stickstoff. Der Siedepunkt
von Stickstoff liegt bei –196°C ( Sauerstoff
siedet bei –183°C). Auf den PCs findet ihr
verschiedene Videoclips zu Versuchen mit
flüssigem Stickstoff, z.B. werden Blumen,
Blätter oder ein Gummiball hineingetaucht.
Zusatzaufgaben:
Beschreibt, was man in den Videos sieht und versucht dies zu erklären. Wofür
verwendet man Stickstoff (Tipp: überlegt, was Pizzen, Gemüse und andere Fertigkost
mit fl. Stickstoff zu tun haben könnten).
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KOHLENSTOFFDIOXID
4
DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID
A. Einführung
A. EINFÜHRUNG
Ihr wisst, dass alle Stoffe, die eine kleinere Dichte als Wasser haben, oben auf dem Wasser
schwimmen. Stoffe mit einer größeren Dichte versinken. Auch die Gase der Luft haben ein gewisse
Dichte, die kleiner ist als Wasser. Daher steigen Gasblasen im Wasser nach oben.
Innerhalb der Luft haben die verschiedenen Gase unterschiedliche Dichten. Es ist zwar schwer
vorstellbar, dass die Gase mit einer geringeren Dichte oben schweben, die mit der größeren Dichte
unten. Es ist aber tatsächlich so, auch wenn man es bei farblosen Gasen nicht sehen kann. Allerdings
muss man dazu sagen, dass die Gase sich durch die Bewegungen im Raum immer wieder
vermischen.
Ihr sollt hier feststellen, welche Dichte Kohlenstoffdioxid hat. In einem Zusatzexperiment könnt ihr
dann erschließen, ob es eine geringere oder größere Dichte als die restlichen Gase der Luft hat.
B. EXPERIMENTE ZUR DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID
Experiment 1: Bestimmung der Dichte von Kohlenstoffdioxid
Das Prinzip der Messung beruht darauf, die Masse von 50 mL Kohlenstoffdioxid zu bestimmen.
Hierzu wiegt man ein zunächst eine Spritze mit 50mL „Nichts“, dann füllt man die Spritze mit 50 mL
Kohlenstoffdioxid und wiegt die Spritze erneut. Der Massenzuwachs ist auf das in der Spritze
enthaltene Kohlendioxid zurückzuführen.
Nagel
Vakuum
B. Experimente
Geräte: Spritze mit Verschluss, Waage
Chemikalien: Kohlenstoffdioxid
Durchführung:
1. Leere Spritze verschließen, auf 50 mL herausziehen und
mit dem Nagel fixieren
2. Leere Spritze so wiegen.
3. Spritze mit 50 mL Kohlenstoffdioxid befüllen.
4. Gefüllte Spritze wiegen (mit Nagel/Verschluss).
5. Masse durch 50mL teilen und wenn möglich auf Gramm
pro Liter (g/L) umrechnen.
Kohlenstoffdioxid
Experiment 2: Ist die Dichte von Kohlenstoffdioxid größer als die der Luft?
Geräte: Becherglas, Spritze, Kerze
Chemikalien: Kohlenstoffdioxid
Durchführung:
C. Aufgaben
1. Die Spritze wird mit Kohlenstoffdioxid gefüllt.
2. Stellt in das rote Gefäß eine brennende Kerze. Nun spritzt
das Kohlendioxid langsam von oben an die Innenseite des
Gefäßes (evtl. müsst ihr einen Schlauch verwenden, um
auszuschließen, dass die Wärme der Flamme das Gas nach
oben trägt). Was passiert?
?
?
Kohlenstoffdioxid
C. AUFGABEN:
1.
2.
Notiert Eure Beobachtungen im Heft – wie könnt ihr sie deuten?
Lest euch die Zusatzinformationen (Rückseite) durch – wie sind sie zu erklären?
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Aufgabe: Fasse den Artikel zusammen und erkläre mit Hilfe der Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid was passiert ist.
D. Zusatzinfo KOHLENSTOFFDIOXID – EIN GEFÄHRLICHES GAS
KOHLENSTOFFDIOXID
DICHTE VON KOHLENSTOFFDIOXID
4
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KOHLENSTOFFDIOXID -
7
A. Einführung
VERÄNDERUNG DER LUFT BEIM ATMEN – TEIL I
A. EINFÜHRUNG:
Unsere Atmung hat zwei wichtige Funktionen:
• Der Körper wird ständig mit Sauerstoff versorgt
• Das im Körper gebildete Kohlenstoffdioxid wird an die Umgebungsluft abgegeben und kann so
nicht den Körper vergiften.
C. Aufgabe
B. Experiment
B. EXPERIMENT:
Plant ein Experiment, mit dem ihr nachweisen könnt, dass ausgeatmete Luft im Vergleich zu unserer
Umgebungsluft tatsächlich mehr Kohlenstoffdioxid enthält.
Als Hilfsmittel dürft ihr verwenden:
Wie geht denn das? –
Reagenzgläser, Schlauch, Wanne mit Wasser,
Vielleicht macht ihr erst
Gläser, Stoppuhr, durchbohrte Stopfen,
mal zusammen eine kleine
Spritzen, Kalkwasser, Luftballon
Skizze?!
(kann man evtl. auch zeigen, dass die
ausgeatmete Luft bei körperlicher Anstrengung
besonders viel Kohlenstoffdioxid enthält?)
C. AUFGABE:
Fertigt für euren Versuch ein Protokoll an! Schreibt zunächst, was ihr plant, später was ihr beobachtet
und herausgefunden habt. Solltet ihr während des Versuches merken, dass ihr etwas ändern müsst,
so notiert, warum ihr was geändert habt.
D. Zusatzinfo
D. ZUSATZINFO: BESTIMMT EUER ATEMVOLUMEN
Wenn ihr wollt, könnt ihr euer Atemvolumen
bestimmen. Füllt dazu ein großes Gefäß mit
Wasser, deckt es z. B. mit der Hand oder einem
Deckel ab und stellt es mit der Öffnung nach unten
in eine Wanne mit Wasser. Hier öffnet ihr es nun.
Einer von euch beginnt und führt das Ende des
Schlauchs in das Gefäß.
Atme nun ruhig einmal ein und aus – ermittle das
von der Ausatemluft verdrängte Wasservolumen –
es entspricht deinem normalen Atemvolumen!
Streng´ dich nun kurz an, in dem zu z.B. 5 mal schnell aufstehst – bestimme erneut dein
Atemvolumen und vergleiche die Werte aus beiden Versuchen. Erkläre!
Notiert eure Vorgehensweise und Ergebnisse.
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KOHLENSTOFFDIOXID VERÄNDERUNG DER LUFT BEIM ATMEN – TEIL I
7
D. ZUSATZINFO: KOHLENSTOFFDIOXID – EIN GEFÄHRLICHES GAS
Beispiel I:
In der Umgebung von Neapel in Italien gibt es viele
Vulkane: Im Osten der Stadt erhebt sich der
Vesuv.
In diesem Gebiet befindet sich auch die
sogenannte Hundsgrotte von Neapel. Das ist eine
kleine Höhle, die nur etwa 4 m tief, 1,5 m breit und
3 m hoch ist (siehe Bild). Solche kleinen Höhlen
nennt man auch Grotten.
Für einen Erwachsenen ist das Betreten dieser
Grotte gefahrlos.
Ein Hund (oder ein anderes kleines Tier) wird
jedoch nach kurzer Zeit betäubt oder erstickt
sogar! Daher hat die Höhle ihren Namen.
D. Zusatzinfo
Beispiel II:
Bei der Gärung von Wein, der häufig in Kellern in großen Fässern gelagert wird, entsteht auch
Kohlenstoffdioxid. Auf dem Foto seht ihr einen Weinkeller unter Budapest. Erklärt, warum in
Weinkellern häufig brennende Kerzen auf den Boden gestellt werden.
Aufgabe: Versucht eine Erklärung für die beiden Beispiele zu finden.
Zusatzinfo: Die Kerze bietet keinen vollständigen Schutz, da sie auch in einer
Atmosphäre brennt, in der wir bewusstlos werden!
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WAS SPRUDELT DA?
8
A. Einführung
WIR UNTERSUCHEN EINE BRAUSETABLETTE
A. EINFÜHRUNG:
Im Haushalt nutzen wir verschiedene Gase. So machen wir z. B. mit Kohlenstoffdioxid
aus dem Sodastreamer unser Sprudelwasser. Eine Verbindung aus Stickstoff und
Sauerstoff läßt Sahne schäumen.
Auch Backen hat etwas mit Gas zu tun - aus Hefe oder dem Backpulver entweicht
Kohlenstoffdioxid und lässt dann den Teig aufgehen.
Wie ist das bei einer Brausetablette?
B. EXPERIMENT: WELCHES GAS KOMMT AUS EINER BRAUSETABLETTE?
Brausetabletten
sprudeln
Auflösen im Wasser.
beim
Entsteht beim Lösen einer
Brausetablette Kohlenstoffdioxid,
Stickstoff oder Sauerstoff?
B. Experiment
Plant für diese Versuchsfrage einen
Versuch und führt ihn durch.
Vielleicht macht ihr erst mal
zusammen eine kleine
Skizze?!
C. Aufgaben
C. AUFGABEN:
Fertigt für euren Versuch ein Protokoll an: Versuchsfrage, evtl. Vermutung, Geräte,
Chemikalien, Sicherheitshinweise, Aufbau und Durchführung, Beobachtung,
Auswertung, Antwortsatz.
Solltet ihr während des Versuches merken, dass ihr etwas ändern müsst, so notiert,
warum ihr was geändert habt.
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SAUERSTOFF-
9
A. Einführung
CHEMISCHE HERSTELLUNG
A. EINFÜHRUNG:
Das Herstellen von Stoffen aus Chemikalien nennen Chemikerinnen und Chemiker üblicherweise
„darstellen“. An dieser Station lernt ihr ein Verfahren kennen, mit dem man Sauerstoff darstellen
kann.
B. EXPERIMENT: DARSTELLUNG VON SAUERSTOFF
Schutzbrille und Handschuhe tragen
B. Experiment
Geräte:
Reagenzglas mit seitlichem Ansatz und
passender Schlauch, Reagenzglasständer, Reagenzglas, mit der Kanüle
durchbohrter Stopfen, mit Wasser
gefüllte Wanne, Spritze
Wasserstoffperoxid
ca. 3%
Chemikalien:
Wasserstoffperoxid-Lösung 3% (xi
reizend), Trockenhefe
Aufbau und Durchführung:
Hefe
1. Füllt in das Reagenzglas mit dem
seitlichen Ansatz einen Spatel voll Hefe [Info: Hefe enthalten wie auch andere Lebewesen ein Enzym
namens Katalase, welches Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff spaltet – mehr Infos erhaltet ihr beim
Lehrer J .]
