Dichte - Unterrichtsmaterialien Chemie

Schulversuchspraktikum
SoSe 2013
Klassenstufen 7 & 8
Dichte
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Auf einen Blick:
Im Folgenden werden zwei Lehrerversuche und vier Schülerversuche vorgestellt, die sich mit
der Dichte von Gasen und Flüssigkeiten, mit der Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit
der Dichte und mit Trennverfahren beschäftigen.
Im ersten Lehrerversuch wird das Prinzip eines Heißluftballons gezeigt, im zweiten der Dichte unterschied des Gasgemisches Luft und der Gase Helium und Wasserstoff gezeigt. Versuche V3
und V4 sind sehr einfache Schülerversuche, die die Konzentrationsabhängigkeit der Dichte aufzeigen. Dieser Zusammenhang wird von Versuch V5 zu einer quantitativen Bestimmung von Zu cker in Apfelsaft genutzt. Versuch V6 zeigt die Möglichkeit der Kunststoffmülltrennung unter Berücksichtigung der Dichte.
Inhalt
Inhaltsverzeichnis
Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele ...................................................................................... 3
Lehrerversuche.................................................................................................................................................................. 3
V 1 – Gelber Sack als Heißluftballon..................................................................................................................... 3
V2 – Unterschiedliche Dichte von Gasen: Luft, Helium und Wasserstoff...............................................5
Schülerversuche ............................................................................................................................................................... 6
V3 - Schwebende Kartoffel....................................................................................................................................... 6
V4 – Zuckergehalt von CocaCola-Produkten..................................................................................................... 8
V5 – Bestimmung des Zuckergehalts von Apfelsaft mit einem Aräometer...........................................9
V6 – Trennung von Kunststoffmüll ................................................................................................................... 11
Arbeitsblatt – Bestimmung des Zuckergehaltes von Apfelsaft....................................................................14
Reflexion des Arbeitsblattes ..................................................................................................................................... 15
Erwartungshorizont (Kerncurriculum)............................................................................................................ 15
Erwartungshorizont (Inhaltlich)......................................................................................................................... 15
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1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele
Die Dichte ist eine physikalische Größe eines Körpers, definiert durch das Verhältnis seiner Masse zu seinem Volumen. Diese Definition und das Prinzip des Auftriebs sollten den SuS aus dem
Physikunterricht bekannt sein, um die Dichte als Größe zur Unterscheidung und Trennung von
Stoffen verwenden zu können.
Im niedersächsischen Kerncurriculum Chemie wird im Basiskonzept Stoff-Teilchen genannt,
dass die SuS am Beispiel der Dichte als proportionale Zuordnung Bezüge zur Mathematik herstellen sollen, was in V5 berücksichtigt wird. Weiter sollen die SuS laut des Kerncurriculums das
Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer Kenntnisse von Nachweisreaktionen erklären und die
Bestimmung der Dichte als Nachweisreaktion vorgestellt werden. In Versuch V2 werden daher
Gase anhand ihrer Dichte charakterisiert und in V5 wird in Apfelsaft anhand der Dichte Zucker
nachgewiesen und quantitativ bestimmt. Ein weiteres Lernziel, das in V6 verfolgt wird, ist, dass
die SuS Trennverfahren beschreiben, die auf der Ausnutzung unterschiedlicher Stoffdichten beruhen.
In Versuch V1 wird die Temperaturabhängigkeit der Dichte genutzt, um einen gelben Sack durch
heiße Luft wie einen Heißluftballon aufsteigen zu lassen. Die Versuche V3 und V4 zeigen die
Konzentrationsabhängigkeit der Dichte von wässriger Lösungen am Beispiel von Salzwasser und
Cola-Sorten.
Dichteunterschiede sind für die SuS im Alltag allgegenwärtig, da beispielsweise Schiffe schwimmen, erhitzte Luft Weihnachtspyramiden antreibt und Wasser sich beim Gefrieren im Eisfach
ausdehnt.
In den Versuchen werden Dichteänderungen und Unterschiede nur qualitativ oder halbquantitativ bestimmt, da absolute Werte von den SuS nur schwer einzuordnen sind.
