Praktikumsskript Stand: WiSe 2010/2011 - Fachbereich Chemie ...
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<strong>Praktikumsskript</strong><br />
<strong>Stand</strong>: <strong>WiSe</strong> <strong>2010</strong>/<strong>2011</strong><br />
<strong>Fachbereich</strong> <strong>Chemie</strong>, Pharmazie und Geowissenschaften<br />
Abteilung für Lehramtskandidaten der <strong>Chemie</strong>
_____________________________________________________________________________<br />
INHALTSVERZEICHNIS<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Vorbemerkungen .............................................................................................................. 11<br />
1. Schulversuche mit Namen .......................................................................................... 13<br />
1.1 „Springbrunnenversuch“ ........................................................................................ 14<br />
1.2 „Ölfleckversuch“ ................................................................................................... 16<br />
1.3 „Thermitversuch“ .................................................................................................. 18<br />
2. Experimente in der Projektion .................................................................................. 110<br />
a) mit der Videokamera<br />
2.1 „Chemischer Garten“ ............................................................................................. 12<br />
b) mit dem gekippten OH-Projektor und Demonstrationsspiegel<br />
2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung ...................................................................... 14<br />
2.3 Tücken einer Projektion ........................................................................................ 14<br />
2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser) .......................................... 15<br />
c) auf dem Lichttisch des OH-Projektors<br />
2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess ......................................................................... 15<br />
2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat ................................................................ 16<br />
2.7 Fraktale Abscheidung von Silber ........................................................................... 17<br />
3. Modellversuche ........................................................................................................... 18<br />
3.1 Modellversuche zur Kinetik ................................................................................... 19<br />
3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht / Reaktionsfolge.........................25<br />
3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit ........................................................ 26<br />
4. Computerunterstütztes Experimentieren .................................................................. 29<br />
4.1 Leitfähigkeitstitration ............................................................................................ 32<br />
4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution) ........................................ 34<br />
4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik ..................................................... 35
5. Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen .............................................................. 38<br />
5.1 Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium .............................................. 39<br />
5.2 „Kerzentreppenversuch“ ........................................................................................ 39<br />
5.3 Bildung von Stickoxiden …………………………………………………….......... 40<br />
5.4 Der Sauerstoffgehalt der Luft ................................................................................ 42<br />
5.5 Verbrennung in reinem Sauerstoff…………………………………………………. 43<br />
5.6 Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff…………………………………… 43<br />
6. Analyse und Synthese des Wassers ............................................................................ 45<br />
6.1 Die Elektrolyse von Wasser (Hofmann’scher Zersetzungsapparat) ......................... 46<br />
6.2 Die Solar-Wasserstoff-Technologie im Modellexperiment ..................................... 47<br />
6.3 Die Synthese des Wassers (Eudiometer) ................................................................ 49<br />
6.4 Zünden eines Wasserstoffballons ……………........................................................ 50<br />
7. Darstellung und Bromierung eines Alkens………………………………………… 52<br />
7.1 Die Darstellung des Alkens: Isobuten……………………………………………… 53<br />
7.2 Die Bromierung des Alkens…………………………………………………………54<br />
7.3 Variante: Bromierung von Alkenen…………………………………………………55<br />
8. Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör.........................................56<br />
8.1 Vergleich einer Bürettentitration mit einer Spritzentitration ……………………… .58<br />
8.2.1 Beeinflussung des Gleichgewichtes NO/NO 2 ………………………………………59<br />
8.2.2 Reaktion von Magnesium mit Salzsäure - Konzentrationsabhängigkeit……………60<br />
8.3 Versuche rund um Chlor…………….……………………………………………… 60<br />
8.4 Analyse einer Brausetablette…………………………………………………………62<br />
8.5 Der Kalkkreislauf im Kleinen……………………………………………………… 63
__________________________________________________________________________<br />
VORBEMERKUNGEN<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Die Kistenversuche und deren Intention<br />
Die Versuchsgruppen, für die das vorliegende Skript und eine feste Ausrüstung gestellt werden,<br />
werden während des Semesters jeweils innerhalb eines halben Tages durchgeführt. Zwei<br />
Praktikanten 1 arbeiten jeweils zusammen.<br />
Die Hauptintention der Versuchsgruppen ist die Reaktivierung und Festigung von praktischen<br />
Fertigkeiten beim Umgang mit technischen Apparaturen und speziellen Experimentalaufbauten.<br />
Hierzu zählen etwa das Arbeiten mit Gasen und Gasflaschen, mit elektrischen Geräten, mit<br />
Geräten zur Projektion, mit Modellen oder mit dem Computer.<br />
Die Aus- und Bewertung der Experimente<br />
Zu einem Kistenversuch ist ein Protokoll anzufertigen und abzugeben.<br />
1. Theoretische Auswertungen, insbesondere Berechnungen und graphische Auftragungen, z. B.<br />
mit einer Tabellenkalkulation, werden am Versuchstag direkt durchgeführt.<br />
2. Am Versuchstag wird ein Gespräch mit dem Assistenten geführt. Dabei spielen sowohl die<br />
theoretischen Grundlagen, die theoretische Auswertung als auch die Beurteilung der<br />
Einsatzfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten im Unterricht eine entscheidende Rolle.<br />
Unter der Rubrik „Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz“ sind zu jeder Versuchsgruppe<br />
unterrichtsbezogene Fragestellungen notiert, die mit dem Assistenten besprochen und<br />
diskutiert werden.<br />
3. Es wird vorausgesetzt, dass die Praktikanten zum Versuchstag über die theoretischen<br />
Grundlagen des Experiments und über den Einsatz im Unterricht optimal informiert sind. Bei<br />
unzureichender Vorbereitung werden die Versuche an einem anderen Tag durchgeführt.<br />
Praktikumsbuch<br />
Als einbändiges Praktikumsbuch wird empfohlen:<br />
KARL HÄUSLER, HERIBERT RAMPF, ROLAND REICHELT; Experimente für den <strong>Chemie</strong>unterricht;<br />
Verlag Oldenbourg; 2. Aufl. 1995.<br />
Das Buch wird im Skript mit "HRR" zitiert.<br />
1<br />
Im Folgenden wird bei den Personengruppen stets die männliche Form gewählt.
Vorbemerkungen 2<br />
Praktikumsordnung<br />
1. Beim Experimentieren ist eine Schutzbrille zu tragen.<br />
2. Rauchen, Essen und Trinken sind im Labor nicht gestattet.<br />
3. Unbefugten ist der Zutritt zum Praktikumsraum nicht erlaubt.<br />
4. Jeder Praktikant ist für den ordnungsgemäßen Zustand seines Arbeitsplatzes sowie des<br />
übernommenen Inventars verantwortlich. Beschädigungen von Institutseigentum werden auf<br />
Kosten des Urhebers behoben.<br />
5. Das Arbeiten mit übelriechenden, stark giftigen oder aggressiven Substanzen, die als Gase frei<br />
werden können, darf nur unter den Abzügen vorgenommen werden.<br />
6. Entliehene Bücher und Zeitschriften dürfen nur auf den Schreibplätzen und nicht auf den<br />
Labortischen benutzt werden.<br />
7. Das Praktikum wird mit der ordnungsgemäßen Abgabe des Arbeitsplatzes und ausgeliehener<br />
Geräte abgeschlossen.<br />
Betriebsanweisungen<br />
Die Betriebsanweisungen zum sicheren Arbeiten im Praktikum bestehen aus<br />
1. der Laboratoriumsordnung und den Betriebsanweisungen des anorganisch-chemischen<br />
Praktikums.<br />
2. den Sicherheitsbelehrungen zum anorganisch-chemischen Praktikum und einer<br />
Sicherheitsbelehrung, die Teil des Praktikumsseminars ist.<br />
Das Arbeiten mit Stahlflaschen<br />
Grundlegende Handgriffe und Sicherheitsmaßnahmen bei der Benutzung von Gasflaschen können<br />
dem Praktikumsbuch „HRR“ (S. 8-10) entnommen werden. Sie sind bei fast allen<br />
Versuchsgruppen erforderlich.
_____________________________________________________________________________<br />
1. VERSUCHSGRUPPE:<br />
SCHULVERSUCHE MIT NAMEN<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 1.1 1 Rundkolben mit Schliff (500 mL),<br />
2 Rundkolben (2 L bzw. 3 L) mit Korkring dazu passend:<br />
1 Tropftrichter mit Schliff, Druckausgleich 1 einfach durchbohrter Gummistopfen<br />
und seitlichem Ansatz<br />
1 zweifach durchbohrter Gummistopfen<br />
1 kleiner Glastrichter 1 Glasrohr (ca. 75 cm lang)<br />
1 Schlauch (ca. 0,5 m lang) 1 gebogenes Glasrohr<br />
1 Handpumpe (alternativ: Peleusball) 1 Plastikstopfen<br />
1 Brenner mit Schlauch<br />
1 Pulvertrichter<br />
Zusatzmaterial für Versuchsteil B:<br />
2 Spritzen (60 ml)<br />
Verbindungsstück<br />
Pipettenhütchen<br />
Nagel<br />
zu 1.2 1 Mikrobürette (10 mL) 1 Messzylinder (5 mL)<br />
1 Kristallisierschale (Ø = 19 cm) 1 Lineal mit mm-Skalierung<br />
1 kleiner PVC-Trichter 1 Sieb<br />
1 Bürettenklammer<br />
zu 1.3 3 Bechergläser (100 mL) 1 Uhrglas (Ø = 5 cm)<br />
1 Mörser mit Pistill [Pulvertrichter aus 1.1]<br />
1 Blumentopf aus Ton 1 Magnet<br />
1 Eisenring 1 Feile<br />
1 Spatel 1 Pinzette<br />
1 Rolle aus Pappe 1 Hammer<br />
1 Bogen Pappe 1 Tiegelzange<br />
1 Schere 1 Rolle Tesafilm<br />
Chemikalien:<br />
zu 1.1 Ammoniumchlorid (Xn) 1 %ige Phenolphthalein-Lösung<br />
50 %ige KOH (C)<br />
zu 1.2 Stearinsäure in Hexan Bärlappsporen<br />
(6 mg pro 100 mL Lösung), F, Xi kleine Spritzflasche mit Aceton<br />
zu 1.3. Eisen(III)oxid Magnesiumspäne (F)<br />
Aluminiumgrieß<br />
Magnesiumband<br />
Sand (mit Vorratsbehälter)<br />
Ausleihen:<br />
1 Topf mit Sand
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 4<br />
Vor Beginn der Versuchsgruppe werden 15 g Eisenoxid zu Versuch 1.3 bereits in den<br />
Trockenschrank (bei 120 °C) gestellt.<br />
1.1 „Springbrunnenversuch“<br />
(Löslichkeit und Basizität von Ammoniak)<br />
Versuchsaufbau:<br />
Kalilauge<br />
Ammoniak<br />
Handpumpe<br />
Ammoniumchlorid<br />
1. Tropftrichter (mit Druckausgleich und seitlichem Ansatz), Rundkolben und Schlauch werden<br />
im Abzug wie abgebildet zu einem Gasentwickler zusammengebaut und mit zwei Klammern<br />
am Stativ befestigt. Unter dem Kolben steht ein Bunsenbrenner.<br />
2. In einen zweifach durchbohrten Gummistopfen ist erstens ein ca. 75 cm langes Glasrohr,<br />
dessen eine Seite zu einer Düse ausgezogen ist, und zweitens ein kürzeres gebogenes<br />
Glasrohr, an dem eine Handpumpe befestigt wird, gedreht (s. Abbildung).<br />
Dieser Stopfen passt auf einen 3 L-Kolben (in der Abb. unten), der mit einer Klammer am<br />
Boden des Stativs befestigt wird. Das lange Glasrohr ist so tief hereinzudrehen, dass es beim<br />
Aufsetzen des Stopfens bis fast auf den Boden des Kolbens reicht.<br />
Dieser Kolben wird mit Wasser, das mit mehreren Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt ist,<br />
vollständig gefüllt.<br />
Auf der anderen Seite des großen Glasrohres wird ein einfach durchbohrter Gummistopfen<br />
angebracht, der auf den weiteren, allerdings trockenen 2 L-Kolben (in der Abb. oben) passt.<br />
Das Glasrohr soll an diesem Ende jedoch nur ca. 3-4 cm über dem Gummistopfen überstehen.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Im Abzug werden zu 26 g NH 4 Cl (0,5 mol) im Kolben des Gasentwicklers 100 mL 50 %ige Kalilauge<br />
(ca. 1 mol KOH) getropft. Durch vorsichtiges Befächeln mit kleiner entleuchteter Bunsenbrennerflamme<br />
wird die Freisetzung des Ammoniaks grob gesteuert.
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 5<br />
Versuchsteil A, Vorbereitung:<br />
Die trockene 60 ml - Spritze wird mit der Öffnung nach unten (Spritze ohne Stempel) mit<br />
Ammoniakgas gefüllt und anschließend mit dem Pipettenhütchen verschlossen. Blockiere mit<br />
Hilfe eines Nagels den Kolben der Spritze mit dem Gas, so dass dieser sich nicht mehr<br />
hineindrücken lässt.<br />
Versuchsteil B, Vorbereitung:<br />
Ebenso wird der trockene 2 L - Kolben, der mit der Öffnung nach unten an einem Stativ befestigt<br />
ist, mit Ammoniakgas gefüllt. (Bis zum nächsten Versuchsschritt kann auch der Kolben<br />
vorübergehend mit einem Stopfen verschlossen werden.)<br />
Versuchsteil A:<br />
Ziehe eine Spritze („Wasser“) mit der Indikatorlösung auf und stecke<br />
das Verbindungsstück auf die Spritze.<br />
Stecke die Spritze mit dem Ammoniakgas zügig auf die erste Spritze.<br />
Spritze nun mit einem Ruck etwas Wasser in die Spritze mit dem Gas,<br />
bis eine Fontäne von selbst beginnt!<br />
Versuchsteil B:<br />
Der Kolben mit Ammoniakgas wird anschließend auf den vorbereiteten oberen Stopfen des<br />
langen Glasrohres herabgelassen und verschlossen. Er wird mit einer Klammer am Stativ<br />
befestigt.<br />
Mit der Handpumpe wird etwas Wasser in den oberen Kolben hoch gedrückt, bis eine Fontäne<br />
(„Springbrunnen-Effekt“) von selbst beginnt. Sofort ist dann die Handpumpe zu entfernen, da<br />
ansonsten kein Wasser nachströmen könnte.<br />
Wie rein war das hergestellte gasförmige NH 3 im Kolben?<br />
Information und Sicherheit:<br />
1 L Wasser löst bei Zimmertemperatur ca. das 700-fache seines Eigenvolumens an Ammoniak.<br />
Aufgrund einer Implosionsgefahr ist darauf zu achten, dass nur Rundkolben und keine<br />
schadhaften Gefäße verwendet werden. Die durchbohrten Stopfen sind nicht zu klein zu wählen,<br />
da ansonsten die Gefahr besteht, dass sie in das Glasgefäß gesaugt werden.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Wie würden Sie in der Sekundarstufe I die selbsttätige Fontäne erklären?<br />
Lohnt sich die Demonstration dieses Versuchs im Unterricht? Wenn ja, unter welchen inhaltlichen<br />
Aspekten? Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile des Springbrunnenversuchs mit der<br />
„Spritzentechnik“! Warum muss die Spritze mit dem Gas durch einen Nagel blockiert werden?<br />
Literatur:<br />
1. HRR, 15.12, S.117<br />
2. HRR, 15.13, S. 128<br />
3. J.Chem.Educ. 76 (1999), 932, Ammonia can crush<br />
4. PdN-<strong>Chemie</strong> 49 (2000), Heft 1/14, Der Springbrunnenversuch
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 6<br />
1.2 „Ölfleckversuch“<br />
(Bestimmung der Avogadro-Konstante)<br />
Theoretische Grundlagen:<br />
Eine Stearinsäurelösung in einem niedrig siedenden Lösungsmittel bildet nach dem Auftropfen<br />
auf eine Wasseroberfläche einen großen Fleck, der sich nach dem Verdampfen des Lösungsmittels<br />
zu einer monomolekularen Schicht der Fettsäure zusammenzieht, in der alle Moleküle<br />
gleich ausgerichtet sind. Diese Schicht kann durch vorheriges Aufstreuen von Bärlappsporen in<br />
ihrer Ausdehnung sichtbar gemacht werden. (Alternativ wird Kohlepulver, Talkum oder<br />
Schwefelpulver vorgeschlagen.)<br />
Bei tropfenweiser Zugabe der Fettsäurelösung ist der Flächenzuwachs pro zugegebenem Tropfen<br />
der Lösung zunächst annähernd konstant. Die Bärlappsporenschicht wird dabei immer weiter<br />
zurückgedrängt, bis die Sporen sich allseitig berühren. Ein weiteres Auftropfen von<br />
Fettsäurelösung bewirkt danach praktisch keinen Flächenzuwachs mehr, da der Widerstand der<br />
Bärlappsporen nun dazu führt, dass sich mehrere Schichten der Fettsäuremoleküle<br />
übereinanderschieben.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Eine flache Kristallisierschale (Durchmesser 25 - 30 cm) auf einem weißen Blatt Papier wird etwa<br />
1 cm hoch mit Leitungswasser gefüllt. Für die Bestimmung der Fläche ist es günstig, ein Blatt mit<br />
cm-Skalierung zu verwenden (z. B. ein kariertes Papier), so dass man in der Durchsicht die<br />
Längen direkt ablesen kann. Ersetzt man das Blatt durch eine transparente Folie mit cm-<br />
Skalierung, lässt sich das Experiment auch mit dem Overhead-Projektor demonstrieren.<br />
Auf die Wasseroberfläche werden Bärlappsporen über ein sehr feines Sieb sparsam gestreut.<br />
(Dazu eignet sich auch ein Stück Kunstseidenstrumpf, das wie ein Beutel geformt und mit einigen<br />
Bärlappsporen gefüllt ist.)<br />
Anschließend wird aus einer Bürette aus möglichst geringer Höhe ein<br />
Tropfen der Stearinsäurelösung auf das Zentrum getropft. Das<br />
Auftropfen muss "zügig" geschehen, weil sich ansonsten, wenn der<br />
Tropfen zu lange an der Bürettenöffnung hängt, bevor er abfällt, die<br />
Konzentration der Lösung durch Abdunsten des Lösungsmittels<br />
deutlich erhöht. Es ist günstig, den ersten Tropfen auf ein Uhrglas<br />
abzulassen oder mit einem Filterpapier abzustreifen.<br />
(Stearinsäurelösung: 6 mg Stearinsäure pro 100 mL Lösung in Hexan)<br />
Während des Versuchs sind Luftströmungen und Erschütterungen zu vermeiden. Der<br />
"Stearinsäurefleck" breitet sich langsam aus. Der Durchmesser des sich bildenden Kreises ist zu<br />
bestimmen. Da sich eher eine Ellipse als ein Kreis ausbildet, verwendet man den Mittelwert aus<br />
dem kleinsten und größten Radius. 1<br />
1<br />
Zur Optimierung der Werte würde man die Messungen mehrmals wiederholen und die Ergebnisse mitteln. Da<br />
es bei den Kistenversuchen um die prinzipielle Vorgehensweise geht, wird darauf verzichtet.<br />
Auch könnte man die Ellipse anstelle der vereinfachten Vorstellung des Kreises<br />
wählen, da sie der Figur der sich ausbreitenden Schicht näher kommt. Die<br />
Fläche A einer Ellipse berechnet sich über den Zusammenhang A = ab (s. Abb.)<br />
Die Entscheidung zugunsten des Kreises fällt hier aufgrund der Vorkenntnisse<br />
der Schüler: Ihnen ist die Flächeninhaltsformel eines Kreises bereits am Ende<br />
der 10. Klasse bekannt.