2. Zieht in die Spritze 10 mL Wasserstoffperoxid-Lösung und setzt sie auf die im Stopfen
steckende Kanüle.
3. Gebt mit der Einwegspritze nach und nach Wasserstoffperoxid-Lösung auf die Hefe – Achtung,
durch die dünne Kanüle muss man langsam hindurchdrücken!
4. Wartet ein wenig, bis das entstehende Gas die Luft aus dem Reagenzglas verdrängt hat.
Fangt nun das entstehende Gas auf und zeigt, dass es Sauerstoff ist!
D. Aufgabe
C. Zusatzinfo
C. ZUSATZINFO: WASSERSTOFFPEROXID IN BLONDIERMITTELN
Auch im Blondiermitteln ist Wasserstoffperoxid enthalten. Der freigesetzte Sauerstoff reagiert mit den
Pigmenten (Farbstoffen) im Haar und hellt sie dabei auf. Der unangenehme Geruch von
Blondiermitteln ist auf darin enthaltenen Ammoniak zurückzuführen, der die Haare für
Wasserstoffperoxid aufnahmefähiger macht. Beim Blondieren von braunen, dunklen oder rotbraunen
Haaren kommt es leicht zu einem Rot- oder Orangeton.
Die käuflichen Blondiermittel dürfen nur 6%iges Wasserstoffperoxid enthalten, da der Stoff die
Kopfhaut angreift. Bei dunklen Haaren reicht diese Konzentration für eine Blondierung nicht aus,
daher sollte man das Färben einem Frisör überlassen.
D. AUFGABE:
1. Fertigt ein Versuchsprotokoll an!
2. Freiwilliges Zusatzexperiment: Testet mit einer Haarprobe, ob die im Experiment verwendete
Wasserstoffperoxid-Lösung in der Lage ist, Haare zu bleichen.
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SAUERSTOFF, STICKSTOFF UND IHR ANTEIL AN
DER LUFT
12
A. Einführung
A. EINFÜHRUNG:
Luft besteht fast nur aus Stickstoff und Sauerstoff. Einer der
beiden Stoffe reagiert mit Eisen und dabei entsteht viel Wärme.
Dies nutzen „Wärmekissen“ aus, die man in der Apotheke
kaufen kann.
Wenn man wissen will, wie viel Sauerstoff und wie viel
Stickstoff in der Luft enthalten sind , nutzt man die Tatsache,
dass eines der Gase sich bei der Reaktion an das Eisen
bindet, das andere aber nichtJ !
B. EXPERIMENT: WIE VIEL SAUERSTOFF UND WIE VIEL STICKSTOFF SIND IN DER LUFT
ENTHALTEN?
Geräte:
zwei Spritzen 50mL, Dreiwegehahn
Chemikalien: 50 ml Stickstoff, 50mL Sauerstoff, 50mL Luft, ThermaCare, (Eisen / Wasser / Salz /
Aktivkohle)
B. Experiment
1. Vorversuch: In eine Spritze werden 50mL Stickstoff gegeben, in die andere das Stück
ThermaCare. Beide Spritzen werden miteinander verbunden und der Stickstoff zum
ThermaCare gegeben – warte 3 Minuten – kannst du etwas beobachten?
2. Vorversuch: In eine Spritze werden 50mL Sauerstoff gegeben und der Versuch wie
unter 1 ausgeführt.
Nun weißt du, welches Gas mit dem Eisen reagiert!
3. Versuch: Nun werden in die eine Spritze 50mL Luft gegeben und der Versuch wie unter 1
ausgeführt.
C. Aufgaben
Aufgabe: Nach wenigen Minuten sollte ein Teil der Luft „verschwunden sein“ .Wenn sich nichts mehr am
Volumen ändert, notiere, wie viel Gas fehlt. Was
C. AUFGABEN:
1. Notiert euer Ergebnis im Heft unter der Überschrift „Anteil der Hauptbestandteile an der Luft“.
2. Welches Gas ist noch in der Spritze, welches ist durch die Reaktion verschwunden?
3. Rechnet aus, wie viel Prozent der Luft nach eurem Versuchsergebnis Sauerstoff sind.
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A. Einführung
SAUERSTOFF UND SEIN ANTEIL AN DER LUFT
12
A. EINFÜHRUNG:
Die normale Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Wenn man
wissen will, wie viel Sauerstoff enthalten ist, nutzt man die Tatsache, dass Sauerstoff
mit vielen Metallen reagiert und leichter eine Verbindung bildet als Stickstoff. So bindet
man den Sauerstoff aus der Luft und bestimmt anhand des geringeren Volumens nach
der Reaktion, wie viel Sauerstoff in der Luft waren,
Wie es genau geht, findet ihr nun beschrieben.
B. EXPERIMENT: WIE VIEL SAUERSTOFF IST IN DER LUFT?
Geräte: Stativ, zwei Spritzen, ein hitzebeständiges Glasrohr, Brenner
Chemikalien: 50mL Luft, Eisenwolle
B. Experiment
Sicherheit: Schutzbrillen tragen,
Vorsicht, dem Glasrohr sieht man nicht an, ob es heiß ist – vorsichtig die offene
Hand zum Testen in einigen Zentimetern Abstand darüber halten!
In eine Spritze werden 50mL Luft
gesaugt, die andere bleibt leer. Die
Spritzen werden mit dem Glasrohr
gasdicht verbunden. Im Glasrohr ist ein
Metallnetz. Testet, ob die Apparatur
dicht ist. (Wenn ihr eine Spritze
hineindrückt, müsste die andere sich
bewegen). Mit dem Brenner wird das
Metall erhitzt. Dann wird die Luft
zwischen den Spritzen einige Male hin
und her geschoben.
C. Aufgaben
Aufgabe: Notiert nach dem Abkühlen der Apparatur, wie viel Gas noch in der
Spritze ist. Anschließend an den Spritzen anfassen und auf den Tisch legen –
Vorsicht, das Glas könnte noch heiß sein. Schaut euch die Eisenwolle nach der
Reaktion an.
C. MACHT EINE AUSWERTUNG:
1. Notiert euer Ergebnis im Heft unter der Überschrift.
2. Das Gas, welches noch in der Spritze ist, ist Stickstoff – erklärt, wo der Sauerstoff
geblieben ist.
3. Rechnet aus, wie viel Prozent der Luft nach eurem Versuchsergebnis Sauerstoff
sind.
4. Erklärt, warum man die Apparatur vor dem Ablesen abkühlen lassen muss.
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LÖSLICHKEIT VON GASEN
16
POWERSTOFF MIT SAUERSTOFF?
A. EINFÜHRUNG:
A. Einführung
Gase lösen sich in Wasser. So enthält normaler Sprudel gelöstes
Kohlenstoffdioxid. Wie sich zeigen lässt, ist die Löslichkeit eines
Gases – wie wir es schon von anderen Stoffen wissen – begrenzt.
Drückt man mehr Gas in das Wasser hinein, als sich lösen kann, so
sprudelt es über kurz oder lang wieder hinaus und wir sehen kleine
Gasbläschen aufsteigen – eben „Sprudelwasser“.
Seit 2001 ist das Getränk Active O2 auf dem Markt, welches ihr
vielleicht schon einmal getrunken habt. Es enthält anstelle von
Kohlenstoffdioxid gelösten Sauerstoff.
Der Hersteller bewirbt das Getränk damit, dass es bis zu 15 mal mehr
Sauerstoff enthält als herkömmliches Wasser und verspricht, dass das
Getränk dem Konsumenten Power liefert. Hier könnt ihr herausfinden,
wie viel der beiden Gase sich jeweils überhaupt in 1 Liter Wasser
lösen.
B. EXPERIMENTE: LÖSLICHKEIT VON GASEN IN WASSER
EXPERIMENT 1: LÖSLICHKEIT VON SAUERSTOFF IN WASSER
B. Experiment
Nehmt zwei 50mL Spritzen und etwas, mit denen ihr sie gasdicht verbinden könnt.
Füllt eine Spritze mit 30mL Sauerstoff, die andere mit 25mL abgekochtem Wasser. Schraubt
die beiden Spritzen dicht zusammen und schiebt das Gas mehrfach durch das Wasser, bis
sich kein weiteres löst.
EXPERIMENT 2: UM VERGLEICH: LÖSLICHKEIT VON KOHLENSTOFFDIOXID IN WASSER
Führt den oben beschriebenen Versuch nun mit Kohlenstoffdioxid durch.
EXPERIMENT 3: IST DIE LÖSLICHKEIT VON KOHLENSTOFFDIOXID TEMPERATURABHÄNGIG?
VORSICHT, VERBRÜHT EUCH NICHT AM WASSER!
Erwärmt ein Glas Sprudelwasser langsam auf 50°C. Stellt aufgrund der Beobachtung eine
begründete Vermutung auf, ob sich Kohlenstoffdioxid besser in kaltem oder warmen Wasser löst
und überprüft sie in einem geeigneten Experiment.
C. Aufgaben
C. AUFGABEN:
1. Fertige ein Protokoll zu den Experimenten an. Notiere, wie viel mL der Gase sich in 25mL
Wasser lösen. Rechne aus, wie viel sich in einem Liter lösen würden.
2. Vergleiche die Menge an gelöstem Sauerstoff in einer Flasche Active O2 mit der Menge, die
man pro Atemzug (ca. 1L Luft, 20% davon ist Sauerstoff) zu sich nimmt. Nimm Stellung zu
der Werbeaussage für Active O2!
3. Recherchiere, welches Produkt unter http://www.sauerstoffwasserspender.de beworben wird.
Lohnt sich der Kauf? Nimm begründet Stellung.
4. zu Experiment 3: überlegt, warum es sinnvoll ist, das Wasser für den Sodastreamer vor dem
„Sprudeln“ in den Kühlschrank zu stellen.
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16
POWERSTOFF MIT SAUERSTOFF?
Löslichkeit von Sauerstoff in
Wasser bei verschiedenen
Temperaturen
14
12
10
8
mg/L
6
4
2
Minimum für viele Fischarten sind 3 – 4 mg/L
0
5°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C 35°C
Viele Tiere leben im Wasser und atmen dort mit Hilfe von Kiemen. Damit entnehmen sie
dem Wasser Sauerstoff, der darin gelöst ist. Wie ihr anhand des Diagramms oben sehen
könnt, löst sich nur sehr wenig Sauerstoff in Wasser. Dies zeigt zum einen, wie
leistungsfähig die Kiemen von Fischen sind, macht es aber zum anderen für uns schwer,
im Experiment zu erforschen, wie viel Sauerstoff sich nun genau lösen.
• Erkläre kurz, warum ein Aquariumbesitzer auf die Temperatur des Wassers
achten muss.
• Häufig wird die Menge an gelöstem Sauerstoff in mg/L angegeben – wie kann
man dies mit Hilfe der Dichte von Sauerstoff (bei Normalbedingungen ca. 1427
mg/L) in mL/L umrechnen?
