Modellversuch zur photochemischen Aktivierung von ...

•sowohl in Kursen unterrichtet, die Informatik alsparallelen Leistungskurs belegt hatten, als auch inKursen, in denen nur sehr wenige Schüler Kenntnisseim Erstellen von Programmen hatten. Obige Vorhabensind sogar ganz ohne Programmierkenntnisseder Schüler realisierbar, wenn der Lehrer entsprechendeFähigkeiten einbringt oder fertige Softwarevorliegt.Schließlich steht im Mittelpunkt des Geschehensim Mathematikunterricht, ob mit oder ohne Computer,eine dynamische, sinnhafte Mathematik, dienicht in Automatismen und Kalkülen erstarrt ist, umfür Schüler interessant zu bleiben.Literatur[1] H. ADE - H. SCHELL: Numerische Mathematik. - Stuttgart:Klett 1975.[2] H. BLECK: Entwicklung eines Kurskonzepts »Analysisund Numerische Methoden« in Heft 28 Curriculum. -Neuss: LSW 1982.[3] W. BÖHM - G. GOSE: Einführung in die Methodik der NumerischenMathematik. - Braunschweig: Vieweg 1977.[4] DIFF: MA2 Differenzierbare Funktionen. - Weinheim:Beltz 1978.[5] U. KLIEM - P. KLINK - W. PfETZER: Leistungskurs AnalysisH. - Braunschweig: Westermann 1981.[6] J. STOER: Einführung in die Numerische Mathematik. -Berlin: Springer 1972. 0Modellversuch zur photochemischen Aktivierungvon Chlorfluorkohlenwasserstoffen durch harte UV-StrahlungVeifasser: Dr. Lutz Stäudel, FB 19 der GHS, Postfach101380, 3500 KasselChlorfluorkohlenwasserstoffe bedrohen die Ozonschicht inder Stratosphäre und sind deshalb zunehmend der öffentlichenKritik ausgesetzt. Da die in 25000 Metern Hö"he ablaufendenReaktionen Jedoch sehr komplex sind und mit Schulmitteln nichtnachgebildet werden kijnnen, muß die Auseinandersetzung mitdieser Gefahr für unsere Lebensgrundlagen im Unterricht zunächsttheoretisch anhand vernetzter Reaktionsmechanismeneifolgen. Der vorgeschlagene Modellversuch will darüber hinauseine stoffliche Eifahrung vermitteln, indem er zeigt, wieCFKWs durch harte UV-Strahlung von einer inerten Substanzin ein reaktionsfreudiges Agens umgewandelt werden. Die unterUV-Licht gebildeten Chlorradikale reagieren dabei mit einembeigemischten Alkan; das als Nebenprodukt der Chlorierung entstehendeHydrogenchlorid wird mittels Silbernitrat nachgewzesen.1 Einleitung}>Inerte Gase (wie z. B. CFKWs) werden in der Troposphäre- der Atmosphärenschicht, die sich von der Erdoberflächebis in eine Höhe von etwa 10 Kilometern erstreckt - nicht raschabgebaut; deshalb gelangen sie schließlich in die Stratosphäre,die bis in rund 50 Kilometer Hö"he reicht. Oberhalb von 25 Kilometern- dort ist die stratosphärische Ozonschicht am dichtesten- sind die Moleküle der intensiven Ultraviolettstrahlungausgesetzt, die in tieferen Lagen durch das Ozon absorbiertwird. Diese Strahlung vermag ansonsten stabile Moleküle wiedie CFKWs in reaktionsfreudige Komponenten zu zerlegen,zum Beispiel einzelne Chloratome abzuspalten.Aus Laboruntersuchungen war bekannt, daß Chlor Ozonrasch zerstö"rt. (. . .) Selbst wenn die CFKW-Emission sofortaufhö"rte, würde der Zerstö"rungsprozeß wahrscheinlich bis weitin das nächste Jahrhundert weitergehen, da diese Chemikalienjahrzehntelang in der Atmosphäre bleiben: Die zwei Hauptsorten,Nummer 11 (CFCI 3 ) und Nummer 12 (CF 2 CI 2 ), überdauernungefähr 75 beziehungsweise 100 Jahre.« [1]2 Chlorfluorkohlenwasserstoffe als Gegenstanddes UnterrichtsDie schulische Auseinandersetzung mit denCFKWs, die immer noch in großen Mengen in denbodennahen Schichten der Atmosphäre infolge chemisch-industriellerProduktion emittiert werden undschließlich ihren Weg in die Stratosphäre finden, bedarfkeiner besonderen Begründung. Neben der Kritikbesonders gedankenloser Verwendung - etwa inden Fanfaren der Fußballfans - und der Reflexionbzgl. möglicher Ersatzstoffe in anderen Bereichen -MNU 43/3 (15.4.1990) Seiten 166-169 ISSN 0025-5866 ©FERD. DÜMMLERsVERLAG· BONN