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 7<br />
Anschließend wird die Schale ausgeleert, zweimal mit etwas Aceton aus einer Spritzflasche und<br />
mehrfach mit Wasser gespült.<br />
Das Tropfenvolumen und damit die Menge Stearinsäure, die mit einem Tropfen aufgetragen<br />
wird, ergibt sich aus einer zusätzlichen Messung: Aus der Bürette wird 1 mL Fettsäurelösung in<br />
einen 5 mL-Messzylinder getropft und dabei die genaue Tropfenzahl für 1 mL festgehalten.<br />
Damit ist die Bürette "geeicht" und es lässt sich angeben, welcher Anteil eines mL einen Tropfen<br />
ausmacht. 1<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Berechnen Sie die Avogadro-Konstante nach folgender Auswertung. Vergleichen Sie in Punkt 2<br />
beide Varianten a und b hinsichtlich ihres Ergebnisses und ihrer Vereinfachungen bei den<br />
Modellannahmen:<br />
1. Berechnung des Flächenbedarfs für 1 mol Stearinsäuremoleküle:<br />
Die Stearinsäurelösung enthält: 6 mg Stearinsäure pro mL (600mg/100ml).<br />
Die Eichung der Bürette ergibt: n Tropfen pro mL.<br />
Die Masse Stearinsäure pro Tropfen beträgt dann: ... ?<br />
Mit der Masse Stearinsäure für einen Tropfen und der gemessenen Fläche ist zu berechnen,<br />
welche Fläche von einem Mol (284 g) der Stearinsäure bedeckt wird.<br />
2. Berechnung des Flächenbedarfs eines Stearinsäuremoleküls:<br />
Variante a (unter Verwendung der Messwerte)<br />
• Ermitteln Sie über die Dichte der Stearinsäure ( = 0,845 g/mL) das Volumen V der reinen<br />
Stearinsäure, die sich in einem Tropfen der Lösung befindet.<br />
a<br />
• Fassen Sie den sich ausbreitenden Tropfen geometrisch als<br />
Zylinder auf. Mit Hilfe der Volumenformel V = h . A (h = Höhe<br />
des Zylinders, A = Inhalt der Grundfläche) lässt sich die Höhe h h<br />
eines Stearinsäuremoleküls der monomolekularen Schicht<br />
bestimmen.<br />
A b<br />
• Gehen Sie davon aus, dass das einzelne Molekül der Stearinsäure würfelförmig ist. Dann<br />
entspricht die vorhin berechnete Höhe h der Kantenlänge dieses Würfels. Welche Fläche<br />
nimmt dann das einzelne Molekül auf der monomolekularen Schicht ein?<br />
Variante b (unter Verwendung von Daten aus dem submikroskopischen Bereich)<br />
Für den Flächenbedarf eines Moleküls gehen wir vom Wert 21 . 10 -16 cm 2 aus.<br />
Erklären Sie diesen Wert anhand folgender Modellvorstellung:<br />
Beim Flächenbedarf eines Moleküls wird die Fläche eines Quadrats angenommen, dessen<br />
Seitenlänge sich als Summe aus dem Atomdurchmesser des Kohlenstoffs (154 pm) plus dem<br />
Abstand zweier C-H-Bindungen (218 pm) plus dem zweifachen Atomdurchmesser des<br />
Wasserstoffs (148 pm) errechnet. Es wird ein Quadrat anstelle eines Kreises verwendet, damit<br />
man insgesamt den Inhalt einer lückenlosen Fläche erhält, die kompatibel mit 1. ist.<br />
Die Avogadro-Konstante, also die Zahl der Moleküle pro Mol, ergibt sich dann jeweils als<br />
Quotient aus der Fläche für 1 Mol (aus 1.) und dem Flächenbedarf für ein Molekül (aus 2.).
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 8<br />
1.3 „Thermitversuch“<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Der Versuch wird im Abzug durchgeführt. 2 Die Bodenöffnung eines Blumentopfs aus<br />
gebranntem Ton wird mit einem Stück Pappe abgedeckt. Eine Hülse aus Pappe ist<br />
zurechtzuschneiden und zusammenzukleben, so dass der Durchmesser 4-5 cm beträgt und die<br />
Höhe 1-2 cm niedriger als der Blumentopf ist. Der Blumentopf wird um die Hülse herum mit<br />
Sand aus dem Vorratsgefäß (und nicht aus dem Topf) ausgekleidet, so dass nur ein winziges<br />
Stück der Hülse übersteht.<br />
15 g Eisen(III)oxid sind bereits im Trockenschrank bei 120 °C getrocknet worden. Dieses wird<br />
im Mörser sehr sorgfältig mit 5 g Aluminiumgrieß gemischt. Das Gemisch schüttet man über den<br />
Pulvertrichter in die Hülse und bedeckt es mit 2 g Magnesiumspänen. Den Blumentopf hängt man<br />
in einen am Stativ befestigten Eisenring über eine mit Sand gefüllte Blechwanne (oder Kochtopf)<br />
als feuerfeste Unterlage zum Auffangen des flüssigen Eisens.<br />
Das Gemisch lässt sich mit einem aufgesteckten Magnesiumband (Band doppelt nehmen,<br />
verdrillen und tief reinstecken) als Zündschnur zünden. Dabei sollte das Magnesiumband nicht<br />
sehr weit über den Rand der Papphülse hinausragen, da es ansonsten nach der Zündung<br />
umknicken kann. Bei ungünstigen Witterungsverhältnissen sollte es im Freien mit einem<br />
Kartuschenbrenner gezündet werden.<br />
Nach dem Zünden sofort zurücktreten und den Sicherheitsabstand einhalten!<br />
Bei erfolgreichem Verlauf tritt flüssiges Eisen aus. Zündet die Mischung nicht, so sollte man<br />
unbedingt 5 min. warten, bevor man mit einem neuen Magnesiumband einen weiteren Zündversuch<br />
startet.<br />
Nach dem Erkalten werden die produzierten Eisenstücke unter der Wasserleitung auf<br />
Raumtemperatur abgekühlt, (evtl. auf einem Ziegelstein) mit einem Hammer zerkleinert und mit<br />
einem Magneten geprüft. Der metallische Glanz zeigt sich, wenn man den dunklen Metallregulus<br />
mit einer Feile bearbeitet.<br />
2<br />
Der Versuch kann in der Schule auch mit der dreifachen Menge im Freien durchgeführt werden<br />
(Literaturempfehlung für diesen Fall: 40 g Eisenoxid, 13 g Aluminiumgrieß und 5 g Magnesiumspäne zum<br />
Zünden). Der Mindestsicherheitsabstand vom Reaktionsgefäß beträgt dann 3 m. Alle Schüler tragen eine<br />
Schutzbrille.
1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen 9<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
1. Schaffen Sie einen technischen bzw. praktischen Anwendungsbezug, den man in den<br />
Unterricht integrieren könnte.<br />
2. a) Welche Reduktionsmittel sind für Schulversuche im Rahmen der Redoxreaktionen (auf<br />
Sauerstoffbasis, 8. Klasse) geeignet, um Eisenoxid zu reduzieren?<br />
b) In welchen Schulversuchen kann umgekehrt Eisen als Reduktionsmittel dienen?<br />
Schlagen Sie hierzu in Schulbüchern nach.
_____________________________________________________________________________<br />
2. VERSUCHSGRUPPE:<br />
EXPERIMENTE IN DER PROJEKTION<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
Allg. 1 Projektionsküvette 6 Petrischalen 1 Makrospatel<br />
8 Tropfpipetten mit Gummihütchen 2 Mikrospatel<br />
zu 2.1 1 Becherglas<br />
zu 2.2 2 Kupferelektroden 1 Schaumstoffstreifen Schmirgelpapier<br />
zu 2.4 Spritzflasche<br />
1 Pinzette<br />
zu 2.6 4 Wägeschiffchen 1 Messzylinder (100 mL) 1 Glastrichter<br />
4 Erlenmeyerkolben (250 mL)<br />
zu 2.7 Kristallisierschale 2 Krokodilklemmen 2 Büroklammern<br />
(Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm)<br />
Chemikalien:<br />
zu 2.1 Wasserglas FeCl . 2 4H 2 O NiCl . 2 6H 2 O<br />
CoCl . 2 6H 2 O CuSO . 4 5H 2 O MnSO . 4 H 2 O<br />
Co(NO 3 ) . 2 6H 2 O FeCl . 3 6H 2 O<br />
zu 2.2 Phenolphthalein-Lösung (0,1 % in EtOH) Kaliumiodid (0,1 M) Stärkelösung<br />
zu 2.4 Cyclohexan (F; MAK 1050 mg/m 3 ) Natrium (C)<br />
[Phenolphthaleinlösung aus 2.2]<br />
zu 2.5 konz. NH 3 (C; MAK 35 mg/m 3 ) Salzsäure (2 M) (Xi)<br />
Bromthymolblaulösung<br />
Natronlauge (0,5 M) (C)<br />
zu 2.6 KMnO 4 (Xn, O) NaOH (Plätzchen) (C) H 2 SO 4 (6 M) (C)<br />
Natriumsulfit (Xi)<br />
zu 2.7 halbkonz. NH 3 (C; MAK 35 mg/m 3 ) [Salzsäure (2 M) aus 2.5]<br />
[Silbernitratlösung aus 2.3]<br />
wird bereitgestellt:<br />
1 Videokamera mit Verbindungskabel 1 Abfallflasche für Silber 1 Umlenkspiegel<br />
1 Fernseher auf Fernsehtisch 2 Klammern mit Muffen 1 Voltmeter<br />
1 Overhead-Projektor 1 Spannungsquelle 4 Kabel<br />
1 Leinwand (0-250 V Gleichspannung) 2 Stativ<br />
1 Laborboy Holzstäbchen
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 11<br />
Vorbemerkung:<br />
Schwach ausgeprägte und von<br />
Schülertischen aus kaum<br />
erkennbare Effekte bzw.<br />
Experimente im Mikroansatz<br />
können gegebenenfalls per<br />
Videokamera plus Monitor<br />
oder per Overhead-Projektor<br />
(im Folgenden mit OH-<br />
Projektor abgekürzt) plus Leinwand<br />
in aller Deutlichkeit und<br />
mit optimalen Beobachtungsmöglichkeiten<br />
für alle Schüler<br />
aufgezeigt werden.<br />
In dieser Versuchsgruppe soll<br />
untersucht werden, bei welchen<br />
Effekten die Vergrößerung<br />
eine eindrucksvolle, möglichst<br />
wenig verfälschte Darstellung<br />
von Details erlaubt und bei<br />
welchen Effekten mit Einbußen<br />
zu rechnen ist.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Die folgenden Fragestellungen sind während der Versuchsdurchführung zu untersuchen:<br />
1. Experimente in der Projektion sind gelegentlich nur „Schauversuche“ (Beispiel: Versuch 2.1).<br />
Zählen Sie aus Schülersicht Vor- und Nachteile solcher „Schauversuche“ auf.<br />
2. Beurteilen Sie bei einer Projektion die Demonstrationsmöglichkeiten<br />
a) von Farbeffekten (Versuche 2.1, 2.2, 2.5, 2.6),<br />
b) einer Gasentwicklung (Versuche 2.2, 2.4),<br />
c) eines Niederschlags bzw. einer Feststoff-Abscheidung (Versuche 2.1, 2.3, 2.6, 2.7)<br />
Unterscheiden Sie dabei die Projektion mit Videokamera und die Projektion mit OHP.<br />
3. Welche Vor- und Nachteile hat<br />
a) die Projektion mit Videokamera gegenüber der Demonstration mit OH-Projektor,<br />
b) die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor gegenüber der Demonstration auf dem<br />
Lichttisch?<br />
4. Bei welchen der sieben Versuche wäre<br />
a) die direkte Beobachtung in einem Lehrerdemonstrationsexperiment der indirekten<br />
Beobachtung auf dem Monitor oder der Leinwand vorzuziehen?<br />
b) die direkte Beobachtung in einem Schülerexperiment der indirekten Beobachtung auf dem<br />
Monitor oder der Leinwand vorzuziehen? (Berücksichtigen Sie hierbei, ob ein Schülerexperiment<br />
sinnvoll bzw. aufgrund einzuhaltender Sicherheitskriterien oder aufgrund der<br />
apparativen Möglichkeiten überhaupt realisierbar ist.)
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 12<br />
a) Demonstration mit der Videokamera<br />
2.1 „Chemischer Garten“<br />
Anschluss und Einstellung der Kamera:<br />
Die Kamera weist drei Buchsen auf: o<br />
o o<br />
Die mittlere obere Buchse wird mit dem Netzkabel versehen, die rechte Buchse bleibt unbenutzt<br />
(sie ist für eine Tonübertragung gedacht). In die linke Buchse, die mit „Video“ beschriftet ist,<br />
wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels zum Fernseher gesteckt. Das andere Ende dieses<br />
Verbindungskabels wird mit dem Fernseher über das Scart-Kabel am unteren Eingang verbunden.<br />
Nach Anschluss von Kamera und Fernseher an das Stromnetz wird der Schalter der Kamera nach<br />
links, also in Richtung der Aufschrift „Video“, gedrückt (die andere Richtung ist für eine Tonübertragung<br />
vorgesehen). In der mittleren Stellung des Schalters ist die Kamera nicht in Betrieb.<br />
Mit einer beliebigen Programmtaste der Fernbedienung (z. B. 1 ) startet man den Fernseher und<br />
durch Bedienen der Taste die gewünschte Bildübertragung.<br />
Die Scharfeinstellung der Kamera erfolgt mit der vorderen Drehvorrichtung an der Schutzkapsel<br />
der Linse, die Einstellung des Zooms mit der Drehvorrichtung dahinter. Für die Projektion eines<br />
farbigen Experiments (z. B. des „chemischen Gartens“) kann es auch günstig sein, die Farbeinstellung<br />
am Fernseher zu korrigieren. Man erreicht sie durch Drücken der Tasten „MENU“ und<br />
, so dass die Kategorie „Colour“ erscheint. Nachdem die Farbintensität mit den Tasten und <br />
optimiert worden ist, verlässt man den Regler durch erneutes Betätigen der „MENU“-Taste.<br />
Anmerkung für den Praktikumsblock in den Semesterferien:<br />
Die Kamera lässt sich zur Projektion von Experimenten auch an den Beamer anschließen, so dass ein noch<br />
größeres Bild erzeugt werden kann. Man geht in gleicher Weise vor: In die linke Buchse der Kamera, die<br />
mit „Video“ beschriftet ist, wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels gesteckt. Das andere Ende wird<br />
mit der gelben Buchse „VIDEO 1“ an der oberen Leiste der Seitenfläche des Beamers verbunden.<br />
Der Beamer selbst wird zunächst über den Hauptschalter an der Seitenfläche und anschließend durch<br />
Drücken des Feldes „STANDBY/ON“ auf der Oberseite in Gang gesetzt. Zur Bildübertragung ist der<br />
Kanal umzustellen: Hierzu wird am Beamer auf den rechten Pfeilder Taste „MENU“ (auf der Oberseite)<br />
zweimal gedrückt, bis die Übersicht aller Kanäle erscheint (RGB 1, RGB 2, VIDEO 1, VIDEO 2, TEST,<br />
MUSTER). Durch Betätigen des unteren Pfeils der Taste „MENU“ kann man die Kanalwahl aktivieren<br />
(grün unterlegt) und ebenso den Kanal verschieben, bis „VIDEO 1“ angezeigt wird.<br />
Vorsicht beim Beenden des Beamers! Nachdem das Feld „STANDBY/ON“ mehrere Sekunden gedrückt<br />
worden ist, wartet man mit dem Betätigen des Hauptschalters so lange, bis die Kühlung beendet ist. Dies ist<br />
am abklingenden Geräusch zu erkennen. Ansonsten kann die teure Lampe des Beamers beschädigt werden.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
In einem 250 mL-Becherglas wird handelsübliches Wasserglas (Alkalisilikat) im Volumenverhältnis<br />
1:2 mit dest. Wasser verdünnt, so dass das Becherglas bis knapp unter den Rand gefüllt<br />
ist. Das Becherglas wird stabil auf dem Labortisch platziert. Jetzt wird die Kamera optimal und<br />
scharf eingestellt, so dass das Becherglas den Bildschirm ausfüllt. Hinter das Becherglas wird zur<br />
Kontrastierung weißes Papier als Hintergrund befestigt.<br />
Anschließend verteilt man vorsichtig und gleichmäßig auf dem Boden des Gefäßes etwa<br />
erbsengroße Kristalle der bereitgestellten Schwermetallsalze (Cobaltchlorid und - nitrat,<br />
Kupfersulfat, Eisen(II)- und Eisen(III)-chlorid, Nickelchlorid, Mangansulfat).
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 13<br />
Eine Berührung des Spatels mit der Wasserglaslösung sollte möglichst vermieden werden; die<br />
Lage der Salzkristalle kann eventuell mit einem Holzstäbchen korrigiert werden. Vermeiden Sie<br />
stärkere Erschütterungen des Becherglases.<br />
Beobachtungsaufgabe:<br />
Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter Beobachtung? Achten Sie darauf, in<br />
welchem Maße die einzelnen Farben originalgetreu abgebildet werden.<br />
Information:<br />
Heben Sie den chemischen Garten bis zu Versuch 2.3 auf.<br />
Möchte man in einem Schuleinsatz das Wachstum der Kristalle über mehrere Tage verfolgen und<br />
die Oberfläche des Wasserglases für einen Transport aushärten lassen, kann man anstelle des<br />
Becherglases auch ein größeres Marmeladenglas verwenden und unverschlossen stehen lassen.<br />
b) Versuche mit gekipptem OH-Projektor und Demonstrationsspiegel<br />
Bei einer Projektion mit zweitem Spiegel ist es das Ziel, Gefäße im Strahlengang des Projektors<br />
seitlich zu durchleuchten. Dafür ist die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor und einem<br />
Demonstrationsspiegel verwendbar:
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 14<br />
2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung<br />
Versuchsdurchführung: 1<br />
Eine schmale Projektionsküvette, die im Strahlengang des OH-Projektors steht,<br />
wird mit einer 0,1 M Kaliumiodidlösung gefüllt. Man versetzt die Lösung mit 6<br />
Tropfen einer alkoholischen Phenolphthaleinlösung, rührt um und setzt zwei<br />
Kupferelektroden ein. Damit man in der Projektion die Gasbildung besser<br />
beobachten kann, ist es günstig, die Kupferelektroden an ihrem freien Ende leicht<br />
umzubiegen. Die Gasblasen „verstecken“ sich dann nicht entlang der Elektrode, Cu<br />
sondern können frei nach oben wandern (siehe Abbildung).<br />
Um eine Durchmischung der beiden Elektrodenräume einzuschränken, wird in die Küvette zur<br />
Abtrennung der Elektrodenräume ein mit der Iodid-Lösung getränkter Schaumstoffstreifen<br />
gestellt.<br />
An die Elektroden wird eine Gleichspannung von ca. 4 Volt angelegt.<br />
Beobachtungsaufgaben:<br />
- Die Elektrodenräume werden direkt und in der Projektion beobachtet.<br />
- Werden die Erwartungen gemäß Reaktionsgleichung erfüllt?<br />
- Nach wenigen Minuten ist ein vorsichtiges Umrühren in beiden Elektrodenräumen angebracht.<br />
Werden dadurch in der Projektion die chemischen Prozesse und die Effekte besser sichtbar?<br />
- In den Anodenraum werden wenige Tropfen einer Stärkelösung gegeben. Ergibt dies eine<br />
Verbesserung für die Wahrnehmung des Produktes?<br />
2.3 Tücken einer Projektion<br />
Versuchsdurchführung:<br />
a) Stellen Sie in den Strahlengang des gekippten OH-Projektors den in Versuch 2.1 hergestellten<br />
„chemischen Garten“. Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter Beobachtung?<br />
b) In eine leere Projektionsküvette mit spezieller Reagenzglashalterung wird ein passendes<br />
Reagenzglas eingesetzt, das zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist<br />
Die Projektion zeigt eine wenig geeignete Abbildung der Reagenzgläser. Was stört?<br />
Die Darstellung kann wesentlich verbessert werden, wenn die Projektionsküvette (nicht das<br />
Reagenzglas!) im erforderlichen Ausmaß mit Wasser gefüllt wird. Womit ist die Verbesserung<br />
zu begründen?<br />
Entsorgung und Säuberung:<br />
Geben Sie den gesamten Inhalt des „chemischen Gartens“ in den Schwermetallabfallbehälter.<br />
Spülen Sie das Becherglas sofort und ordentlich! Wasserglas hinterlässt nach dem Eintrocknen<br />
schwer entfernbare Flecken.<br />
1 Anmerkung: Im HRR, Versuch 25.17, S. 192, ist die Elektrolyse einer Zinkiodidlösung im U-Rohr beschrieben.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 15<br />
2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser)<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Für diesen Versuch benutzen wir die Projektionsküvette mit der Reagenzglashalterung von<br />
Versuch 2.3 b):<br />
Es wird ein Reagenzglas benutzt und die Küvette ausreichend mit Wasser gefüllt.<br />
Das Reagenzglas wird zur Hälfte mit Wasser, das mit einem Tropfen Phenolphthaleinlösung<br />
versetzt ist, gefüllt und mit der gleichen Menge Cyclohexan überschichtet, so dass beide<br />
Flüssigkeitsspiegel innerhalb des projizierten Bildausschnitts zu sehen sind.<br />
Danach gibt man mit der Pinzette ein kleines Stückchen Natrium in das Reagenzglas und<br />
beobachtet direkt und in der Projektion.<br />
c) Versuche auf dem Lichttisch des OH - Projektors<br />
Schneller umsetzbar als die Demonstration mit gekipptem OH-Projektor, jedoch mit<br />
eingeschränkter Auswahl an Experimenten, ist die Durchführung von Versuchen auf dem<br />
Lichttisch des OH-Projektors. Das relativ große Arbeitsfeld erlaubt es, gleichzeitig mit dem<br />
Experiment Skizzen und Beschriftungen abzubilden.<br />
2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Die bereitgestellte Bromthymolblaulösung wird durch tropfenweise Zugabe der verd. Natronlauge<br />
bzw. der verd. Salzsäure grün eingestellt (Die Bromthymolblaulösung färbt sich gelborange<br />
im sauren und blau im alkalischen Milieu.) Anschließend wird eine Petrischale in ganz<br />
dünner Schicht mit dieser Bromthymolblaulösung gefüllt.<br />
Eine Tropfpipette ohne Gummikappe wird mit Hilfe eines Stativs plus Klammer so ausgerichtet,<br />
dass sich die Spitze ungefähr in der Mitte der Petrischale etwas über der Wasseroberfläche<br />
befindet (nicht eintauchen).<br />
Die Tropfpipette wird mit der Spitze in konz. NH 3 getaucht und mit der Menge, die dabei<br />
aufgenommen wird, über der Wasseroberfläche eingespannt.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 16<br />
2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat<br />
Lösungen, die anzusetzen sind:<br />
KMnO 4 (50 mg in 100 mL Lösung) (Xn, O für KMnO 4 als Festsubstanz)<br />
NaOH (6 M; 24 g in 100 mL Lösung) (C)<br />
NaOH (30 %ig) (C)<br />
H 2 SO 4 (6 M; 33 mL konz. H 2 SO 4 in 100 mL Lösung) (C)<br />
Na 2 SO 3 (2 g in 100 mL Lösung) (Xn)<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu unterschiedlichen<br />
Farbeffekten, die für eine Projektion benutzt werden können.<br />
Die folgenden Versuche sollen in Bezug auf die Demonstration der Farbeffekte über die Wahl der<br />
Reagenzmengen optimiert werden:<br />
a) In die erste Petrischale wird die KMnO 4 -Lösung in geeigneter Verdünnung und Schichtdicke<br />
als Vergleichslösung gefüllt.<br />
b) In die zweite Petrischale kommt eine analoge KMnO 4 -Lösung, die dann mit einer Pipettenfüllung<br />
der 6 M H 2 SO 4 und danach tropfenweise mit der Na 2 SO 3 -Lösung versetzt wird.<br />
c) In die dritte Petrischale wird eine den Vorversuchen entsprechende KMnO 4 -Lösung gegeben,<br />
der tropfenweise Na 2 SO 3 -Lösung zugesetzt wird.<br />
Es wird sich in neutraler Lösung eine klare gelbbraune Färbung ergeben, die bei<br />
Sulfitüberschuss länger haltbar sein soll und allmählich eine Ausfällung ergibt.<br />
d) In der vierten Petrischale wird die KMnO 4 -Lösung mit mehreren Tropfen der 6 M<br />
Natronlauge versetzt; danach wird Na 2 SO 3 -Lösung eingetropft.<br />
Es soll ein Farbumschlag nach grün erfolgen, hervorgerufen durch MnO 4<br />
2 -Ionen.<br />
e) In der fünften Petrischale wird der KMnO 4 -Lösung das gleiche Volumen der 30 %igen<br />
Natronlauge zugesetzt. Nach Zugabe eines Tropfens der Na 2 SO 3 -Lösung sollen MnO 4<br />
3 -<br />
Ionen und dadurch eine blaue Lösung entstehen.<br />
(Wird ein Grünton erreicht, so war zu viel Sulfit zugesetzt worden; es kann dann etwas<br />
KMnO 4 -Lösung zugetropft und vermischt werden.)<br />
Information:<br />
Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu Mn 2+ (sauer),<br />
Mangan(IV) (neutral) oder Mangan(V) bzw. Mangan(VI) (stärker alkalisch).<br />
Bei Reduktion im Alkalischen soll sich laut Literatur bei pH > 12,5 eine Blaufärbung und bei<br />
pH < 12 eine Grünfärbung ergeben. Aus der grünen Lösung soll allmählich MnO 2 ausfallen.