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EINE KLEINE KNOBELEI
17
A. EINFÜHRUNG:
A. Einführung
Wie sich zeigen lässt, ist die Löslichkeit eines Gases – wie wir
es schon von anderen Stoffen wissen – begrenzt.
Drückt man mehr Gas in das Wasser hinein, als sich lösen kann,
so sprudelt es über kurz oder lang wieder hinaus und wir sehen
kleine Gasbläschen aufsteigen – eben „Sprudelwasser“.
Hier sollt ihr herausfinden, wie viel mL Gas aus einer
Brausetablette sprudeln
B. Experiment
B. EXPERIMENT: WIE VIEL GAS ENTSTEHT AUS EINER BRAUSETABLETTE
Überlegt euch einen Versuch, mit dem ihr dies heraus findet.
Am besten verwendet ihr in irgendeiner Form eine Spritze als Auffangbehälter für
das Gas.
Führt das Experiment durch.
Für Experten:
Besonders interessant ist der Versuch, wenn ihr mehr als 30mL Wasser nehmt und
die Tablette in zwei Hälften brecht, die ihr nacheinander auflöst.
Wichtig ist, dass ihr die 2. Tablettenhälfte nicht in frischem Wasser, sondern in der
bereits entstandenen „Trinkbrause“ auflöst.
Stellt zunächst eine Vermutung auf: Wie viel Gas wird aus der zweiten Hälfte der
Tablette sprudeln, wenn ihr das Wasser nicht wechselt. Notiert eure Überlegung und
führt den Versuch erneut durch.
C. Aufgaben
Vielleicht macht ihr erst
mal zusamme n eine kleine
Skizze?!
C. AUFGABEN:
Fertigt ein Protokoll zu den Experimenten an. Erklärt eure Beobachtung!
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Egg-Races eigene Wege gehen
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung,
Bewertung und Kommunikation
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KREATIVE EXPERIMENTE
WIR BAUEN EINEN FEUERLÖSCHER
Baue unter Verwendung einer Spritze einen
Feuerlöscher!
Erlaubtes Material:
•
•
•
•
•
ChemZ-Koffer
Wasser
Brausetablette
Spülmittel
Kerze
Beim Löschen darf das Volumen in der
Spritze nicht verkleinert werden!
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KREATIVE EXPERIMENTE
SAURE REINIGER – WELCHE GASE ENTSTEHEN?
Welches Gas entsteht beim Kontakt eines
sauren Reinigers mit Kalk oder unedlen
Metallen?
Wichtig: wir wiederholen erst gemeinsam kurz
die Nachweise für die unterschiedlichen Gase.
Da wir nicht wissen, welches Gas entsteht,
gehen wir vom gefährlichsten aus und testen
zunächst auf dieses!
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Wärmekissen und
selbsterhitzende Essen –
Elektronenübertragungsreaktionen aus dem
Leben
(mehr s. Handbuch ChemZ am Ende)
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Von Kältepacks und heißem
Kakao zur Lösungsenthalpie
Kältekissen für den Sport und selbsterwärmende
Kakaopackungen werden zerschnitten und liefern
den Aufhänger, sich mit dem Lösen von Salzen im
Wasser einmal genauer zu beschäftigen.
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Kältepacks und heißer Kakao ...
... LÖSUNGSENTHALPIEN UND BINDUNGSLEHRE
Wir betrachten den
Lösungsvorgang im Modell
und tun so, als liefe er
als Film ab:
Aufgaben:
1. Beschrifte die Legende, ergänze die fehlenden Teilladungen.
2. Zeichne Bilder fertig.
3. Schreibe einen erklärenden Text daneben. Verwende u.a. folgende Begriffe:
anlagern, Ionenbindung, Kation, Anion, lockern, lösen, Energie, Dipol
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Arbeitsaufträge
1. Führe den Versuch durch und notiere deine Beobachtungen.
2. Informiere dich über Anwendungen der Latentwärmespeicher (im Hausbau ...).
Versuchsanleitung
Geräte
Folienschweißgerät und Plastikbeutel
leere Getränkedose, Schere
Schleifpapier, Thermometer, Waage,
kleines Becherglas, Spatel, Spritze
Wasserkocher
Tiegelzange
Chemikalien / Gefahrensymbole
Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa⋅3H2O)
ggfls. Aceton zum Säubern des Metallplättchen F
Dest. Wasser
Durchführung
•
•
•
•
•
•
•
Schneide aus dem Blech einer Getränkedose ein rundes Stück mit einem Durchmesser von
etwa 2 cm aus (Handschuhe tragen!) und entferne mit Schmirgelpapier sorgfältig scharfe
Schnittkanten. Falte das Blech zweimal in der Mitte zusammen, so dass ein Kreuz entsteht.
Das Metallplättchen steht nun unter Spannung („Knackfrosch“).
Wiege 30 g Natriumacetat-Trihydrat in ein mit einem Gefrierbeutel ausgekleidetes Becherglas
ab und gib 3 mL Wasser mit der Spritze und das vorbereitete Metallplättchen hinein. Drücke
möglichst vollständig die Luft heraus und schweiße den Beutel mit dem Folienschweißgerät zu.
Wenn der Beutel zu groß sein sollte, drehe ihn um 900 und schweiße noch einmal.
Solltest du Folie übrig haben, schweiße den Beutel ein zweites mal ein.
Lege den Beutel für ca. 5 min in fast kochendes Wasser, bis das Natriumacetat-Trihydrat
vollständig gelöst ist und hole ihn dann mit der Tiegelzange heraus.
Lasse den Beutel an der Luft erkalten. Der Inhalt des Beutels muss flüssig bleiben, anderenfalls
muss der Beutel nochmals einige Minuten im Wasserbad erwärmt werden.
Knicke das im Beutel eingeschlossene Metallplättchen einige Male hin- und her, bis die
Kristallisation beginnt – sollte dies nicht funktionieren, drücke und quetsche ihn.
Verfolge den Ablauf der Kristallisation und prüfe dabei die Temperaturänderung.
Erklärungen dazu findet man unter http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/tip/01_99.htm
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Hintergrund für Lehrende
Hinweis:
Es ist darauf zu achten, dass der Beutel sorgfältig zugeschweißt wird, sonst tritt die Flüssigkeit im
Wasserbad aus. Nach Ablauf des Experimentes kann der Beutel erneut in heißes Wasser gelegt
werden, bis wieder eine klare Schmelze entstanden ist. Nach dem Abkühlen ist er wieder einsatzbereit.
Die Erklärung
Auch die Latentwärmespeicherkissen enthalten Natriumacetat-Trihydrat NaCH3COO 3 H2O. Dieses
liegt im "geladenen Zustand" in einer übersättigten Lösung vor. Bei vorsichtiger Handhabung bleibt die
Kristallisation des Salzes über einen weiten Temperaturbereich aus. Man kann den Zustand tagelang
erhalten. Erst durch "Anstoßen" wird der Zustand gestört; das Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert
schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte Wärme ("latente Wärme") frei. Diesen scheintoten
Zustand nennt man "metastabil".
CH3COO‾ (aq.) + Na+ (aq.) ———> CH3COONa 3 H2O (fest)
/exotherm
Die Ionen bauen zunächst das Ionengitter auf. Simultan nehmen Wassermoleküle in den
Zwischenräumen des Ionengitters festgelegte Plätze ein, wobei sie auch noch ihre Dipole exakt
ausrichten. Die Wassermoleküle bilden sozusagen ein Gitter im Kristallgitter. Die Anzahl der
Wassermoleküle pro Formeleinheit ist genau definiert. In unserem Beispiel sind es drei.
Ein Teil der bei diesem Vorgang freigesetzten latenten Wärme ist die Lösungswärme bzw.
Kristallisationswärme des Salzes. Allerdings erklärt diese allein nicht die starke Wärmetönung der
Kristallbildung.
Wichtig für die kräftige Erwärmung des Kissens ist auch die parallel ablaufende, stark exotherme
Bildung des Wassermolekül-Gitters.
Literaturauswahl:
H. SCHMIDKUNZ: Salzhydrate als Wärmespeicher. – NiU-Chemie 7 (1996) 22 - 25
H. SCHMIDKUNZ: Die thermische Energiespeicherung. – NiU-Chemie 10 (1999) 4 – 7
H. SCHMIDKUNZ: Salzhydrate als chemische Wärmespeicher. – NiU-Chemie 10 (1999) 15 – 18
http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/tip/01_99.htm
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Le Chatelier einmal anders – Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid
CO2 (g)+ H2O
CO2 (aq)
CO2(aq) + H2O
H2CO3
H2CO3
H+ (aq) + HCO3- (aq)
Geräte:
2 Luer-Lock-Spritzen 50mL, Anschluss an Gasflasche, Verbindungsstück (female - female) oder Dreiwegehahn,
Verschlussstopfen oder Absperrhahn, Becherglas 250mL, Wasserkocher oder ähnliches, Thermometer
Chemikalien:
abgekochtes Wasser, Kohlenstoffdioxid, ggfls. Sprudelwasser, Universalindikator, Natronlauge (c = 0,1mol/L) ,
Salzsäure (c =0,1 mol/L)
V1: Bestimmung der Löslichkeit von Kohlestoffdioxid in Wasser (abgekocht, 25°C)
•
•
•
Eine Spritze wird mit 25 mL abgekochtem aber wieder abgekühltem Wasser befüllt, die andere wird aus
der Gasflasche mit 25mL Kohlestoffdioxid befüllt.
Beide Spritzen werden über einen Verbinder gasdicht miteinander verschraubt
Gas und Wasser werden in eine Spritze gedrückt und die Apparatur geschüttelt, bis sich kein weiteres
Gas mehr löst. Abschließend wird hochgerechnet, wie viel Kohlestoffdioxid sich in einem Liter Wasser
lösen
V2: Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid
•
•
Wie V1 – mit verschieden warmem Wasser – kein Wasser der Temperatur >50°C verwenden Verbrühungsgefahr. (Tipp: Spritze mit Isolierung für Kupferleitungen aus dem Baumarkt überziehen)
Alternativ kann eine Spritze halb mit Sprudelwasser (übersättigte Kohlestoffdioxidlösung) gefüllt werden.
Dann verschließt man sie und stellt sie nacheinander in Gefäße mit Wasser unterschiedlicher
Temperatur.
V3: Einfluss des Drucks auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid
•
In eine Spritze mit durchbohrtem Stempel füllt man 20 mL mit Indikator versetztes
Wasser – aus einer weiteren Spritze läßt man durch die Lösung CO2 sprudeln
(ca. 5 mL), bis die Farbe des Indikators umschlägt.
Die Lösung wird auf zwei Spritzen verteilt. Die eine Spritze bewahrt man als
Farbvergleich auf. Die andere Spritze mit dem durchbohrten Stempel wird
verschlossen und durch kräftiges Ziehen am Stempel ein Unterdruck erzeugt. Der
Stempel kann durch das Loch mit einem Nagel fixiert werden – Schütteln, Farben
vergleichen!