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2 Lehrerversuche
2.1
V 1 – Gelber Sack als Heißluftballon
Dieser Versuch zeigt, dass sich die Dichte der Luft durch Erhitzen verringert. Mit Hilfe eines
gelben Sacks und Teelichtern wird so die Funktionsweise eines Heißluftballons demonstriert.
Beim Versuch kann es SuS leicht passieren, dass die Plastiktüte in die Flammen gerät, weshalb
sich das Experiment eher als Lehrerversuch eignet. Auch würden sonst sehr viele Teelichter
benötigt.
Als Vorwissen, sollten den SuS das Prinzip der Auftriebskraft bekannt sein.
Materialien:
Gelber Sack, 3 Stative, 10 Teelichter
Durchführung:
Die Stative werden im Dreieck so aufgestellt, dass der gelbe Sack locker darüber gestülpt werden kann. Der gelbe Sack wird so gekürzt, dass er nach
dem Überzug über die Stative genau bis zum Boden reicht. Zwischen den
Stativen werden die 10 Teelichter brennend aufgestellt. Dann wird der gelbe
Sack vorsichtig über die Stative bis zum Boden gezogen.
Beobachtung:
Nach 2-5 Minuten steigt der gelbe Sack etwa einen Meter in die Höhe.
Abbildung 1: Aufsteigender gelber Sack
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Deutung:
Die Luft innerhalb des gelben Sackes wird erhitzt, wodurch sich ihre Dichte
verringert. Da die Dichte der Umgebungsluft dann in Relation höher ist,
wirkt eine Auftriebskraft auf den gelben Sack, sodass dieser zu steigen beginnt. Die Stative sorgen für einen senkrechten Aufstieg.
Der Versuch kann verwendet werden, die Temperaturabhängigkeit der Dichte zu demonstrieren. Alternativ kann hierzu auch ein Versuch mit unterschiedlich gefärbtem kalten und warmen Wasser, das in Flaschen in ein Wasserbecken gegeben wird, durchgeführt werden.
Hinweis: Ohne die Stative kippt der gelbe Sack um, anstatt hochzusteigen. Ist die Decke des
Ballons nicht hoch genug über den Kerzen, beginnt der gelbe Sack zu schrumpfen.
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2.2
V2 – Unterschiedliche Dichte von Gasen: Luft, Helium und Wasserstoff
Dieser Versuch zeigt, dass Wasserstoff eine geringere Dichte hat als Helium und beide Gase
eine geringere Dichte haben als Luft, indem ein mit Helium gefüllter Ballon und Wasserstoff in
einen umgedrehten Glasbehälter gegeben werden. Da hier mit Druckgasflaschen gearbeitet
werden muss und Wasserstoff leicht entzündlich ist, muss der Versuch von der Lehrperson
durchgeführt werden.
Gefahrenstoffe
Helium
H: 280
P: 403
Wasserstoff
H: 220 - 280
P: 210 – 377 – 381 - 403
Materialien:
Ein großer Glasbehälter, 3 Hexen, ein kleiner Ballon
Chemikalien:
Helium, Wasserstoff
Durchführung:
Der Glasbehälter wird mit der Öffnung nach unten auf den drei Hexen aufgesetzt. Die Höhe wird so angepasst, dass der kleine Ballon aufgeblasen in das
Abbildung 2: Der mit Helium gefüllte Ballon schwebt unter
der Wasserstoffschicht.
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Gefäß gebracht werden kann. Der Ballon wird mit Helium gefüllt und in das
Gefäß eingeführt. Das Gefäß wird etwa bis zur Hälfte mit Wasserstoff gefüllt.
Beobachtung:
Der mit Helium gefüllte Ballon steigt zunächst bis zur Decke des Gefäßes auf.
Beim Befüllen mit Wasserstoff, sinkt der Ballon ab.
Deutung:
Da die Dichte von Helium geringer ist als die der Luft, steigt der Ballon zunächst an die Decke des Gefäßes. Die Dichte von Wasserstoff ist noch geringer, sodass sich eine Wasserstoffschicht unterhalb der Gefäßdecke bildet,
unter welcher der Heliumballon hängen bleibt.