2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion 17<br />
2.7 Fraktale Abscheidung von Silber<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Ca. 100 mL 0,1 M AgNO 3 -Lösung werden tropfenweise mit halbkonz. NH 3 -Lösung versetzt, bis<br />
der braune Niederschlag wieder in Lösung gegangen ist. Diese Lösung füllt man in eine<br />
Kristallisierschale (Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm) auf dem OH-Projektor.<br />
Als Anode (positive Elektrode) wird eine einfach aufgebogene Büroklammer ganz am Rand der<br />
Schale mit einer Krokodilklemme gehalten und vollständig in die Lösung gehängt.<br />
Als Kathode wird eine einfach aufgebogene Büroklammer in der Mitte der Schale so platziert,<br />
dass die Metallspitze auf die Oberfläche der Lösung aufgesetzt wird und sie gerade so berührt.<br />
Taucht die Spitze zu tief ein, erfolgt keine Fraktalbildung.<br />
Nach Einschalten des Stroms (Gleichstrom von 20 Volt) bildet sich augenblicklich an der<br />
Kathode eine fraktale Struktur des abgeschiedenen Silbers.<br />
(Nach dem Abheben der Struktur mittels eines untergeschobenen Rundfilters wäre der Versuch<br />
wiederholbar.)<br />
Entsorgung der Silberlösung:<br />
Die ammoniakalische AgNO 3 -Lösung wird mit verd. HCl angesäuert und danach in die Flasche<br />
für Silberrückstände gespült.<br />
Information:<br />
Für das tiefere Verständnis universeller Wachstums- und Selbstorganisationsprozesse in der<br />
Natur ist der von B. B. MANDELBROT vor nahezu zwei Jahrzehnten eingeführte Begriff Fraktal<br />
von zentraler Bedeutung, insbesondere im Rahmen der Chaostheorie. Fraktale haben häufig die<br />
Eigenschaft der Selbstähnlichkeit, d. h. ein Ausschnitt aus dem Fraktal unterscheidet sich vom<br />
gesamten Fraktal nur in seinem Maßstab, stellt also eine verkleinerte Kopie des Ganzen dar.<br />
Fraktale bilden sich etwa bei sehr raschen Kristallisationen (z. B. Schneeflocken), wobei eine<br />
Abscheidung an Eckpositionen begünstigt ist, weil dabei die frei werdende Energie besser<br />
abgeführt werden kann; dadurch „läuft die Struktur auseinander“.<br />
„Warum wird die Geometrie oft als kalt und trocken beschrieben?<br />
Einer der Gründe liegt in ihrer Unfähigkeit, die Gestalt einer Wolke<br />
zu beschreiben, eines Gebirges, einer Küstenlinie, eines Baumes.<br />
Wolken sind nicht Kugeln, nicht glatt, und der Blitz schlägt nicht in<br />
gerader Bahn ein ... Die Natur zeigt sich uns nicht einfach höher<br />
geordnet, sondern sie weist ein ganz und gar unterschiedliches<br />
Niveau von Komplexität auf. Die Zahl individueller Längenmaße in<br />
diesen komplexen Strukturen ist in jedem Sinne unendlich groß.<br />
Gerade die Existenz dieser Strukturen zwingt uns, jene Formen zu<br />
erforschen, die Euklid als formlos beiseite stellt, regt uns an, die<br />
Morphologie des scheinbar Amorphen zu untersuchen. Die<br />
Mathematiker haben diese Herausforderung bisher nicht<br />
angenommen, ja sie haben sich in zunehmendem Maße<br />
entschlossen, vor der Natur zu fliehen, indem sie sich mit Theorien<br />
befassen, die ohne jeden Bezug zu allem sind, was wir sehen und<br />
fühlen können.“ (MANDELBROT 1 )<br />
1<br />
Zitat aus: H. W. ROESKY, K. MÖCKEL; Chemische Kabinettstücke; Verlag <strong>Chemie</strong> (1994), Seite 7 (3. Exp.)
_____________________________________________________________________________<br />
3. VERSUCHSGRUPPE:<br />
MODELLVERSUCHE<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 3.1.1 1 Bürettenrohr (50 mL)<br />
1 Trichter<br />
Kapillaren verschiedener Länge<br />
1 Stoppuhr<br />
2 Bechergläser (250 mL) 1 Spritzflasche mit Wasser<br />
1 Quetschhahn<br />
zu 3.1.2 1 Geburtstagskerze mit Ständer<br />
(Länge 6 cm, 0,5 cm)<br />
zu 3.1.3 100 Centstücke<br />
zu 3.1.4 50 rote Kugeln in einer Kiste<br />
50 blaue Kugeln in einer Kiste<br />
zu 3.1.5 2 Plastikschalen ohne Löcher<br />
1 Stück Vakuumschlauch<br />
1 Plastikschalen mit 2 Löchern 100 Stahlkugeln<br />
zu 3.2 Glasrohre mit verschiedenen Radien 2 Messzylinder (100 mL)<br />
(2,5; 3 und 4 mm innerer Radius) 1 Messzylinder (50 ml)<br />
zu 3.3 6 Gewichte mit Halterung Gummiringe<br />
1 Zollstock<br />
wird bereitgestellt:<br />
Gummi- oder PVC-Schläuche<br />
Digitalwaage<br />
LAPTOP mit EXCEL-Programm zum Versuchstag mitbringen!!!<br />
Falls kein Laptop verfügbar ist, müssen die Werte auf Millimeterpapier<br />
aufgetragen werden!
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 19<br />
3.1 Modellversuche zur Kinetik<br />
Vorbemerkung:<br />
Die Kinetik bezieht die Dimension Zeit in die Überlegungen und Untersuchungen chemischer<br />
Umsetzungen mit ein. Die Zeitabhängigkeit von Reaktionen ist häufig von entscheidender<br />
Bedeutung. Das betrifft technische Umsetzungen, aber auch physiologische Vorgänge. Es ist<br />
deshalb durchaus sinnvoll, Zeitabhängigkeiten chemischer Reaktionen in den Unterricht relativ<br />
früh einzubeziehen. Dabei stellt sich die Aufgabe, komplexe Zusammenhänge in Lernschritte<br />
aufzulösen und schrittweise zu erarbeiten.<br />
Ein Problem der Kinetik besteht darin, dass die Reaktionsgeschwindigkeit eine abgeleitete Größe<br />
und keine direkte Messgröße ist. Sie ist auch relativ unanschaulich, weil es bei chemischen<br />
Reaktionen normalerweise keine bewegten Objekte gibt. Einen vereinfachten Zugang stellt<br />
deshalb die Reaktionsdauer bis zu einem bestimmten Umsatz oder die Halbwertszeit dar.<br />
Weiterhin können Modellversuche die Experimente und Erörterungen begleiten und ergänzen.<br />
Kurzerläuterungen zur Reaktionsordnung:<br />
Bezeichnet man mit [A] t die Konzentration des Stoffes A nach t Zeiteinheiten und entsprechend<br />
mit [A] 0 die Konzentration zu Beginn der Reaktion, so gelten die folgenden Zusammenhänge:<br />
Beschreibung<br />
Reaktion nullter Ordnung<br />
Reaktionsgeschwindigkeit ist<br />
unabhängig von der Konzentration<br />
des Ausgangsstoffes A<br />
Reaktion erster Ordnung<br />
Reaktionsgeschwindigkeit ist<br />
direkt proportional zur<br />
Konzentration des<br />
Ausgangsstoffes A<br />
differentielles<br />
Geschwindigkeitsgesetz<br />
d<br />
dt<br />
A<br />
= k . [A] t 0 = k<br />
d<br />
dt<br />
A<br />
= k . [A] t 1 = k . [A] t<br />
integriertes<br />
Geschwindigkeitsgesetz * ) [A] t = k . t + [A] 0 ln [A] t = k . t + ln [A] 0<br />
Halbwertszeit T T =<br />
[ A<br />
] 0 T =<br />
2k<br />
ln 2<br />
k<br />
* ) geeignet zur graphischen Auftragung<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Wählen Sie drei der fünf vorgeschlagenen Versuchsteile aus, die Sie am Praktikumstag<br />
durchführen und auswerten.<br />
Zu diesen vier Versuchsteilen soll sowohl das Geschwindigkeitsgesetz nach nullter Ordnung als<br />
auch das Geschwindigkeitsgesetz nach erster Ordnung überprüft werden, indem man<br />
entsprechend der vorletzten Zeile der obigen Tabelle<br />
• zur Überprüfung der nullten Reaktionsordnung [A] t gegen t und<br />
• zur Überprüfung der ersten Reaktionsordnung ln[A] t gegen t<br />
aufträgt.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 20<br />
Welche Messgrößen in den Versuchsanordnungen jeweils der Konzentration und einer Zeiteinheit<br />
entsprechen, zeigt die folgende tabellarische Übersicht:<br />
Versuchsnummer<br />
[A] t = Konzentration<br />
(nach t Zeiteinheiten)<br />
eine Zeiteinheit<br />
3.1.1 Volumen in der Bürette eine Sekunde<br />
3.1.2<br />
3.1.3<br />
Masse der Kerze<br />
ohne Kerzenständer<br />
Zahl der Centstücke<br />
mit der Zahl nach oben<br />
eine Sekunde<br />
ein Schüttelvorgang<br />
3.1.4 Zahl der roten Kugeln eine Ziehung<br />
3.1.5<br />
Zahl der noch nicht<br />
durchgefallenen Kugeln<br />
sechsmaliges Hinund<br />
Herkippen<br />
Am Praktikumstag wird die graphische Auftragung unter Zuhilfenahme einer Tabellenkalkulation<br />
umgesetzt. Sie benötigen dazu einen Laptop mit dem Programm EXCEL.<br />
<br />
Hinweise zur Auswertung mit Excel:<br />
A B C D E<br />
1 Zeit [s] Messwert A(t) lnA(t) Zeit [s]<br />
2 1 40 =LN(B2) 1<br />
3 2 61<br />
2 kopieren<br />
4 4 84 kopieren<br />
4<br />
5 5 91 5<br />
(erfundene Zahlenwerte)<br />
1. Eingabe der Werte:<br />
Geben Sie bereits während der Versuchsdurchführung Ihre Werte in die ersten beiden Spalten ein: in die<br />
erste Spalte die Zeit, in die zweite Spalte den zugehörigen Messwert.<br />
2. Transformation der Werte:<br />
Zur Berechnung von ln[A] t geben Sie in Tabellenzelle C2 die Formel =LN(B2) ein. Excel erfährt durch<br />
das Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung. Verändern Sie testweise und<br />
nur vorübergehend den Wert in Zelle B2 und Sie stellen fest, dass der Wert in Zelle C2 sofort angepasst<br />
wird.<br />
Mit Hilfe der Eingabe einer Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens nutzen: Kopieren<br />
Sie die Formel aus C2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die untere rechte Ecke<br />
der Zelle C2 mit der Maus anklicken und – während Sie die Maus gedrückt lassen – den Rahmen der Zelle<br />
C2 nach unten über die anderen Felder ziehen. Die Formel aus C2 wird dann automatisch angepasst, z. B.<br />
greift Excel in Zelle C5 auf Zelle B5, aber nicht mehr auf B2, zurück. Dies können Sie – nach dem<br />
Anklicken der Zelle C5 – an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette x= verfolgen.<br />
3. Erstellen des Diagramms:<br />
Markieren Sie mit der Maus gleichzeitig die beiden Spalten, deren Werte gegeneinander aufgetragen<br />
werden sollen. Bei der Auftragung von t gegen ln [A] t ist es daher günstig, die Spalten A und C zuvor in<br />
die Spalten D und E nebeneinander zu kopieren.<br />
Wählen Sie dann in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“<br />
die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 21<br />
4. Erstellen einer Ausgleichsgeraden mit Geradengleichung:<br />
Klicken Sie das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der<br />
Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort<br />
- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und<br />
- in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“.<br />
Drücken Sie anschließend „OK“.<br />
3.1.1 Das Kapillarflussmodell<br />
Erläuterungen:<br />
Für die Durchflussgeschwindigkeit in einer Kapillare gilt das Hagen-Poisseuillesche Gesetz:<br />
4<br />
dV r p<br />
,<br />
dt 8 l<br />
wobei V das Volumen des fließenden Stoffes in der Kapillare, dessen Viskositätskoeffizienten,<br />
r bzw. l Radius bzw. Länge der Kapillare und p den Druck der auf der Kapillare lastenden<br />
Flüssigkeitssäule bezeichne.<br />
Bei gegebener Kapillarabmessung und gleicher Substanz ( = const.) gilt dann<br />
<br />
dV = const. . p,<br />
dt<br />
d. h. die Strömungsgeschwindigkeit ist dem Druck proportional und nimmt deshalb mit der Höhe<br />
der Flüssigkeitssäule ab.<br />
Wählt man nun eine Versuchsanordnung, bei der an<br />
ein Bürettenrohr über eine Schlauchverbindung eine<br />
Kapillare in waagerechter Stellung angeschlossen ist,<br />
so ist der Druck p proportional zur Höhe der Flüssigkeitssäule<br />
in der Bürette und wegen des konstanten<br />
Querschnittes der Bürette auch proportional zur<br />
jeweils vorhandenen Flüssigkeitsmenge V.<br />
Daher gibt es Konstanten k’ und k mit<br />
<br />
dV = k’ . p = k . V<br />
dt<br />
Aus dieser Vorüberlegung ließe sich bereits ableiten,<br />
ob sich theoretisch diese Versuchsanordnung als<br />
Modell für eine Reaktion nullter Ordnung oder als<br />
Modell für eine Reaktion erster Ordnung eignet.<br />
Bemerkung:<br />
Verschiedene Geschwindigkeitskonstanten bzw. Reaktionsgeschwindigkeiten lassen sich durch<br />
Variation der Kapillarabmessungen oder durch Verwendung von Flüssigkeiten mit<br />
unterschiedlichen Viskositätskoeffizienten simulieren.<br />
(Wasser mit = 1,002<br />
g<br />
cms<br />
, Aceton mit = 0,316<br />
g<br />
cms<br />
, Butanol mit = 2,62<br />
In einer Vereinfachung entspricht dieser Vorschlag dem Versuch 35.11. im HRR (S. 255), bei<br />
dem die Viskositäten verschiedener Alkohole über einen Auslauftest aus einer Bürette qualitativ<br />
verglichen werden.<br />
g<br />
cms<br />
)
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 22<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Es wird eine Bürette ohne Hahn verwendet, die seitlich in einer Olive endet.<br />
Zur Erleichterung des Ablesens sollte eine möglichst lange Kapillare gewählt werden.<br />
In einem Becherglas wird das auslaufende Wasser gesammelt.<br />
Die Kapillare muss waagerecht so eingespannt sein, dass der Wasserstand in der ausgelaufenen<br />
Bürette mit der untersten Bürettenmarkierung (50 mL-Markierung) übereinstimmt.<br />
Dazu ist ein Testauslauf durchzuführen und die Höhe der Kapillare einzuregulieren.<br />
Anschließend wird die Bürette bis zur Null-Markierung mit Wasser gefüllt.<br />
Mit einem Probelauf wird ein geeignetes Zeitintervall für die Messpunkte festgelegt. Mit dem<br />
Quetschhahn wird die Tropfgeschwindigkeit reguliert.<br />
Lesen Sie in Abhängigkeit von der Zeit t an der Bürettenmarkierung den Wert des bereits<br />
ausgelaufenen Volumens V ab. (Zum Zeitpunkt t = 0 hat V aufgrund der Skalierung der Bürette<br />
den Wert Null. Nach Beendigung des Auslaufens ist V = 50 mL.)<br />
Während V die Produktkonzentration und damit den Umsatz kennzeichnet, entspricht im Modell<br />
die Differenz V = 50 V der Konzentration [A] t . Dies ist dasjenige Volumen, das sich zur Zeit<br />
t oberhalb der 50 mL-Markierung der Bürette befindet und das damit alleine zum Druck der<br />
Flüssigkeitssäule beiträgt.<br />
Versuchsauswertung: siehe Einleitung<br />
1. Überprüfung Geschwindigkeitsgesetz nach nullter Ordnung: Zeit-Umsatzkurve<br />
2. Überprüfung des Geschwindigkeitsgesetzes 1. Ordnung: ln(Umsatz) gegen t.<br />
3.1.2 Abbrennen einer Kerze<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Den Kerzenständer stellt man auf die Waage und tariert die Waage auf „Null“. Anschließend wird<br />
eine Geburtstagskerze zusammen mit dem Kerzenständer gewogen – die Anzeige gibt die<br />
„Netto“-Masse der Geburtstagskerze an.<br />
Man zündet die Kerze an und bestimmt alle 30 Sekunden ihr Gewicht. Es werden so viele Werte<br />
aufgenommen, dass eine graphische Auftragung möglich ist.<br />
3.1.3 Münzenwurf<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Als Ausgangszustand (Zeitpunkt Null) stellen wir uns vor, dass 100 Centstücke mit der Zahl „1“<br />
nach oben auf der Tischplatte liegen.<br />
Anschließend werden 100 Cents in einem Becher sorgfältig geschüttelt und auf die Tischplatte<br />
geschüttet: Diejenigen Centstücke, die mit der Zahl nach oben sichtbar sind, werden ausgezählt<br />
und weiterverwendet.<br />
Man wiederholt diesen Vorgang mit der nun reduzierten Anzahl an Centstücken, und zwar so<br />
lange, bis nur noch fünf Cent oder weniger übrig bleiben.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 23<br />
3.1.4 Kugeltausch<br />
Versuchsdurchführung:<br />
In einer Kiste befinden sich 50 rote Kugeln, in einer anderen Kiste 50 blaue Kugeln. Für die<br />
Simulation gelten die folgenden „Spielregeln“:<br />
• Das Gefäß mit den roten Kugeln ist das Reaktionsgefäß. Hieraus erfolgen die Ziehungen.<br />
• Bei jeder Ziehung wird „blind“, also mit verschlossenen Augen, genau eine Kugel gezogen.<br />
• Wird eine rote Kugel gezogen, so wird sie gegen eine blaue Kugel ausgetauscht, die dann in<br />
das Reaktionsgefäß gegeben wird.<br />
• Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird sie unverändert in das Reaktionsgefäß zurückgelegt.<br />
• Die Simulation wird spätestens beendet, wenn sich nur noch 25 rote Kugeln im<br />
Reaktionsgefäß befinden.<br />
Information:<br />
Man kann die Spielregeln vielfältig modifizieren:<br />
a) Simulation einer Reaktion 2. Ordnung:<br />
Hierzu zieht man jeweils zwei Kugeln. Ein Kugeltausch gegen zwei blaue Kugeln erfolgt nur<br />
dann, wenn man zwei rote Kugeln gezogen hat.<br />
b) Simulation einer Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt:<br />
Man stellt die gleiche Anzahl Kugeln einer dritten Farbe, etwa gelb, bereit. Wie ursprünglich zieht<br />
man genau eine Kugel. Handelt es sich dabei um eine rote Kugel, so wird sie gegen eine blaue<br />
Kugel ausgetauscht. Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird diese nun durch eine gelbe Kugel<br />
ersetzt. Unverändert werden nur die gelben Kugeln zurück in das Reaktionsgefäß gegeben.<br />
(Schema: rot blau gelb)<br />
c) Simulation einer Gleichgewichtsreaktion:<br />
Die ursprünglichen Spielregeln ändert man derart ab, dass man auch beim Ziehen einer blauen<br />
Kugel diese gegen eine rote austauscht.<br />
3.1.5 Kugel-Loch-Modell<br />
Erläuterungen:<br />
Das Kugel-Loch-Modell stellt eine sehr starke Vereinfachung bezüglich einer chemischen<br />
Reaktion dar:<br />
A + B + Lösungsmittel P<br />
A = Kugel ( 5,5 mm)<br />
B = Loch ( 9 mm)<br />
Lösungsmittel = Fläche zwischen den Löchern<br />
P = durchgefallene Kugel
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 24<br />
Ein Nachteil des Modells ist die konstante "Konzentration" an B. Dieser Sachverhalt lässt sich mit<br />
der Annahme eliminieren, dass B in großem Überschuss gegenüber dem Partner A vorliegt und<br />
deshalb seine Konzentration bei der Reaktion praktisch konstant bleibt (die Reaktion lässt sich<br />
damit unabhängig von B betrachten). Im Geschwindigkeitsgesetz drückt sich dies wie folgt aus:<br />
d<br />
dt<br />
A<br />
= k 1 . [A] . [Löcher] = k . [A] da [Löcher] = konstant<br />
Weiter ist zu beachten, dass es sich im Modell um eine irreversibel verlaufende Reaktion handelt.<br />
Ein chemisches Gleichgewicht lässt sich mit dieser Versuchsanordnung nicht darstellen.<br />
Kästen mit verschiedener Lochzahl ermöglichen Experimente mit verschiedenen Konzentrationen an<br />
B. Die Anfangskonzentrationen an A können variiert werden. Reaktionsfolgen lassen sich mit<br />
gestapelten Kästen, die jeweils mit Löchern versehen sind, darstellen.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Als Anfangsbedingungen werden gewählt: [A] 0 = 100, [B] 0 = 2, also ein Kasten mit 2 Löchern<br />
und 100 Kugeln. Damit beim Schütteln keine Kugeln das System nach oben verlassen können<br />
(Konkurrenzreaktion), deckt man die Versuchsanordnung mit einem weiteren Kasten ab.<br />
Nun wird das System sechs Mal über einem Stück Vakuumschlauch hin und her gekippt. Dieses<br />
sechsmalige Hin- und Herkippen stelle eine Zeiteinheit dar.<br />
Dann werden [A] oder [P] ([A] + [P] = 100) ausgezählt.<br />
Danach kippt man weitere sechs Mal hin und her und zählt erneut aus (= zweite Zeiteinheit).<br />
Dies setzt man bis zu einer Gesamtreaktionsdauer von sechs Zeiteinheiten (mit je sechs Kippbewegungen)<br />
fort. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, wird die Messung einmal<br />
wiederholt. Zur Auswertung werden die Mittelwerte der beiden Messreihen für A gebildet.<br />
Versuchsauswertung:<br />
Zeichnen Sie zunächst in einem Diagramm die Zeit-Umsatzkurve der Reaktion (also die<br />
Produktkonzentration gegen die Zeit t).<br />
Vermutete Gesetzmäßigkeit nach 1. Ordnung (s.o.):<br />
d<br />
dt<br />
A<br />
Nach Integration ergibt sich:<br />
= k 1 . [A] . [Löcher] = k . [A] da [Löcher] = konstant<br />
ln [A] t / ln [A] 0 = -k t, wobei [A] t die Konzentration von A nach t Zeiteinheiten angibt.<br />
Tragen Sie ln [A] t in Abhängigkeit von t auf und beantworten Sie, wie und ob sich eine Reaktion<br />
