EntwickeltimRahmendesProjektes

von

JohannesHuwer

JohannSeibert

RolfHempelmann

Bioenergie–ThermodynamischeAspekteMithilfedigitalerWerkzeuge

Inhalt

Inhalt1 FachlicheGrundlagen......................................................................................................................2

1.1RegenerativeEnergieträger.......................................................................................................2

1.2Biokraftstoffe.............................................................................................................................2

1.3BioethanoldererstenGeneration.............................................................................................3

1.4BioethanolderzweitenGeneration–PerspektivefürdieZukunft?..........................................4

1.5 Thermodynamik.........................................................................................................................6

2 Experimente....................................................................................................................................8

2.1Versuch1:VerbrennungvonFlüssigkeiten................................................................................8

BeobachtungundAuswertung........................................................................................................9

2.2Versuch2:VerbrennungvonFeststoffen.................................................................................11

BeobachtungundAuswertung......................................................................................................11

2.3AlternativeMessvorrichtungunddigitaleUnterstützungbeiderAuswertung:......................12

2.4Versuch1:VerbrennungvonFlüssigkeitenmitdigitalerAuswertung......................................16

BeobachtungundAuswertung......................................................................................................17

2.5Versuch2:VerbrennungvonFeststoffenmitdigitalerAuswertung........................................19

BeobachtungundAuswertung......................................................................................................20

VoraussetzungenderLerngruppe.........................................................................................................20

3 QuellenundweiterführendeLiteratur..........................................................................................22

3.1Versuchsvorschriften................................................................................................................26

ArbeitsblättermitVorversuch.......................................................................................................26

AlternativesArbeitsblattzurAuswertungmitdigitalenWerkzeugen...........................................28

ArbeitsblätterzurVor-undNachbereitungdesSchülerlaborbesuchs..........................................29

AnleitungzumBaueinesVerbrennungskalorimeters...................................................................33

AlternativerAufbaumitdigitalerAuswertung(Bildernochhinzufügen).......................................39

FachlicheGrundlagen

2

1 FachlicheGrundlagen

1.1 RegenerativeEnergieträgerDieSonneistdiewichtigsteEnergiequellefürunserenPlaneten.DieaufderErdeverfügbareEnergiestammtfastvollständigvon ihr.EinTeilderEnergiedesSonnenlichteswirdvonPflanzendurchdiePhotosynthese in chemische Energie umgewandelt und in Energieträgern gespeichert. Hierbeiunterscheidetmanzwischennichterneuerbarenunderneuerbaren (regenerativen)Energieträgern.NichterneuerbareEnergieträgersindbeispielweisediefossilenBrennstoffeKohle,ErdölundErdgas,da deren EntstehungszeitmehrereMillionen Jahre beträgt. Biomasse wie Holz, Stroh und diversePflanzenstängel, aber auch Biokraftstoffe wie Ethanol und Butanol zählen zu den regenerativenEnergieträgern. In Photovoltaikanlagen kann die Strahlungsenergie der Sonne auch direkt inelektrischeEnergieumgewandeltwerden.Ebenso kann die Energie, die in fließendem Wasser und Wind gespeichert ist, mit Hilfe vonWasserkraftwerkenundWindräderninelektrischeEnergieumgewandeltwerden.UnternachhaltigerEnergieverstehtmannachdemDrei-Säulen-Konzeptdieökonomische,ökologischeundsozialverträglicheNutzungvonEnergieträgern.

1.2 BiokraftstoffeBiokraftstoffe sind regenerative Energieträger. Es handelt sich also um erneuerbare (regenerative)EnergieträgerausderNatur.Von ihrerVerwendungversprichtman sich,Problemen,wie knapperwerdende Ressourcen an fossilen Brennstoffen, Umweltverschmutzung, Klimaerwärmung undsteigender Energiepreise, begegnen zu können (Kaltschmitt & Hartmann, 2002), (Henke, 2005).DeshalbsetztmangroßeHoffnungindieEntwicklungaufBiomassebasiertenKraftstoffen,damansichnichtnurdieUnabhängigkeitvonfossilenBrennstoffen,sondernaucheinenachhaltigeEntwicklungverspricht.Dabei müssen Kraftstoffe zurWärme- und Stromerzeugung im Sinne der Nachhaltigkeit und dernachhaltigenEntwicklungverschiedeneForderungenerfüllen:(Karafyllis,2000)

- MinimierungundSchließenvonStoffströmen- ErhaltungderProduktivkraftderNatur(z.B.aufdemGebietdesAckerbaus)- BewahreneineskonkretenStatus(z.B.vonNatur)- GerechteRessourcenverteilung

Verschiedene Verfahren und Technologien, wie man die Biokraftstoffe erschließen kann, wurdenentwickelt.ManunterscheidethierzwischenBiokraftstoffendererstenundderzweitenGeneration(vgl.Abbildung1.1).DochnichtalleerfüllendieForderungenandieNachhaltigkeit.

Wasserreinigung

3

Abbildung1.1.SystematikderBiokraftstoffe1

Im Folgenden wird am Beispiel des Ethanols verdeutlicht, welche Probleme aufgetreten sind undwelche InnovationendieChemiehervorgebrachthat,umdiesenzubegegnen.Etymologisch istdieBezeichnung „BIO-Ethanol“ problematisch. Chemisch betrachtet sind „Bioethanol“ und industriellhergestellterEthanol identisch.DieVorsilbe„BIO-“drücktvielmehrdieHerkunftausBiomasseaus.DochgenaudieseHerkunftlässtBioethanolnichtgleichBioethanolsein.DieHerstellungsmethodenund die eingesetzten Biomassen sowie deren Bedeutung hinsichtlich Nachhaltigkeit sind regionalverschieden.

1.3 BioethanoldererstenGenerationBioethanol der ersten Generation wird vorwiegend aus zucker- oder stärkehaltigen Pflanzenhergestellt.DeswegentreteninDiskussionenüberdieBioethanolherstellungverstärktNeologismenwie„Energiepflanzen“auf.Hierzuz.B.(Lindemann,2007).ZuckerhaltigePflanzenalsEdukteDie wichtigsten zuckerhaltigen „Energiepflanzen“ sind Zuckerrüben in Europa und Zuckerrohr inSüdamerika.VorteildieserPflanzenist,dassdieseAusgangsstoffedirektalsEduktefürdieProduktionverwendet werden. Lediglich eine mechanische Aufarbeitung ist nötig, damit ein zuckerhaltigerRohsaftgewonnenundfüreinenFermentationsprozesseingesetztwerdenkann.BeidiesemwerdendieEduktedurchHefe,hauptsächlichdurchSaccharomycescerevisiae,zuEthanolvergoren.ImerstenFermentationsschrittwächstdieHefeunteranaerobenBedingungen.DabeiwerdenprokgGlucoserund 0,51 kg Bioethanol und 0,49 kg Kohlenstoffdioxid erzeugt (Fachagentur NachwachsenderRohstoffe e.V., Innovative Verfahren zur Wärme- und Stromerzeugung aus Biomasse, 2002).AnschließendwirddieMaischezunächstdestilliertunddanachabsolutiert,wodurcheineReinheitvonbiszu99,8Vol-%erreichtwerdenkann.

1Entnommenaus(Bohlmann,2006)

FachlicheGrundlagen

4

StärkehaltigePflanzenalsEdukteNutzt man hingegen stärkehaltige Pflanzen zur Herstellung von Bioethanol, so muss ein deutlichaufwendigeres Verfahren gewählt werden. Stärke ist ein Polymer aus α-D-Glucose Einheiten. SiebestehtdabeiausAmylose(lineareKettenvonα-D-Glucose,dieübereineα-1,4-glykosidischeBindungverknüpftsind,vgl.Abbildung1.2)undAmylopektin(verzweigteKettenvonα-D-Glucose,diesowohlüberα-1,4-glykosidischeBindungenalsauchüberα-1,6-glykosidischeBindungenverknüpftsind,vgl.Abbildung1.3)(Schmid&Hammelehle,2006).