Entsorgung:
Sowohl der verwendete Wasserstoff als auch das Helium können zur Diffusion in den Raum freigegeben werden. Danach sollte kurz gelüftet werden.
Der Versuch kann verwendet werden, um deutlich zu machen, dass die Dichte eines Gases eine
charakteristische Größe ist und dass drei farb- und geruchlose Gase wie Luft, Helium und Wasserstoff durch sie deutlich voneinander unterschieden werden können.
3 Schülerversuche
3.1
V3 - Schwebende Kartoffel
In diesem Versuch wird gezeigt, dass sich die Dichte von Wasser erhöht, wenn Kochsalz darin
gelöst wird und dass sich wässrige Phasen mit unterschiedlicher Dichte einfach schichten lassen. Bei diesem Versuch wird vorausgesetzt, dass den SuS der Zusammenhang von Dichte und
Auftriebskraft bekannt ist.
Gefahrenstoffe
Natriumchlorid
-
-
Wasser
-
-
Materialien:
(Becher-)glas, Löffel, Kartoffel, Messer
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Chemikalien:
Wasser, Natriumchlorid (Kochsalz)
Durchführung: Das Becherglas wird etwa bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt und unter Rühren so
viel Natriumchlorid zugegeben, bis die Lösung gesättigt ist. Über einen Löffel
Abbildung 3: Die Kartoffelscheibe schwebt an der
Grenze der wässrigen Phasen.
wird Leitungswasser in das Becherglas gegossen, sodass die Salzlösung
überschichtet und das Glas gefüllt wird. Aus der Kartoffel wird eine 5 mm dicke Scheibe abgeschnitten und flach in das Becherglas gelegt.
Beobachtung:
Die Kartoffelscheibe sinkt bis zur Hälfte der Glashöhe herab und hält dann
ihre Position.
Deutung:
Die Salzlösung hat eine höhere Dichte als das reine Leitungswasser, sodass
sich die beiden wässrigen Phasen bei der Überschichtung nicht vermischen.
Die Kartoffelscheibe hat eine höhere Dichte als Wasser, weshalb sie durch
die Obere Phase sinkt. Sie hat eine geringere Dichte als die salzhaltige Phase,
weshalb sie auf dieser schwimmt.
Entsorgung:
Die Kartoffelscheibe wird im Biomüll entsorgt. Die Lösung wird in den Abfluss gegeben.
Der Versuch kann als Hausaufgabenversuch verwendet werden, da er einfach durchzuführen
ist und mit Materialien und Chemikalien aus der Küche auskommt.
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3.2
V4 – Zuckergehalt von CocaCola-Produkten
In diesem Versuch wird am Beispiel von CocaCola und ihrer Light- und Zerovariante gezeigt,
dass der Zuckergehalt von Getränken ihre Dichte beeinflusst. Hier wird vorausgesetzt, dass
den SuS der Zusammenhang zwischen Dichte und Auftriebskraft bekannt ist.
Gefahrenstoffe
-
Wasser
-
Materialien:
Großes Glasbecken
Chemikalien:
Wasser, je eine Getränkedose CocaCola, CocaCola-Light und CocaCola-Zero
Durchführung:
Das Becken wird mit Leitungswasser gefüllt und die Getränkedosen werden
aufrecht in das Wasser gestellt.
Beobachtung:
Die CocaCola-Dose sinkt auf den Grund des Beckens, die beiden anderen Dosen schwimmen.
Abbildung 4: CocaCola-Produkte in Wasser
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Deutung:
CocaCola enthält Zucker, was die Dichte im Vergleich zum Wasser erhöht.
Die Dichte der beiden anderen Getränke ist geringer als diejenige von Wasser, sodass diese schwimmen.
Dieser Versuch eignet sich sehr gut als Schülerversuch, da er sehr schnell und einfach durchzuführen ist und durch die Verwendung der populären Getränke die SuS motiviert werden.
Gleichzeitig überprüfen die SuS mit diesem Versuch, ob Cola-Light und Cola-Zero tatsächlich
weniger Zucker enthalten als CocaCola.