1. Ordnung bestätigen lässt.
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 25<br />
3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht<br />
Erläuterungen:<br />
Chemische Modellexperimente stellen stets nur eine reduzierte Verwirklichung der im Original<br />
ablaufenden Vorgänge dar. Die Reduktion kann dabei unter Umständen so stark sein, dass das<br />
Original kaum noch wieder zu erkennen ist. Gerade zum Hebermodell findet man zahlreiche<br />
Diskussionen über das Pro und Contra in gängigen fachdidaktischen Zeitschriften. Dieses Modell<br />
hat den Vorteil, dass es sich wegen des sehr einfachen Geräteaufwandes auch mit einer größeren<br />
Anzahl von Schülern in kleinen Gruppen als Schülerexperiment ausführen lässt. Es lässt sich für<br />
eine Reaktion nach 1. Ordnung verwenden und außerdem erweitern zu einem Modell für das<br />
chemische Gleichgewicht oder für eine Reaktionsfolge mit Zwischenprodukten.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Der erste Messzylinder ist mit 50 mL Wasser gefüllt, der zweite ist leer. Das Flüssigkeitsvolumen<br />
im ersten Messzylinder stellt die Konzentration des Edukts, das Flüssigkeitsvolumen im zweiten<br />
Messzylinder die Konzentration des Produkts dar.<br />
Um die Reaktion „ablaufen“ zu lassen, wird jetzt aus<br />
beiden Messzylindern unter Benutzung von Glasrohren<br />
unterschiedlichen Durchmessers umgefüllt, bis praktisch<br />
keine Veränderung mehr auftritt.<br />
Für jeden Hubvorgang werden beide Rohre bis auf den<br />
Boden des Messzylinders getaucht, mit einem Finger<br />
verschlossen und das fixierte Wasservolumen gleichzeitig<br />
in den jeweils anderen Messzylinder überführt. So ein<br />
Hubvorgang stellt eine Zeiteinheit mit den Anteilen der<br />
Hin- und Rückreaktion dar.<br />
Lesen Sie nach jeder Übertragungsoperation das Volumen<br />
in beiden Messzylindern ab und geben Sie Ihre Werte<br />
direkt in eine Datei der Tabellenkalkulation Excel ein:<br />
1. Spalte: Zeit,<br />
2. Spalte: Volumen in Messzylinder 1,<br />
3. Spalte: Volumen in Messzylinder 2.<br />
Um die Zahl der Messwerte zu begrenzen, kann die Zahl der Hubvorgänge (d. h. die Zeiteinheiten),<br />
nach denen abgelesen wird, mit Fortschreiten der Reaktion stetig erhöht werden.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
1. Lassen Sie mit Hilfe der Tabellenkalkulation die Werte für beide Messzylinder in ein<br />
gemeinsames Diagramm graphisch auftragen (Volumen gegen Zeiteinheiten).<br />
Markieren Sie hierzu alle drei Spalten und wählen Sie in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den<br />
Befehl „Diagramm“, dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend<br />
können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.<br />
2. Theoretische Überlegung:<br />
Welche der im Modellsystem beobachtbaren Größen entsprechen<br />
a) der momentanen Geschwindigkeit der Hinreaktion bzw. Rückreaktion,<br />
b) der Geschwindigkeitskonstanten,<br />
c) der Gleichgewichtskonzentrationen?
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 26<br />
3.2.1. Reaktionsfolge:<br />
Durchführung:<br />
Um eine Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt zu simulieren, muss man drei Messzylinder<br />
(stellvertretend für Edukt, Zwischenprodukt und Endstoff) verwenden und wie folgt vorgehen:<br />
Der erste 100 ml Messzylinder wird mit Wasser gefüllt, ein zweiter 50 ml und ein dritter 100 ml<br />
Messzylinder sind zu Beginn leer.<br />
Jetzt wird aus dem ersten Messzylinder Wasser mit einem weiten Rohr in den zweiten<br />
Messzylinder überführt und gleichzeitig aus dem zweiten Messzylinder mit einem etwas engeren<br />
Rohr Wasser in den dritten Messzylinder überführt. Zwei derartige Hubvorgänge stellen eine<br />
Zeiteinheit dar.<br />
Die Zahl der Hubvorgänge, nach denen abgelesen wird, ist passend zu wählen. Der Versuch wird<br />
fortgesetzt, bis der erste Messzylinder weitgehend leer ist.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Die Messdaten erfassen, graphisch auftragen und interpretieren.<br />
3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit<br />
Die maximale Nutzarbeit, die einem System mit potentieller Energie entnommen werden kann<br />
(z. B. einer Batterie ihre potentielle chemische Energie), ergibt sich bei reversibler Reaktionsführung.<br />
Ein Modell soll das Prinzip der Annäherung an eine reversible Führung am Beispiel der<br />
potentiellen Energie eines gereckten Gummibandes, das benutzt wird, um Nutzarbeit zu leisten,<br />
zeigen.<br />
Versuchsbeschreibung:<br />
Sechs Gewichte werden von einem Gummiband gehalten. Die in diesem System enthaltene<br />
potentielle Energie, die benutzt werden kann, ein Gewicht zu heben, soll in unterschiedlichem<br />
Ausmaß genutzt werden.<br />
1) Grenzfall ohne Gewinnung von Nutzarbeit:<br />
Die sechs Gewichte werden heruntergenommen; das Gummiband schnerrt zusammen.<br />
Es wird praktisch keine Nutzarbeit (zum Heben der Gewichte) gewonnen; der Ablauf wird<br />
irreversibel geführt.<br />
2) Übergang zur Gewinnung von Nutzarbeit:<br />
Nur einzelne Gewichte werden nacheinander heruntergenommen. Die verbleibenden<br />
Gewichte der Masse m werden eine jeweils kleine Strecke gehoben, die durch Messen der<br />
Bodenhöhe h vor und nach dem Herunternehmen der Gewichte erfasst werden muss.<br />
Nutzarbeit G = m . h . g [J = kg . m 2 /s 2 ] mit g = 9,81 m/s 2 .<br />
3) Grenzfall mit maximaler Nutzarbeit:<br />
Es werden winzig kleine Gewichtsanteile heruntergenommen. Damit wird immer ein<br />
maximaler Gewichtsanteil um kleine Strecken gehoben. Die Versuchsführung ist für diesen<br />
Grenzfall reversibel. Die Nutzarbeit entspricht der Integration dieses Vorganges.<br />
Versuchsdurchführung:
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 27<br />
6 Gewichte von je ca. 100 g stehen zur Verfügung. Es sollen damit vier Versuchsreihen mit<br />
unterschiedlicher Nutzarbeit ausgeführt werden.<br />
Die Höhen h i der Gewichte sind zu messen, d. h. der Abstand der Labortischplatte von der<br />
Bodenfläche des unteren der anhängenden Gewichte. Dabei bezeichnet der Index i die Anzahl<br />
der anhängenden Gewichte. 1<br />
m gibt diejenige Masse der gehobenen bzw. verbleibenden Gewichte an, durch die folglich eine<br />
Nutzarbeit geleistet wird.<br />
Zum Verständnis der Bezeichnungen ist die folgende Abbildung zu Versuchsteil c) aufschlussreich:<br />
Abbildung zu<br />
Versuchsteil c)<br />
h 0 – h 2<br />
h 2 – h 4<br />
h 4 – h 6<br />
h 6<br />
Tischplatte<br />
m = 0,4 kg m = 0,2 kg m = 0 kg<br />
h 4 – h 6 h 2 – h 4 h 0 – h 2<br />
a) einmalige Gewichtsentnahme:<br />
Es werden alle sechs Gewichte auf einmal entfernt. Bestimmen Sie die Höhendifferenz h =<br />
h 0 – h 6 von der Ausgangsposition (h 6 ) bis zum Endzustand (h 0 ).<br />
Bei diesem Vorgang wird keine Nutzarbeit gewonnen (m = 0 kg).<br />
b) zwei Gewichtsentnahmen:<br />
Es werden zweimal je drei Gewichte entfernt.<br />
Die zuerst verbleibenden drei Gewichte werden um h = h 3 – h 6 gehoben, wobei Nutzarbeit<br />
gewonnen wird (m = 300 g = 0,3 kg).<br />
Für den zweiten Vorgang ergibt sich keine Nutzarbeit (m = 0 kg).<br />
c) drei Gewichtsentnahmen (siehe obige Abbildung)<br />
Gemäß obiger Abbildung werden dreimal je zwei Gewichte entfernt.<br />
Dadurch werden vier Gewichte um h 4 – h 6 und zwei Gewichte um h 2 – h 4 gehoben.<br />
Die insgesamt gewonnene Nutzarbeit ergibt sich als Summe der Nutzarbeit aus diesen beiden<br />
Prozessen. Das Entfernen der letzten beiden Gewichte ergibt wieder keine Nutzarbeit.<br />
1<br />
Man kann die Höhen auch jeweils zwischen anderen Punkten, z. B. von der Labortischplatte bis zum unteren<br />
Ende des Gummibandes, bestimmen. Die Messmethode muss jedoch in allen Versuchsteilen konsequent<br />
weitergeführt werden. Keinesfalls darf die Höhe des oberen Gewichts von der Laborttischplatte gewählt<br />
werden, da ansonsten auch die Dicke der Gewichte mitbetrachtet würde!
3. Versuchsgruppe: Modellversuche 28<br />
d) sechs Gewichtsentnahmen:<br />
Es wird sechsmal immer nur ein Gewicht entfernt. Bei fünf der sechs Hebevorgängen ergibt<br />
sich eine Nutzarbeit.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
1. Übertragen Sie die folgende Tabelle sinnvoll in eine EXCEL-Tabelle und ergänzen Sie. Lassen<br />
Sie, wenn möglich, die Werte durch Eingabe einer Formel mit Hilfe von EXCEL berechnen.<br />
Beachten Sie die Einheiten.<br />
Masse, die<br />
angehoben wird<br />
m [in kg]<br />
Anzahl der<br />
Gewichtsentnahmen<br />
Höhendifferenzen<br />
h [in m]<br />
Nutzarbeit<br />
(Einzelbeträge)<br />
[in J]<br />
Nutzarbeit<br />
(Summe)<br />
[in J]<br />
a) 1 0 h 0 – h 6 . . . . . .<br />
b) 2<br />
0,3<br />
0<br />
h 3 – h 6<br />
h 0 – h 3<br />
. . . . . .<br />
c) 3<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
h 4 – h 6<br />
h 2 – h 4<br />
h 0 – h 2<br />
. . . . . .<br />
d)<br />
. . . . . . . . . . . . . . .<br />
2. Tragen Sie mit Hilfe von EXCEL die insgesamt gewonnene Nutzarbeit (letzte Spalte der<br />
Tabelle) graphisch gegen die Anzahl der Gewichtsentnahmen auf (vier Datenpunkte).<br />
3. Ermitteln Sie aus der Auftragung durch Extrapolation den Wert der insgesamt zu<br />
gewinnenden Nutzarbeit für zwölf 50 g-Gewichte (also insgesamt 600 g = 0,6 kg), von denen<br />
immer nur ein Gewicht entfernt wird.<br />
Welchen Wert erhalten Sie schätzungsweise für den Grenzfall der maximalen Nutzarbeit<br />
0,6<br />
maximale Nutzarbeit = 9,81<br />
h dm = … ?<br />
0,0<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Wählen Sie aus allen Modellen der Versuchsgruppe 3 eines aus, das Sie im Unterricht am ehesten<br />
einsetzen würden, und begründen Sie, was Ihnen an diesem Modellversuch gefällt und was das<br />
Modell im Unterricht leisten kann.<br />
Wählen Sie andererseits mit Begründung auch ein Modell aus, das Sie im Unterricht am ehesten<br />
nicht einsetzen würden. In welchen Punkten (z. B. bei der Durchführung, bei der Auswertung) ist<br />
der Modellversuch möglicherweise schwieriger zu verstehen und komplexer gestaltet als der zu<br />
demonstrierende Sachverhalt?