V4: Einfluss des pH-Wertes des Lösemittels auf die Löslichkeit von
Kohlenstoffdioxid
•
Wie V1, nur werden anstelle von Wasser 0,1 molare Salzsäure oder Natronlauge verwenden.
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Chemie mit
medizintechnischem
Zubehör
Experimente mit ChemZ
Handbuch zu den Versuchen
Version 1.2
Stand 2009
Vorbemerkung
Liebe Kolleginnen und Kollegen,
seit Jahren entwickle ich im Team mit anderen Kollegen Bausteine für einen modernen
Experimentalunterricht und stelle diese allen Interessierten kostenlos zur Verfügung.
Für viele Versuche nutze ich dabei Geräte aus der Medizintechnik, auf die ich u. a. durch Arbeiten von
Herrn Obendrauf, Herrn Schwarz, Herrn Häusler oder Herrn Menzel erstmalig aufmerksam wurde.
All diese Autoren haben eigene Versuchsanleitungen entwickelt und vertreiben teilweise eigene, dazu
passende Versuchssets, die auf ihre Versuche abgestimmt sind und mit denen man diese Versuche am
besten durchführen kann!
Neu an unserem Ansatz ist, dass wir die Medizintechnik einsetzen, um Schüler selbst experimentelle
Lösungen zu Problemen finden zu lassen, ohne ihnen konkrete Anleitungen zu geben. Dafür
entwickelten wir einen eigenen Ansatz mit eigenen Sets.
Auf Wunsch zahlreicher Kolleginnen und Kollegen in Fortbildungen habe ich dafür in einem ersten
Handbuch die Versuche beschrieben, die ich mit ChemZ durchführe.
Dies ist eine reines „Versuchshandbuch“. Die Einbettung der Experimente in die konkreten Inhalte und
die Stundenbeschreibungen sowie finden Sie unter www.lncu.de.
Aus zahlreichen Jahren Unterrichtserfahrung in allen Jahrgangsstufen sowie aus diversen
Fortbildungen mit begeisterten Kollegien weiß ich, dass die Geräte geradezu zum Ausprobieren
herausfordern und kann sie Ihnen nur wärmstens ans Herz legen.
In den Jahren der Entwicklung und Erweiterung war ein Problem stets die Vielzahl der verschiedenen
Anbieter, aus deren Angebot wir uns die diversen Einzelteile mühsam zusammenstellen mussten.
Daher bin ich dankbar, dass sich mittlerweile mit der Fa. ChemZ [www.chemz.de] ein Anbieter gefunden
hat, der alle benötigten Geräte sehr preiswert aus einer Hand vertreibt. Gerne stelle ich daher der Fa.
dieses Handbuch kostenlos zur Verfügung.
Aber auch andere Firmen wie Hedinger [www.der-hedinger.de], Herr Häusler
[http://www.halbmikrotechnik.de] oder die Fa. Klüver & Schulz [http://www.klueverundschulz.de/] u. v. m.
bieten medizintechnische Komplettsets oder Einzelteile an.
Mir ist es an dieser Stelle wichtig zu betonen, dass ich in keiner Weise am Gewinn einer der genannten
Firmen beteiligt bin und es Ihnen natürlich offen steht, die Materialen auch anderweitig zu erstehen.
Beim Entdecken der Materialien oder Erfinden weiterer Versuche wünsche ich Ihnen viel Spaß und
stehe gerne für Rückfragen unter gregorvonborstel@lncu.de bereit.
Alfter 2009
Gregor von Borstel
Haftungsausschluss
Alle im folgenden beschriebenen Experimente sind sorgfältig erprobt worden und die Anleitungen wurden nach bestem
Wissen erstellt. Dennoch geschieht die Benutzung der hier vorliegenden Informationen vollkommen auf eigene
Verantwortung. Haftung für Schäden oder Verluste, die beim Umgang mit den hier beschriebenen Stoffen, Materialien oder
Geräten entstehen, ist ausgeschlossen; ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund
falscher oder fehlender Angaben. Der Autor schließt somit jegliche unmittelbare oder mittelbare Haftung für Schäden, die
beim Gebrauch der Materialien entstehen, ausdrücklich aus.
ChemZ-Handbuch Version 1.2 Stand 2009 © Gregor von Borstel
35
„ChemZ – Nomenklatur“
Zu den Herzstücken von ChemZ – den Luer-Lock-Spritzen – gibt es weiteres
Zubehör, für das es ja nach Hersteller die verschiedensten Namen gibt.
Unter dem Bild finden Sie die Bezeichnungen, die ich in den Anleitungen
verwende.
Dreiwegehahn – auch als Absperrhahn
zu verwenden (Schrägstellung)
Verbindungsstück zwischen zwei Spritzen
(„weiblich-weiblich“)
Hahnenbänke für viele Spritzen
Verbindungsstück „männlich-männlich“
Kombistopfen (Rotkäppchen) als gasdichte
Verschlussstopfen.
Verbinder Gasflasche - Spritze
Kanüle
Leichtgängige Luer-Lock Spritze (bis 60mL).
Kann mit Zubehör verschraubt werden
Einfache Luer Spritzen ...
... 1mL bis 20mL
Kleiner CO2-Spender
Heidelberger Verlängerung – verbindet
alle flexibel
Sonde mit Ansatz – für Gasentwickler
Sauerstoffspender
(Magen)Sonde mit Luer-Verbindung –
als flexible Kanüle für Spritzen
36
... auspacken
Manche Geräte sind steril verpackt, andere nicht. Häufig werden die Geräte
mit Transportkappen versendet. Diese Kappen können Sie entfernen und
verwerfen J .
Arbeitet man mit Kanülen, sollte man diese entschärfen, in dem man die
äußerste Spitze mit einer normalen Schere kappt. So quetscht man die
Kanüle nicht zu, kann sich aber nicht mehr daran stechen.
37
Luer-Lock – ganz schön praktisch
Neben den „normalen“ Luer-Anschlüssen gibt es auch die Luer-LockSchraubverbindungen. Mit einer halben Umdrehung verbindet man alle Teile
so, dass sich die Verbindung auch bei Druck nicht löst. Allerdings braucht
man dafür in der Regel zwei Hände. Bei der Herstellung toxischer Gase, wo
man beim Wechseln von Spritzen u. U. nur eine Hand zur Verfügung hat,
bietet sich somit die Verwendung von Luer-Verbindungen an.
... einfach aufstecken ...
... und mit einer Umdrehung arretieren.
38
Gas aus einer Druckgasflasche
Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid lassen sich leicht aus
der Druckgasflache direkt in eine Spritze abfüllen.
o Kürzen Sie den Schlauch an der Flache auf ca. 10 cm um das Totvolumen klein zu halten
(ansonsten füllen Sie in die Spritze vielleicht nur Luft)
o Stecken Sie einen Verbinder Gasflasche - Spritze aus der Lehrkoffer in den Schlauch – auf die
andere Seite lässt sich gasdicht eine Luer-Lock-Spritze schrauben.
o Spülen Sie den Schlauch einmal kurz mit dem Gas der Flasche und schrauben Sie dann die zu
befüllende Spritze auf – füllt man mehrere Spritzen, kann das Spülen danach entfallen
o Sie können das Druckventil an der Flasche getrost schließen, der Inhalt zwischen den Ventilen
reicht aus, um mehrere Spritzen zu füllen
o Zum Befüllen der Spritzen den Stempel Richtung Boden halten (da er herausfliegen kann) und
durch vorsichtiges Öffnen des Entnahmeventils die Spritze langsam füllen
o Spritze nicht komplett füllen – Stempel läuft nach!
o Sollte der Stempel einmal herausgedrückt werden, Spritze zunächst wiederabschrauben,
Stempel einsetzen und von vorne beginnen.
ca. 10cm
Schlauch
zur
Gasflasche
30mL LuerLock-Spritze
Verbinder
Gasflasche - Spritze
39
... die Alternative
Für Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid habe ich zwei sehr leicht handhabbare
Alternativen gefunden – Gase in Kleinstmengen und mit wenig Druck, die
direkt in die Spritzen abfüllbar sind.
Da der Kohlenstoffdioxidspender „Anti-Dust-Mini“ bald nicht mehr produziert
wird, teste ich zur Zeit diverse Pumpen mit CO2-Kapseln.
Sauerstoff:
Preiswerte 15L Dose ursprünglich für die med.
Zahnpflege („O-pur-dent“). Der mitgelieferte
Schlauch der Dose passt direkt auf die Spritze
– ansonsten einen Konnektor zwischenfügen.
Kohlenstoffdioxid:
12g bis 16g Kartusche in einem Mini-Spender
(z. B: bei www.chemz.de erhältlich) zum
gezielten Dosieren. Auch hier kann der
Anschluss direkt auf die Öffnung der Spritze
gesetzt werden kann. Im Bild ist noch ein
Dreiwegehahn zwischengeschaltet – auch das
ist möglich
40
Gas entwickeln in der Spritze
Einen einfachen Kippschen-Apparat baut man aus einer Spritze und einem
Hahn oder Stopfen.
In die Spritze bringt man zwei Stoffe (oft Feststoff und Flüssigkeit)
zusammen, bei deren Reaktion ein Gas entsteht. Das entstehende Gas
fängt man in der Spritze auf. Hat man genug gesammelt, hält man den
Hahn nach unten und öffnet ihn: die Flüssigkeit läuft ab.
1. Entfernen Sie kurz den Stempel der Spritze und geben Sie den Feststoff in den Kolben.
Schieben Sie den Stempel wieder zurück.
2. Ziehen Sie etwas Flüssigkeit hinzu und verschließen Sie die Spritze.
3. Hat sich genug Gas entwickelt, halten Sie die Spritze nach unten und öffnen Sie den Hahn.
Überschüssige Flüssigkeit wird automatisch herausgedrückt, die Reaktion erliegt. Wenn man
will, kann man das Gas in eine andere Spritze überführen.
In der Spritze
gewünschtes Gas
entwickeln – dann
Entwicklung durch
Abdrücken der
Flüssigkeit beenden.
Hahn zunächst
schließen – am
Ende öffnen!
Einsatz:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Schnelltest: Welches Gas entsteht bei der Reaktion von Magnesium mit Säure?
Untersuchung von Heatermeals
Untersuchung von ThermaCare
Schnelltest: Welches Gas entsteht bei der Reaktion von Kalk mit Säure?
Schnelltest: Welches Gas entsteht beim Auflösen einer Brausetablette
Darstellung von Kohlenstoffdioxid aus Brausetabletten und Wasser
Darstellung von Wasserstoff aus verd. Säure und Magnesium
Reaktionskinetik (s. u.)