3.3
V5 – Bestimmung des Zuckergehalts von Apfelsaft mit einem Aräometer
In diesem Versuch wird zunächst die Anleitung zum Bau eines Aräometers (Messgerät zur Bestimmung der Dichte) vorgestellt und anschließend mit Hilfe von diesem und angesetzten Probelösungen der Zuckergehalt von Apfelsaft bestimmt. Dabei wird der Saft vereinfachend als
Zuckerlösung betrachtet. Für den Versuch werden Kenntnisse aus der Mathematik wie Proportionalität, Umgang mit einem Koordinatensystem und Wertepaarbestimmung an Geraden proportionaler Zuordnungen vorausgesetzt. Auch das Prinzip der Auftriebskraft sollte den SuS bekannt sein.
Zucker (Saccharose)
Gefahrenstoffe
-
-
Apfelsaft
-
-
Wasser
-
-
Materialien:
Pappe, Schere, Lineal, Stift, wasserfester Stift. 1 Reagenzglas, 1 schmaler
Standzylinder, 3 Bechergläser, Sand
Chemikalien:
Zucker (Saccharose), Wasser, Apfelsaft
Bauanleitung:
Aus der Pappe wird ein schmaler Streifen ausgeschnitten, der in das Reagenzglas passt. Nach dem oberen drittel des Pappstreifens wird eine waagrechte Linie gezogen und diese mit einer 1 beschriftet. Auf den Pappstreifen
wird nun eine gleichmäßige Skala gezeichnet, die besonders unterhalb der
Markierung sehr fein sein sollte. Im Reagenzglas wird der beschriftete Streifen mit einer 1 cm dicken Sandschicht fixiert. Das Aräometer wird in eine
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mit Wasser gefüllten Standzylinder getaucht und solange weiter mit Sand
befüllt, bis die Eintauchtiefe mit der Markierung übereinstimmt.
Hinweis: Der Pappstreifen darf nun nicht mehr bewegt werden. Die Messungen finden in einem schmalen Standzylinder statt, damit das Aräometer nicht umkippt.
Durchführung:
In den 3 Bechergläsern werden Zuckerlösungen angesetzt: Es werden 10 g,
15 g und 20 g Zucker jeweils in 80 ml Wasser gelöst. Der Standzylinder wird
mit je einer der Lösungen befüllt und das Aräometer eingetaucht. Die Eintauchtiefe wird am Pappstreifen abgelesen und mit einem wasserfesten Stift
auf dem Reagenzglas markiert. Dies wird mit allen drei Zuckerlösungen und
dem Apfelsaft durchgeführt.
Beobachtung:
Je höher der Zuckergehalt der Lösung ist, desto geringer ist die Eintauchtiefe
des Aräometers. Die Eintauchtiefe liegt beim Apfelsaft unterhalb der von reinem Wasser.
Abbildung 5: Aräometer in einer Zuckerlösung.
Deutung:
Die dichte nimmt mit steigendem Zuckergehalt zu. Apfelsaft enthält Zucker.
Um den Versuch quantitativ auszuwerten, können die am Aräometer abgelesenen Werte mit Hilfe von Literaturangaben in absolute Dichtewerte umgerechnet werden, oder es werden die Werte des Aräometers ohne Maßeinheit
verwendet. Aus den Werten der Zuckerlösungen wird eine Eichgerade erstellt, indem die Dichtewerte gegen den Zuckergehalt aufgetragen werden
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und eine Ausgleichsgerade gezeichnet wird. Über den Dichtewert des Apfelsaftes kann mit Hilfe der Geraden der Zuckergehalt des Getränks abgelesen
werden.
Entsorgung:
Die Lösungen und der Apfelsaft können in den Ausguss gegeben werden.
Der Pappstreifen wird im Papiermüll entsorgt und der Sand wird zur Wiederverwendung gesammelt.
Der Versuch kann verwendet werden, um den SuS einen ersten Zugang zur quantitativen Auswertung eines Versuches mit Hilfe einer Auftragung zu geben. Auf Grund der groben Skalierung sind keine genauen Ergebnisse zu erwarten.