DiesemüssenineinemmehrstufigenProzessüberOligosaccharidezuGlucoseabgebautwerden,diewiederumineinemanschließendenFermentationsprozesszuEthanolvergorenwird(Olsen&Schäfer,2006).Als stärkehaltige Pflanzen können Mais (hauptsächlich Amerika), Tobinambur, Kartoffel undGetreide(hauptsächlichEuropa)genutztwerden.(Olsen&Schäfer,2006).TrotzintensiverForschungenhinsichtlichAusbeuteanproduziertemBioethanolbeiVerwendungdergenannten Pflanzen (Schmitz, 2005) (Fachagentur Nachwachsender Rohstoffe e.V., SymposiumEnergiepflanzen, 2007) genügen diese Verbesserungen nicht, um allen Forderungen einernachhaltigen Entwicklung zu erfüllen; beispielsweise eine gerechte Ressourcenverteilung. Auchethische Aspekte einer nachhaltigen Entwicklung sind nicht erfüllt, denn sämtliche zucker- undstärkehaltigenPflanzensindzugleichLebensmittel(Karafyllis,2000).DerAnbauderPflanzenalsreineEnergielieferantenführtdeshalbzurVerteuerungvonGrundnahrungsmittelnindenAnbauregionen.ZudemwerdengroßeAnbauflächenbenötigt,umdenBedarfan„Energiepflanzen“zudecken,welchefürdieLebensmittelproduktionnichtmehrzurVerfügungstehen.

1.4 BioethanolderzweitenGeneration–PerspektivefürdieZukunft?Große Hoffnungen werden in die Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung von Ethanol ausLignocellulose-haltigen Pflanzen gesetzt. Dabei unterscheiden sich diese Verfahren von denen dererstenGeneration,weilnundiePflanzenteilegenutztwerden,diefürdiemenschlicheErnährungkeineRollespielen.Lignocellulose besteht aus den drei Bestandteilen Cellulose (faserartige Verbindung von ca. 10000Glucosemolekülen,welcheübereineβ-1,4-glycosidischeBindungverknüpftsind,vgl.Abbildung1.4),Hemicellulose (ca. 100-200 aus den Hexosen Glucose, Galactose undMannose und den PentosenXyloseundArabinose)undLignin(phenolischesMakromolekül)(Schmid&Hammelehle,2006).

2Entnommenaus(Latscha,Kazmaier,&Klein,2008)3Entnommenaus(Latscha,Kazmaier,&Klein,2008)

Abbildung1.2AusschnittauseinerAmylose-Kette2 Abbildung1.3AusschnittauseinerAmylopektin-Kette3

Wasserreinigung

5

Abbildung1.4AusschnittauseinerCellulose-Kette4

LignocellulosebietetdenVorteil,dasses ingroßerMenge, inFormvonHolz,Stroh,oderanderempflanzlichemMaterial,zurVerfügungstehtundsomitnichtmitLebensmittelnkonkurriert.ImFallevonLebensmittelpflanzen, z.B. Mais, hat man bei diesem Konzept den Vorteil, dass der Mais alsNahrungsmittel und der Rest der Pflanze für die Ethanol Produktion genutzt werden kann. DieMaisstängelbestehendabeiaus38%Cellulose,32%Hemicellulose,17%Ligninund13%andererPolymere(Olsen&Schäfer,2006).Allerdings stehtmanbei derVerwendungder Lignocellulose vor demProblem, dass CelluloseundHemicelluloseaufgrundihrerStrukturdenZugangvonEnzymenoderKatalysatorenerschwerenunddassLignindiebeidenBestandteilevoreinemenzymatischenAbbauschützt(Olsen&Schäfer,2006).EbensoproblematischsinddiebeieinemenzymatischenAbbauentstehendenPentosen.Diesekönnenvon den bisher eingesetzten Industriehefen schlechter zu Ethanol vergoren werden als Hexosen.Hierfürbedarf es eines eigenen speziellen Enzymsystems, anwelchemaktuell noch geforschtwird(Sell,Puls,&Ulber,2007).DietechnischeNutzungderLignocelluloseerfordertebenfallsspezielleEnzyme,welchedieCellulosein ihreGlucosebestandteileaufspaltetunddiese fürdenVergärungsprozessnutzbarmachen.DochgeradedieserSchrittstelltderzeitnocheinetechnischewiewirtschaftlicheHerausforderungandieForschungdar.Diesebeschäftigtsichseitca.30JahrenunterBerücksichtigungvonForderungenderNachhaltigkeit mit der Entwicklung von großtechnisch nutzbaren Aufschlussverfahren (Syldatk &Chmiel,2011).EinebesondereRollekommtdabeiderBiotechnologiezu.Diesekanndazuverhelfen,diesekritischenundenergieaufwendigenSchrittebeiderProduktionvonBiokraftstoffausBiomassezuverbessern.KOHSE-HÖINGHAUSstelltheraus,dassdieSuchenachaktivenEnzymenundpassendenMikroorganismenvonelementarerWichtigkeitist(Kohse-Höinghaus,etal.,2010).SountersuchenzumBeispielInstitute,wiedasIFPinParis,DépartementdeBiotechnologie,MethodenzurHerstellungvonEnzymenfürdieProduktionvonBioethanolderzweitenGeneration(Billard,Faraj,Ferreira,&Heiss-Blanquet,2012).EbensofindensichschoneinigeAnsätzeinNordamerika,SkandinavienundSpanien.InBabilafuente(Spanien) entsteht eine Anlage der Firma Abengoa zur Produktion von Ethanol aus Stroh, die ca.6300t/aproduzierensoll(Bohlmann,2006)(AbengoaBioenergy,2011).EbensofindensichAnlagenindenUSA,beispielsweiseinKansas,oderauchinSchweden.DarüberhinausgibtesinzwischeneinensignifikantenAnteil an „Flexible-Fuel-Vehicles“,welchemitE85Kraftsoffbetriebenwerdenkönnen(BalatM.,BalatH.,&Cahide,2008).AllerdingssinddieerwähntenProduktionsanlagenbisweilenPilotprojekte,ebensowiederEinsatzvonKraftsoff,welcherzu85%ausBioethanolbesteht.IndenmeistenLändern,darunterauchDeutschland,istderEinsatzeinessolchenKraftstoffesnochweitentfernt.Bisherwerdenlediglich10%desfossilenKraftstoffesdurchEthanolersetzt.Damitwerdenimmernoch90%desKraftstoffbedarfsmitfossilenBrennstoffenabdeckt.

4Entnommenaus(Latscha,Kazmaier,&Klein,2008)

FachlicheGrundlagen

6

1.5 ThermodynamikDerersteHauptsatzderThermodynamik

Bereits1842gelangesJuliusRobertMAYER,grundlegendeZusammenhängezwischendenBegriffenderThermodynamikEnergie,WärmeundArbeitzuklären.Dieserpostulierteerstmals,dassEnergiewedervernichtetnochausdemNichtsgeschaffenwerdenkann.JedochkannmandieverschiedenenFormen der Energie ineinander umwandeln. Dabei bleibt die Gesamtmenge der Energie in einemisoliertenSystemgleich.DiesbezeichnetmanalsEnergieerhaltungssatz.Daranschlossensich1843–1849dieArbeitenvonJOULEan,derfeststellte,dassbeiErwärmungvon1kgWasservon14°Cauf15°CstetsdieArbeitvon4,18kJaufgebrachtwerdenmuss.MankannEnergieaufeinabgeschlossenesSystemübertragen,indemmanVolumenarbeitverrichtetoder Wärme zuführt, wodurch sich Volumen, Druck oder Temperatur ändern. Komprimiert manbeispielsweise ein Gas, sowird Arbeit in Form von geordneter Teilchenbewegung verrichtet. „DerEffekt dieses Vorgangs ist […] eine Beschleunigung der Gasmoleküle (also eine Druckerhöhung)“(Atkins,2010).DieSummederkinetischenundpotentiellenEnergiederMoleküleeinesSystemsnenntman InnereEnergieU.DieThermodynamikistdieLehrederUmwandlungvonEnergie.Dasbedeutet,dassmanindiesemFalldieÄnderungderInnerenEnergie∆Ubetrachtet.DieÄnderungderInnerenEnergie∆U istgleichderDifferenzderInnerenEnergieimEndzustandUEundderInnerenEnergieimAnfangszustandUA:

∆𝑈 = 𝑈% −𝑈' (1-1)

Ausgehenddavon,dassWärmeQundArbeitW gleichwertigeWegesind,die InnereEnergieeinesSystemszubeeinflussen,lässtsichderersteHauptsatzderThermodynamikformulieren:

„DievoneinemSystemmitseinerUmgebungausgetauschteSummevonArbeitundWärmeistgleichderÄnderungder InnerenEnergiedes Systems.Die InnereEnergie ist,wie z.B.dasVolumen,eineZustandsgröße.“(Wedler,2004)

∆𝑈 = 𝑊 + 𝑄 (1-2)

IsochoreundIsobareZustandsänderungen

WirdbeieinemSystemaußerderVolumenarbeitkeineandereArbeitmitderUmgebungausgetauscht,soerhältmanfürdieInnereEnergie:

d𝑈 = 𝛿𝑄-./ − 𝑝d𝑉 (1-3)

BeiisobarenProzessengiltwegendp=0:

DarausfolgtfürdenÜbergangvonZustandIinZustandIIfürdieInnereEnergie:DieÄnderungderEnergiebeiisobarenProzesseningeschlossenenSystemenistgleichderÄnderungeinerGröße,diedurchdieSummevonU+pVgegebenist(Wedler,2004).Enthalpie

DieEnthalpieHbeschreibtgenaudiesenUmstandundistsomitdefiniert:

𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑉 (1-5)

d𝑈 = 𝛿𝑄3 − 𝑝d𝑉 (1-4)

Wasserreinigung

7

Wärmekapazitäten

DieWärmekapazität istdiejenigeWärmemenge,diebenötigtwird,umeinSystemumeinGrad zuerhöhen.