•von der Kühltechnik über die Kunststoffaufschäumungbis hin zu medizinischen Sprays - muß jedochauch ein Verständnis der durch CFKWs ausgelöstenchemischen Prozesse Ziel der unterrichtlichen Bemühungensein. Dazu finden sich in der Literatur inzwischenzahlreiche ausführliche Darstellungen [1, 2, 3],auf welche an dieser Stelle nur hingewiesen werdensoll.Ziel des im folgenden vorgestellten Modellversuchsist es, die notwendige theoretische Erarbeitung,die im übrigen deutliche Nähe zu den Reaktionsmechanismender radikalischen Halogenierung organischerStubstanzen aufweist, durch eine anschaulicheErfahrung mit den CFKWs bzw. verwandten Stoffenzu ergänzen und damit den Prozeß der kognitiven Aneignungzu unterstützen.3 Der Modellversuch3.1 Drei VersuchsvariantenBei der Entwicklung des Modellversuchs zur UVinduziertenAktivierungvon CFKWs wurde dem UmstandRechnung getragen, daß die apparative Ausstattungder chemischen Fachbereiche an Schulen sehrunterschiedlich sein kann.Variante 1:Tetrachlormethan wird als Modellsubstanz füreinen vollständig halogenierten chlorhaltigen Kohlenwasserstoffin n-Hexan gelöst, und die Lösung wirdharter Strahlung ausgesetzt. Die gebildeten gasförmigenProdukte werden mittels eines Inertgasstroms(Stickstoff oder Argon) ausgetrieben und durch einevorgelegte Waschflasche mit Silbernitrat-Lösung geleitet.Nach Einschalten der UV-Lampe trübt sich dieSilbernitrat-Lösung innerhalb von einigen Minuten.Variante 2:Anstelle des Tetrachlormethans wird Treibgas auseiner auf den Kopf gestellten handelsüblichen Sprayflaschein einer Waschflasche in n-Hexan absorbiert,und diese Lösung wird dann im Reaktionsgefäß wieunter Variante 1 beschrieben behandelt.Variante 3:Ein CFKW-Treibgas aus einer Sprayflasche wirdin den Gasraum des Reaktionsgefäßes über wenign-Hexan eingeleitet und dort harter UV-Strahlung ausgesetzt.Nachweis der Produkte wie unter Variante 1.3.2 Erläuterungen zum ReaktionsgeschehenDurch UV-Strahlung mit einer Wellenlänge vonÄ ~ 230 nm wird die Chlor-Kohlenstoff-Bindung inCFKWs so gespalten, daß reaktionsfreudige Chlor­Radikale entstehen. Ist kein Reaktionspartner zugegen,rekombinieren die Bruchstücke z. B. unter Bildungvon CFKWs oder Dimeren und Chlormolekülen.R' + . Cl ---+ R - Cl ;2R' ---+ R-R;2 Cl' ---+ C1 2 ·In Gegenwart eines geeigneten Reaktionspartners,hier eines n-Alkans, erfolgt eine radikalische Chlorierung.Wie aus der Brutto-Reaktionsgleichung zu ersehenist, wird dabei Hydrogenchlorid gebildet:R - H + 2 Cl· ---+R - Cl + HCl.Das gebildete Hydrogenchlorid kann z. B. mit salpetersaurerSilbernitrat-Lösung durch Ausfällung vonSilberchlorid nachgewiesen werden.3.3 Versuchsaufbau und notwendige Chemikalien3.3.1 »High-Tech«-VersionDie vorgestellte Laborapparatur besteht aus einemzylindrischen Reaktionsgefäß mit drei Schliffen undeinem Hahn. Durch den weitesten Schliff wird ein mitWasser kühlbares doppelwandiges Tauchgefäß in