3.4
V6 – Trennung von Kunststoffmüll
In diesem Versuch wird gezeigt, dass die am häufigsten für Verpackungen gebrauchten Kunststoffe (PET, PE und PS) auf Grund ihrer unterschiedlichen Dichten voneinander getrennt werden können. Die Trennung wird hier in zwei Teilversuchen erreicht. Es wird vorausgesetzt,
dass den SuS der Zusammenhang von Dichte und Auftriebskraft bekannt ist.
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Gefahrenstoffe
-
-
PE (Polyethylen)
-
-
PS (Polystyrol)
-
-
Wasser
-
-
PET (Polyethylenterephthalat)
Materialien:
großes Becherglas, Bunsenbrenner, Dreifuß, Glasstab, Schere
Chemikalien:
Wasser, PET (Kunststoffwasserflasche), PE (Verpackungsfolie oder Tüte, PS
(Styropor)).
Durchführung 1:
Die Kunststoffe werden mit Hilfe der Schere zerkleinert, dann vermengt und
in das mit Wasser gefüllte Becherglas gegeben. Mit dem Glasstab wird kurz
gerührt.
Beobachtung 1:
Die Kunststoffstücke aus PET setzen sich am Boden des Becherglases ab. Die
PS-Stücke schwimmen auf der Oberfläche des Wassers, die PE-Stücke
schwimmen knapp unter der Oberfläche oder schweben auf mittlerer Höhe.
Deutung 1:
PET hat bei 20 °C eine Dichte von 1,35 g cm-3[2], Wasser von 1,00 g cm-3, PE
von 0,92 – 0,97 g cm-3 und PS von 1,06 – 1,12 g cm-3[1]. Da PET deutlich die
höchste Dichte besitzt, geht es in Wasser unter. PE hat eine etwas geringere
Dichte als Wasser und schwimmt daher. Polystyrol hat zwar eine höhere
Dichte als Wasser, ist in Form von Styropor jedoch so stark mit Luftblasen
durchsetzt, dass es effektiv eine viel geringere Dichte besitzt.
Durchführung 2: Das PS und PE wird abgeschöpft und zur Seite gelegt. Das PET wird aus dem
Becherglas entfernt. Das Wasser wird im Becherglas mit Hilfe des Bunsenbrenners zum Kochen gebracht. anschließend werden das PS und das PE
wieder in das Becherglas gerührt.
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Abbildung 6: PET (schwarz) setzt sich am Boden
ab.
Beobachtung 2:
Die PE-Stückchen sinken zum Boden des Becherglases, das PS schwimmt auf
der Oberfläche des Wassers.
Deutung 2:
Das Erhitzen hat die Dichte des Wassers verringert, sodass sie nun unterhalb der von PE liegt.
Entsorgung:
Die Kunststoffe werden im gelben Sack entsorgt, das Wasser kann in den
Ausguss gegeben werden.
Literatur:
[1] David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, 89th Edition
(Internet Version 2009), S. 15-39
[2] GESTIS-Stoffdatenbank http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll?f=templates&fn=default.htm&vid=gestisdeu:sdbdeu (zuletzt aufgerufen 31.7.2013
20:30 Uhr)
Der Versuch zeigt ein auf unterschiedlichen Dichten beruhendes Trennverfahren und knüpft
gleichzeitig an das Thema Müllentsorgung und Recycling an. Daher kann der Versuch im Unterricht sowohl zu den Themen Dichte, Trennverfahren inhomogener Gemische und im Bereich
Umweltchemie verwendet werden.
Beachtet werden muss, dass das Gelingen des zweiten Teilversuches von den verwendeten PEFolien abhängt, da die Verringerung der Wasserdichte sonst eventuell nicht ausreicht. Hier
wurde mit Tüten gearbeitet, wie sie im Einzelhandel meist verwendet werden.