1) Für ein isochores System ist die molareWärmekapazität identisch mit dem partiellenDifferentialquotientenderInnerenEnergie.

𝐶5 = 𝜕𝑈𝜕𝑇 5

(1-6)

2) Für ein isobares System ist die molare Wärmekapazität identisch mit dem partiellenDifferentialquotientenderInnerenEnergie.

𝐶8 = 𝜕𝐻𝜕𝑇 3

(1-7)

FürdiespezifischenWärmekapazitätenergebensichdamit:

𝑐5 = :;:< 5

= =>𝐶5 mit𝑢 = @

> (1-8)

𝑐3 = :A:< 5

= =>𝐶3mitℎ = C

> (1-9)

Inhalt

2 ExperimenteMit dem Verbrennnungskalorimeter lassen sich zahlreiche Schülerexperimente mit Bezug zu denBildungs- und Rahmenplänen realisieren. In Tabelle X.1 werden 3 Experimente dargestellt, die inunterschiedlicheSzenarieneingebundenden schulischenChemieunterrichtbereichernkönnen.DieVersuchefokussierendabeidieUntersuchungverschiedenerFragestellungen.

TabelleX.1:ExperimentezumModul„TreibstoffeausBiomasse“

Nr.aufderCD

Anspuch Experiment(Dauer)

Inhalt/Anmerkung

1

BrennwertbestimmungvonflüssigenBrennstoffen(je25

min)

KalorimetrischeMessungzurBestimmungderVerbrennungsenthalpie(amBeispielvonEthanol,

PropanolundButanol)

2

BrennwertbestimmungvonfestenBrennstoffen(20Min.)

KalorimetrischeMessungzurBestimmungderVerbrennungsenthalpie(amBeispielvonHolz)

3

BrennwertbestimmungvonLebensmitteln(je25Min.)

KalorimetrischeMessungzurBestimmungderVerbrennungsenthalpie(amBeispielvonKartoffeln

undSchokolade)

2.1 Versuch1:VerbrennungvonFlüssigkeiten.Versuchsaufbau:

Abbildung2.1AdiabatischesVerbrennungskalorimeter5

5Abbildungselbsterstellt.

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

9

BenötigteGeräte

ProArbeitsplatzwerdenfolgendeGerätebenötigt.

Geräte MengeproArbeitsplatzKalorimeterGlasgefäß 1Thermometer 2Tiegelvorrichtung 1Brennlampe 3Rührdraht 1Vakuumpumpe 1Gaswaschflasche 1Feuerzeug 1gebogenesSauerstoffzugaberohr 1Millimeterpapier 6

Tabelle2.2BenötigteGeräte

BenötigteChemikalien

FolgendeChemikalienwerdenfürdieDurchführungderVersuchebenötigt.

Chemikalien MengeproArbeitsplatzEthanol ca.1mL1-Propanol ca.1mL1-Butanol ca.1mLKartoffeln 1Holz 1Schokolade ca.1g

Tabelle2.3BenötigteChemikalien

DurchführungVorVersuchsbeginnwerdenKalorimetergefäßundKupferrührdrahtgewogen.Anschließendwerden400mL±1mLWasserindasGefäßeingefüllt.NachdemZündenderProbewirduntergleichmäßigemUmrührendieTemperaturdesWassers,fürfünfMinuten in regelmäßigenAbständen von je 30 Sekunden,bestimmt.NachdemErlöschenderFlammewirdunterebenfallsgleichmäßigemUmrührennochmindestenssolangeweitergemessen,biseindeutlicherTemperaturabfallerfolgt.ErstdannwirddiePumpeabgestellt.DieMassedesVerbrennungslämpchensinklusiveBrennstoffwirdvorBeginnderMessungbestimmt.DasVerbrennungslämpchenwirdanschließendindenVerbrennungsraumeingeführtundangezündetsowiedieVakuumpumpeeingeschaltet.Nachca.fünfMinutenwirddieFlammederLampegelöscht.DieMassedesverbrauchtenBrennstoffsergibtsichauseinerweiterenWägung.

BeobachtungundAuswertung

EinesderVerbrennungsprodukteflüssigerundfesterBrennstoffenistWasser.DieseskondensiertandenWändendesVerbrennungsraumesunddieTemperatursteigt.6InderanschließendenMessphasefälltdieTemperaturwieder.6AlternativkannmanauchzwischenVakuumpumpeundVerbrennungsraumnocheineweitereGaswaschflaschemitKalkwassereinbauen,sodassdieBildungvonKohlenstoffdioxidbeobachtetwerdenkann.

Experimente

10

Feststoffe verbrennen unter grellem Glühen vollständig, während Flüssigkeiten aufgrund dereingesetztenMengeindervorgegebenenZeitdiesnichttun.DiegemessenenWertepaarewerdenineinemTemperatur-Zeit-DiagrammaufMillimeterpapierperHand oder mit Hilfe eines Computers aufgetragen. Die maximale Temperaturdifferenz ΔT wirdermittelt, indem die Abkühlkurve mittels linearem Fit auf die Ordinate extrapoliert wird. DerSchnittpunktmitderOrdinatestelltdabeidiemaximalzuerreichendeTemperaturTEndedar,währendder Schnittpunkte der Messkurve mit der Ordinate die Anfangstemperatur TAnfang darstellt. UnterBerücksichtigung der spezifischen Wärmekapazitäten der eingesetzten Stoffe (Glas, Wasser undKupfer) wird die freigesetzte Wärmemenge Q berechnet. Die molare Verbrennungsenthalpie ΔH0

berechnet sich aus derWärmemengeQ und der Stoffmenge des Brennstoffes (siehe Gliederung)(Jansen&Melle,2007)FürdienachfolgendeexemplarischeAuswertungamBeispieldesEthanolswurdeneigeneMesswerteverwendet:1)gewogeneMassen

m(Glas)=351,99g m(Ethanol,vorher)=26,15gm(H20)=400,64g m(Ethanol,nachher)=24,82gm(Kupfer)=11,77g ∆m(Butanol)=1,33g

2)Messergebnisse

Zeit[Min] Temp[°C] Zeit[Min] Temp[°C]

0 24.7 6,0 41,20,5 24,8 6,5 41,81,0 24,8 7,0 41,41,5 24,8 7,5 41,12,0 26,1 8,0 40,72,5 28,2 8,5 40,43,0 29,9 9,0 40,13,5 32,7 9,5 39,84,0 33,8 10,0 39,64,5 35,7 10,5 39,45,0 38,2 11,0 39,25,5 39,3 11,5 39,0

Tabelle2.4ExemplarischeMessergebnisseeinerMessungderVerbrennungsenthalpievonEthanol

3)AuftragungderTemperaturgegendieZeit

ΔT

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

11

Abbildung2.6:ExemplarischeAuftragungderMessergebnisseeinerMessungderVerbrennungsenthalpievonEthanol

4)BerechnungderausgetauschtenWärmemengeQ

5)BerechnungdermolarenVerbrennungsenthalpieΔH0:

ZumVergleich:Literaturwert:1367 DEFGH

2.2 Versuch2:VerbrennungvonFeststoffenDurchführungDie Versuchsvorbereitung erfolgt analog zu Versuch 1. Die Masse des festen Brennstoffes wirdinklusiveTiegelbestimmt.Das gebogene Sauerstoffzugaberohr wird über der Tiegelvorrichtung im Verbrennungsraumangebracht.ZwischendiesesRohrunddenSauerstoffhahnamLaborplatzwirdeineGaswaschflaschegeschaltet, um die Sauerstoffzugabe sicht- und kontrollierbar zu machen. Der erforderlicheSauerstoffstromvon5mL/swirdmitHilfeeinesKolbenprobersvordemVersuchsbeginneingestellt.NachdemdieVakuumpumpeeingeschaltetist,wirdmitHilfeeineskleinenDochtes,welcheraufdenfestenBrennstoffgelegtwird,dieProbegezündet.DieMassedesverbrauchtenBrennstoffsergibtsichauseinerweiterenWägung.