denReaktionsraum eingeführt. Dieses Tauchgefäß bestehtaus Quarzglas, um die UV-Strahlung möglichstungehindert durchzulassen. Die beiden oberen Glasolivenwerden durch Gummischläuche mit Zu- undAbfluß des Kühlwassers verbunden. In den zentralenHohlraum wird eine Mitteldruck-Quecksilberdampflampegehängt, die über einen Gleichspannungstrafobetrieben wird. (Zur Verwendung anderer UV-Quellenvgl. die Hinweise unter 3.4.)Der Zwischenraum zwischen Tauchgefäß undWand des Reaktionsgefäßes wird mit der CFKW-haltigenKohlenwasserstoff-Lösung bis etwa 3 cm unterdie seitlichen Stutzen gefüllt.Die Lösung kann während der Reaktion mittelsMagnetrührer und Rührfloh leicht durchmischtwerden.Zum Austreiben des sich bildenden H ydrogenchloridswird - entweder über eine seitlich eingeführteKapillare oder über den unten am Reaktionsgefäß befindlichenHahn - Inertgas (Stickstoff oder Argon) inleicht perlendem Strom eingeleitet. Zwischen Gasflascheund Reaktionsgefäß wird eine (leere) Sicherheitswaschflaschein den Gasstrom geschaltet. Dasmit H ydrogenchlorid angereicherte Inertgas verläßtdas Reaktionsgefäß durch einen der beiden engerenSchliffhälse und wird in eine kleine Waschflasche mitsalpetersaurer Silbernitrat-Lösung geleitet.Bei den Versuchsvarianten 1 und 2 ist darauf zuachten, daß der Inertgasstrom rechtzeitig vor Belichtungsbeginneingeschaltet wird, damit die Luft aus denMNU 43/3Stäudel, Chlorfluorkohlenwasserstoffe167

•TrafoUuarzrohrKühlwasser" 1 /-0-/1'UV-UuelleAlkan (mit CFKW)Abb.2SilbernitratlösungAbb.lzur Waschflasche~UV-L'ampeReaktionslösungGaszuleitungen und dem Reaktionsraum verdrängtwird: Sauerstoff kann unter den Versuchsbedingungenmit dem als Modellsubstanz vorgeschlagenen Tetrachlormethanzu Phosgen reagieren. Bei Varianten 3ist die Apparatur vor Versuchsbeginn entsprechendmit Inertgas zu spülen.Die gesamte Appartur muß unter einem Abzug installiertwerden. Zur Vermeidung von Augenschädenist die Strahlung der Quecksilberdampflampe währenddes Versuchs durch eine Aluminium-Folie abzuschirmen.Um einen eindeutigen Silberchloridniederschlagzu erhalten und insbesondere um eine Reduktiondesselben zu Silber zu vermeiden, sollte die Waschflaschemit der Silbernitratlösung ebenfalls von direkterStrahlung geschützt werden.Hinweise zur Durchführung der Varianten 2 und 3:Vor Benutzung eines Treibgases aus einer handelsüblichenSpraydose (viele enthalten inzwischen bereitsKohlenstoffdioxid oder andere halogenfreie Gase)ist eine Vorprobe auf Halogen angebracht. Dazu eignetsich eine modifizierte Beilsteinprobe:Ein Kupferblech wird an der Tiegelzange in derBrennerflamme zur Rotglut erhitzt und anschließend -außerhalb der Flamme - mit der auf den Kopf gestelltenSprühflasche leicht angesprüht. Das Blechwird umgehend wieder in die Flamme gehalten.CFKW werden durch intensive Grünfärbung derFlamme (Ku pferchloridbildung) angezeigt.Die kontrollierte Entnahme von Treibgas auseiner Spraydose ist etwas schwierig. Bewährt hat sichfolgende Anordnung: Die Verteilerkappe wird abgenommen.