Vorversuch zur Verbrennung von Wasserstoff u. v. m.
s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
41
... im Reagenzglas mit Ansatz
Aus einen Reagenzglas mit seitlichem Ansatz, einem mit einer Kanüle
durchbohrten Stopfen und einer Sonde mit Ansatz baut man schnell einen
Gasentwickler. Das Gas wird pneumatisch aufgefangen.
Der Entwickler kommt zum Einsatz, wenn bei der Gasentwicklung
Substanzen eingesetzt werden, die in der Spritze schwer zu handeln sind,
z.B. Trockenhefe, welchen die enge Öffnung der Spritze verstopfen kann.
Wasserstoffperoxid
ca. 3%
Hefe
Einsatz:
o Reaktion von Wasserstoffperoxidlösung mit Trockenhefe, Kartoffel oder Braunstein zur
Entwicklung von Sauerstoff.
o Entwicklung von Kohlenstoffdioxid, Knallgas ...
o Teil des Lernzirkel Luft
Achtung:
Bei dieser Art der Gasherstellung ist zu Beginn noch Luft im Reagenzglas. Die ersten mL des
entstehenden Gases sind also zu verwerfen – bei der Entwicklung brennbarer Gase können explosive
Gemische entstehen.
42
Gas umfüllen - aber bitte pneumatisch
Will man Gase untersuchen, muss man sie oft aus der Spritze in ein
Reagenzglas umfüllen.
Um das Reagenzglas luftfrei zu haben, befüllt man es zunächst mit
Wasser und hält es mit der Öffnung nach unten in die
Wasserschüssel. Dann befestigt man die flexible Sonde an der
Spritze und drückt dadurch langsam das Gas in das Reagenzglas.
Dieses verdrängt nach und nach das Wasser.
Aus der Arbeit mit Grundschülern wissen wir, dass
man z. B. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid auch
... einfache Spiele wie „Wer kann den Taucher in
einfach in die Reagenzgläser spritzen kann. Die
der Glocke retten?“ bringen die Kinder aber schnell
üblichen Nachweise funktionieren davon
drauf, Luft von unten hinein zu blasen.
unbeschadet.
... und nichts anderes macht man beim
pneumatischen Umfüllen.
Hier mal im Bild.
Einsatz:
o Nötiger Zwischenschritt bei allen Versuche, bei denen ich später z.B. die Brennbarkeit des
Gases teste (Nachweis Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff)
o Grundschule: Luft ist nicht „Nichts“
o Teil des Lernzirkels Luft - s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
o ...
43
Nachweisreaktionen z.B. Kalkwasserprobe
Viele einfache Nachweisreaktionen kann man im kleinen Maßstab
durchführen, z.B. die Glimmspanprobe für Sauerstoff oder als Vortest auf
Stickstoff und Kohlenstoffdioxid.
Auch die Kalkwasserprobe gelingt mit wenigen mL Kalkwasser, durch die
man Kohlenstoffdioxid aus der Spritze per Sonde leitet
Einsatz:
o
o
o
o
o
o
Nachweis Kohlenstoffdioxid
Kalkkreislauf
Le Chatelier
Atemmessung
Teil des Lernzirkels Luft s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
...
44
Dichte eine kompliziertere Messung
Die Dichtemessung verschiedener Gase wie Kohlenstoffdioxid lässt sich mit
einer präparierten Spritze durchführen. Die Masse von 50 mL des Gases
bestimmt man, in dem man zunächst die Gas gefüllte Spritze und dann das
Gewicht der leeren Spritze abzieht. Dazu muss man sie allerdings evakuiert
wiegen. Um das Vakuum zu halten, wird der Stempel der Spritze zuvor mit
einem Loch versehen, durch das man einen Nagel schieben kann.
Einsatz:
o
o
o
o
Dichtebestimmung von Kohlenstoffdioxid
Dichtebestimmung von Propan oder Butangas
Teil des Lernzirkels Luft
...
Achtung:
Die präparierte Spritze braucht man z.B. auch, um einen Unterdruck in anderen Versuchen zu erreichen
(s. Springbrunnen und Le Chatelier)
45
O2-Gehalt der Luft ohne Kolbenprober
Ein dünnes Quarzrohr, das auch bei anderen Versuchen eingesetzt wird
und ein sehr geringes Innenvolumen hat, wird einfach über zwei Gummioder Silikonschläuche mit zwei Spritzen anstelle von zwei Kolbenprobern
verbunden.
Diese sind nicht ganz so leichtgängig, dafür aber preiswert und bruchsicher!
In eine Spritze werden 50mL Luft gesaugt, die andere bleibt leer. Die Spritzen werden mit dem Glasrohr
gasdicht verbunden. Im Glasrohr ist ein Metallnetz (Eisenwolle oder Kupfer).
Man testet, ob die Apparatur dicht ist, in dem man die eine Spritze hineindrückt und die Luft vollständig
in die andere überführt. Mit dem Brenner wird das Quarzrohr am Metall erhitzt. Dann wird die Luft
zwischen den Spritzen einige Male hin und her geschoben.
Einsatz:
o
o
o
o
o
Bestimmung des Anteils von Sauerstoff an der Raumluft – erste quantitative Experimente
Verbrennung
Oxidation von Metallen mit Sauerstoff
Teil des Lernzirkels Luft s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
...
Achtung:
o Besonders geeignet und einfach sind Blasen und Wundspritzen, da sie bereits über einen
konischen Ansatz verfügen. Die Spritzen sollte man nur lose im Stativ befestigen, um sie nicht
abzuquetschen
o Da die Spritzen nicht so leichtgängig sind, kann das Ergebnis schon einmal um einige mL vom
Sollwert abweichen – dafür kann man den Versuch als Schülerversuch durchführen
o Neben Kupferwolle (verändert die Farbe zum Kupferoxid hin deutlich!) eignet sich noch besser
Eisenwolle, da sie bei Reaktionsbeginn hell aufglüht und dann solange glüht, bis der meiste
Sauerstoff reagiert hat.
46
Untersuchen der Ausatemluft
Im Rahmen der Freiarbeit erhalten die SuS die Aufgabe, zu zeigen, dass in
der Ausatemluft mehr Kohlenstoffdioxid enthalten ist, als in der Einatemluft.
Zur Lösung des Problems gilt es einige Schritte zu bewältigen – hier handelt
es sich schon um eine Egg-Race ähnliche Aufgabe J
o Zunächst müssen die SuS erkennen, dass sie die „normale“ Luft mit der Ausatemluft
vergleichen müssen – und zwar gleiche Volumina beider!
o Den Sauerstoffnachweis erbringt man z.B. über die Brenndauer von Kerzen – am besten mit
zeitgleichen Versuchen, bei denen man Gläser über brennende Kerzen stülpt.
o Der Kohlenstoffdioxidnachweis klappt hervorragend über unterschiedliche Trübungen von
Kalkwasser – Dichtevergleich ist denkbar, aber innerhalb der Messgenauigkeit mit großen
Fehlern behaftet – Wasserlöslichkeit ebenso
o Um gleiche Volumina aufzufangen, kann man in einen Ballon atmen und das Gas von dort in
eine Spritze überführen.
o Alternativ verbindet man 2 große Spritzen miteinander. Aus einer entfernt man den Stempel
und füllt sie pneumatisch mit Hilfe der anderen mit Wasser. Dann „beatmet“ man die Spritze mit
Hilfe eines Schlauchs oder Strohhalmes und zieht danach das so aufgefangene
Ausatemgasgemisch in die andere Spritze – voila
Einsatz:
o Teil des Lernzirkels Luft - s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
o Luft – Gase die wir atmen
o ...
47
Wie viel Gas kommt aus einer
Brausetablette?
Als kleine Knobelei oder aber auch in Verbindung mit der komplizierten Aufgabe,
wie groß der Natriumhydrogencarbonatanteil in einer Brausetablette ist, ist dies
ein toller Versuch mit ChemZ.
Das Volumen des Gases aus einer Brausetablette (bis zu 450mL) passt nicht in
eine Spritze. Der Aufbau muss nach den ersten Fehlschlägen so modifiziert
werden, dass man alles Gas (nach und nach) auffangen kann.
Einsatz:
Wie viel Gas kommt aus einer Brausetablette?
Teil des Lernzirkel Luft - s. auch: http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php
Analytik SI: Wie viel Natriumhydrogencarbonat ist in einer Brausetablette enthalten (s. u.)
Analytik SII: Wie viel Natriumhydrogencarbonat und wie viel Säure sind in einer Brausetablette
enthalten (s. u.)
o ...
o
o
o
o
Achtung:
Es gibt viele Ansätze zur Lösung des Problems, hier die gängigsten:
o Mit zwei Spritzen arbeiten, diese über einen Dreiwegehahn verbinden. Wenn eine Spritze mit
Gas gefüllt ist, dann vom System abkoppeln, Gas entfernen, wieder aufsetzen und
weitermessen.
o Mit zwei Spritzen arbeiten, aber den Stempel einer Spritze entfernen und dafür hinten einen
Luftballon überstülpen. In der einen Spritze das Gas entwickeln, im Luftballon auffangen und
nach und nach über einen Dreiwegehahn kontrolliert entfernen und messen
o Hahnenbank verwenden – so hat man mehr Reservevolumen
Die Ergebnis der Messung hängt nicht nur von der Art der Tablette ab, sondern auch von der Menge an
Lösemittel, da Kohlenstoffdioxid mit 880ml/L bei Standardbedingungen ein sehr gut wasserlösliches
Gas ist. Auch das lässt sich hier zeigen!
48
Massenanteile einer Brausetablette
Passend zur Knobelei in der SI hier die komplizierte Aufgabe aus der Klasse 10
„Wie viel Gramm Natriumhydrogencarbonat sind in einer Brausetablette?“
... und für einen Kurs in der Oberstufe (Abschluss Analytik)
„Bestimmen Sie die Masse an Natriumhydrogencarbonat und Weinsäure
(Zitronensäure) in einer Brausetablette!“
Brausetabletten oder „Ahoj-Brause“ enthalten neben anderen Stoffen hauptsächlich
Natriumhydrogencarbonat und Zitronen- bzw. Weinsäure (im Überschuss).
Eine experimentell anspruchsvolle Aufgabe für die Schüler ist es, herauszufinden, wie groß der
Massenanteil an Natriumhydrogencarbonat ist. Im Leistungskurs habe ich zusätzlich noch den
Massenanteil an Zitronen- bzw. Weinsäure bestimmen lassen.
Zunächst kann in einem Vorversuch bewiesen werden, dass bei der Reaktion Kohlenstoffdioxid
entsteht. Den ganzen Versuch können die Schüler eigenständig planen und mit ChemZ durchführen.
Gemeinsam stellt man die Reaktionsgleichung auf, wobei darauf hingearbeitet wird, dass aus einem
Mol Natriumhydrogencarbonat ein Mol Kohlenstoffdioxid entsteht und das man dafür lediglich 1/3 Mol
Zitronen- bzw. ½ Mol Weinsäure benötig. Zudem wird geklärt, dass die Säure im Überschuss
vorhanden ist.