BeobachtungundAuswertung

DieBeobachtungundAuswertungerfolgtanalogzuVersuch1.

∆T=TEnde-TAnfang=43,5–24,8=18,7°Cbzw.K (2-1)

𝑄 = ∆𝑇 ∗ (𝑐deff.- ∗ 𝑚deff.- + 𝑐heHG-iF.j.- ∗ 𝑚heHG-iF.j.- + 𝑐h;3k.- ∗ 𝑚h;3k.-) (2-2)

𝑄 = 18,7𝐾 ∗ (4,19𝐽

𝑔 ∗ 𝐾∗ 400,64𝑔 + 0,85

𝐽𝑔 ∗ 𝐾

∗ 351,99𝑔 + 0,39𝐽

𝑔 ∗ 𝐾∗ 11,77𝑔) (2-3)

𝑄 = 37,07𝑘𝐽 (2-4)

∆𝐻t = −𝑄 ∗ 𝑀 𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙𝑚 𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙

(2-5)

∆𝐻t = −37,07𝑘𝐽 ∗ 46,06 𝑔𝑚𝑜𝑙

1,33𝑔 (2-6)

∆𝐻t = −1283,8𝑘𝐽𝑚𝑜𝑙

(2-7)

Experimente

12

2.3 Alternative Messvorrichtung und digitale Unterstützung bei derAuswertung:

ImGegensatz zur pen-and-paperAuswertungwird bei der digitalenAuswertung dasNotieren undAuftragen der Messwerte von einer Messsoftware (hier: Phywe measure) übernommen und derSchüler kann nach Beendigung derMessung direktmit der Berechnung der Verbrennungswärme,sowiederEnthalpiebeginnen.DiesbringtverschiedeneVorteilemitsich.

AufdereinenSeitewirdder FokusaufdasWesentlichegelenkt, d.h. unnötig langes ZeichnenvonGraphenundhändischesNotierenvonMesswertenrücktindenHintergrundunddieBetrachtungderchemischenGrößenindertatsächlichenAuswertungbekommtmehrAufmerksamkeitzugeschrieben.EinmöglichesLernzielkönntelauten„DerSchülerzeichneteinTemperatur-Zeitdiagramm“.AllerdingsbeanspruchtdiesinderDurchführungextremvielZeitundlenktzustarkvomchemischenInhalthab,sodassdiesem„mathematischen“LernzieleinezeitlichzugroßeBedeutungzugeordnetwird.

Auf der anderen Seite kann durch die mediale Unterstützung bei der Messauswertung dieMedienkompetenzderSchüler/Lehrergesteigertwerden.DurchdasEinstellenderMesselektronikunddesMessprogrammserlerntderSchüler/LehrerverschiedeneTechnikenzurelektronischenAufnahmeundAuswertungvonDaten.NebendemAufnehmenvonMesswertenüberdieZeitunddemZeichnendesGraphsliefertdieSoftwareverschiedeneWerkzeugezurAnalysederer.EshandeltsichinkeinsterWeiseumeinenautomatisiertenZustand,denndieDenkleistungliegtimmernochvollundganzbeimSchüler.DurchdasWerkzeugComputerwirdihmlediglichentsprechendesMaterialzurHandgegeben,umseineArbeitzeiteffizienterdurchführenzukönnen.

Eslässtsichnichtabstreiten,dassesfürSchülersehrwichtigistrealeMessdatenhändischaufPapierauswerten zu können, allerdings muss immer zuerst die Frage nach der Effizienz undWichtigkeitgeklärt werden. Der Computer ist ein unterstützendesMedium für den Schüler um ihn einerseitsmedialzuschulenaberandererseitsauch,umihmdieMöglichkeitzugebenzeiteffizientarbeitenzukönnen.

2.3.1 MessenmitderCobra3

Die Cobra 3 ist eine Mess - Interface - Familie auf der Basis von Cobra, die aus verschiedenenKomponenten besteht. Das universell verwendbare Grundgerät BASIC UNIT wird über die serielleSchnittstelle an den Computer angeschlossen. Das Grundgerät kann aber auch an die COM UNITangeschlossen werden und ermöglicht Messungen unabhängig vom Computer. DieChemieanwendungenwerdenübersteckbareModulekonfiguriert.EskönnenaucheineGroßanzeigeodereinSchreiberangeschlossenwerden.DasGerätwirdübereinSchnittstellenkabel(25pol.Sub-Dweiblichbzw.25pol.Sub-Dweiblicheangeschlossen).DiefürdieTemperaturmessungerforderlicheMesselektronik ist ein Pt100 – Temperaturfühler, der über die Basiseinheit mit dem Computerverbundenist.AlternativkönnteaucheinNiCrNi-FühlerzurTemperaturmessungeingesetztwerden,derallerdingsmithöhererUngenauigkeitindemerwartetenMessbereichmisst.

2.3.2 AuswertenmitPhyweMeasure

Measure ist eine leistungsstarke Messsoftware zum Erfassen, Visualisieren, Verarbeiten undAuswertenvonMessdaten.DieMessdatenkönnengleichzeitigübereinenodermehrereDatenkanäleerfasst und aufgezeichnet werden. Measure ist für verschiedenste Messgeräte aus dem PHYWE

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

13

Verkaufsprogramm erhältlich, unter anderem für das PHYWE Cobra-Interface-System mitverschiedenstenModulenundSensoren.

DieSoftwareverfügtübereinenenormenStammanMessmöglichkeiten,sodassimFolgendenlediglichdie grundlegenden Schritte der Messwerterfassung von Temperatur – Zeit – Diagrammen mitanschließenderkalorimetrischenAuswertungbetrachtetwerdenkann:

2.3.3 StarteneinerneuenMessung:

DieBasicUnitvonPhyweverfügtübereinextremgroßesKontingentanMessmöglichkeiten.BevormitderMessungbegonnenwerdenkann,mussdiepassendeElektronikausgewähltwerden.HierfürbietetPhyweMehrfachlizenzenfürdieentsprechendenInterfacesan.AlleMessgerätelaufenauchimDemo-Modusunentgeltlich,beinhaltenallerdingseinesehrabgeschwächteVariantederVollversion.

Abbildung2.7AuswahlanLizenzenderMessgerätenfürdieBasicUnitderCobra3vonPhywe

SobalddieLizenzenaktiviertwurdenerscheinendieseaufderStartseiteunter„Messgeräte“inderKopfzeiledesProgramms.FürdieTemperaturmessungwird„Cobra3Temperatur“ausgewählt.

Abbildung2.8AuswahlanMessgerätenfürdieBasicUnitderCobra3vonPhywe

Experimente

14

DurchdrückendesrotenAufnahme-KopfeswirdeineganzneueMessunggestartet.Dieskannauchpassieren,wenneineMessungbeendetwurde.

Abbildung2.9HauptarbeitsleistezumArbeitenmitderSoftwareMeasurevonPhywe

2.3.4 KalibrierendesTemperaturfühlersundMessung

Abbildung2.10KalibrierungdesTemperaturfühlersundEinstellungenderMesswerterfassung

Das Thermometer (PT100)muss zunächst auf Umgebungsbedingungen eingestelltwerdenund daher kalibriert werden. Dies erfolgt in dem Einstellungsfenster, das sich nach demStartenderneuenMessungöffnet.AußerdemmüssenhierdieentsprechendenKanälefürdieMessung ausgewählt und Einstellungen zur Messdauer vorgenommen werden. Durch dieStart–Stopp-FunktionkannnundieMessungbeliebiggestartet,angehaltenundbeendetwerden.

2.3.5 LineareRegressionverschiedenerBereiche

Um den Vor- und Nachlauf linear zu fitten müssen Regressionsgeraden in den Grapheneingefügtwerden.DieersteGeradewirdüberdasHauptmenueingefügt(vgl.Abbildung1.5),welcheüberzweiSchieberegleranderrichtigenStelleplatziertwerdenkönnen.