_____________________________________________________________________________<br />
4. VERSUCHSGRUPPE:<br />
COMPUTERUNTERSTÜTZTES EXPERIMENTIEREN<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 4.1 1 Messkolben (50 mL) 1 Messzylinder (100 mL)<br />
6 Bechergläser (250 mL) 1 Peleusball<br />
2 Vollpipetten (5 mL) 1 Trichter, klein<br />
2 Vollpipetten (10 mL) 1 Stoppuhr<br />
1 Vollpipette (50 mL) 1 kleiner Rührmotor mit Rührkern<br />
zu 4.2 1 Kolbenpipette (5 mL) 3 Bechergläser (50 mL)<br />
1 Kolbenpipette (2 mL) 3 Kolbenpipetten (1 mL)<br />
zu 4.3 2 Vollpipetten (10 mL) 2 Reagenzgläser mit Ständer<br />
2 Erlenmeyerkolben (100 mL) 2 Küvetten (kleine Reagenzgläser)<br />
1 kleiner Spatel [Peleusball aus 4.1/2]<br />
Chemikalien:<br />
zu 4.1 0,1 M NaOH (Xn) ca. 0,1 M HCl<br />
Phenolphthalein-Lösung<br />
ca. 0,1 M Essigsäure<br />
zu 4.2 Ethanol (p. a.) (F) tert.-Butylbromid (F)<br />
[0,1 M NaOH aus 4.1]<br />
zu 4.3 5 . 10 -5 M Kristallviolett-Lösung (Xn) 0,5 M NaOH (C)<br />
Ausleihen:<br />
PC mit Monitor und Drucker<br />
Perfusor<br />
Software<br />
pH-Meter<br />
AD-Wandler (ADW-16)<br />
Leitfähigkeitsmessgerät mit Kabel<br />
RGB-Anschlusskabel Einstabmesskette 3<br />
RS-232 Übertragungskabel Colorimeter CO 65 mit Filter Nr. 6<br />
3 Klammern mit Muffen Stativ
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 30<br />
Vorbemerkung:<br />
Dem Vordringen der Computer in fast alle Lebensbereiche des Menschen sollte nicht eine<br />
Verweigerungshaltung im Bereich der Schule gegenüber stehen. Der Schüler hat einen Anspruch<br />
darauf, aktuelle Bezüge in seinem Unterricht wiederzufinden. Im Übrigen ist eine kritische<br />
Auseinandersetzung mit diesem Medium höher zu bewerten als eine kritiklose bis euphorische<br />
Übernahme von neuen Technologien.<br />
Neben der gesellschaftlichen Relevanz dieses Themas ermöglicht es der Computer, den Ablauf<br />
des <strong>Chemie</strong>unterrichts in bestimmten Einsatzbereichen zu erleichtern.<br />
Vorteile des Computers bei der Messwerterfassung:<br />
1. Anzeige von Messwerten und Graphen<br />
Der Computer lässt sich über einen AD-Wandler an nahezu jedes Gerät mit einem Gleichspannungsausgang<br />
anschließen. Der Messwert kann so erfasst und auf einen Großbildschirm,<br />
z. B. einen Fernseher, für jeden Schüler sichtbar übertragen werden.<br />
Auch die graphische Darstellung des Verlaufs einer Messgröße ist möglich. Gerade bei<br />
Messreihen kann das Aussehen des Graphen wesentlicher als die einzelnen Zahlenwerte sein.<br />
2. Verarbeitung der Werte<br />
Ermittelte Messwerte lassen sich abspeichern, ausdrucken, vor allem aber ohne großen<br />
Zeitaufwand umrechnen (z. B. mit einer Tabellenkalkulation). Nicht immer sind nämlich die<br />
am Messgerät angezeigten Werte selbst wichtig, oft müssen z. B. Differenzen oder ein<br />
Logarithmus gebildet werden. Gleichartige Umrechnungen vieler Tabellenwerte sind<br />
zeitraubend, fehlerträchtig und alles andere als motivierend und lenken oft vom eigentlichen<br />
Versuchsergebnis ab. Allerdings sollte der Schüler die PC-unterstützten Umrechnungen nicht<br />
als „Black-box“ gebrauchen, sondern die Rechenoperationen zumindest nachvollziehen<br />
können.<br />
Mit dem Computer besteht außerdem die Möglichkeit, mehrere Messreihen aufzunehmen und<br />
zum Vergleich in einem gemeinsamen Koordinatensystem graphisch exakt darzustellen.<br />
3. Zeitraffer und Zeitlupe<br />
Mit dem Computer lassen sich sowohl schnelle als auch extrem langsame Vorgänge gut<br />
verfolgen. So sind Langzeitmessungen möglich, ohne den Unterricht durch andauerndes<br />
Ablesen von Messwerten zu stören.<br />
Auch bei einer raschen Reaktion, deren Ablauf in Abhängigkeit von der Zeit erfasst werden<br />
soll, eröffnet die Registrierung mit dem Computer eine intensivere und detailliertere<br />
Besprechung und Diskussion der Ergebnisse, die ansonsten aufgrund der Messwertdichte<br />
eventuell überhaupt nicht zugänglich wären. Allein vom Zeitaufwand lässt sich bei einem<br />
klassischen Verfahren mit der Analyse von Einzelproben eine solche Messwertdichte in der<br />
Schule auf keinen Fall realisieren.<br />
Das kürzest mögliche Zeitintervall zwischen zwei Messungen hängt von der Arbeitsgeschwindigkeit<br />
des Rechners und des AD-Wandlers ab. Mit dem in unseren Versuchen<br />
verwendeten ADW-16 können maximal 6,5 Messwerte pro Sekunde ermittelt werden.<br />
Allerdings hängt die Aufzeichnungsgeschwindigkeit auch von der verwendeten Software ab.<br />
Je umfangreicher der Programmablauf ist, desto weniger Messwerte können pro Sekunde<br />
ermittelt werden.<br />
Beispielhaft sollen diese für eine Messwerterfassung typischen Punkte in den Versuchen 4.1 bis<br />
4.3 bei einer Leitfähigkeits-, bei einer pH-Wert- und bei einer Extinktionsmessung demonstriert<br />
werden.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 31<br />
Über die Messwerterfassung hinaus findet der Computer in den folgenden unterrichtlichen<br />
Situationen Anwendung:<br />
• Simulation<br />
Der Computer lässt sich zur Simulation physikalischer und chemischer Phänomene einsetzen,<br />
z. B.<br />
- bei der Simulation großtechnischer Verfahren<br />
(Ein solcher Einsatz kann sich als sinnvoll erweisen, wenn bei der Simulation<br />
Versuchsparameter geändert werden können oder wenn der apparative Aufwand bei der<br />
experimentellen Durchführung in keinem Verhältnis zum Ergebnis stünde.)<br />
- bei Modellversuchen<br />
(beispielsweise zur kinetischen Gastheorie)<br />
• Molekülmodellierungen<br />
Molekülmodellierungen sind modellhafte Abbildungen berechneter komplizierter Molekülstrukturen<br />
oder Orbitale. Im Schulbereich wird vielfach eine einfache dreidimensionale<br />
Darstellung verwendet, bei denen die Atomsorten als unterschiedlich große, farbcodierte<br />
Kugeln dargestellt werden; die benötigten Bausteine - Atome und funktionelle Gruppen - kann<br />
der Benutzer nach eigener Wahl zusammenbauen.<br />
• Lernprogramme<br />
Fertige Lernprogramme werden für alle Fächer angeboten. Sie erheben den Anspruch, für<br />
einen handlungsorientierten Unterricht geeignet zu sein. Leider verlangen sie von den Schülern<br />
oft nicht sehr viel mehr das Ausfüllen von Lücken und unterscheiden sich dann kaum von<br />
einem kleinschrittig aufgebauten Arbeitsblatt.<br />
Vorteile, die solche Lernprogramme dennoch bieten können, die allerdings auch nicht<br />
überschätzt werden dürfen, sind:<br />
- individuelle Anpassung an das Arbeitstempo und die Arbeitsweise der Schüler,<br />
- Wahl des Schwierigkeitsgrads bei der Stoffaneignung,<br />
- sofortige Selbstkontrolle der Ergebnisse,<br />
- Sekundärmotivation über die Arbeit mit dem Medium Computer.<br />
• Programmierung<br />
Mit ausreichenden Programmier-Kenntnissen, z. B. in der Programmiersprache PASCAL,<br />
können die Schüler selbst Programme zur Auswertung experimentell ermittelter Werte<br />
erarbeiten. Das Erstellen eines Programms bedeutet zunächst einmal intensive Auseinandersetzung<br />
mit der Struktur des Problems. Diese Beschäftigung kann den Lernerfolg nachhaltig<br />
verstärken.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 32<br />
4.1 Leitfähigkeitstitration<br />
Erläuterungen:<br />
Titrationen sind ein wesentlicher Bestandteil der analytischen <strong>Chemie</strong>. Normalerweise wird im<br />
<strong>Chemie</strong>unterricht nur eine klassische Endpunkttitration, z. B. mit Indikatoren, durchgeführt.<br />
Diese lässt sich visuell gut aufarbeiten und ist vom Zeitbedarf günstiger als eine diskontinuierliche<br />
Titration über die Leitfähigkeit, den pH-Wert oder die Temperatur. Das fortlaufende Stoppen der<br />
Titerzugabe und Ablesen eines Messwertes ist zeitaufwendig und für Schüler wenig attraktiv.<br />
Wichtigster Nachteil einer Endpunkttitration ist aber, dass der zeitliche Verlauf der Messgrößen<br />
(wie z. B. die Leitfähigkeit) nicht verfolgt werden kann. Der Computer liefert die Möglichkeit,<br />
Messwerte in kleinen Zeitabschnitten aufzuzeichnen und innerhalb kurzer Zeit auszuwerten.<br />
Da der Computer nur in der Lage ist, Messdaten in Abhängigkeit von der Zeit aufzuzeichnen,<br />
muss bei der Titration das Volumen zugegebener Lauge, Säure oder sonstiger Titerlösungen in<br />
Form einer Zeitangabe ausgedrückt werden. Hierfür wählen wir einen sogenannten „Perfusor“<br />
mit einer gesteuerten Spritze. Dieses Gerät liefert innerhalb eines festen Zeitintervalls immer<br />
dasselbe Volumen und wird im Krankenhaus zur genauen und kontinuierlichen Dosierung von<br />
Infusionslösungen eingesetzt. 1<br />
Vorbereitungen:<br />
Die Spritze des Perfusors wird mit 0,1 molarer Natronlauge gefüllt. Die Zutropfgeschwindigkeit<br />
wird am Gerät auf 99 mL/h eingestellt. Aus diesem Wert ist zu berechnen, wie viele Sekunden für<br />
das Auslaufen von 100 mL Titerlösung benötigt werden. Denn in der Parametertabelle des<br />
Computerprogramms muss dieses Ergebnis anschließend eingegeben werden: Die Parametertabelle<br />
erscheint durch Anklicken des entsprechenden Feldes in der Registerkarte am unteren<br />
Bildschirmrand; die Eingabe erfolgt dort unter der Rubrik „Zeit für 100 x-Achseneinheiten“.<br />
Bedienung des Computerprogramms<br />
Es empfiehlt sich vorab, die folgenden Bedienungsschritte durchzuführen, ohne dass dabei bereits<br />
titriert wird („Leerdurchlauf“).<br />
1. Löschen bisher erstellter Messdaten:<br />
Durch Anklicken des Feldes Rücksetzen in der linken Bildschirmleiste werden alte Messdaten<br />
entfernt.<br />
Dies sollte vor jeder Aufnahme einer neuen Messreihe geschehen. Ausnahme bilden die drei<br />
Messreihen in Versuch 4.2, deren zugehörige Diagramme miteinander verglichen und daher<br />
zwischenzeitlich nicht gelöscht werden sollen.<br />
2. Beginn der Messung:<br />
Durch Anklicken des Feldes Aufzeichnen werden augenblicklich die ersten Messwerte<br />
erhoben.<br />
1 Aussortierte Geräte werden von Krankenhäusern auf Anfrage abgegeben. Steht ein solcher Perfusor nicht zur<br />
Verfügung, setzt man häufig eine gleichlaufende Bürette ein, die innerhalb eines festen Zeitintervalls<br />
unabhängig von der Füllhöhe immer das gleiche Volumen liefert. Eine große Flasche mit großem Durchmesser<br />
und mit einem Auslauf nach unten ist für diese Verwendung besonders zweckmäßig. Die Titrierlösung tropft<br />
durch eine Kapillare gleichmäßig aus, solange sich der Flüssigkeitsspiegel in der Vorratsflasche nicht stark<br />
ändert. Vor der Durchführung des Experiments ist dann die Auslaufzeit für ein fest definiertes Volumen aus<br />
der gleichlaufenden Bürette zu ermitteln
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 33<br />
3. Beendigung der Messung:<br />
Durch Anklicken des Feldes Esc in der linken Bildschirmleiste (bzw. durch Drücken der Esc-<br />
Taste) kann die Messung abgebrochen werden, sofern die Titration beendet ist.<br />
4. Anzeigen der erstellten Graphik:<br />
Durch Anklicken des Feldes aktuelle Graphik in der linken Bildschirmleiste - nach Beendigung<br />
der Messung - erhält man die graphische Auftragung der Messwerte.<br />
5. Anzeigen der gemessenen Werte:<br />
Durch Anklicken des Feldes Wertetabelle in der Registerkarte am unteren Bildschirmrand<br />
lassen sich die Messwerte anzeigen und gegebenenfalls über das Tabellenkalkulationsprogramm<br />
Excel weiterverarbeiten (wie in Versuch 4.3).<br />
Versuchsdurchführung:<br />
a) Leitfähigkeitstitration einer starken Säure mit einer starken Base:<br />
10 mL der Salzsäure unbekannter Konzentration (ca. 0,1 mol/L) werden in einem 250 mL-<br />
Becherglas vorgelegt und mit 100 mL dest. Wasser verdünnt. Die Elektrodenflächen sollten gut<br />
mit der Lösung bedeckt sein. Die Vorlage wird mit einigen Tropfen Phenolphthaleinlösung<br />
versetzt, um den Umschlagspunkt auch visuell anzuzeigen. Die Lösung muss gut gerührt werden,<br />
so dass eine gleichmäßige Verteilung erreicht wird.<br />
Das Leitfähigkeitsmessgerät wird durchgehend im Messbereich 10 -3 belassen und keinesfalls<br />
geändert.<br />
Um einen gleichmäßigen Zulauf zu ermöglichen, sollte der Perfusor bereits vor der Messung<br />
gestartet worden sein. Man beginnt mit der Messung, sobald der erste Tropfen Natronlauge die<br />
Säure erreicht.<br />
Anmerkung:<br />
Die Zutropfgeschwindigkeit ist unabhängig davon, ob die Kanüle in die Flüssigkeit hineinragt<br />
oder oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gehalten wird.<br />
b) Leitfähigkeitstitration einer schwachen Säure mit einer starken Base:<br />
Die Messung aus a) wird mit Essigsäure statt Salzsäure wiederholt.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Die graphische Auftragung der Messwerte gegen den Laugenverbrauch soll jeweils ausgedruckt<br />
und diskutiert werden. Die Konzentration der Salzsäure und der Essigsäure werden berechnet.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 34<br />
4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution)<br />
Vorbemerkung:<br />
Der Mechanismus der S N 1- und S N 2-Reaktionen wird in der Schule häufig mit der alkalischen<br />
Hydrolyse von Alkylhalogeniden eingeführt. Die alkalische Hydrolyse von tert.-Butylbromid ist<br />
ein Beispiel für eine S N 1-Reaktion. Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der<br />
Polarität des Lösungsmittels unterstreicht das Vorliegen einer ionischen Zwischenstufe.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Vorbemerkung:<br />
Die Verbindungskabel zum AD-Wandler werden an die Buchsen auf der Rückseite des pH-<br />
Meters angeschlossen. Der Perfusor wird bei diesem Experiment nicht eingesetzt!<br />
Becherglas Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3<br />
Ethanol<br />
21 mL<br />
17 mL<br />
20 mL<br />
Wasser<br />
1 mL<br />
5 mL<br />
2 mL<br />
Natronlauge (0,1 M)<br />
1,5 mL<br />
1,5 mL<br />
1,5 mL<br />
tert.-Butylbromid<br />
1,5 mL<br />
1,5 mL<br />
1,5 mL<br />
Ethanol, Wasser und Natronlauge werden gemäß der beiden Spalten Nr. 1 und Nr. 2 der obigen<br />
Tabelle in zwei Bechergläsern vorgelegt und gut gemischt. Die pH-Messkette wird jetzt in das<br />
erste Becherglas gestellt und mit einer Klammer am Stativ befestigt.<br />
Die Computeraufzeichnung wird gleichzeitig mit der Zugabe von tert.-Butylbromid gestartet. Um<br />
eine gute Durchmischung zu erreichen, muss sofort nach Zugabe des tert.-Butylbromids gut<br />
umgeschwenkt bzw. gerührt werden.<br />
Die Messung kann beendet werden, sobald der pH-Wert im sauren Bereich liegt.<br />
Die graphische Auftragung der pH-Werte gegen die Zeit soll zu beiden Messreihen ausgedruckt<br />
werden, wobei anschließend die Daten nicht durch Anklicken des Feldes Rücksetzen gelöscht<br />
werden sollen.<br />
Nach Beendigung der zwei Messungen sollen die beiden Graphen zum Vergleich in einem<br />
gemeinsamen Koordinatensystem angezeigt und ebenfalls ausgedruckt werden. Dies geschieht<br />
durch Anklicken des Feldes in der linken Bildschirmleiste.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
1. Interpretieren Sie die Ergebnisse und beziehen Sie sich dabei auf den Reaktionsmechanismus.<br />
2. Wie müsste sich der Kurvenverlauf ändern, wenn man die Messung mit einem weiteren<br />
Becherglas, das gemäß Spalte Nr. 3 der obigen Tabelle befüllt ist, wiederholt?
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 35<br />
4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik<br />
Bei Reaktionen, die mit einer Farbänderung verbunden sind, lässt sich der zeitliche Verlauf mit<br />
Hilfe eines Photometers verfolgen. Der Einsatz eines Computers kann sich dabei als sinnvoll<br />
erweisen, da sich mit ihm Zeit-Umsatz-Kurven auch von relativ raschen Reaktionen aufzeichnen<br />
lassen. Auf diese Weise soll am Beispiel der Reaktion von Kristallviolett mit Hydroxidionen die<br />
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration aufgezeigt werden.<br />
Theoretische Einführung:<br />
Das Reaktionsschema lautet:<br />
Das Geschwindigkeitsgesetz, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit v mit den sich ändernden<br />
Konzentrationen bei einer gegebenen Temperatur verknüpft ist, lautet hier („Krist“ abgekürzt):<br />
v =<br />
d[Krist]<br />
k<br />
x y<br />
dt 1 [Krist]<br />
[OH<br />
<br />
] mit einer Konstanten k 1 .<br />
Wenn ein hoher Überschuss an Lauge (0,5 M NaOH) eingesetzt wird, bleibt die Hydroxidionen-<br />
Konzentration während der Reaktion nahezu konstant. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt dann<br />
nur noch von der Kristallviolettkonzentration ab:<br />
v =<br />
d[Krist]<br />
k [Krist]<br />
x<br />
mit einer Konstanten k.<br />
dt<br />
Der Exponent x stellt die Ordnung der Reaktion bezüglich der Kristallviolettkonzentration dar.<br />
Man erhält bei einem hohen Laugenüberschuss für diese Reaktion eine Kinetik 1. Ordnung (x = 1).<br />
Die integrierte Form des Geschwindigkeitsgesetzes 1. Ordnung lautet dann:<br />
ln[ Krist] t k t ln[Krist ] 0 ,<br />
wobei [Krist] t die Kristallviolettkonzentration zur Zeit t und [Krist] 0 entsprechend zu Beginn<br />
angibt (vgl. Erläuterungen zu Versuch 3.1).<br />
Da die Reaktionsgeschwindigkeit unter den gegebenen Bedingungen nur von der Kristallviolettkonzentration<br />
abhängt und das Additionsprodukt mit OH -Ionen farblos ist, kann die Reaktion<br />
colorimetrisch über die Farbänderung verfolgt werden.<br />
Gemessen wird die Transmission T (in %), die mit der Extinktion E über den folgenden<br />
Zusammenhang verknüpft ist:<br />
E = lgT<br />
(Beispiel: Transmission T = 5 % bedeutet T = 0,05 und damit E = lg0,05.)
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 36<br />
Die Extinktion E ist der jeweiligen Konzentration an Kristallviolett direkt proportional und kann<br />
deshalb in das Geschwindigkeitsgesetz eingesetzt werden:<br />
ln Et k t ln E 0<br />
Wird lnE t gegen t aufgetragen, erhält man bei Reaktionen 1. Ordnung eine Gerade mit der<br />
Steigung k (k = Geschwindigkeitskonstante) .<br />
Versuchsdurchführung:<br />
a) Messung der Transmission<br />
Mit der 0,5 M NaOH wird auf 100 % Transmission am Messgerät eingestellt.<br />
Zur Bestimmung der Zeit-Umsatz-Kurve werden 10 mL Kristallviolettlösung der vorgegebenen<br />
Konzentration in einen 100 mL-Erlenmeyerkolben und 10 mL Natronlauge in ein Reagenzglas<br />
pipettiert. Beide Lösungen werden anschließend im Erlenmeyerkolben vereinigt, kurz<br />
umgeschwenkt und außerhalb des Gerätes in die Küvette überführt (zu 2 / 3 gefüllt).<br />
Die Messung wird sofort gestartet und - sobald die Transmission einen konstanten Wert (nahe<br />
100 %) erreicht hat - direkt beendet.<br />
b) Bearbeitung der gemessenen Werte mit ‚Excel’<br />
Ziel ist es, nach einer Reaktion 1. Ordnung graphisch aufzutragen. Aus der Steigung der Geraden<br />
soll die Geschwindigkeitskonstante k und anschließend die Halbwertszeit ermittelt werden.<br />
Um die Möglichkeiten des Computers sinnvoll und optimal zu nutzen, sollen die Messwerte<br />
direkt am Versuchstag und zeitsparend mit der Tabellenkalkulation ‚Excel’ ausgewertet werden:<br />
B C D E F<br />
1 Zeit [s] Transmission Extinktion Zeit [s] ln(Extinktion)<br />
2 1 40 =LOG10(C2/100) 1 =LN(D2)<br />
3 2 61<br />
2<br />
4 3 75 3<br />
5 4 84 4<br />
kopieren<br />
6 5 91 5<br />
kopieren<br />
7 6 96 6<br />
8 7 99 7<br />
(erfundene Zahlenwerte)<br />
Es folgen einige Kurzanleitungen zur Tabellenkalkulation ‚Excel’.<br />
Die Ausführungen gelten, falls Ihre Tabelle in Spalte B die Werte für die Zeit und in Spalte C die<br />
Werte für die Transmission aufweist, und orientieren sich damit an der oben abgebildeten Tabelle.