Nun sind folgende Experimente völlig eigenständig von den Schülern zu planen und auszuwerten:
1.) Wie viel Gas entsteht aus einer Brausetablette – welche Stoffmenge CO2 entspricht diesem
Volumen (all. Gasgleichung!)?
2.) Wie viel Überschuss an Säure ist vorhanden (schwache Säure, Zitronensäure zwar dreiprotonig
aber mit nur einem Äquivalenzpunkt. Dieser liegt im Alkalischen, geeigneter Indikator
Phenolphthalein – passt auch zur Eigenfarbe der Tablette, Farbstoff kann im Übrigen auch auf
pH-Wert reagieren)
3.) Wie viel Natriumhydrogencarbonat und Zitronen- bzw. Weinsäure sind nun insgesamt ermittelt
worden?
Zu 1)
Das Ermitteln des Volumens ist durchaus anspruchsvoll, da aus einer Brausetablette bis zu 450mL Gas
sprudeln – ja nach zugegebener Menge Wasser. Die Schüler werden den Versuch erfahrungsgemäß
mehrfach durchführen müssen und dabei auch optimieren (s. o.).
Um den Messfehler (Kohlenstoffdioxid löst sich mäßig in saurer Lösung) zu verringern, kann man mit
abgekochten Wasser arbeiten und dieses vor der Titration erneut kurz erwärmen. Dafür darf auch die
Spritze in ein Wasserbad gestellt und auf ca. 60°C erwärmt werden. Alternativ verwendet man eine
gesättigte Lösung (20mL Wasser und 20mL CO2 in eine Spritze geben, verschließen, schütteln,
Restgas verwerfen).
Der Fehler ist aber gering und kann vernachlässigt werden.
49
Hier noch zwei weitere denkbare Versuchsaufbauten ...
o ... mit einer Hahnenbank - gestartet wird durch das Hineinziehen des Wassers in die Spritze mit
der Brause
Wasser
Brause
Auffanggefäße – ggf. über Hahn
rechts zwischendurch entleeren
o ... in einem Gefäß, dass man dann direkt erwärmen und zum Titrieren verwenden kann
„Heidelberger
Verlängerung“
Kanülen,
Spitzen nach
dem
Durchbohren
abgekappt
50
zu 2) ... und dann Titrieren:
1mL
Spritze
Vor dem Titrieren kann die Lösung kurz aufgekocht
werden.
Hinweise zum Titrieren mit ChemZ finden Sie auf der
nächsten Seite
51
... auch bei Säure Base Titrationen sind
Spritzen ideal
Mit ChemZ wird Titrieren ganz einfach. Die Spritzen sind ideale Messgeräte –
man braucht nur sehr wenig Maßlösung und kann schnell einfache Titrationen
durchführen. Will man sehr genau arbeiten, kann man auf 1mL Spritzen
ausweichen. Die Maßlösung kann man in einer beschrifteten 50mL bereitlegen
und über einen Dreiwegehahn abfüllen.
Luftblasen in den Spritzen entfernt man ungefährlich, in dem sie zurück in die
Spritze mit der Maßlösung drückt.
A) 10 oder 20mL
Spritze
C)
A und B)
Anstelle einer Bürette verwendet
man eine Spritze zum Eintropfen
der Maßlösung in die Probe.
Die Spritze wird in einem
Becherglas gefüllt.
Achtung: beim ersten Aufziehen
der Spritze hat man eine Luftblase
vorne im Kolben.
Zum Entfernen setzt man einen
Dreiwegehahn auf, um niemandem
durch versehentlich
herausgedrückte Säure/Lauge zu
gefährden, hält die Spritze anders
herum und drück die Luft in eine
andere Spritze.
Vorteil A: Man füllt die Spritze nur
einmal
Vorteil B: Messgenauigkeit ist
größer, man hat keine Luftblase
vorne, da der Stempel der 1mL
Spritze bis in die Spitze entleert
D)
C) Der Klassiker: Stempel entfernen
und Hahn anschrauben – fertig ist
die Bürette. Will man die
Auslaufgeschwindigkeit verringern,
setzt man unten eine abgekappte
Kanüle an.
D)
In eine große Spritze (30 oder 50mL)
wird die Maßlösung eingefüllt und
von dort aus über einen
Dreiwegehahn blasenfrei in eine
1ml-Spritze umgefüllt
Durch Drehen des Hahnes kann
dann der 1mL in die Probenlösung
gegeben werden.
Achtung: Aufbau erfordert
anfängliches Einüben des
Umganges mit dem Dreiwegehahn
Vorteil D: Kombination von
Messgenauigkeit und blasenfreiem,
einfachem Umfüllen
Tipp: Neben „normalen“ Titrationen kann man untersuchen, wie viel Wirkstoff in Maloxan ist (www.lncu.de)
52
Der Feuerlöscher
Der Bau eines Feuerlöschers – der Klassiker unter meinen Egg-Race
Aufgaben. Die ausführlichen Beschreibungen finden Sie unter bei den links.
o www.lncu.de
o GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Bau eines Schaumlöschers, in
NiU Chemie 14 2003 Nr. 75
o http://www.lehrer-online.de/feuerloescher.php
Die Schüler sollen eigenständig einen Feuerlöscher aus einer Brausetablette,
Wasser, Spülmittel und dem Spritzenmaterialien bauen. Ziel ist eine
Konstruktion, die viel Druck aufbaut und mit der man eine Kerze löschen kann
Einsatz:
o Luft und Verbrennung in der Grundschule
o Brände und Brandbekämpfung in der SI
Kleine Auswahl an bisherigen Lösungen:
o Alles in eine Spritze – verschließen – Druck aufbauen – löschen.
o Mehrere Spritzen mit allen Substanzen über Hähne verbinden und zusammenbringen
o Reagenzglas mit seitlichem Ansatz als Löscher nutzen. Wasser über durchbohrten Stopfen von
oben zu Tablette fügen, umdrehen, Öffnungen zuhalten, Druckaufbauen und aus der seitlichen
Öffnung löschen
o Dito, aber mit Luftballon als Reservevolumen ...
53
Reduktion mit Wasserstoff
Die Reduktion von Kupferoxid mit Wasserstoff ist in sofern nicht
ungefährlich, da man sicherstellen muss, dass die Apparatur luftfrei ist,
damit kein Knallgasgemisch entsteht.
Verwendet man ein sehr dünnes Quarzroh (ca. 200mmx10mm), so hat dies
ein derart geringes Innenvolumen, dass wenig Wasserstoff zu Beginn
ausreichen, die Apparatur zu spülen!
Einsatz:
o
o
o
o
Wasserstoff als Reduktionsmittel
Herstellung von Metallen
Reduktion von Metalloxiden
Ein ähnlicher Versuch ist schon lange von Herrn P. Menzel beschrieben worden – s. dazu auch
http://www.der-hedinger.de/ItemDetail_NAV.aspx?ItemID=LMP%201
Achtung:
o Mit Hilfe kurzer Schlauchstücke werden auf der einen Seite die ausgezogene Spitze und auf
der anderen Seite ein konischer Adapter an das mit Kupferoxid gefüllte Quarzrohr gasdicht
angeschlossen.
o Als Rückschlagsicherung wird in die Spitze und am Ende des Quarzrohres Eisenwolle
eingebracht.
o Am besten verwendet man insgesamt ca. 120mL Wasserstoff, also zwei Spritzen.
o Die Apparatur wird mit Wasserstoff gespült und dann mit einem Brenner in der Mitte unter dem
Quarzrohr erhitzt. Dabei drückt man fortwährend wenig Wasserstoff hinein.
o Unverbrauchten Wasserstoff kann man an der Spitze abfackeln.
o Sobald sich in der Mitte gut sichtbares, rotes Kupfer bildet, unterbricht man die Wärmezufuhr
und kühlt die Apparatur im verbliebenen Wasserstoffstrom ab.
54
Der Springbrunnenversuch
Die Löslichkeit von z. B. Chlorwasserstoff HCl in Wasser lässt sich nicht nur
eindrucksvoll demonstrieren. Zugleich kann man an diesem Demoversuch auch die
Entstehung von sauren Lösungen erklären.
Diesen Versuch kann man ebenso auch mit NH3 durchführen.
Die ein Spritze wird mit Lackmuslösung gefüllt, die andere mit frisch entwickeltem Chlorwasserstoffgas
(s.o.).
In Variante A) wird wenig Flüssigkeit in die Spritze mit dem Gas gespritzt. Augenblicklich schlägt der
Stempel bis vorne an, da sich nahezu das gesamte Gas in der Lackmuslösung löst – zudem verfärbt
diese sich rot.
In Variante B) ist der Stempel der Spritze mit dem Gas durch einen Nagel arretiert und kann nicht
hineingezogen werden. Führt man den Versuch nun durch, wird in kürzester Zeit die gesamte Lösung in
die Spritze mit dem Gas gezogen („Springbrunnen“). Auch hierbei verfärbt sich die Lackmuslösung rot.
Einsatz:
o Säuren sind wässrige Lösungen, z.B. HCl in Wasser
o ...Laugen dito , z.B. NH3 in Wasser
55
Knallgas - klein aber Oho
Nicht überall sind die ganz großen Knalleffekte erlaubt oder erwünscht –es
geht aber auch klein, schnell, einfach und trotzdem eindrucksvoll J .
Der Versuch klappt mit äußerst wenig Aufwand. Die entsprechenden
Mengen an Gasen kann man schon einige Zeit vorher in die Spritzen füllen
– ansonsten aber auch direkt vor dem Versuch, da es mit ChemZ sehr
schnell geht J .
In je einer Spritze werden 20mL Wasserstoff und 10mL Sauerstoff eingefüllt und über einen
Dreiwegehahn in einer Spritze gemischt.
Das Knallgasgemisch wird in eine Petrischale mit Seifenlauge gebracht und die Seifenblasen werden
mit einem Glimmspann zur Explosion gebracht.
Einsatz:
o Verbrennung von Wasserstoff im Vergleich zur Verbrennung eines Knallgasgemisches
o Stoffe brennen besser wenn ... (Zerteilungsgrad)
o Explosive Gemische und ihre Gefahren
Achtung:
o Es empfiehlt sich das Tragen von Gehörschutz!
o Als Vorversuch kann man nur Wasserstoff einspritzen und abbrennen – um so
eindruckvoller ist das Knallgasgemisch.
56
Säurestärke schnell erfasst
Der Begriff der Säurestärke kann einfach veranschaulicht werden:
Eine Spritze wird mit einem 2cm langen Stück Magnesium befüllt und über einen Dreiwegehahn mit
einer weiteren Spritze mit 15mL Salzsäure [1mol/L] verbunden.
Eine weitere Apparatur wird genauso aufgebaut, allerdings mit Essigsäure [1mol/L].