Abbildung2.11EinfügeneinerRegressionsgeradenzurAuswertungamGraphen

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

15

DerzweitelineareFitwirddurcheinenRechtsklickindenGraphenhinzugefügtundebensodurchzweiSchiebereglerimauszuwählendenBereichplatziert.

Abbildung2.12EinfügeneinerweiterenlinearenRegressionsgeraden

2.3.6 Messauswertung/Kalorimetrie

Abbildung2.13KalorimetrischeAuswertungeinesTemperatur-Zeit-Diagramms

DiemaximaleTemperaturdifferenzΔTwirdermittelt,indemdieAbkühlkurvemittelslinearemFitaufdie Ordinate extrapoliert wird. Der Schnittpunkt mit der Ordinate stellt dabei die maximal zuerreichendeTemperaturTEndedar,währendderSchnittpunktederMesskurvemitderOrdinatedieAnfangstemperatur TAnfang darstellt. Allerdingswird dieseArbeit vomProgrammgeleistet unddemSchüler wird die zur weiteren Berechnung benötigte maximale Temperaturdifferenz durch dasProgrammangegeben.DazumussinderKopfzeilederSoftwareunterMessauswertungKalorimetrieausgewähltwerden.

Experimente

16

2.4Versuch1:VerbrennungvonFlüssigkeitenmitdigitalerAuswertung.

Versuchsaufbau:

Abbildung2.14AdiabatischesVerbrennungskalorimeter(technischverändert)7

BenötigteGeräte

ProArbeitsplatzwerdenfolgendeGerätebenötigt.

Geräte MengeproArbeitsplatzKalorimeterGlasgefäß 1Thermometer 1Tiegelvorrichtung 1Brennlampe 3Rührdraht 1Vakuumpumpe 1Gaswaschflasche 1Feuerzeug 1gebogenesSauerstoffzugaberohr 1

Tabelle2.4BenötigteGeräte

7Abbildungselbsterstellt.

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

17

BenötigteChemikalien

FolgendeChemikalienwerdenfürdieDurchführungderVersuchebenötigt.

Chemikalien MengeproArbeitsplatzEthanol ca.1mL1-Propanol ca.1mL1-Butanol ca.1mLKartoffeln 1Holz 1Schokolade ca.1g

Tabelle2.5BenötigteChemikalien

Durchführung

VorVersuchsbeginnwerdenKalorimetergefäßundKupferrührdrahtgewogen.Anschließendwerden400mL±1mLWasser indasGefäß eingefüllt.Außerdemmussdaraufgeachtetwerden,dassdaselektrische Thermometer kalibriert wird. Dazu reicht eine Becherglas Wasser mit bekannterTemperatur.BeimAnschließenderCobra3andenComputerkanndurchein„Klick“auf„Kalibrierung“dasMessthermometereingestelltwerden.

NachdemZündenderProbewirduntergleichmäßigemUmrührendieTemperaturdesWassers,fürfünfMinuteninregelmäßigenAbständenvonje0,5SekundendurchdieMesssoftware,bestimmt.DieTemperaturkanndigital inEchtzeitaufdemBildschirmverfolgtwerden,währendderTemperatur-Zeit-Diagramm aufgezeichnet wird. Nach dem Erlöschen der Flamme wird unter ebenfallsgleichmäßigem Umrühren noch mindestens so lange weiter gemessen, bis ein deutlicherTemperaturabfallerfolgt.ErstdannwirddiePumpeabgestellt.

DieMassedesVerbrennungslämpchensinklusiveBrennstoffwirdvorBeginnderMessungbestimmt.

DasVerbrennungslämpchenwirdanschließendindenVerbrennungsraumeingeführtundangezündetsowiedieVakuumpumpeeingeschaltet.Nachca.fünfMinutenwirddieFlammederLampegelöscht.DieMassedesverbrauchtenBrennstoffsergibtsichauseinerweiterenWägung.

BeobachtungundAuswertung

EinesderVerbrennungsprodukteflüssigerundfesterBrennstoffenistWasser.DieseskondensiertandenWändendesVerbrennungsraumesunddieTemperatursteigt.8InderanschließendenMessphasefälltdieTemperaturwieder.

Feststoffe verbrennen unter grellem Glühen vollständig, während Flüssigkeiten aufgrund dereingesetztenMengeindervorgegebenenZeitdiesnichttun.

DiegemessenenWertepaarewerdenineinemTemperatur-Zeit-DiagrammmitHilfeeinesComputersaufgetragen.Diemaximale TemperaturdifferenzΔT wird ermittelt, indemdieAbkühlkurvemittelslinearem Fit auf dieOrdinate extrapoliertwird. Der Schnittpunktmit derOrdinate stellt dabei diemaximal zu erreichende Temperatur TEnde dar, während der Schnittpunkte derMesskurvemit derOrdinate die Anfangstemperatur TAnfang darstellt. Unter Berücksichtigung der spezifischen

8AlternativkannmanauchzwischenVakuumpumpeundVerbrennungsraumnocheineweitereGaswaschflaschemitKalkwassereinbauen,sodassdieBildungvonKohlenstoffdioxidbeobachtetwerdenkann.

Experimente

18

Wärmekapazitäten der eingesetzten Stoffe (Glas, Wasser und Kupfer) wird die freigesetzteWärmemenge Q berechnet. Die molare Verbrennungsenthalpie ΔH0 berechnet sich aus derWärmemengeQundderStoffmengedesBrennstoffes(sieheGliederung)(Jansen&Melle,2007)

FürdienachfolgendeexemplarischeAuswertungamBeispieldesEthanolswurdeneigeneMesswerteverwendet:

1)gewogeneMassen

m(Glas)=351,99g m(Ethanol,vorher)=26,15gm(H20)=400,64g m(Ethanol,nachher)=24,82gm(Kupfer)=11,77g ∆m(Butanol)=1,33g

2)AuftragungderTemperaturgegendieZeit

Die gemessenen Wertepaare werden in einem Temperatur-Zeit-Diagramm auf mit Hilfe einesComputersaufgetragen.

Abbildung2.15:ExemplarischeAuftragungderMessergebnisseeinerMessungderVerbrennungsenthalpievonEthanol

DiemaximaleTemperaturdifferenzΔTwirdermittelt,indemdieAbkühlkurvemittelslinearemFitaufdie Ordinate extrapoliert wird. Der Schnittpunkt mit der Ordinate stellt dabei die maximal zuerreichendeTemperaturTEndedar,währendderSchnittpunktederMesskurvemitderOrdinatedieAnfangstemperaturTAnfangdarstellt.NachderMessungderTemperaturüberdieZeitentsteht,wieinAbbildung2.Xzusehen,eineroteKurve,welchenunmitHilfedesProgrammsanalysiertwerdenkann.MiteinemRechtsklickaufdenGraphenkönnenzweiRegressionsgeradenüberdenVorlaufunddieAbkühlkurvegelegtwerden.UnterdenReiter„Messauswertung“kanndurchdasKlickenaufdasFeld„Kalorimetrie“dieschonzuvor inVersuch1geforderteTemperaturdifferenzüberdieExtrapolationauf derOrdinate angegebenwerden.Diese ermittelte Temperaturdifferenz kannnun zurweiterenBerechnungvonentstandenerWärmemenge,sowiedieVerbrennungsenthalpieverwendetwerden.

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

19

4)BerechnungderausgetauschtenWärmemengeQ

analogzuVersuch1ohnedigitaleUnterstützung

5)BerechnungdermolarenVerbrennungsenthalpieΔH0:

analogzuVersuch1ohnedigitaleUnterstützung

6)BerechnungderGrößenmittelsTabellenkalkulation

UmdiemedialeUnterstützungdurchdiedigitalenWerkzeugeindiesemRahmenauszubauen,könnendieSchülerimnächstenSchrittmittelsTabellenkalkulationdieentsprechendenGrößenzuberechnen.HierbeikönnensiedieBerechnungenvonWärmemengeQ,sowiederVerbrennungsenthalpielediglichinAbhängigkeitvonderTemperaturdifferenzschreiben.

Abbildung2.16ExcelArbeitsmappezurdigitalenAuswertungderKalorimetrie

2.5 Versuch2:VerbrennungvonFeststoffenmitdigitalerAuswertungDurchführung

Die Versuchsvorbereitung erfolgt analog zu Versuch 1. Die Masse des festen Brennstoffes wirdinklusiveTiegelbestimmt.