4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren 37<br />
<br />
• Lassen Sie in Spalte D die Extinktion aus der Transmission errechnen:<br />
1. Schritt:<br />
Geben Sie in Tabellenzelle D2 die Formel = LOG10(C2/100) ein. Das Computerprogramm erfährt<br />
durch das Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung, nämlich:<br />
„Dividiere die Zahl, die in Zelle C2 steht, durch 100, bilde hiervon den dekadischen Logarithmus und<br />
ändere das Vorzeichen.“ (Die Division durch 100 ist erforderlich, um die Transmission in Prozent, also<br />
auf Hunderstel, umzurechnen.) Sollte als Ergebnis die Zahl Null in der Zelle erscheinen, ist die Zahl der<br />
Dezimalstellen zu erhöhen: die zugehörige Formatierung erreicht man über die rechte Maustaste.<br />
Verändern Sie testweise und nur vorübergehend den Wert in Zelle C2; Sie stellen dann fest, dass der<br />
Wert in Zelle D2 sofort angepasst wird.<br />
Mit Hilfe der Eingabe einer solchen Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens (2.<br />
Schritt) nutzen:<br />
2. Schritt:<br />
Kopieren Sie die Formel aus Zelle D2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die<br />
untere rechte Ecke der Zelle D2 mit der Maus anklicken und - während Sie die Maus gedrückt lassen -<br />
den Rahmen der Zelle D2 nach unten über die anderen Felder ziehen.<br />
Die Formel aus Zelle D2 wird dann automatisch angepasst; z. B. greift das Computerprogramm in Zelle<br />
D5 auf Zelle C5, aber nicht mehr auf C2 zurück. (Dies können Sie - nach dem Anklicken der Zelle D5 -<br />
an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette = verfolgen.)<br />
• Kopieren Sie die Daten aus Spalte B in Spalte E.<br />
• Wiederholen Sie analoge Schritte zur Vervollständigung der Tabelle, wie sie oben angedeutet ist<br />
(Spalte F).<br />
• Erstellen Sie ein Diagramm, das ln(E) in Abhängigkeit von der Zeit darstellt:<br />
Markieren Sie dazu mit der Maus die beiden Spalten E und F. Wählen Sie in der Bildschirmleiste<br />
„Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“.<br />
Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.<br />
• Lassen Sie in das betreffende Diagramm eine Ausgleichsgerade hineinlegen und deren Geradengleichung<br />
bestimmen:<br />
Klicken Sie dazu das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der<br />
Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort<br />
- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und<br />
- in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“.<br />
Drücken Sie anschließend „OK“.
_____________________________________________________________________________<br />
5. VERSUCHSGRUPPE:<br />
DAS ARBEITEN MIT GASEN – REDOXREAKTIONEN<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
Allg. 2 gebogene Glasröhrchen mit Düse 1 Tiegelzange<br />
(für Stahlflaschen)<br />
1 Spatel<br />
1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch 1 Schere<br />
zu 5.1 1 Becherglas (250 mL) 1 Glimmspan<br />
1 <strong>Stand</strong>zylinder<br />
zu 5.2 1 großes, breites Becherglas 1 treppenartig geknickter Blechstreifen<br />
1 DC-Kammer 3 Teelichter (Kerzen)<br />
1 Glasplatte<br />
zu 5.3 2 Kolbenprober (100 mL), dazu passend 1 Reaktionsrohr; dazu passend:<br />
1 Dreiwegehahn 2 durchbohrte Stopfen mit Glasrohrstücken<br />
zu 5.4 1 Vierhalskolben mit 2 Verbindungsstücken 2 Graphitelektroden mit Schraubverbindung<br />
1 Waschflasche 1 Tropfpipette<br />
zu 5.5 1 <strong>Stand</strong>zylinder mit Glasplatte 1 Stopfen für <strong>Stand</strong>zylinder<br />
1 Verbrennungslöffel 1 Gurkenglas<br />
1 Draht<br />
zu 5.6 2 Wägeschiffchen 1 gebogenes Glasrohr (mit Cu-Wolle)<br />
1 Reaktionsrohr mit durchbohrten Stopfen<br />
Chemikalien:<br />
zu 5.1/2 CO 2 -Flasche<br />
Sand<br />
Magnesiumband<br />
zu 5.3<br />
Kupferspäne (oder Kupferdrahtnetz)<br />
zu 5.4 Bromthymolblaulösung 0,1 M NaOH (Xi)<br />
zu 5.5 Schwefelpulver Stahlwolle<br />
Sauerstoffflasche<br />
zu 5.6<br />
CuO<br />
wird bereitgestellt:<br />
2 Stative 1 Hochspannungstransformator<br />
4 Klammern mit Muffen (50 und 23000 Windungen)<br />
2 kleine Klammern 1 Netzgerät (25 V; 12 A)<br />
1 Vakuumschlauch 4 Kabel<br />
Gummi- oder PVC-Schläuche<br />
1 kleine Vakuumpumpe
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 39<br />
5.1 Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Zuerst stellt man einen langsamen Gasstrom von CO 2 aus der<br />
Stahlflasche ein.<br />
Anschließend wird der Boden eines <strong>Stand</strong>zylinders mit Sand<br />
bedeckt. Dann wird dieses Gefäß mit CO 2 gefüllt und dabei mit<br />
einem brennenden Glimmspan der Füllstand kontrolliert.<br />
In den mit CO 2 gefüllten <strong>Stand</strong>zylinder wird ein am<br />
Bunsenbrenner entzündetes Magnesiumband (ca. 10 cm) mit<br />
der Tiegelzange eingeführt.<br />
Magnesium<br />
Kohlenstoffdioxid<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Nennen Sie mindestens eine Fragestellung, die - als Thema einer Unterrichtsstunde - vom Lehrer<br />
aufgeworfen und die dann anhand des Versuchs untersucht und überprüft werden könnte.<br />
Welche Klassenstufe betrifft jeweils diese Fragestellung? Beantworten die von Ihnen gemachten<br />
Beobachtungen die vorgeschlagene Fragestellung ausreichend?<br />
5.2 „Kerzentreppenversuch“<br />
Versuchsdurchführung:<br />
(angelehnt an „HRR“, Versuch 22.4, S. 166)<br />
Auf einen treppenartig geknickten Blechstreifen, den<br />
man - wie abgebildet - in eine DC-Kammer führt, stellt<br />
man insgesamt drei Teelichter.<br />
In ein großes Becherglas wird CO 2 aus der Stahlflasche<br />
eingeleitet.<br />
Dann „gießt“ man zügig das CO 2 über der DC-Kammer<br />
an der Seite mit der am niedrigsten angebrachten Kerze<br />
aus, so dass die Kerzen der Reihe nach von unten nach<br />
oben erlöschen. Dabei soll ein Großteil der Becherglasöffnung<br />
mit einer Glasplatte abgedeckt werden, damit<br />
das CO 2 nicht zu großflächig ausströmt und alle drei<br />
Kerzen gleichzeitig löscht.<br />
Gegebenfalls muss man CO 2 in das Becherglas zum<br />
Ausgießen nachfüllen.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Schaffen Sie einige vor allem praktische Anwendungsbezüge dieses Experiments, die man in den<br />
Unterricht integrieren könnte.
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 40<br />
5.3 Bildung von Stickoxiden<br />
Versuchsaufbau:<br />
Elektroden<br />
Glaskolben<br />
Pumpe oder<br />
Peleusball<br />
Trafo<br />
Bromthymolblau-<br />
Lösung<br />
25 V / 12 A<br />
Die Apparatur wird gemäß Abbildung aufgebaut (Die vier durchbohrten Stopfen werden durch<br />
zwei Verbindungsstücke aus Glas und zwei Schraubverbindungen an den Elektroden ersetzt.)<br />
Die in den Vierhalskolben hineinragenden Graphitelektroden sollen einen Abstand von ca. 1-2 mm<br />
aufweisen. Sie werden mit den Polen eines Hochspannungstransformators und diese mit einem<br />
Netzgerät zur Erzeugung von Wechselspannung (Symbol ~) verbunden. Mit Hilfe des<br />
Transformators (50 und 23000 Windungen, s. „Information“ unten) soll die Netzspannung auf ca.<br />
5.000 V angehoben werden.<br />
In der Waschflasche befindet sich destilliertes Wasser, versetzt mit einigen Tropfen<br />
Bromthymolblau-Lösung. Die Lösung in der Waschflasche ist mit der bereitgestellten 0,1 M<br />
NaOH tropfenweise auf neutral (grüne Färbung) oder sehr schwach alkalisch (blaue Färbung)<br />
einzustellen; das verwendete destillierte Wasser ist nämlich gegebenenfalls schwach sauer.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Vorsicht beim Umgang mit Hochspannung! Lebensgefahr! Gute Isolierung beachten!<br />
Niemals beide Elektroden gleichzeitig berühren! Erst einschalten, wenn die Apparatur vollständig<br />
aufgebaut ist! Unbedingt ausschalten, wenn Veränderungen vorgenommen werden!<br />
Die am Netzgerät regulierte Spannung wird langsam auf ca. 10 Volt erhöht, bis ein kräftiger<br />
Funkenstrom überschlägt (bei der erzeugten Hochspannung).<br />
Wenn sich die Kugel mit braunem Gas gefüllt hat, wird abgeschaltet und erst danach die Pumpe<br />
angestellt oder der Peleusball bedient, so dass ein leichter Gasstrom durch die Waschflasche<br />
hindurch erzeugt wird .<br />
Informationen zum Transformator:<br />
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, einer Primärspule mit der Windungszahl N 1 und<br />
einer Sekundärspule mit der Windungszahl N 2 , die entweder auf den Schenkeln eines einfach<br />
geschlossenen Eisenkerns oder auf dem mittleren Schenkel eines zweifach geschlossenen<br />
Eisenkerns sitzen. Legt man an die Primärspule eine Wechselspannung U 1 an, so wird in der<br />
Sekundärspule eine Wechselspannung U 2 induziert, für die die folgende Beziehung gilt:
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 41<br />
U 2 N <br />
2 .<br />
U1<br />
N1<br />
Bei U 1 = 10 V und den Windungszahlen 23000 und 50 beträgt also die erzeugte Hochspannung<br />
U 2 23000 10V 5.000 V.<br />
50<br />
Diese Daten entsprechen dem im Schulversuchspraktikum verwendeten Transformator. Wie er<br />
über Kabel einerseits an die Spannungsquelle und andererseits an die Elektroden im<br />
Vierhalskolben angeschlossen wird, zeigen die folgenden Abbildungen:<br />
Anschluss an<br />
die Elektroden<br />
des Vierhalskolbens<br />
A<br />
E<br />
Anschluss an<br />
die Elektroden<br />
des Vierhalskolbens<br />
Ansicht<br />
von oben<br />
Diese Spule besteht<br />
aus 23000 Windungen<br />
Diese Spule besteht<br />
aus 50 Windungen<br />
Durch Anschluss der<br />
beiden Kabel an die<br />
linke untere Ecke und an<br />
die rechte obere Ecke<br />
wird der Transformator<br />
im obigen Experiment<br />
zu 100 % ausgenutzt.<br />
Würde man das obere<br />
Kabel tiefer stecken, so<br />
würde man die Netzspannung<br />
entsprechend<br />
nicht so stark anheben.<br />
Anschluss<br />
an die<br />
Spannungsquelle<br />
4<br />
4<br />
VOLT<br />
2<br />
6<br />
4<br />
Anschluss<br />
an die<br />
Spannungsquelle<br />
Ansicht<br />
von der<br />
Seite<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Für welche alltäglichen Prozesse steht dieses Experiment Modell?
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 42<br />
5.4 Der Sauerstoffgehalt der Luft<br />
Versuchsaufbau:<br />
Quarzrohr<br />
mit Kupfer<br />
3-Wege-Hahn<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Eine schulübliche "Luftanalyse“ benutzt Kolbenprober und Kupfer zur Bindung des Sauerstoffs<br />
bei erhöhter Temperatur.<br />
Machen Sie sich die Versuchsdurchführung anhand der Abbildung selbst klar:<br />
- Warum benötigt man zwei Kolbenprober?<br />
- Welche Funktion hat der an einer Seite des Reaktionsrohrs eingebaute Dreiwegehahn?<br />
- Warum wird das Reaktionsrohr erhitzt?<br />
Nach Versuchsende ergibt sich ein Messwert (1. Messwert) für den Sauerstoffgehalt, bei dem das<br />
tote Volumen der Apparatur als Fehler eingeht. Dieser Fehler wird völlig ausgeschlossen, wenn<br />
Sie folgendermaßen vorgehen:<br />
Lassen Sie hierzu nach dem Versuchsende, bei dem fast nur Stickstoff in der Apparatur vorliegt,<br />
diesen aus dem gefüllten Kolbenprober ab, und füllen Sie den Kolbenprober erneut mit genau<br />
100 mL Luft. Danach wird das Reaktionsrohr noch einmal erhitzt. Die nach dem Abkühlen<br />
gemessene Volumenabnahme ist dann genau auf 100 mL Luft bezogen (2. Messwert).<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Vor allem in der Orientierungsstufe wird zur Bestimmung des Sauerstoffanteils der Luft der<br />
sogenannte „Lichterschiffversuch“ eingesetzt (vgl. „HRR“ Versuch 6.7, S. 72). In einer besser<br />
funktionierenden und schneller realisierten Variante befestigt man (mit flüssigem Wachs) in der<br />
Mitte einer Glaswanne eine Kerze, so dass sie aufrecht steht. Anschließend gibt man gefärbtes<br />
Wasser in die Glaswanne. Stülpt man einen <strong>Stand</strong>zylinder (oder eine kleinere verschlossene Gasometerglocke<br />
mit Skalierung) über die Kerze, steigt der Wasserstand innerhalb des Gefäßes höher<br />
als außerhalb. Dabei füllt der erhöhte Wasserstand ziemlich genau 1/5 des <strong>Stand</strong>zylinders aus.<br />
Beurteilen Sie abschließend, ob dieser Versuch als Ersatz oder als Ergänzung zu dem von Ihnen<br />
durchgeführten Versuch 5.4 geeignet ist oder ob Sie ihn überhaupt nicht einsetzen würden.<br />
Untermauern Sie Ihr Urteil mit Vorteilen und Schwachstellen (auch fachlicher Art) des<br />
Experiments.
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 43<br />
5.5 Verbrennung in reinem Sauerstoff<br />
Versuchsdurchführung:<br />
a) Schwefel:<br />
Den Versuch im Abzug durchführen!<br />
Den Stiel eines Verbrennungslöffels bohrt man durch die Mitte eines Korkstopfens, so<br />
dass sich damit ein <strong>Stand</strong>zylinder verschließen lässt.<br />
Ein <strong>Stand</strong>zylinder wird mit Sauerstoff gefüllt und mit einer Glasplatte verschlossen.<br />
Schwefelpulver wird in den Verbrennungslöffel gefüllt, an der Bunsenbrennerflamme<br />
entzündet und sofort in den <strong>Stand</strong>zylinder eingeführt. Durch den Verschluss mit dem<br />
Korken lässt sich das Gemisch zur Demonstration der Reaktion kurzzeitig aus dem Abzug<br />
herausnehmen.<br />
Nach Beendigung der Reaktion entfernt man den Verbrennungslöffel, gibt rasch etwas mit<br />
Bromthymolblau versetztes Wasser hinzu und verschließt mit der Glasplatte und schüttelt<br />
vorsichtig.<br />
Nach dem Versuch wird der Verbrennungslöffel unter dem Abzug durch Ausglühen von<br />
Schwefelresten gründlich gereinigt.<br />
b) Eisen:<br />
Man führt ein Stück Draht durch das Loch des Schraubdeckels und befestigt etwas<br />
Stahlwolle am Draht.<br />
Die Stahlwolle wird am Bunsenbrenner entzündet und sofort in das mit Sauerstoff gefüllte<br />
Schraubdeckelglas gehalten, so dass dieses mit dem Deckel verschlossen ist.<br />
5.6 Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff<br />
(5.6. entfällt im Modul 3 – schülergerechtes Experimentieren)<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Die Masse von Wägeschiffchen 1 und 2 wird notiert. Je ein Wägeschiffchen wird mit 1 bzw. 1,5<br />
g schwarzem Kupferoxid (CuO) gefüllt und erneut die Masse (Schiffchen + Edukt) bestimmt.<br />
Die Wägeschiffchen werden in das Reaktionssrohr gestellt. Der Gasfluss wird mithilfe einer<br />
Waschflasche überprüft. Am Ende des Reaktionsrohrs soll ein Gasableitungsröhrchen mit<br />
„Rückschlagsicherung (Kupfer)“ aufgesteckt werden.<br />
Der Wasserstoff wird nach Überprüfung des Gasflusses direkt an das Reaktionsrohr<br />
angeschlossen. An der Austrittsöffnung (A) wird nach zweimaligem negativem Ausfall der<br />
Knallgasprobe der Wasserstoff entzündet.<br />
Das Reaktionsrohr wird von A nach B erhitzt. Wenn das Kupferoxid in beiden Wägeschiffchen<br />
aufglüht, Brennerflamme wegnehmen. Bei weiter durchströmendem Wasserstoff das<br />
Reaktionsrohr abkühlen lassen, damit das entstandene Metall nicht sofort wieder oxidiert wird.<br />
Nach dem Abkühlen Wasserstoffflamme löschen und Wasserstoffzufuhr abstellen.<br />
Die Wägeschiffchen mit dem Reaktionsprodukt werden erneut gewogen.
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 44<br />
Auswertung während des Praktikums:<br />
Notieren Sie die dem Versuch zugrunde liegende Reaktionsgleichung.<br />
1<br />
2<br />
m (Schiffchen)<br />
leer [g]<br />
m (Schiffchen)<br />
mit Edukt [g]<br />
m (Schiffchen)<br />
mit Produkt<br />
[g]<br />
m(CuO)<br />
[g]<br />
m(O 2 )<br />
[g]<br />
m(Cu)/m(O 2 )<br />
Berechnen Sie den Sauerstoffanteil in CuO.<br />
Wieviel g CuO müssen eingesetzt werden, um genau 1 g Cu zu erhalten?<br />
Welche Gesetzmäßigkeit liegt der Berechnung zugrunde?<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
An welcher Stelle im Unterricht könnte das Experiment integriert werden? Bewerten Sie das<br />
Experiment hinsichtlich der Einsatzfähigkeit im Unterricht.
5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen - Redoxreaktionen 45<br />
_____________________________________________________________________________<br />
6. VERSUCHSGRUPPE:<br />
ANALYSE UND SYNTHESE DES WASSERS<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 6.1 1 Hofmann’scher Zersetzungsapparat 1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch<br />
2 Reagenzgläser<br />
1 Becherglas (400 mL) Glimmspäne<br />
1 Trichter 1 Stoppuhr<br />
zu 6.2 2 Bechergläser ( 250 ml) 1 Stück eines Schwammtuchs<br />
2 Scherblätter 1 Nagel<br />
1 Graphitelektrode 2 Krokodilklemmen<br />
2 Kabel 1 Solarzelle mit Zubehör (Gestell, 2 Kabel)<br />
1 niederohmiger Motor 2 kleine Klammern<br />
1 Voltcraft M 818 B<br />
zu 6.3 3 Explosionsbüretten mit Platinelektroden 2 Glasrohrstücke (kapillar verengt)<br />
3 Glaswannen 1 Zündfunkengeber<br />
2 Bananenstecker<br />
zu 6.4 Luftballons lange Schnur<br />
1 Kerze, an einem langen Zeigestab befestigt<br />
Chemikalien:<br />
zu 6.1 Schwefelsäure (30 %-ig), Xi<br />
zu 6.3 H 2 -Flasche, F O 2 -Flasche, O<br />
zu 6.4 [H 2 -Flasche aus 6.3]<br />
wird bereitgestellt:<br />
1 Spannungsquelle 1 3 Stative<br />
1 Ampèremeter 2 Klammern (groß)<br />
1 Voltmeter 6 Klammern (klein)<br />
1 Schutzscheibe 8 Muffen<br />
Gummi- oder PVC-Schläuche<br />
5 Kabel<br />
1<br />
Als Spannungsquelle verwenden wir für die Elektrolyse von Wasser ein Gerät, welches variabel max. 60 Volt<br />
Gleichspannung bei etwa 0,5 Ampère liefert.