Bringt man die Säuren zum Magnesium, so setzt in beiden Spritzen eine Gasentwicklung ein. Allerdings
liegt die schwächere Essigsäure trotz gleicher Konzentration im Vergleich zur Salzsäure weniger
dissoziiert vor und somit entsteht hier in gleicher Zeit auch viel weniger Wasserstoff!
In Variante A werden zu ca. 2cm Magnesium 15mL Salzsäure [1mol/L] gegeben, in Variante B
verwendet man 15mL Essigsäure [1mol/l]
Einsatz:
o Einführung und Verdeutlichung der Säurestärke
57
Ein Wasserzersetzer
Eine ganz einfache Variante des Wasserzersetzers haben wir schon
2004 erfolgreich getestet. In zwei umgekehrten Spritzen ohne
Stempel führt man abgestumpfte Edelstahlkanülen als Elektroden ein
und elektrolysiert mit verd. Schwefelsäure angesäuertes Wasser.
Die Lösung zieht man dazu mit Hilfe einer dritten Spritze in die
Schenkel und verschließt diese oben mit einem Hahn.
Das entstehende Gas kann man dann wiederum nach oben abziehen
und weiter untersuchen.
Einsatz:
o Wasser – Element oder Verbindung?
o Analyse und Synthese einer Verbindung
o Endotherme und exotherme Reaktionen
Achtung:
o Als Kathode kann man einfach
abisolierten Kupferdraht
verwenden
o Dies geht an der Anode nicht,
der Draht dann zu Kupferoxid
oxidiert werden würde.
58
Kinetik mit Magnesium und Salzsäure
Die Gasentwicklung bei der Reaktion von Magnesium mit Säure kann man auch
zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Konzentrationen
der beteiligten Stoffe nutzen. Ebenso kann man verdeutlichen, wie die
Reaktionsgeschwindigkeit mit der Reaktionszeit abnimmt.
Das entstehende Gas fängt man in einer Spritze auf und bestimmt so das
Volumen.
15ml Salzsäure [1mol/L] werden zu
einen Streifen Magnesium (5 cm)
gegeben.
Achtung:
Da die Spritzen nicht so leichtgängig sind, dass das Gasvolumen kontinuierlich zunimmt, empfiehlt es
sich, für jede Volumenmessung die Reaktion kurz zu unterbrechen, in dem man die Flüssigkeit wieder
zurück in die andere Spritze drückt. Dann wird das entstandene Volumen abgelesen und die Reaktion
weitergeführt.
59
Gleichgewichte einmal anders
Über die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid, allen Schülern vom Mineralwasser her
bekannt, lässt sich nach der Reaktionsgeschwindigkeit das Prinzip von Le Chatelier
einführen. Dazu werden der Einfluss von Druck, Temperatur und Konzentration mit
Hilfe von Indikatoren und Volumenmessungen ermittelt.
Weitere Informationen und Downloadmöglichkeiten unter:
o http://www.lncu.de/
o http://www.lehrer-online.de/url/le-chatelier
V1: Bestimmung der Löslichkeit von Kohlestoffdioxid in Wasser (abgekocht, ca. 20°C)
s. Löslichkeit von Sauerstoff (s. unten Active O2).
V2: Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid
Wie V1 – mit verschieden warmem Wasser – kein Wasser der Temperatur >50°C verwenden Verbrühungsgefahr. (Tipp: Spritze mit Isolierung für Kupferleitungen überziehen)
Alternativ kann eine Spritze halb mit Sprudelwasser (übersättigte Kohlestoffdioxidlösung) gefüllt werden.
Dann verschließt man sie und stellt sie nacheinander in Gefäße mit Wasser unterschiedlicher
Temperatur. Es ist drauf zu achten, dass das Gas nicht mit im Wasserbad steht, das es sich bei
Erwärmung ausdehnt.
V3: Einfluss des Drucks auf die Löslichkeit von Kohlestoffdioxid
In eine Spritze mit durchbohrtem
Stempel füllt man 20 mL mit Indikator
versetztes Wasser – aus einer weiteren
Spritze lässt man durch die Lösung CO2
sprudeln, bis die Farbe des Indikators
umschlägt.
Die Hälfte der Lösung gibt man in eine
andere Spritze und bewahrt diese zum
Farbvergleich auf. Die Spritze mit dem
durchbohrten Stempel wird verschlossen
und durch kräftiges Ziehen am Stempel
ein Unterdruck erzeugt. Der Stempel
kann durch das Loch mit einem Nagel
fixiert werden. Man sieht ein deutliches Ausgasen und zugleich einen Farbumschlag des Indikators.
V4: Einfluss des pH-Wertes des Lösemittels auf die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid
Wie V1, nur werden anstelle von Wasser 1 molare Salzsäure oder Natronlauge verwenden.
Einsatz:
o Einführung des Prinzips von Le Chatelier
o Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid
o Vorversuche zum Kalkkreislauf
60
Löslichkeit, Le Chatelier und Active O2
Das bekannte Getränk Active O2 wird daraufhin untersucht, wie viel Sauerstoff
tatsächlich darin gelöst sind. Ausgehend vom Werbespot, den man im Internet erhält,
kann man eine Reihe einfacher Experimente durchführen, die allesamt zu dem
Ergebnis kommen, das der Genuss sicherlich nicht schadet – aber eben auch
„sportlich“ keine Leistungssteigerung bringen kann .-).
Die Beschreibung der gesamten Stunde und aller Materialien finden Sie unter:
o www.lncu.de
o http://www.lehrer-online.de/le-chatelier.php
Wie viel mL eines Gases lösen sich in einem Liter Wasser?
In eine Spritze gibt man eine definierte Menge zuvor abgekochtes und wieder
abgekühltes Wasser, in die andere Spritze eine definierte Menge des zu
untersuchenden Gases, hier Sauerstoff.
Dann schiebt man das Gas zum Wasser und schüttelt die Spritzen solange, bis sich
das Volumen des überstehenden Gases nicht mehr ändert.
Parallel dazu kann man zum Einen eine Flasche Active O2 auskochen und das
entstehende Gas in Spritzen auffangen und untersuchen. Zum Anderen kann man
überschlagen, wie viel Sauerstoff man mit einem Atemzug über den dafür
vorgesehenen Lungentrakt aufnehmen kann.
In der Oberstufe kann man hinterfragen, wie der Hersteller die angegebene Menge
Sauerstoff überhaupt in einem Liter Wasser lösen kann, was damit beim Konsum
passiert und zudem eine Stellungnahme zur Weltneuheit des Sauerstoffspenders – ein
Wassersprudler auf Sauerstoffbasis mit angeblich
wahnsinnig positiven
Auswirkungen auf Körper und
Geist - einfordern
Einsatz:
o
o
o
o
o
Vergleich der Löslichkeit von Gasen
Kiemenatmung – wie viel Sauerstoff geht eigentlich in Wasser?
Active O2 – Powerstoff mit Sauerstoff – Hinterfragen von Werbeaussagen
Le Chatelier einmal anders
Anwendungsbeispiel des Prinzips von Le Chatelier
Achtung:
o Mit dem Versuch erhält man annähernd Literaturwerte. Sauerstoff ist extrem schlecht
wasserlöslich (ca. 40mL/L bei Normalbedingungen), Kohlenstoffdioxid hingegen sehr gut (ca.
880mL/L)
61
Kalk in der Mittel- und Oberstufe
Der Kalkkreislauf (Lösen und Ausfallen) lässt sich im Experiment selbst
entdecken. Die komplette Stundenbeschreibungen mit allen Folien etc.
finden Sie unter www.lncu.de - Hier der Versuch dazu
Mögliche Geräte:
2 Luer-Lock-Spritzen 30mL, Verbindungsstück oder Dreiwegehahn, Stopfen, flexibler Schlauch mit
passendem Anschluss, Reagenzglas, Reagenzglasständer, Brenner
Chemikalien:
Kohlenstoffdioxid
Calciumhydroxidlösung (Kalkwasser)
o reizend xi,
o R 38 (Reizt die Haut), S 22 (Staub nicht einatmen) – 28 (Bei Berührung mit der Haut
sofort abwaschen mit viel Wasser)
Möglicher Aufbau:
Durchführungsvarianten
Eine Spritze wird aus einem kleinen Spender oder über einen Adapter aus der Gasflasche
mit Kohlenstoffdioxid befüllt. Anschließend wird das Kohlenstoffdioxid über einen Verbinder
(A) oder Dreiwegehahn (B) in eine weitere Spritze mit wenig Kalkwasser gesprudelt oder
alternativ über einen Schlauch (C) in ein Reagenzglas mit wenig Kalkwasser
Zu erwartende Beobachtungen:
Es setzt direkt eine Trübung ein. Nach kurzer Zeit – Spritze evt. schütteln – verwindet die Trübung.
Entsorgung/weiterer Versuch:
Die entstandene Calciumhydroxidlösung wird nicht verworfen, sondern in einem anschließenden
Versuch in ein Reagenzglas gefüllt und kurz im Brenner erhitzt. Kohlenstoffdioxid gast aus und Kalk
setzt sich ab.
62
Elektronenübertragungsreaktionen
Untersuchung von „ThermaCare“
Auszüge aus den Informationen des Herstellers:
A) Hinweise zur Anwendung
Wann?
Beginnen Sie die Behandlung, sobald sich erste Anzeichen
von muskulären Schmerzen im Nacken-, Schulter- und Armbereich
bemerkbar machen. Eine frühzeitige Behandlung kann den Schmerz
schnell lindern, bevor er Sie in Ihrem Alltag beeinträchtigt.
Wie?
Öffnen Sie die Verpackung erst kurz vor Gebrauch.
Anweisungen:
• Nehmen Sie ThermaCare aus dem luftdichten Beutel. Die Wärmezellen werden dadurch
aktiviert.
• Ziehen Sie das Schutzpapier von der Klebefläche zur Befestigung auf der Haut ab.
• Legen Sie die ThermaCare-Auflage mit der dunklen Seite der Wärmezellen direkt auf die Haut
über der schmerzenden Körperstelle. Es kann ca. 30 Minuten dauern, bis die Auflage die
erforderliche Temperatur erreicht hat. […]
• Für eine Schmerzlinderung sollten Sie die Auflage mindestens 3 Stunden ununterbrochen
tragen. Die beste Wirkung erzielen Sie durch Tragen über 8 Stunden. Die Nackenauflage von
ThermaCare hält die ideale therapeutische Wärme von 40°C sogar über eine Dauer von
mindestens 12 Stunden konstant. […]
• Entsorgen Sie die benutzte Auflage, ob kalt oder warm, in Ihrem normalen Hausmüll.