Das gebogene Sauerstoffzugaberohr wird über der Tiegelvorrichtung im Verbrennungsraumangebracht.ZwischendiesesRohrunddenSauerstoffhahnamLaborplatzwirdeineGaswaschflasche

20

geschaltet, um die Sauerstoffzugabe sicht- und kontrollierbar zu machen. Der erforderlicheSauerstoffstromvon5mL/swirdmitHilfeeinesKolbenprobersvordemVersuchsbeginneingestellt.

NachdemdieVakuumpumpeeingeschaltetist,wirdmitHilfeeineskleinenDochtes,welcheraufdenfestenBrennstoffgelegtwird,dieProbegezündet.DieMassedesverbrauchtenBrennstoffsergibtsichauseinerweiterenWägung.

BeobachtungundAuswertung

DieBeobachtungundAuswertungerfolgtanalogzuVersuch1.

Inhalt

VoraussetzungenderLerngruppeDieVersuchesindkonzipiertfürdenOberstufenunterricht.

AlleBundesländerschreibendieBehandlungdesThemengebiete„ChemischeEnergetik“zumindestfür denUnterricht in der gymnasialenOberstufe vor. Dieses Thema soll dazu dienen, den aus derMittelstufebekanntenEnergieumsatzbeichemischenReaktionenzupräzisieren,zuerweiternundzuvertiefen.IndiesemKapitelwerden„EnergieformenbeichemischenReaktionen“,„ReaktionundUmgebung“,der „Energieerhaltungssatz“, die „Enthalpie (H)“, die „Entropie (S)“ und die „Freie Enthalpie (G)“behandelt.Das Schülerpraktikum ist nach Behandeln der Unterthemen „Energieformen bei chemischenReaktionen“, „Reaktion und Umgebung“, „der Energieerhaltungssatz“, die „Enthalpie (H)“durchzuführen.Der LehrplandesSaarlandes schlägtandieserStelle lediglichdas „VerbrennenvonNährstoffen im Kalorimeter“ vor. Allerdings lässt sich problemlos auch die Bestimmung derBrennwertevonLebensmittelnundnachwachsendenRohstoffendurchführen.

DieSchülerinnenundSchüler- definierenchemischeEnergie,Wärme,undArbeit(I,Reproduktion)- definierenoffene,geschlosseneundisolierteSysteme(I,Reproduktion)- formulierendenEnergieerhaltungssatz(I,Reproduktion)- formulierendenerstenHauptsatzderThermodynamik(I,Reproduktion)- definierendenBegriffEnthalpie(I,Reproduktion)- nenneneineMethodezumMessenvonBrennwerten(I,Reproduktion)- beschreibendenAufbaueinesKalorimeters(II,Reorganisation)

QuellenundweiterführendeLiteratur

22

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QuellenundweiterführendeLiteratur

26

3.1 Versuchsvorschriften

ArbeitsblättermitVorversuch

BioenergienachwachsenderRohstoffe

-AlternativeBrennstoffeausdemAlltag-ZurBestimmungderWärmemenge,diebeieinerchemischenReaktionfreigesetztwird,mussdie

WärmevollständigaufeinanderesMedium(z.B.Wasser)übertragenwerden.Dafürstehen

verschiedeneKalorimetertypenzurVerfügung.HandeltessichbeiderReaktionumeine

Verbrennung,soverwendetmaneinVerbrennungskalorimeter.

AufbaueinesVerbrennungskalorimeters:DieWärmeübertragungistnahezuvollständig.Dasbedeutet,dassdievomganzenSystem

aufgenommeneWärmemengebetragsgleichmitderReaktionswärmeist.DieWärmeaufnahmeist

miteinemTemperaturanstiegverbunden,deralsMessgrößedient.

DievoneinemStoffaufgenommeneWärmemengelässtsichmitfolgenderGleichungberechnen:𝑸 = ∆𝑻 ∗ 𝒎 ∗ 𝒄𝑷

Thermometer1

°C

°C Thermometer2 Rührer

Wasser

Verbrennungsgase

Verbrennungsraum

Q=aufgenommeneWärmemenge

∆T=Temperaturänderung

m=Masse

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

27

AllgemeineAngaben:SpezifischeWärmekapazitäten:cp(Wasser)=4,19J/(g*K)-1

cp(Kupfer)=0,385J/(g*K)-1

cp(Glas)=0,85J/(g*K)-1

Versuch1:

BestimmedieVerbrennungsenthalpienvon:

a) 1-Propanol(Literaturwert:2018kJ/molbzw.33,56kJ/g)b) Holzc) Kartoffeln

Versuch2:

Identifiziere

a) Ethanolb) Butanol

anhandihrerVerbrennungsenthalpien

Versuch3:

Vergleiche die Wärmemenge, die bei der Verbrennung von Schokolade freigesetzt wird, mit denBrennwertangabenaufderVerpackung.

Durchführung:ErmittledieTemperaturdifferenzgraphischanhandeinesDiagramms,indemdudieTemperaturgegendieZeitaufträgst.VorBeginnderVerbrennungmisstduca.2mindieTemperaturdesWassers.NachdemErlöschenderFlammemisstdumindestens5mindieTemperaturweiter.

QuellenundweiterführendeLiteratur

28

AlternativesArbeitsblattzurAuswertungmitdigitalenWerkzeugen

BioenergienachwachsenderRohstoffe

-AlternativeBrennstoffeausdemAlltag-

Zur Bestimmung derWärmemenge, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt wird, muss die

Wärme vollständig auf ein anderes Medium (z.B. Wasser) übertragen werden. Dafür stehen

verschiedeneKalorimetertypenzurVerfügung.HandeltessichbeiderReaktionumeineVerbrennung,

soverwendetmaneinVerbrennungskalorimeter.

AufbaueinesVerbrennungskalorimeters:

Die Wärmeübertragung ist nahezu vollständig. Das bedeutet, dass die vom ganzen System

aufgenommeneWärmemengebetragsgleichmitderReaktionswärmeist.DieWärmeaufnahmeistmit

einemTemperaturanstiegverbunden,deralsMessgrößedient.

DievoneinemStoffaufgenommeneWärmemengelässtsichmitfolgenderGleichungberechnen:

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

29

𝑸 = ∆𝑻 ∗ 𝒎 ∗ 𝒄𝑷

AllgemeineAngaben:

SpezifischeWärmekapazitäten:

cp(Wasser)=4,19J/(g*K)-1

cp(Kupfer)=0,385J/(g*K)-1

cp(Glas)=0,85J/(g*K)-1

Versuch1:

BestimmedieVerbrennungsenthalpienvon:

d) 1-Propanol(Literaturwert:2018kJ/molbzw.33,56kJ/g)e) Holzf) Kartoffeln

Versuch2:

Identifiziere

c) Ethanold) Butanol

anhandihrerVerbrennungsenthalpien

Versuch3:

Vergleiche die Wärmemenge, die bei der Verbrennung von Schokolade freigesetzt wird, mit denBrennwertangabenaufderVerpackung.

ArbeitsblätterzurVor-undNachbereitungdesSchülerlaborbesuchs

Arbeitsblatt1:RegenerativeEnergieträger-Biokraftstoffe

Durchführung:

ErmittledieTemperaturdifferenzgraphischanhandeinesDiagramms,indemdudieTemperaturgegendieZeitaufträgst.

VorBeginnderVerbrennungmisstduca.2mindieTemperaturdesWassers.

Q=aufgenommeneWärmemenge

∆T=Temperaturänderung

m=Masse

QuellenundweiterführendeLiteratur

30

RegenerativeEnergieträger

Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle für

unseren Planeten. Die auf der Erde verfügbare

Energiestammtfastvollständigvonihr.EinTeilder

EnergiedesSonnenlichteswirdvonPflanzendurch

die Photosynthese in chemische Energie

umgewandelt und in Energieträgern gespeichert.

Hierbei unterscheidet man zwischen nicht

erneuerbaren und erneuerbaren (regenerativen)

Energieträgern. Nicht erneuerbare Energieträger

sind beispielweise die fossilen Brennstoffe Kohle,

Erdöl und Erdgas, da deren Entstehungszeit

mehrere Millionen Jahre beträgt. Biomasse wie

Holz,StrohunddiversePflanzenstängel,aberauch

Biokraftstoffewie Ethanol und Butanol zählen zu

den regenerativen Energieträgern.

Unter nachhaltiger Energie versteht man die

ökonomische, ökologische und sozialverträgliche

NutzungvonEnergieträgern.

Biokraftstoffe

Biokraftstoffe sind regenerative Energieträger.