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 46<br />
6.1 Die Elektrolyse von Wasser<br />
(Hofmann’scher Zersetzungsapparat)<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Anstelle eines bei Elektrolysen häufig eingesetzten U-Rohres verwenden<br />
wir den Hofmann’schen Zersetzungsapparat (siehe Abbildung), der mit<br />
30 %-iger Schwefelsäure als Elektrolyt befüllt wird. Hierzu öffnet man<br />
die Hähne der beiden Zersetzungsrohre und lässt durch die Kugel des<br />
mittleren Rohres langsam so viel Schwefelsäure einfließen, dass die<br />
beiden äußeren Schenkel bis in die Hähne gefüllt sind.<br />
Die Platinelektroden werden über ein Voltmeter und ein Amperemeter<br />
mit einer Spannungsquelle verbunden.<br />
a) die Zersetzungsspannung<br />
Die Spannung wird in 0,2 Volt-Schritten erhöht und jeweils die<br />
Stromstärke notiert. Nähern Sie sich dabei jedem 0,2-Volt-Schritt durch<br />
vorsichtiges Regulieren langsam von unten an, so dass der jeweilige<br />
Wert nicht kurzzeitig extrem überschritten wird. Nach dem Erreichen<br />
der Zersetzungsspannung (woran erkennbar?) wird die Messung mit der<br />
Aufnahme von drei weiteren Werten fortgesetzt.<br />
b) das Volumen der Gase<br />
Für die weitere Elektrolyse wird nun konstant eine Spannung von etwa 20 V eingestellt und die<br />
zugehörige Stromstärke notiert. Während der Elektrolyse werden die Volumina der sich<br />
bildenden Gase zehn Minuten lang minütlich abgelesen. Danach wird weiter elektrolysiert, bis<br />
sich der Kathodenraum fast ganz gefüllt hat.<br />
c) Nachweise der Gase<br />
„Knallgasprobe“:<br />
Das Gas, welches im Kathodenraum entsteht, wird durch die Knallgasprobe als Wasserstoff<br />
nachgewiesen. Man fängt dazu in einem Reagenzglas ca. 20 mL Gas auf und bringt sofort die<br />
Mündung des Reagenzglases senkrecht nach unten weisend an die Bunsenbrennerflamme.<br />
„Glimmspanprobe“:<br />
Im Anodenraum entsteht Sauerstoff. Man fängt ihn ebenfalls in einem Reagenzglas auf und führt<br />
rasch einen glimmenden Holzspan ein.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
zu a)<br />
Tragen Sie die Messwerte per Hand graphisch auf (Stromstärke gegen Spannung), und<br />
diskutieren Sie den Verlauf kurz.<br />
Warum verwenden wir keine Natriumchloridlösung anstelle der Schwefelsäure?
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 47<br />
zu b)<br />
• Verhalten sich die Volumina der frei werdenden Gase wie 2:1?<br />
• Formulieren Sie die „Hypothese von Avogadro“, und erklären Sie, warum sie erforderlich ist,<br />
wenn man aus dem Versuchsergebnis (etwa im Unterricht) die Formel des Wassers als H 2 O<br />
bestätigen möchte.<br />
• In der Sekundarstufe II kann man anhand der Abscheidungen beim Hofmannschen<br />
Zersetzungsapparat das erste Faradaysche Gesetz bestätigen und sowohl die Faraday- als auch<br />
die Avogadro-Konstante bestimmen:<br />
Die Faraday-Konstante entspricht der Ladung (in Coulomb) von 1 mol elektrischer<br />
Elementarladungen. Bezüglich des Experiments gibt dies die Ladungsmenge Q an, die zur<br />
Abscheidung von 1 mol H + -Ionen (in Form von Wasserstoff) erforderlich sind.<br />
Ermitteln Sie unter Berücksichtigung der registrierten Stromstärke denjenigen Wert für die<br />
Faraday-Konstante, den Ihr Experiment liefert (Literaturwert: 96500 C/mol; 1 C = 1 As).<br />
Berechnen Sie schließlich unter Verwendung der Elementarladung e = 1,6 . 10 19 C auch<br />
die Avogadro-Konstante.<br />
6.2 Die Solar-Wasserstofftechnologie im Modellexperiment<br />
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung:<br />
Mit nachfolgender Apparatur lässt sich die grundlegende Funktionsweise eines Elektrolyseurs<br />
und einer einfachen Brennstoffzelle darstellen. Die benötigte Spannung für die Elektrolyse von<br />
Kalilauge wird von einer Solarzelle erzeugt. Man hat mit diesem Versuch also ein simples<br />
Beispiel für regenerative und saubere Energiegewinnung ohne Ausstoß von CO 2 .<br />
!Achtung: Die Platinnetzelektrode muss im Assistentenlabor ausgeliehen und nach Gebrauch<br />
unbedingt wieder dort abgegeben werden!
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 48<br />
Zur Durchführung wird die Solarzelle in die dafür vorgesehene Halterung gestellt und mit einer<br />
Lampe bestrahlt. Der Pluspol der Solarzelle wird nun mit der roten, schmalen Steckverbindung<br />
des gelben Kabels verbunden. Die schwarze, schmale Steckverbindung wird mit dem Minuspol<br />
verbunden.<br />
Die zweite Steckverbindung der gelben Kabel wird nun mit einem farblich passenden Kabel, also<br />
rot oder schwarz verbunden. Das Ende des roten Kabels wird nun in den V/-Eingang des<br />
Voltcraft M818B (gelbes Messgerät) und das schwarze Kabelende in den COM-Eingang<br />
gesteckt. Ist das Gerät eingeschaltet und das Voltcraft auf Spannungsmessung eingestellt, so<br />
sollte es nun eine Spannung zwischen 3 – 5,5 V anzeigen.<br />
Man steckt nun eine rote bzw. schwarze Krokodilklemme an die verbleibende Steckverbindung<br />
am Verbindungspunkt der beiden Kabel und spanne die jeweiligen Elektroden ein.<br />
In ein 250 ml Becherglas wird nun ein Stück Schwammtuch als Membran eingesetzt und wird mit<br />
150 ml einer zuvor hergestellten ca. 0,1 molare Kaliumhydroxidlösung aufgefüllt (ca. 11g techn.<br />
KOH auf 200 ml dest. Wasser).<br />
Die bestückten Krokodilklemmen werden mit Hilfe des Stativs, der Doppelmuffen und den<br />
Klammern im vorbereiteten Becherglas platziert, sodass die Elektroden mindestens zu 1/3 in ihrer<br />
jeweiligen Kammer eintauchen. Sollte zu wenig Kaliumhydroxidlösung im Becherglas sein, kann<br />
jederzeit nachgefüllt werden.<br />
Versuch rote Klemme schwarze Klemme<br />
a) Graphitelektrode Nagel<br />
b) Platinnetz Scherfolie<br />
Die Versuche a) und b) werden nun jeweils 5 min. laufen gelassen und dabei beobachtet. Die<br />
Spannung sollte dabei nie unter 1,8 V fallen. Eine Regulierung ist über den Abstand der Lampe<br />
zur Solarzelle möglich. Nach 5 min. werden die Steckverbindungen von der Solarzelle gelöst und<br />
die vorhandene max. Spannung notiert. Dann wird ebenfalls die Verbindung zum Voltmeter<br />
getrennt und die Steckverbindungen an den niederohmigen Motor angeschlossen. Man beobachte<br />
und vergleiche nun die Art und Dauer der Motorbewegungen.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Welche Gase entstehen an den jeweiligen Elektroden?<br />
Bei welchem Versuchsaufbau läuft der Motor gleichmäßiger und länger? Warum?<br />
In welche Unterrichtseinheiten könnte dieser Versuch eingebaut werden?
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 49<br />
6.3 Die Synthese des Wassers (Eudiometer)<br />
Versuchsanordnung und -durchführung:<br />
Drei dickwandige, einseitig geschlossene Glasröhren (Explosionsbüretten bzw. Eudiometerrohre),<br />
die eine mL-Unterteilung haben, besitzen eingeschmolzene Platinstifte. Die Röhren<br />
werden mit Wasser gefüllt und tauchen mit der Öffnung nach unten mindestens 10 cm tief in je<br />
eine pneumatische Glaswanne.<br />
Bei der Versuchsdurchführung ist unbedingt zu beachten:<br />
• Die Eudiometerrohre werden zweifach mit Klammern, die fest angezogen werden müssen, an<br />
Stativen befestigt!<br />
• Schutzscheibe oder Abzug ist zu verwenden! Alle Anwesenden tragen eine Schutzbrille!<br />
• Damit die Gase rein genug sind, müssen die Schlauchverbindungen vorher mit dem jeweiligen<br />
Gas gut gespült werden! Eine Sicherheitsflasche sollte bei der Gasentnahme entfallen.<br />
• Die Glasdüse sollte spitz ausgezogen und der Gasstrom nur schwach sein, damit kleine<br />
Gasblasen einzeln dosiert werden können. Lassen Sie sich beim Einfüllen der Gase Zeit!<br />
Mit einer gebogenen Glasrohrdüse werden in die drei Eudiometerrohre (I) 4 mL, (II) 6 mL und<br />
(III) 8 mL Wasserstoff eingefüllt und die tatsächlich vorgelegten Mengen genau abgelesen.<br />
Genau abgelesene Volumina sind zur Interpretation des Versuchs viel wichtiger, als dass die<br />
angegebenen Werte genau erreicht werden.<br />
Danach gibt man in gleicher Reihenfolge (I) 6 mL, (II) 3 mL und (III) 2 mL Sauerstoff hinzu<br />
(Schlauch vorher spülen) und liest wieder genau ab.<br />
Nun werden die Buchsen der Platindrähte an den Zündfunkengeber angeschlossen und dieser<br />
durch Drücken aufgeladen. Wenn die Zündung nicht erfolgt, so dürfen die Kontakte auf keinen<br />
Fall berührt werden!<br />
Unter heftiger Explosion erfolgt die Zündung des Knallgasgemisches. Dabei darf kein Gas unten<br />
aus dem Eudiometerrohr entweichen. Wenn das geschieht, ist das Eudiometerrohr nicht tief<br />
genug eingetaucht worden.<br />
Nach der Reaktion werden die Restvolumina abgelesen. Auf die Nachweise der Restgase wird<br />
wegen der geringen Mengen verzichtet.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Welche Restvolumina sind, ausgehend von den tatsächlich eingefüllten Mengen, zu erwarten?<br />
Wie gut ist die Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis?
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 50<br />
6.4 Zünden eines Wasserstoffballons<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Sicherheitshinweis:<br />
Warnen Sie alle Umstehenden, bevor Sie die Zündung vornehmen!<br />
Es wird einer Stelle des Experimentiertisches gearbeitet, an der sich<br />
rundum keine brennbaren Gegenstände oder Chemikalien befinden,<br />
da der Ballon mit großer Flamme verbrennt (alternativ: im Abzug).<br />
Man bläst einen Luftballon mit etwas Wasserstoff auf (Durchmesser ca. 15 cm), verknotet ihn<br />
und befestigt ihn mit einer dünnen Schnur am Tisch (z. B. an den Türgriffen des Unterschranks).<br />
Der Wasserstoffballon darf sich nicht zu nah an der Raumdecke befinden. Mit der an einem<br />
langen Zeigestab befestigten Kerze wird er entzündet. 1<br />
Anwendung:<br />
Am 6. Mai 1937 ereignete sich ein folgenschweres<br />
Unglück: Das Luftschiff „Hindenburg“ war von<br />
Frankfurt aus zu einer 60-stündigen Fahrt über den<br />
Atlantik nach New York gestartet. Die Passagiere<br />
reisten darin so bequem wie auf einem Luxusdampfer,<br />
denn es war mit seinen 245 Metern mehr als zweimal<br />
so lang wie ein Fußballfeld. In seiner Hülle befanden<br />
sich beachtliche 200 Millionen Liter Wasserstoff. Zu<br />
der Zeit, als bereits der Landeplatz in Sicht kam, lag<br />
ein Gewitter über der Stadt. Kurz vor der Landung,<br />
beim Anflug auf den Ankermast, wurde eine Gaszelle<br />
undicht. Eine elektrostatische Aufladung der<br />
lackbeschichteten Außenhaut führte wahrscheinlich zu<br />
1<br />
Zur Steigerung des Effekts könnte man auch mehrere nebeneinander aufgereihte Luftballons aufhängen, so<br />
dass eine optisch und akustisch gut wahrnehmbare kleine Kettenreaktion erfolgt.
6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers 51<br />
einer Funkenbildung, die den ausströmenden Wasserstoff zur Zündung brachte. Was dann geschah,<br />
schilderte ein Reporter in einer Live-Übertragung für den Rundfunk: „Der Zeppelin gleitet auf den<br />
Landemast zu. Die ersten Taue fallen zu Boden. Man kann von hier aus direkt in die Gondeln sehen. Die<br />
Passagiere stehen an den Fenstern und winken. Sie hatten eine gute Fahrt über den Ozean… Was ist das?<br />
Feuer! Das Schiff brennt! Von hinten kommen Flammen heraus, sie erfassen das ganze Schiff! Es ist<br />
schrecklich! Das ganze Schiff brennt! Man kann nicht helfen! Jetzt stürzt das Heck auf die Erde, es schlägt<br />
auf. Menschen springen heraus. Es ist eine furchtbare Katastrophe! Da kommen die ersten<br />
Ambulanzwagen. Das Schiff ist ein einziges Meer von Flammen. Es ist etwas Furchtbares passiert: Das<br />
herrliche Schiff ist nur noch ein Gerippe. Wie viele Menschen mögen darin umgekommen sein?...“<br />
Innerhalb von 30 Sekunden stand das 245 m lange Luftschiff in Flammen. 32 Menschen starben, wie<br />
durch ein Wunder überlebten 62 Passagiere und Besatzungsmitglieder.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Bringen Sie die Versuche der Versuchsgruppe 6 in eine mögliche unterrichtliche Reihenfolge zum<br />
Thema „Wasser“ in der neunten Jahrgangsstufe, bei dem u. a. „Wasserstoff als Energieträger“,<br />
„die chemische Formel von Wasser“ und „die Zweiatomigkeit einiger elementarer Gase“<br />
behandelt werden sollen.<br />
Nennen Sie dazu Fragestellungen, die im Unterricht aufgeworfen werden können und die dann zu<br />
den vier Versuchen führen. Welche Versuche könnten dann ergänzt werden?<br />
Auf diese Weise sollen Sie ein kurzes Rahmenprogramm der genannten problemorientierten<br />
Unterrichtseinheit skizzieren. Die Sichtung von Schulbüchern kann hilfreich sein.<br />
„Gestern haben wir den Unterschied zwischen<br />
Wasser und Wasserstoff kennen gelernt.“
_____________________________________________________________________________<br />
7. VERSUCHSGRUPPE:<br />
DARSTELLUNG UND BROMIERUNG EINES ALKENS<br />
_____________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 7.1 1 Gasometer (komplett 1000 mL) 1 Glaswanne (Ø = 20 cm)<br />
1 Thermometer (bis 100 °C) 1 Becherglas (1000 mL)<br />
1 Erlenmeyerkolben (200 mL, mit Schliff) 1 Rührkern<br />
1 Gasableitungsrohr mit Schliff NS 29 1 gebogenes Glasröhrchen (mit Stahlwolle)<br />
1 großer Laborboy 1 Trichter<br />
1 Kristallisierschale (Ø = 18 cm) 1 Messzylinder (50 mL)<br />
zu 7.2 1 Saugflasche, 250 mL, 1 graduierte Pipette (0,2 mL)<br />
überzogen mit Buchfolie<br />
1 Becherglas (250 mL)<br />
1 Hahn mit Stopfen für Saugflasche 1 Kolbenprober (100 mL)<br />
1 Dreiwegehahn 1 Pinzette<br />
4 Glasmurmeln oder Kieselsteine<br />
zu 7.3 3 Reagenzgläser 1 Reagenzglasständer<br />
Chemikalien:<br />
zu 7.1 tert. Butanol (F, Xn) konz. Schwefelsäure, C<br />
zu 7.2 Brom, C (MAK-Wert 0,7 mg/m 3 ) Schlifffett<br />
Natriumthiosulfat<br />
NaOH-Plätzchen, C<br />
(zur Entsorgung von Bromresten)<br />
zu 7.3 1-Hexen Olivenöl (Öl mit ungesättigten Fettsäuren)<br />
n-Hexan<br />
Bromwasser<br />
Ausleihen:<br />
3 Stative Handschuhe<br />
4 Klammern 2 Stielkugeln<br />
6 Muffen Gummi- oder PVC-Schläuche<br />
1 Rührmotor mit Heizplatte 1 Digitalwaage (mit mindestens 2 Dezimalen)
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens 53<br />
7.1 Die Darstellung des Alkens: Isobuten<br />
Versuchsaufbau:<br />
Isobuten<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Die Apparatur wird wie abgebildet aufgebaut.<br />
40 mL tert. Butanol und 4 mL konz. H 2 SO 4 werden in den Erlenmeyerkolben vorgelegt. Stopfen<br />
und Schlauchverbindungen zum Gasometer werden auf Dichtigkeit überprüft.<br />
Nun wird das Wasserbad auf der Kochplatte unter ständiger Temperaturkontrolle erhitzt. Unter<br />
Rühren entwickelt sich Isobuten bei 65-70° C (nicht über 75° C erhitzen!) Das entstandene Gas<br />
wird im Gasometer aufgefangen. Man verfährt dabei so, dass man zweimal 200 mL Gas auffängt<br />
und vollständig wieder ablässt (Spülen der Apparatur), bevor man anschließend 900 mL Isobuten<br />
im Gasometer sammelt.<br />
Mit einer kleinen Menge des Gases wird beim zweiten Spülgang an einer Austrittsdüse mit<br />
Rückschlagsicherung eine Brennprobe gemacht.
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens 54<br />
7.2 Die Bromierung des Alkens<br />
Versuchsaufbau:<br />
zum Gasometer (Alken)<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Eine Stielkugel wird auf einer Waage (mit mindestens 2 Dezimalen) genau gewogen<br />
(Leergewicht = Wägung 1). Sie wird mit einer kleinen Menge Brom etwa bis zur Hälfte (maximal<br />
0,6 g!) gefüllt.<br />
Den Abfüllvorgang im Abzug vornehmen! Vorsicht beim Abfüllen: Schutzhandschuhe tragen!<br />
Zum Füllen benutzt man zweckmäßigerweise eine Spritze. Die Spritze wird mit Thiosulfatlösung<br />
gesäubert, mit der Plastikkappe versehen und in den Hausmüll entsorgt. Nach der Füllung mit<br />
Brom wird die Stielkugel abgeschmolzen und zurückgewogen, wobei das abgeschmolzene<br />
Stielende mitgewogen wird (Füllgewicht = Wägung 2).<br />
Danach wird die Apparatur wie abgebildet zusammengesetzt. Vorher gibt man drei dicke<br />
Glaskugeln mit hinein.<br />
Zunächst wird die Luft aus dem Reaktionsgefäß (Saugflasche) mit dem in 7.1 hergestellten Alken<br />
aus dem Gasometer verdrängt. Dazu werden aus dem Gasometer dreimal 100 mL Isobuten in den<br />
Kolbenprober gedrückt und anschließend aus dem Kolbenprober durch den geöffneten<br />
aufgesetzten Hahn der Saugflasche abgelassen. Nach Schließen des Hahns wird mit dem<br />
Kolbenprober eine ausreichende Menge Isobuten (90-100 mL) aus dem Gasometer gesaugt und<br />
der Gasometerhahn ebenfalls geschlossen.<br />
Da das gesamte Reaktionsgefäß mit dem Alken beschickt ist, muss sichergestellt sein, dass die<br />
Menge Brom, bezogen auf die Menge Isobuten im Kolbenprober, im Unterschuss vorliegt (159,8<br />
mg Brom entsprechen 22,4 mL Isobuten.)<br />
Die Apparatur darf jetzt weder Über- noch Unterdruck haben (etwa durch Klemmen des<br />
Kolbenprobers). Das Volumen des Alkens im Kolbenprober wird genau abgelesen.<br />
Durch Schütteln wird danach die Stielkugel im Reaktionsgefäß von den Glaskugeln zertrümmert.<br />
Das Gefäß wird bis zur völligen Entfärbung des Broms geschwenkt.<br />
Schließlich ermittelt man das verbrauchte Volumen an Isobuten.