B) So wirken ThermaCare-Wärmeumschläge gegen muskuläre
Schmerzen
ThermaCare enthält Wärmezellen, die aus einer Mischung natürlicher Inhaltsstoffe bestehen:
Eisenpulver, Salz, Aktivkohle und Wasser. Gleich nach dem Öffnen des luftdichten Beutels gelangt
Sauerstoff in diese Zellen und verbindet sich mit dem Eisenpulver. Dabei wird Wärme produziert. Diese
chemische Reaktion nennt sich Eisenoxidation. Die Hülle der Wärmezellen ist so konzipiert, dass sie
eine genaue Steuerung des Luftzutrittes ermöglicht – so wird sichergestellt, dass für mindestens 8
Stunden eine konstante schmerzlindernde Wärme produziert wird.
Nach dem Öffnen kann es ca. 30 Minuten dauern, bis die therapeutisch wirksame Temperatur von 40°C
erreicht wird. Durch die ergonomische Form von ThermaCare wird die Wärme direkt an die
schmerzende Stelle geleitet.
Sobald das Eisenpulver in den Zellen verbraucht ist, wird automatisch keine weitere Wärme mehr
erzeugt.
Quelle: http://www.thermacare.de/produkte_nacken_anwendung.shtml
Aufgaben:
1. Stelle zusammen, welche Inhaltsstoffe laut Hersteller enthalten sind. Überlege, warum der
Hersteller von natürlichen Inhaltsstoffen spricht. Stimmt die Angabe des Herstellers?
2. Plane Experimente, die zeigen, dass einige dieser Inhaltsstoffe tatsächlich enthalten sind und
miteinander reagieren.
3. Entnehme dem Text die Fachwörter für die ablaufende Reaktion und versuche eine
Reaktionsgleichung in Worten aufzustellen
63
Elektronenübertragungsreaktionen
Untersuchung von „ThermaCare“
Lehrerinformation: Laut Internetauftritt handelt es sich um eine Redoxreaktion
ThermaCare wurde entwickelt, um den Nutzen der Wärmetherapie bei muskuloskeletalen Schmerzen
zu maximieren. Für den Anwender soll mit einem Produkt, das an die Schmerzlokalisation optimal
angepasst ist, eine lang anhaltende Schmerzlinderung erzielt werden. Zudem sollte die Anwendung die
Aktivitäten und die Mobilität der Patienten im Alltag nicht einschränken.
Mehrere einzigartige Komponenten der ThermaCare Technologie tragen zur Erfüllung dieser Ziele bei:
Die Wärmeentwicklung von ThermaCare wird durch die Reaktion von Eisenpulver mit Luftsauerstoff
bewirkt:
4Fe + 3O2 + 6H20 -> 4Fe(OH)3 + Wärme -> 2Fe2O3("Rost") + 6H2O
Die Wärmeproduktion wird zum einen durch Zuschlagstoffe (im wesentlichen Aktivkohle, Salz und
Wasser) und zum anderen durch die genau spezifizierten mikrofeinen Poren der Membran gesteuert,
welche das lockere Substanzgemisch in Form einer "Zelle" umschließt. Es erfolgt eine kontrollierte
Oxidation, die bis zum Ende des Verfallsdatums eine Wärmeabgabe von konstant 40°C für mindestens
8 Stunden gewährleistet.
Quelle: http://www.thermacare.de/produkte_nacken_anwendung.shtml
Anmerkung von Borstel:
Es reicht, wenn die Reaktionsgleichung zur Entstehung von Eisenoxid führt und erst in einem weiteren
Schritt Rost entsteht – dieses sollte dann als treibende Kraft dargestellt werden (Bildung von teilweise in
Wasser gelösten Ionen) (FeO(OH)!)
Zum Benutzen, Aufschneiden, Untersuchen des Produktes:
• Mit der Lupe/USB Microscope „vorher“ untersuchen – dann eine aufgeschnittene Probe des
Vortages (hier sieht man Rostflecken!)
• Mit Magneten herangehen
• Dann untersuchen, was darin passiert:
o 1 mal eingepackt mit Thermometer vorne hinstellen
o 1 mal mit Luft stehen lassen
o Kleine Teile mit Sauerstoff in einer Spritze, Isolierung drum, O2-Verbrauch nachweisen
alternativ hat auch gut geklappt: in eine Tüte mit N2 und einer Tüte mit O2 –
Thermometer daran.
•
Nach der Besprechung des Versuches können Videos von LNCU zu Reaktionen von Eisen mit
anderen Nichtmetallen wie Brom oder Chlor gezeigt werden, um Oxidations- bzw.
Reduktionsbegriff zu erweitern.
64
Elektronenübertragungsreaktionen:
Ein Lokalelement in Heatermeals
Geräte: 50mL Spritze, 20mL Spritze, Dreiwegehahn, Schlauch, Wanne, Kerze, Reagenzglas, Teebeutel
Chemikalien: 1 Spatelspitze Magnesium/Eisen Gemisch, 10mL Salzwasser, [evtl. Phenolphthaleinlösung <1%]
Sicherheitshinweise:
•
•
•
Schutzbrille tragen!
Bei der Reaktion kann ein hochentzündliches Gas entstehen – darauf wird zuerst getestet!
Durch die Erwärmung kann die Reaktion immer schneller ablaufen – Wasser abfließen lassen, bevor
das entstehende Gas den Kolben der Spritze herausdrückt.
•
•
•
•
•
•
Metallgemisch in einen leeren Teebeutel gefüllt (da die Körner die Spritze verstopfen
können) und in die große Spritze gegeben. Die Luft wird herausgedrückt.
Salzwasser in die kleine Spritze ziehen und über Hahn mit großer Spritze verbinden
Stoffe im geschlossenen System zusammenbringen.
Sobald mehr als 25mL Gas entstanden sind Hahn öffnen und Wasser nach unten
abfließen lassen
Gas pneumatisch umfüllen und zunächst auf
Wasserstoff testen. Ist der Test negativ, mit dem
Lehrer sprechen und weiteren Test planen.
Ggf. abgelaufenes Wasser mit Phenolphthalein
versetzen
Entsorgung: Über Abguss.
Beobachtungen:
Auswertung: im Heft notieren!
Aufgaben:
1. Führe den Versuch entsprechend der Anleitung durch und
notiere deine Beobachtungen.
2. Formuliere eine Auswertung – auch in Form einer
Reaktionsgleichung.
3. Zum Weiterdenken: Übersetze die Warnhinweise (s.
rechts), die der Hersteller auf der Packung
kleingedruckt abbildet, und versuche deren
chemischen Hintergrund zu erklären.
65
Elektronenübertragungsreaktionen:
Ein Lokalelement in Heatermeals
Lehrerinformation:
Es handelt sich um ein Lokalelement aus Eisen/Magnesium. Beim Kontakt mit Salzwasser bildet sich
Wasserstoff.
Mg (s) + 2H2O (l) -> Mg2+ (aq) + H2 (g) ↑ + 2OH- (aq)
Das Essen enthält entsprechende (allerdings sehr allgemeine) Hinweise, z. B. dass ein reduzierendes
Gas entsteht, welches fälschlicherweise als CO detektiert wird oder dass man Zündquellen fernhalten
soll.
Anmerkung von Borstel:
Passivierung ist als Phänomen bekannt – eigentlich sollte keine Reaktion stattfinden, da Magnesium in
kaltem Wasser nicht merklich reagiert. Erst durch den Kontakt mit dem Eisen bildet sich im Salzwasser
ein Lokalelement und die exotherme Reaktion verläuft zusehends schneller
Das permanent Wasserstoff entweicht, kann sich die Reaktion aufgrund der starken Wärmeentwicklung
selbstbeschleunigen. Daher empfiehlt es sich, im Schülerversuch mit kleinen Mengen des
Magnesium/Eisengemischs zu arbeiten, ca. eine Spatelspitze pro 50mL Spritze bei 10mL Salzwasser.
Unbedingt das Gemisch in einen leeren Teebeutel oder ähnliches umfüllen, das sonst kleine Stücke die
Spritzen verschließen können.
Die Knallgasprobe verläuft positiv. Neben Wasserstoff bildet sich am Lokalelement auch
Magnesiumhydroxid, welches als Lösung mit Phenolphtalein (<1%) nachgewiesen werden kann
Der Nachweis sollte aus der Behandlung der Alkalimetalle bekannt sein.
Schön ist die Demonstration (per Video) einer Zündung des kompletten Beutels als Simulation eines
Unfalls „in freier Wildbahn“ beim Erhitzen der Mahlzeit und gleichzeitigem Genuss einer Zigarette J
Anschließend können Lokalelement, Opferanode (sofern nicht schon erklärt) und der Aufbau des
Wasser (Elektronenpaarbindung, polar, Oxidationszahlen …) behandelt werden
66
Weitere Versuchsbeschreibungen,
Anregungen oder Videos
Die folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit!
Viktor Obendrauf
http://schulen.eduhi.at/Chemie/reduk.htm
http://pluslucis.univie.ac.at/fbw2003/Obendrauf.htm
http://schulen.eduhi.at/chemie/chlor1.htm
http://www.die-bayerische-chemie.de/pdf/Katalog/GasExperimente.pdf
http://www.chemie-und-schule.at/dokumente/cus_2004-3_obendrauf_methan.pdf
http://www.dasan.de/lapaz/deutsch/Seminare/loxcost%20lima/lowcost.htm
Peter Menzels Versuchsset
s. dazu auch http://www.der-hedinger.de/ItemDetail_NAV.aspx?ItemID=LMP%201
Brand Chemie
http://www.hirsemedia.de/brandchemie/low-cost/medtech.html
Kappenberg
http://www.kappenberg.com/pages/mitmedizintechnik/selbstbau.htm
http://www.kappenberg.com/pages/mitmedizintechnik/uebersicht.htm
Bruce Madson
http://mattson.creighton.edu/Microscale_Gas_Chemistry.html
Peter Schwarz
http://www.microchem.de/
Gregor von Borstel
www.lncu.de
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Bau eines Schaumlöschers, NiU Chemie 14 2003 Nr. 75
H. J. GÄRTNER UND GREGOR VON BORSTEL, Kohlenstoffdioxid und Wettbewerb, NiU Chemie 78 2003
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Chemie mit Magensonde und Spritze, NiU Chemie 78 2003
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, ChemZ, NiU Chemie 78 2003, NiU Chemie Heft 81, 2004
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Chemieunterricht macht Spaß!, PdN 1/54, Januar 2005
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Le Chatelier einmal anders, NiU Chemie 96, 2006, S. 34-37
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Ein preiswerter Hofmannscher Zersetzungsapparat für
Schülerübungen, MnU 59/6 (1.9.2006) S. 362-364.
GREGOR VON BORSTEL UND ANDREAS BÖHM, Active O2 – Powerstoff mit Sauerstoff MnU 59/7 2006 S. 413-415.
GREGOR VON BORSTEL, Freiarbeit, in: JOACHIM KRANZ UND JENS SCHORN (HRSG.), Chemie Methodik,
Handbuch für die Sekundarstufe I und II, Berlin 2008, S. 53-64.
67

Chemie macht Spaß!

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