VonihrerVerwendungversprichtmansich,Problemen,

wie knapper werdende Ressourcen an fossilen

Brennstoffen, Umweltverschmutzung,

Klimaerwärmung und steigender Energiepreise,

begegnenzukönnen.

Bioethanol und Biobutanol sind häufig

eingesetzte Biokraftstoffe, teilweise als Reinstoff und

teilweise als Kraftstoffzusätze, wie im Super E10-

Kraftstoff in Deutschland. Chemisch betrachtet sind

„Bioethanol“ und industriell hergestellter Ethanol

identisch. Die Vorsilbe „BIO-“ drückt vielmehr die

HerkunftausBiomasseaus.

Aufgaben:

1. ErkläredieNotwendigkeit,dassAlternativenzufossilenBrenn-undRohstoffen(Erdöl,Erdgas,etc.)

gefundenwerden.NutzedazuArgumenteausdemTextundüberlegedirweitere.

2. BeschreibedieVorteilevonregenerativenEnergieträgern

3. DiskutiereübermöglicheNachteilevonBioethanol

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

31

Arbeitsblatt2:IstjedesBioethanol=BIO?,I

Die Vorsilbe „BIO-“ lässt keineswegs einen Rückschluss auf nachhaltige Produktion zu. Man

unterscheidetzwischenBioethanoldererstenundderzweitenGeneration.

BioethanoldererstenGeneration

BioethanoldererstenGenerationwirdvorwiegendauszucker-oderstärkehaltigenPflanzenhergestellt.

Deswegen treten in Diskussionen über die Bioethanolherstellung verstärkt Neologismen wie

„Energiepflanzen“auf.

ZuckerhaltigePflanzenalsEdukte:

Die wichtigsten zuckerhaltigen „Energiepflanzen“ sind Zuckerrüben in Europa und Zuckerrohr in

Brasilien. Vorteil dieser Pflanzen ist, dass diese Ausgangsstoffe direkt als Edukte für die Produktion

verwendetwerden.LediglicheinemechanischeAufarbeitungistnötig,damiteinzuckerhaltigerRohsaft

gewonnenundfüreinenFermentationsprozesseingesetztwerdenkann.BeidiesemwerdendieEdukte

durchHefe,zuEthanolvergoren.

StärkehaltigePflanzenalsEdukte:

Nutzt man hingegen stärkehaltige Pflanzen zur Herstellung von Bioethanol, so muss ein deutlich

aufwendigeresVerfahrengewähltwerden.StärkeisteinPolymerausα-D-GlucoseEinheiten.Siebesteht

dabeiausAmyloseundAmylopektin.

Diesemüssen in einemmehrstufigen Prozess zuGlucose abgebautwerden, diewiederum in einem

anschließendenFermentationsprozesszuEthanolvergorenwird.

AlsstärkehaltigePflanzenkönnenMais,Tobinambur,KartoffelundGetreidegenutztwerden.Vorallem

KartoffelnstelleninMitteleuropadenamhäufigstengenutztenRohstoffdar.AllerdingsistderEinsatz

von Kartoffeln mit einem hohen Transportaufwand, einer eingeschränkten Lagerbarkeit und große

AbwassermengenbeiderHerstellungverbunden.

Aufgaben:

1. UnterscheidedieProduktionvonBioethanolauszucker-undausstärkehaltigenPflanzen.

2. BeschreibedieVorteilevonBioethanoldererstenGeneration.

3. DiskutiereübermöglicheNachteilevonBioethanoldererstenGeneration

Inhalt

Arbeitsblatt3:IstjedesBioethanol=BIO?,II

BioethanolderzweitenGeneration

Große Hoffnungen werden in die Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung von Ethanol aus

Lignocellulose-haltigen Pflanzen gesetzt. Dabei unterscheiden sich diese Verfahren von denen der

erstenGeneration,weilnundiePflanzenteilegenutztwerden,diefürdiemenschlicheErnährungkeine

Rollespielen.

LignocellulosebietetdenVorteil,dasses ingroßerMenge, inFormvonHolz,Stroh,oderanderem

pflanzlichemMaterial,zurVerfügungstehtundsomitnichtmitLebensmittelnkonkurriert.ImFallevon

Lebensmittelpflanzen, z.B. Mais, hat man bei diesem Konzept den Vorteil, dass der Mais als

NahrungsmittelundderRestderPflanzefürdieEthanolProduktiongenutztwerdenkann.

DietechnischeNutzungderLignocelluloseerfordertebenfallsspezielleEnzyme,welchedieCellulose

inihreGlucosebestandteileaufspaltetunddiesefürdenVergärungsprozessnutzbarmachen.

DochgeradedieserSchrittstelltderzeitnocheinetechnischewiewirtschaftlicheHerausforderungan

dieForschungdar.

ErstePilotprojektezurNutzungBioethanolderzweitenGenerationfindensichbereitsinNordamerika,

SkandinavienundSpanien.

Aufgaben:

1. VergleichedieProduktionvonBioethanoldererstenundderzweitenGeneration.

2. BeschreibedieVorteilevonBioethanolderzweitenGeneration.

3. DiskutiereübermöglicheNachteilevonBioethanolderzweitenGeneration.

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

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AnleitungzumBaueinesVerbrennungskalorimeters

GrundgerüstDas Verbrennungskalorimeter nach Theimann der Firma WINDAUS – LABORTECHNICK dient als

GrundgerüstfürdenAufbaudesVersuchs,(Windaus-Labortechnik,2012).

Abbildung3.1VersuchsaufbaunachWINDAUS(zurVerbrennungvonFeststoffen)9

ModifikationenamKalorimeterThermometerEin Nachteil bei dieser Konstruktion ist das Thermometer. Dieses ist so angebracht, dass dieTemperaturlediglich2cmunterhalbdesDeckelsgemessenwerdenkann(vgl.Abbildung3.2).Diesistvon Nachteil, weil die Temperatur so nur an einer Stelle bestimmt werden kann und dies keinequalifizierte Aussage über die Gesamttemperatur im Kalorimetergefäß liefert, da man keinenVergleichswertvoneineranderenStelleimGefäßbesitzt.SomiterlaubtdieseseineThermometernureine Aussage über eine lokale Temperatur. Ebenso ist es für die Schüler/Innen problematischabzuschätzen, inwiefern sie das Wasser im Gefäß gleichmäßig durchmischt haben, da sie dieTemperaturnuraneinerStellemessen.

Um diese Mängel zu beheben, wurde ein zweites Thermometer verwendet. Dadurch sind dieSchüler/InnennunsowohlinderLagezukontrollieren,obsiedasWasserrichtigdurchmischthaben,alsauchnachzuvollziehen,obdiegemessenenTemperaturenaussagekräftigfürdasgesamteWasserimKalorimetergefäßsind(vgl.Abbildung3.3).

Darüberhinausistzuerwähnen,dassStabthermometer,welcheQuecksilberenthalten,nichtfürdenGebrauchdurchSchülern/Innengeeignetsind,dabeieinemBruchdasgesundheitsgefährdendeMetall

9AbbildungentnommenvonderHomepagedesHerstellers(Windaus-Labortechnik,2012)

QuellenundweiterführendeLiteratur

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indieUmgebung freigesetztwird.DeswegenwurdeaufdenEinsatzdieserArt vonThermometernverzichtet.StattdessenkommenelektrischeThermometerzumEinsatz.

Abbildung3.2MitgeliefertesThermometer Abbildung3.3ElektrischesThermometer

WasserstrahlpumpeDie mitgelieferte Versuchsanleitung nennt eine Wasserstrahlpumpe, um entstehendeVerbrennungsgaseabzusaugen (Windaus - Labortechnik,2012).Dies ist fürdieDurchführungeinesSchülerpraktikums nicht geeignet. Es ist nicht im Sinne der Nachhaltigkeit, wenn in einemSchülerpraktikumvierMessungenproVersuchsgruppedurchgeführtwerden,diejeweilsmindestenszehnMinutendauern.DerEinsatzvonWasserstrahlpumpenhätteeinensehrhohenWasserverbrauchzur Folge, welcher durch einfache Maßnahmen vermieden werden kann. Verwendet man eineMembran-Vakuumpumpe, so kann man völlig auf das Wasser verzichten. Die Membran-Vakuumpumpen, welche in jedem gut ausgestatteten Schülerlabor zu finden sind, bieten darüberhinausnochweitereVorteile.ZumeinenverfügendieseübermehrereAnschlüsse.Dasbedeutet,dassmindestens zwei Versuchsgruppenmit einer Vakuumpumpe arbeiten können. Zum anderen ist zubeachten,dassdieSaugleistungeinerVakuumpumpehöheristalsdieeinerWasserstrahlpumpe.Somitgehen weniger Verbrennungsgase durch die untere Öffnung verloren und die beim VersuchfreiwerdendeWärmeenergiewirdsonahezuvollständigandasKalorimeterabgegeben,wodurcheinegenauereBestimmungdesBrennwertesdesverbranntenStoffesmöglichwird.