7. Versuchsgruppe: Darstellung und Bromierung eines Alkens 55<br />
Entsorgung:<br />
Das entstandene Produkt 1,2-Dibrom-2-methyl-propan ist toxisch. Wir entsorgen es sofort durch<br />
eine alkalische Hydrolyse, bei der 1,2-Dihydroxy-2-methyl-propan entsteht. Dazu geben wir<br />
wässriges Ethanol und einige NaOH-Plätzchen in die Saugflasche, schwenken gut um und lassen<br />
mindestens 15 Minuten stehen (weitere Entsorgung über den Abguss).<br />
Aufgabe:<br />
Informieren Sie sich vorab über die in 7.1 und 7.2 ablaufenden Reaktionsmechanismen.<br />
Auswertung während des Praktikumstages:<br />
Über das Molvolumen des gasförmigen Alkens (22,4 L), das in 7.2 experimentell ermittelte<br />
Volumen des Alkens und die eingesetzte Menge Brom wird berechnet, wie viele Mol Brom sich<br />
mit einem Mol Alken umgesetzt haben.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Nennen Sie Vor- und Nachteile beim Unterrichtseinsatz dieses Versuchs gegenüber folgender<br />
Variante zur Demonstration einer elektrophilen Additionsreaktion:<br />
Man füllt in einen <strong>Stand</strong>zylinder 1-Hexen und versetzt dieses tropfenweise mit Brom. Zusätzlich<br />
verwendet man in einem Vergleichsversuch n-Hexan anstelle von 1-Hexen.<br />
(wesentliche Beobachtungen:<br />
Die Entfärbung erfolgt bei 1-Hexen schlagartig und bei n-Hexan überhaupt nicht - höchstens erst<br />
dann, wenn man den <strong>Stand</strong>zylinder belichtet. Außerdem beobachtet man dann bei n-Hexan die<br />
Bildung eines Nebels, der sich bei der Überprüfung mit einem Indikatorpapier als sauer erweist.)<br />
7.3 Bromwasser -Reaktion<br />
Versuchsdurchführung (HRR, S. 233, 32.2):<br />
In 3 Reagenzgläsern werden nacheinander 3 ml n-Hexan, 1-Hexen und Olivenöl (Öl mit<br />
ungesättigten Fettsäuren) mit ca. 2 ml Bromwasser geschüttelt. Zur Beobachtung der<br />
Versuchsergebnisse stellt man die Reagenzgläser nebeneinander in ein Reagenzglasgestell.<br />
Versuchsauswertung:<br />
Erklären Sie die Versuchsbeobachtungen.<br />
Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz:<br />
Nennen Sie Vor- und Nachteile beim Unterrichtseinsatz dieses Versuchs gegenüber der Variante<br />
in 7.2.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 56<br />
_________________________________________________________________________<br />
8. VERSUCHSGRUPPE:<br />
CHEMISCHE EXPERIMENTE MIT MEDIZINTECHNISCHEM<br />
ZUBEHÖR<br />
_________________________________________________________________________<br />
Geräte in der Kiste:<br />
zu 8.1 1 Luer Spritze (20ml) 1 Luer Spritze (5 ml)<br />
1 Luer Spritze (1 ml) 3-Wege Hahn<br />
1 Erlenmeyerkolben (100 ml) 1 Becherglas (100 ml)<br />
1 kleiner Trichter 1 Glasflasche (100 ml)<br />
1 Magnetrührer mit Kern 15 ml Vollpipette, Peleusball<br />
zu 8.2 1 Luer-Lock Spritze (30 ml) 1 Luer-Lock Spritze (60 ml)<br />
1 Luer Spritze (5 ml) 3-Wege Hahn<br />
2 Verbinder 1 Stoppuhr<br />
1 Becherglas (50 ml) 1 Becherglas (50 ml)<br />
1 Stopfen mit Bohrung und Kanüle 1 Dreifuß mit Ceranplatte<br />
(für 100ml Erlenmeyerkolben)<br />
1 Bunsenbrenner<br />
1 Luer-Lock Spritze (60 ml) 1 Luer Spritze (10 ml)<br />
3-Wege Hahn<br />
1 Messzylinder (10 ml)<br />
1 Spatel<br />
zu 8.3 2 Luer-Lock Spritzen (30 ml) 1 Luer Spritze (5 ml)<br />
2 Kombistopfen 1 Erlenmeyerkolben (200 ml)<br />
1 Kolbenprober mit 3-Wege Hahn (50 ml) 1 Feststofftrichter<br />
1 Schlauchstück (5 cm) 1 Verbindungsstück weiblich-weiblich<br />
zu 8.4 3 Luer Spritze (60 ml) 1 Luer Spritze (50 ml)<br />
1 Hahnenbank (5 Hähne) 1 Stopfen mit Doppelbohrung<br />
1 doppelt gebogenes Glasrohr (für 200 ml Erlenmeyerkolben)<br />
1 Gummischlauch<br />
Mörser mit Pistill<br />
zu 8.5 3 CO 2 -gefüllte Luer-Lock Spritzen 1 Lock Schlauch<br />
2 Reagenzgläser 1 Reagenzglashalter<br />
1 Reagenzglasklammer
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 57<br />
Chemikalien:<br />
zu 8.1 Phenolphtalein-Lösung, Natronplätzchen (C)<br />
kristal. Oxalsäure (Xn)<br />
zu 8.2 Natriumnitrit (O, T, N) Eisen(II)sulfat<br />
(Xn)<br />
konz. Salzsäure (C) Sauerstoff (O)<br />
Eis Magnesiumband (F)<br />
2 molare Salzsäure (Xi)<br />
Zu 8.3 Kaliumpermanganat (O, Xn) konz. Salzsäure(C)<br />
Natriumthiosulfat<br />
Cyclohexen (F, Xn)<br />
pH-Papier<br />
zu 8.4 Brausetablette Phenolphtalein-Lösung<br />
1 molare Natronlauge<br />
zu 8.5 Kalkwasser (Xi) Kohlenstoffdioxid<br />
Ausleihen:<br />
2 Stative 2 Doppelmuffen<br />
2 große Klammern 1 Bürette (25 ml)<br />
1 Plastikschüssel 1 Stahlring
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 58<br />
Vorbemerkung:<br />
Im heutigen Schulalltag wird immer mehr Wert auf eine schüler-aktive, problemorientierte Form<br />
des Unterrichtens gelegt. Eine mögliche Form Unterricht auf diese Weise zu gestalten ist das<br />
forschend-entwickelnde Unterrichtsverfahren. Hierbei sollen die Schüler selbstständig ein<br />
gegebenes Problem mit Hilfe von selbst erdachten Versuchen lösen können. Um diese Form von<br />
Unterricht durchführen zu können, müssen Lehrer ein großes Repertoir an möglichst günstigen<br />
Versuchen haben. Diese low-cost Versuche zeichnen sich durch eine finanziell günstige<br />
Versuchsdurchführung, kostengünstige Versuchsaufbauten und Chemikalien aus. Versuche mit<br />
medizintechnischem Zubehör gehören zu den low-cost Versuchen. Sie haben viele Vorteile, aber<br />
auch Nachteile und Grenzen in ihrer Einsatzmöglichkeit. Die nachfolgenden Experimente sollen<br />
eine Einführung in die Verwendung von Experimenten mit medizintechnischem Zubehör<br />
darstellen.<br />
8.1 Vergleich einer Bürettentitration mit einer Spritzentitration<br />
Versuchsdurchführung<br />
1. Bürettentitration: Die 25 ml Bürette wird am Stativ befestigt. In der 250 ml Glasflasche wird<br />
eine 1 M Natronlauge angesetzt, welche auch für nachfolgende Versuche zur Verfügung stehen<br />
soll. Mit Hilfe des Trichters wird die Bürette mit 1 M Natronlauge zum Waschen befüllt. Die<br />
Natronlauge wird im 100 ml Becherglas aufgefangen und kann verworfen werden. Die Bürette<br />
wird nun für die Titration befüllt.<br />
Als Titer dient eine Lösung aus 2,2 g Oxalsäure in 50 ml dest. Wasser, die in der 100 ml<br />
Glasflasche angesetzt wird. Diese Lösung dient auch in nachfolgenden Versuchen als Titer.<br />
Von der Titerlösung werden nun 15 ml in den 100 ml Erlenmeyerkolben überführt und mit drei<br />
Tropfen Phenolphtaleinlösung versetzt. Die Lösung ist titrationsbereit. Zur besseren<br />
Durchmischung der Titerlösung und der Titrationslösung während der Titration, wird der<br />
Erlenmeyerkolben auf den Magnetrührer gestellt.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 59<br />
2. Spritzentitration A: Die 5 ml Luer Spritze wird mit 1 M Natronlauge befüllt. 15 ml der<br />
Titerlösung werden in den 100 ml Erlenmeyerkolben gegeben und mit 3 Tropfen Phenolphtalein-<br />
Lösung versetzt. Auch dieser Erlenmeyerkolben wird zur besseren Durchmischung der Lösungen<br />
während der Titration auf einen Magnetrührer gestellt. Die Titration erfolgt nun mit der Spritze,<br />
welche immer wieder aufgefüllt werden kann.<br />
3. Spritzentitration B: Die 20 ml Luer Spritze wird mit 1 M Natronlauge gefüllt und am Stativ<br />
so eingespannt, dass die Spritze horizontal mit genügend Abstand zum Versuchstisch festgehalten<br />
wird. Der 3-Wegehahn wird so an die Spritze angeschlossen, dass der Drehverschluss des Lock-<br />
Systems nach unten zeigt. Die 1 ml Luer Spritze wird nun horizontal an den Ausgang des 3-<br />
Wegehahns angeschlossen. Mit Hilfe des 3-Wegehahns kann nun die 1 ml Spritze entlüftet und<br />
das System befüllt werden. Überschüssige Natronlauge wird dabei mit dem 100 ml Becherglas<br />
aufgefangen und verworfen. Ansatz und Aufbau der Titerlösung erfolgt wie im vorhergehenden<br />
Versuch.<br />
8.2.1 Beeinflussung des Gleichgewichts NO/NO 2<br />
Versuchsdurchführung<br />
Die beiden Luer-Lock Spritzen (60ml) werden mit den Verbindern bestückt. Die 30 ml Spritze<br />
wird mit Sauerstoff aus der Gasflasche gespült, befüllt und mit dem 3-Wege Hahn verschlossen.<br />
In den 100 ml Erlenmeyerkolben werden 4 g Eisen(II)sulfat eingewogen und mit 5 ml konz.<br />
Salzsäure im Abzug erhitzt.<br />
Im 50 ml Becherglas werden 1 g Natriumnitrit in 7 ml dest. Wasser gelöst und in die 5 ml Spritze<br />
aufgezogen.<br />
Die folgenden Arbeitsgänge müssen im Abzug durchgeführt werden. Der 100 ml<br />
Erlenmeyerkolben wird nun mit dem Stopfen (mit Bohrung und Kanüle) verschlossen. Auf die<br />
Kanüle wird die 5 ml Spritze mit der Natriumnitritlösung aufgesteckt, in die Bohrung wird die 60<br />
ml Luer-Lock Spritze mit dem Verbinder eingeführt.<br />
Nun wird langsam die Natriumnitritlösung eingespritzt, bis in der 60 ml Spritze 30 ml hellbraunes<br />
NO enthalten ist. Achtung: Durch die Gasentwicklung entsteht ein Druck auf dem Gefäß. Der<br />
Gummistopfen muss mit der Hand gesichert werden.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 60<br />
Die Spritze wird nun vom Verbinder gelöst und zügig auf den 3-Wege Hahn geschraubt. Der<br />
Sauerstoff wird nun vollständig in die NO-gefüllte Spritze überführt und der 3-Wege Hahn<br />
geschlossen, sodass kein Gas mehr aus der gefüllten Spritze austreten kann.<br />
Dann werden folgende Versuche durchgeführt:<br />
a) Der Stempel der Spritze wird in die Spritze hinein gedrückt, dass ein merklicher<br />
Überdruck entsteht, bzw. soweit herausgezogen, dass ein Unterdruck entsteht. Notiere<br />
die Beobachtung.<br />
b) Die Spritze wird in eine Plastikwanne mit Eiswasser gelegt und gut mit Eis bedeckt. Nach<br />
zwei Minuten wird beobachtet und Versuch a) mit der kalten Spritze wiederholt.<br />
c) Die Spritze wird für 20 sec. unter heißes Wasser aus dem Hahn gehalten, beobachtet und<br />
Versuch a) mit der heißen Spritze wiederholt.<br />
8.2.2 Reaktion von Magnesium mit Salzsäure - Konzentrationsabhängigkeit<br />
Versuchsdurchführung<br />
In die 60 ml Luer-Lock Spritze wird ein zusammengefaltetes 4 cm langes Stück Magnesiumband<br />
gegeben. Am Stativ wird die Luer-Lock Spritze so befestigt, dass der Auslauf der Spritze nach<br />
unten zeigt. An der Spritze wird nun ein 3-Wegehahn befestigt.<br />
Mit Hilfe des Messzylinders werden folgende Verdünnungen der 2 M Salzsäure hintereinander<br />
herstellt<br />
a) 3 ml 2 M HCl mit dest. Wasser auf 10 ml aufgefüllt<br />
b) 5 ml 2 M HCl mit dest. Wasser auf 10 ml aufgefüllt<br />
c) reine 2 M Salzsäure<br />
und in das 50 ml Becherglas gegeben, um die 10 ml Spritze einfacher befüllen zu können.<br />
In den folgenden Versuchen sollen je 9 ml der unterschiedlich konzentrierten Salzsäuren zu<br />
immer einem neuen Stück Magnesiumband gegeben werden. Zu messen ist die Zeit, die benötigt<br />
wird, 40 ml des entstehenden Gases aufzufangen.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 61<br />
8.3 Versuche rund um Chlor<br />
8.3.1 Darstellung von Chlor<br />
Versuchsdurchführung<br />
2 g Kaliumpermanganat werden in den 100 ml Erlenmeyerkolben eingewogen. Der<br />
Erlenmeyerkolben wird mit einem Stopfen (mit Bohrung und Kanüle) verschlossen. Anschließend<br />
werden im Abzug ca. 10 ml der konz. Salzsäure in ein Becherglas gegeben und in eine 5 ml<br />
Spritze aufgezogen. Die Spritze wird auf die Kanüle gesteckt. Die 30ml Luer-Lock Spritze wird<br />
nun mit dem Verbinder zusammengeschraubt und in die Bohrung des 100 ml Erlenmeyerkolbens<br />
gesteckt.<br />
Im 200 ml Erlenmeyerkolben werden 10 g Natriumthiosulfat in reichlich dest. Wasser gelöst. Die<br />
Thiosulfatlösung dient zur Reduktion von überschüssigem Chlor.<br />
Der nachfolgende Versuchsteil muss im Abzug stattfinden, da elementares Chlor dargestellt wird!<br />
Über die Spritze wird nun langsam die konz. Salzsäure auf das Kaliumpermanganat gespritzt. Der<br />
Stopfen sollte dabei gut mit der Hand gesichert werden, da ein Überdruck im Gefäß entsteht.<br />
Für die nachfolgenden Versuche sollen zwei 30 ml Luer-Lock Spritzen mit Chlorgas befüllt<br />
werden.<br />
8.3.2 Bleichen mit Chlor<br />
Versuchsdurchführung<br />
2 bis 3 cm des pH-Papiers werden mit dest. Wasser angefeuchtet und auf den Boden der 30 ml<br />
Luer-Lock Spritze gelegt. Die Spritze wird entleert und mit Hilfe des weiblich-weiblichen<br />
Verbindungsstücks mit der Chlorspritze verbunden. Das Chlor wird nun in die Spritze mit dem<br />
pH-Papier gespritzt und 1 Minute beobachtet.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 62<br />
8.3.3 Addition von Chlor an eine Doppelbindung<br />
Versuchsdurchführung<br />
5 ml Cyclohexen werden luftfrei in den Kolbenprober aufgezogen und der 3-Wege Hahn danach<br />
verschlossen. Danach wird der Kolbenprober in das Stativ eingespannt. Auf die mit Chlor gefüllte<br />
Luer-Lock Spritze wird ein Verbinder geschraubt und die so ausgestattete Spritze über das kurze<br />
Schlauchstück mit dem Kolbenprober verbunden. Der 3-Wegehahn des Kolbenprobers wird nun<br />
geöffnet und das Chlor in den Kolbenprober gespritzt. Danach wird der 3-Wegehahn<br />
geschlossen. Nach ca. 1 min. wird das Endvolumen abgelesen. Der Abbau der Apparatur erfolgt<br />
im Abzug (evtl. überschüssiges Chlor!).<br />
8.4 Analyse einer Brausetablette<br />
Versuchsdurchführung:<br />
1,5 g der gemörserten Brausetablette<br />
werden in den 200 ml Erlenmeyerkolben<br />
gegeben. Danach wird dieser mit dem<br />
Stopfen verschlossen und mithilfe des<br />
Stahlrings am Stativ gesichert.<br />
In das 50 ml Becherglas wird dest. Wasser<br />
gefüllt und 25 ml mit der 60 ml Spritze<br />
aufgezogen. Danach wird die Spritze in eine<br />
Bohrung des Stopfens gesteckt.<br />
In die zweite Bohrung wird nun der doppelt<br />
gebogene Glasstab gesteckt. Die zweite<br />
Seite des Glasstabs wird nun über einen<br />
Gummischlauch mit der Hahnenbank<br />
verbunden, welche zuvor mit einem Verbinder ausgestattet wurde.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 63<br />
An drei der fünf 3-Wege Hähne wird nun jeweils eine 60 ml Luer-Lock Spritze angebracht. Die<br />
3-Wege Hähne werden nun so gestellt, dass der erste Hahn zur Spritze hin geöffnet wird. Die 3-<br />
Wegehähne ohne Spritzen werden so geöffnet, dass ein Zustrom des entstehenden Gases zu<br />
anderen Spritzen möglich ist, aber kein Gas nach außen entweichen kann. Ist die erste Spritze mit<br />
Gas befüllt, so kann der nächste 3-Wege Hahn geöffnet werden, sodass die nächste Spritze für<br />
den Gasauffang zur Verfügung steht. Das Endvolumen wird notiert, sobald keine<br />
Gasentwicklung mehr feststellbar ist und der Erlenmeyerkolben mehrfach geschüttelt wurde. Das<br />
entstandene CO 2 wird für den nächsten Versuch (8.5) benötigt (Verschluss der Spritzen durch die<br />
3-Wege Hähne).<br />
Der Erlenmeyerkolben wird nun aus der Sicherung gelöst und der Stopfen entfernt. Anschließend<br />
wird die Flüssigkeit kurz auf dem Dreifuß erhitzt. Die Flüssigkeit soll nicht kochen! Das<br />
entweichende Gas wird hin und wieder aus der Flüssigkeit herausgeschüttelt.<br />
Anschließend werden 5 Tropfen Phenolphtaleinlösung hinzu gegeben und die Flüssigkeit bis zum<br />
Umschlag des Indikators (von farblos nach pink) mit einer 1 M NaOH-Lösung, welche in die 5<br />
ml Spritze aufgezogen wurde, titriert. Der Magnetrührer hilft bei der Vermischung der Lösungen.<br />
Der Volumenverbrauch der NaOH-Lösung wird notiert.<br />
Auswertung während des Praktikumstages<br />
Berechnen Sie den Massenanteil von Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat in 1,5 g einer<br />
Brausetablette.
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 64<br />
8.5 Der Kalkkreislauf im Kleinen<br />
Versuchsdurchführung<br />
Im Messzylinder werden je 2 ml Kalkwasser mit 2 ml dest. Wasser gemischt und in die beiden<br />
Reagenzgläser gegeben.<br />
Nun wird der Lock-Schlauch auf die CO 2 -gefüllte Spritze gedreht und das Ende des Schlauchs im<br />
verdünnten Kalkwasser platziert. Dann wird solange Gas durch die Flüssigkeit gespritzt, bis ein<br />
weißer Niederschlag zu beobachten ist.<br />
Auch das zweite Reagenzglas wird nun mit Kohlenstoffdioxid gefüllt. Hierzu werden immer 5 ml<br />
des Gases durch die Flüssigkeit gedrückt und das Reagenzglas danach kurz und heftig<br />
geschüttelt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis nach dem Auftreten des weißen<br />
Niederschlags eine weitere deutliche Reaktion im Reagenzglas zu sehen ist.<br />
Danach wird das Reagenzglas solange mit der Reagenzglasklammer über dem Bunsenbrenner<br />
erhitzt, bis das gesamte Wasser verdampft ist.<br />
ACHTUNG! Nach jedem Versuchsende müssen alle benutzten Geräte gründlich mit<br />
Wasser gereinigt werden!<br />
Auswertung während des Praktikumstages<br />
1. Erläutern Sie praktische Anwendungsbezüge für die Integration der einzelnen<br />
Experimente in den Unterricht. Gehen Sie dabei auf mögliche Unterrichtseinheiten ein,<br />
innerhalb derer die Experimente eingesetzt werden könnten.<br />
2. Erstellen Sie eine schülergerechte Auswertung zu den Versuchen in 8.2 und geben Sie<br />
mögliche operationalisierte Feinlernziele an.<br />
3. Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der durchgeführten Spritzenversuche!
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 65<br />
Anhang:<br />
Abb. 1: Spritzen 1 bis 20 ml<br />
Abb. 2: Luer-Lock Spritzen 30 ml, 50 ml<br />
Abb. 3: Spritze 50 ml<br />
Abb. 4: 3-Wege Hahn<br />
Abb. 5: orangefarbener Kombistopfen,<br />
transparenter Verbinder<br />
Abb. 6: Kanüle mit Kappe
8. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör 66<br />
Abb. 7: Hahnenbank mit fünf 3-Wege Hähnen<br />
Abb. 8:Verbindungsstück weiblich/weiblich<br />
Abb. 9: Heidelberger Verlängerung (Lock-<br />
Schlauch)<br />
Abb. 10: Schlauch für Spritze (50 ml)