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Arbeitsblatt – Bestimmung des Zuckergehaltes von Apfelsaft
Versuch:
Materialien: Aräometer, 1 Standzylinder, 3 Bechergläser
Chemikalien: Wasser, Zucker, Apfelsaft
Durchführung: Ermittle mit deinem Aräometer die Dichte folgender Lösungen:
1. Zuckerlösung: 10 g Zucker in 80 ml Wasser.
2. Zuckerlösung: 15 g Zucker in 80 ml Wasser.
3. Zuckerlösung: 20 g Zucker in 80 ml Wasser.
Tauche das Aräometer nacheinander in die Zuckerlösungen und zum Schluss in
Apfelsaft. Markiere mit einem wasserfesten Stift auf dem Reagenzglas die Eintauchtiefe.
Beobachtung: Übertrage die Markierungen rechts auf die Skala:
_____________________________________________________________________
Aufgaben:
1. Erläutere, woran man erkennt, dass der Apfelsaft Zucker enthält.
2. Bestimme den Zuckergehalt des Apfelsaftes, indem du eine Auftragung in einem
Koordinatensystem erstellst. Trage an der x-Achse den Zuckergehalt der Lösungen auf, die y-Achse ist die Aräometerskala.
3. Vergleiche dein Ergebnis mit der Angabe auf der Apfelsaftpackung. Diskutiere
mit deinem Sitznachbarn, warum die Werte unterschiedlich sein können und
schreibt eure Ideen auf.
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4 Reflexion des Arbeitsblattes
Das Arbeitsblatt setzt voraus, dass die SuS bereits ein einsatzfähiges Aräometer gebaut haben.
Dieses sollen sie hier verwenden, um den Zuckergehalt von Apfelsaft zu bestimmen und ihr Ergebnis zu reflektieren. Der Apfelsaft wird dabei vereinfachend als Zuckerlösung angesehen.
4.1
Erwartungshorizont (Kerncurriculum)
Die Aufgaben 1 bis 3 steigern das Aufgabenniveau von I bis III.
Die vom Arbeitsblatt geförderten Kompetenzen finden sich im Stoff-Teilchen Basiskonzept:
Fachwissen:
Die SuS erklären das Vorhandensein von Stoffen anhand ihrer
Kenntnisse über Nachweisreaktionen. (Aufgabe 1).
Erkenntnisgewinnung:
Die SuS wenden Nachweisreaktionen an. (Versuch)
Kommunikation:
Die SuS erklären chemische Sachverhalte unter Anwendung der
Fachsprache. (Aufgabe 1)
Die SuS stellen gewonnene Daten in Diagrammen dar. (Aufgabe 2)
Die SuS diskutieren erhaltene Messwerte. (Aufgabe 3)
Bewertung:
Stellen Bezüge zur Mathematik (proportionale Zuordnung am Bsp.
der Dichte) her. (Aufgabe 2)
4.2
Erwartungshorizont (Inhaltlich)
1. In den Zuckerlösungen hat das Aräometer eine geringere Eintauchtiefe als in Wasser. Da
es auch in Apfelsaft eine geringere Eintauchtiefe hat und Apfelsaft süß schmeckt, kann
geschlossen werden, dass er Zucker enthält.
2. Zunächst werden die Zuckergehalte der Lösungen ausgerechnet (1. Lösung 0,125 g ml-1,
2. Lösung 0,187 g ml-1, 3. Lösung 0,25 g ml-1) und die Auftragung erstellt (vgl. Abb7). An
der Eichgeraden kann der Zuckergehalt des Apfelsaftes abgelesen werden. Er beträgt im
Beispiel 0,12 g ml-1 also 12 g Zucker auf 100 ml.
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Abbildung 7: Auftragung zur Bestimmung des Zuckergehaltes
3. Auf der Apfelsaftpackung sind 9,5 g Zucker pro 100 ml angegeben, also ein niedrigerer
Wert, als der ermittelte.
Als mögliche Gründe für die Abweichung könnten die SuS nennen:
•
Die Skala des Aräometers ist zu ungenau.
•
Es wurde nicht genau abgelesen.
•
Ein Rechenfehler kann aufgetreten sein.
•
Der auf der Packung angegebene Wert ist falsch.
•
Es können weitere Stoffe im Apfelsaft enthalten sein, die die Dichte verändern.