Über den dann sichtbaren Ventilstutzenwird ein passendes Stück PE-Schlauch geschoben. DieDose wird anschließend kopfüber an einem Stativ befestigt.Durch vorsichtigen Druck an der KontaktsteIlevon Schlauch und Ventil kann ein kontinuierlicherGasstrom erhalten werden. Sicherheitswaschflascheunbedingt dazwischenschalten! Man überzeuge sichvor Einblasen in das Reaktionsgefäß bzw. in eine Absorptionslösungdavon, daß keine flüssigen Bestandteiledes Doseninhalts mitgerissen werden. Falls doch,hilft meist eine Lageveränderung der Dose, andernfallskann die Dose erst - in aufrechter Stellung - teilweiseleergesprüht werden.3.3.2 Vorschlag für eine Versuchsvariante mit einfacherenMittelnAnstelle des Reaktionsgefäßes benutzt man einQuarzrohr mit 2 bis 5 cm Durchmesser. Zu-und Ableitungendes Gasstroms werden mit dicken durchbohrtenGummistopfen und Glasstutzen hergestellt.Die Belichtung erfolgt von außen, z. B. durch eineHöhensonne ohne Filter (wegen der Verwendung vonverschiedenen UV-Quellen vgl. die Hinweise unter3.4).Jeweils vor und hinter das Quarzrohr wird eineSicherheits(!)-Waschflasche in den Gasstrom gebracht,letztere enthält die salpetersaure Silbernitratlösung.Die Herstellung eines Gasgemisches aus CFKWund einem Wasserstoffdonator (z. B. n-Hexan, iso-168MNU 43/3Stäudel, Chlorfluorkohlenwasserstoffe

•Hexan, Cyclohexan o. ä.) kann wiederum aufverschiedeneWeise erfolgen:a) Die vor dem Quarzrohr befindliche Waschflaschewird mit einer Lösung von Tetrachlormethan ineinem Kohlenwasserstoff 2 cm hoch gefüllt und voneinem Inertgas langsam durchströmt. Dabei wirdder Gasstrom mit den Reaktionspartnern angereichert.b) CFKW-Treibgas aus einer Spraydose wird vor Versuchsbeginnin der Waschflasche teilweise in einemKohlenwasserstoff absorbiert. Weiter wie unter a).c) Die Waschflasche bleibt leer, es strömt lediglichdas Treibgas hindurch. Der Kohlenwasserstoff(wenige Milliliter) wird vor Versuchsbeginn flüssigin das waagerecht eingespannte Rohr gegeben.d) Anstelle des flüssigen Kohlenwasserstoffs wird Erdgasaus dem Netz als Wasserstoffdonator benutzt.Dazu sind jedoch verschiedene apparative Veränderungennotwendig (Dreiweghahn u. a.).3.4 Hinweise für den Fall von schwachen oder ausbleidendenSilberchloridniederschlägen- Oft hilft die Verwendung einer anderen UV-Quelle.Niederdruck-Quecksilberdampflampen emittierenschmale Banden, wodurch sich u. U. keine Überschneidungmit den Absorptionsmaxima der CFKWergibt. Dagegen zeigen Mittel- und Hochdrucklampenverbreiterte Banden bis hin zu einem Quasi­Kontinuum, das bis A < 230 nm reicht. Höhensonnen,wie unter 3.3 vorgeschlagen, können nur benutztwerden, wenn kein Filter vorgeschaltet ist.Dies ist in der Regel bei älteren Geräten der Fall.~~t keine geeignete Lampe verfügbar, so hilft derUbergang von der gasförmigen zu einer flüssigenReaktionsphase (Vgl. High-Tech-Versionen 1 und2): Im flüssigen Medium werden die Absorptionsbandenverbreitert und tendenziell zum längerwelli -gen Bereich hin verschoben.- Ein ähnlicher Effekt kann durch die Gegenwarteines inerten Feststoffes - z. B. Quarzsand - imReaktionsgefaß erreicht werden. (Aus der Literaturist bekannt, daß Reaktionen an Oberflächen herabgesetzteAktivierungsenergien aufweisen. Das giltauch für die homolytische Spaltung von CFKWs.)- Das in Fanfaren-Treibgasdosen (Fußballfan-Bedarf,z. T. auch PKW-Werkstätten oder Tuning-Betriebe)z. T. noch verwendete Dichlor-difluormethan istreaktionsträger als das in Haarsprays enthalteneTrichlor-fluormethan. Sollte mit der ersten Substanzkeine Reaktion eintreten, empfiehlt es sich,auf Tetrachlormethan auszuweichen oder eine deroben genannten Modifikationen des Versuchs zuwählen.Danksagung:Ich danke Herrn Prof. Dr. H. PARLAR (AnalytischeChemie), Herrn Prof. Dr. P. LUDWIG (PhysikalischeChemie) und den Mitarbeiterinnen der AbteilungChemiedidaktik an der Gesamthochschule Kassel fürihre Unterstützung bei der Entwicklung dieser Versuchsreihe.Literatur[1] R. R. STOLARSKI: Das Ozonloch über der Antarktis. -Spektrum der Wissenschaft, 1988, Nr. 3, S. 72.