AusSicherheitsgründenistjedochunbedingtdaraufzuachten,dasskeinemitÖlbetriebenePumpeverwendet wird. Verwendet man eine Öl betriebene Pumpe, so kann diese schon bei geringerSauerstoffmenge zu unkontrollierbaren Bränden mit Sach- und Personenschaden führen. Dies istunbedingtzuvermeiden!

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

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Rührdraht

DermitgelieferteRührdrahtistfürdieDurchführungnichtgeeignet.DadiesersehrdünnistundimWasserwenigWiderstandbietet,istdasgleichmäßigeDurchmischendesWassersimKalorimetergefäßnichtmöglich.

DurchHinzufügenvonkleinenKlebestreifenerhöhtmanallerdingsdieRührleistungdesDrahtesumeinVielfaches(vgl.Fehler!Verweisquellekonntenichtgefundenwerden.).

Abbildung3.4ModifizierterRührdraht

VerbrennenvonFlüssigkeiten

ImStandardlieferumfangistkeineLampezumVerbrennenvonFlüssigkeitenenthalten. EswirddieVerwendung von kommerziell erhältlichen Spiritusbrennern10 (vgl. Abbildung 3.5) vorgeschlagen.DiesehabenjedochdenNachteil,dasssiezubreitsindunddieÖffnungdesVerbrennungsraumsfastverschließen und so zu wenig Luft nachströmen kann. Führt man die Spirituslampe nicht in denVerbrennungsraumselbstein,sokannetwasWärmeandenSeitenentweichenund istsomitnichtmessbar, da sie nicht in dasWasser imKalorimetergefäßübertragenwerdenund somit gemessenwerdenkann.

Abbildung3.5HandelsüblicherSpiritusbrenner

10http://www.phywe.de/51/pid/7229/Spiritusbrenner,-stellbar.html

QuellenundweiterführendeLiteratur

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MitwenigAufwand(unddeutlichkostengünstiger)lassensichsolcheLampenjedochselbstherstellen.HierzubenötigtmaneinReagenzglas,einSchnappdeckelglas,einePetrischale(Kunststoff),einkleinesGlasröhrchenundeinenDocht(vgl.Abbildung3.6).DieseselbstgebauteVersion(vgl.Abbildung3.7)bietet den Vorteil, dass sie in das Gefäß selbst eingebracht werden kann, ohne die Öffnung desVerbrennungsraumszuverschließen.DurchdieverbautePetrischalelässtsichdieMassedesflüssigenBrennstoffessehrleichtbestimmen,dadieLampesauberaufeineWaagegestelltwerdenkann.

Abbildung3.6EinzelneBestandteilederBrennlampe Abbildung3.7SelbstgebauteBrennlampe

VerbrennenvonFeststoffen

DasVerbrennenvonFeststoffenbringtebensoeinigeProblememitsich.Zunächstgiltzuerwähnen,dass nach der Versuchsvorschrift der Firma WINDAUS die Verbrennung von Feststoffen unterSauerstoffzugabe indemnachuntenmit einemGummistopfen verschlossenenVerbrennungsraumstattfindensoll(vgl.Fehler!Verweisquellekonntenichtgefundenwerden.Abbildung3.8).FürdenEinsatzimSchülerlaboristdieseVorgehensweisejedochungeeignet,daesmehrereGefahreninsichbirgt. StellendieSchüler/InnendieSauerstoffzufuhr zuhochein,bestehtbeiderApparaturBruch-oderBerstgefahr. Fliegen indieser SauerstoffatmosphäreFunken, sokönntederGummistopfen zubrennenbeginnen.AufgrunddieserGefahrwirdaufdenGummistopfengänzlichverzichtet.

Abbildung3.8MitgeliefertesEquipmentzurFeststoffverbrennung

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

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EbensosiehtdiemitgelieferteVersuchsanleitungdiedirekteZugabevonSauerstoffüberdasgebogeneGlasrohrvor(vgl.Abbildung3.8).DaSchüler/InneninderRegeldenUmgangmitGasennichtgewöhntsind, erfolgt die Sauerstoffzugabe über eine Gaswaschflasche, welche das Gas für Schüler/Innensichtbarmacht.SokönnendieSchüler/InnendieMengeanSauerstoffgenauerregelnundmitHilfeeinesKolbenprobersauchquantifizieren.DadurchistdieGefahreinerzuhohenSauerstoffzufuhrbeiverantwortungsvollemUmgangseitensderSchüler/Innennichtgegeben.Ein weiteres Problem stellt das mitgelieferte Verbrennungskörbchen dar. Die mitgelieferteVersuchsbeschreibungempfiehlt,dieVerbrennungineinemGlasschälchen-dasimLieferumfangnichtenthaltenist–durchzuführen,welchesindemVerbrennungskörbchenbefestigtwird.HierbeiergibtsichdasProblem,dassGlasnichthitzebeständiggenug ist,umdarineineFeststoffverbrennungmitSauerstoffzustrom durchzuführen. Selbst hergestellte Glasschälchen sind bei der Verbrennung vonFeststoffenimVersuchstetsgerissenundstellensomiteineGefahrfürdieSchüler/Innendar,diesichdaranschneidenkönnen.FührtmandenVersuchohneGlasschälchenindemVerbrennungskörbchendurch,soschmilztdiesesnachwenigenVersuchendurchundistunbrauchbar(vgl.Abbildung3.9).DiesistnichtnureineVerletzungsgefahrfürSchüler/Innen,sondernauchkostenintensiv.

Abbildung3.9Verbrennungskörbchenvor(links)undnach(rechts)demVersuch

UmdieseProblemezuumgehen,wurdeeinZirkoniumdioxidtiegelpassendfürdiezuverbrennendenStoffe zugeschnitten. Dieses Material ist wesentlich hitzestabiler als Glas und erweist sich in derHandhabung weniger problematisch. Das Verbrennungskörbchen wurde durch ein modifiziertesReagenzglasersetzt,indasderTiegeleingesetztwird(vgl.Abbildung3.10).DerTiegelmitderProbekannvorundnachderVerbrennungaufdieWaagezurMassebestimmunggelegtwerden.DasWiegendes Verbrennungsrückstandes im Verbrennungskörbchen ist nämlich aufgrund dessen Formproblematisch.

QuellenundweiterführendeLiteratur

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Abbildung3.10ZirkoniumoxidtiegelimmodifiziertenReagenzglas

DieZugabevonSauerstofferfolgtnichtmehrvonunten,sondernübereingebogenesGlasrohrvonoben (vgl. Abbildung 3.12). Ein entsprechendes Glasrohr kann einfach und kostengünstig selbstgebogen werden (vgl. Abbildung 3.11). Erfolgt die Sauerstoffzugabe von unten, so könnten beimDurchschmelzendesVerbrennungskörbchenskleineglühendeStückederProbeindasmitgelieferteSauerstoffzugaberohrfallen.DiesekönntensichentzündenundeinenRückschlagaufdieLeitungbzw.dieGaswaschflaschegeben,waswiederumeineGefahrfürdieSchüler/Innendarstellenkönnte.DieSauerstoffzugabe vonobenumgehtdiesesProblemvöllig.AufgrundderdoppeltenBiegung ist derRückschlageinesFunkensindieFlascheunwahrscheinlich.

Abbildung3.11GebogenesSauerstoffzugaberohr Abbildung3.12SauerstoffzugabebeiderFeststoffverbrennung

DidaktischeEinordnungvonSchülerlaboraktivität

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VersuchsaufbaufürdenEinsatzimSchülerlabor

SomitergibtsichfolgenderVersuchsaufbaudesKalorimetersfürdenEinsatzimSchülerlabor

a)ZurVerbrennungvonFlüssigkeiten b)ZurVerbrennungvonFeststoffen

Abbildung3.13VersuchsaufbauzurVerbrennungvonFlüssigkeiten Abbildung3.14VersuchsaufbauzurVerbrennungvonFeststoffen

AlternativerAufbaumitdigitalerAuswertung(Bildernochhinzufügen)