[2] TH. EWE: Das Ozon-Drama. - Bild der Wissenschaft23 (1986) 38.[3] Katalyse-Institut (Hg.): Ozon. - Katalyse-Nachrichten1988, Nr. 6, S. 42. 0MNU 43/3Stäudel, Chlorfluorkohlenwasserstoffe169

Der Mathematische und Naturwissenschaftliche UnterrichtOrgan des Deutschen Vereins zur Förderung desmathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e. V.43. Jahrgang, Heft 3 ISSN 0025-5866 15. April 1990WOLFGANG PFEIFFER, HELMUT SCHMIDT:Zum 150. Geburtstag von Ernst Abbe ............. 131HEINRIcH STORK:Zur Förderung des Wertbewußtseins im Physik- undChemieunterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135jÖRG M. WILLS:Reguläre Polyeder mit verborgenen Symmetrien . . .. 141ROLAND REICH:Oszillierende chemische Reaktionen . . . . . . . . . . . . . .. 145SchulpraxisKARL-HEINz FRITSCH:Teilbarkeitseigenschaften als Grundlage der Berechnungpythagoreischer Zahlen ..................... 152GÜNTER STEINBERG:Was besagt »Grund« in mathematischen Grundkursen?- Eine exemplarische Erörterung an Beispielenvon Grundkursen zur Analysis - ................. 155HEINz BLECK:Didaktisch-methodische Veränderungen im Analysisunterrichtdurch Computereinsatz ................ 161LUTz STÄUDEL:Modellversuch zur photochemischen Aktivierung vonChlorfluorkohlenwasserstoffen durch harte UV-Strahlung.......................................... 166jÜRGEN REIss:Die Sojabohne - eine vielseitige Nutzpflanze ....... 170SYLVIA jANKE, CHRISTIAN KUNzE:Möglichkeiten zur Charakterisierung der biologischenAktivität im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175AufgabenAufgaben für Physikzirkel der Mittelstufe. . . . . . . . .. 179Aufgaben für Mathematikzirkel der Mittelstufe ..... 180Diskussion und Kritik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180Mitteilungen des Fördervereins MNU27. jahrestagung der Association for Science Education(ASE) .................................... 184DPG-Physik schulen für Lehrer - Programm 1990 . .. 185Informationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 186BesprechungenZeitschriften Physik ............................. 187Bücher ........................................ 191In der Mitte dieses Heftes sind die »Empfehlungen zurGestaltung von Chemielehrplänen« beigeheftet.Beilagen: Diesem Heft liegt ein Prospekt der Spektrum derWissenschaft Verlagsgesellschaft, Heidelberg, bei.Herausgeber der Zeitschrift MNUProf. Dr. HELMUT SCHMIDT (Hauptschriftleiter)Am Pleisbach 28,5205 St. Augustin 1,02241/334273OStD GERT STARKE (Fachschriftleiter Mathematik)Wittenbrook 14 a,2300 Kiel 17,0431/362312StD OTTHEINRICH DÜLL (Fachschriftleiter Chemie)Breidenbornerstr. 8,6750 Kaiserslautern,0631/92883Prof. Dr. KARL-HEINz BERCK (Fachschriftleiter Biologie)Institut für Biologiedidaktik der Universität,Karl-GlÖckner-Str. 21 C,6300 Gießen,0641/814 62MinR HERWIG KRÜGER (Fachschriftleiter Physik)U ntereisselner Str. 33,2305 Heikendorf,0431/241538Adressenänderungen bitte nur dem Dümmler-Verlagmitteilen.Redaktionelle Zuschriften an den zuständigen Fachschriftleitererbeten.