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Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften Abteilung für Lehramtskandidaten der Chemie

Praktikumsskript Modul 3 Stand: SoSe 2013

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Inhaltsverzeichnis

Praktikumsbuch ....................................................................................................................... 4 Das Buch wird im Skript mit "HRR" zitiert. ........................................................................... 4 Praktikumsordnung.................................................................................................................. 2 Betriebsanweisungen............................................................................................................... 2

1. Versuchsgruppe:......................................................................................................................... 3 Schulversuche mit Namen.............................................................................................................. 3

1.1 „Springbrunnenversuch“...................................................................................................... 4 (Löslichkeit und Basizität von Ammoniak)................................................................................ 4 1.2 „Ölfleckversuch“ ............................................................................................................. 5 1.3 „Thermitversuch“................................................................................................................. 7

2. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 10 Experimente in der Projektion ..................................................................................................... 10

2.1 „Chemischer Garten“......................................................................................................... 12 2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung ................................................................................ 14 2.3 Tücken einer Projektion..................................................................................................... 14 2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser)................................................... 15 2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess..................................................................................... 15 2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat ........................................................................... 15 2.7 Fraktale Abscheidung von Silber....................................................................................... 17

3. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 18 Modellversuche ............................................................................................................................ 18

3.1 Modellversuche zur Kinetik .............................................................................................. 19 Vorbemerkung:...................................................................................................................... 19 3.1.1 Das Kapillarflussmodell .............................................................................................. 21 3.1.2 Abbrennen einer Kerze................................................................................................ 22 Versuchsdurchführung: ......................................................................................................... 22 3.1.3 Münzenwurf .......................................................................................................... 22 Versuchsdurchführung: ......................................................................................................... 22 3.1.4 Kugeltausch........................................................................................................... 22 Versuchsdurchführung: ......................................................................................................... 22 3.1.5 Kugel-Loch-Modell ..................................................................................................... 23 Versuchsdurchführung: ......................................................................................................... 24 Versuchsauswertung:............................................................................................................. 24

3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht ........................................................... 24 Versuchsdurchführung: ......................................................................................................... 24 3.2.1. Reaktionsfolge:............................................................................................................ 25

3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit .................................................................. 26 4. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 29 Computerunterstütztes Experimentieren (ALT) .......................................................................... 29

4.1 Leitfähigkeitstitration ........................................................................................................ 32 4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution).............................................. 34 4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik................................................................ 35

4. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 38 Computergestütztes Experimentieren (NEU) .............................................................................. 38

4.1 Leitfähigkeitstitration ......................................................................................................... 46 4.2 pH-Wert-Messung (einer nucleophilen Substitution)......................................................... 54

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4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik................................................................. 60 5. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 67 Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen.............................................................................. 67

5.1 Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium ....................................................... 67 5.2 „Kerzentreppenversuch“.................................................................................................... 68 5.3 Bildung von Stickoxiden ............................................................................................... 68 5.4 Verbrennung in reinem Sauerstoff..................................................................................... 70 5.5 Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff .................................................................. 71 5.6 Der Sauerstoffgehalt der Luft ............................................................................................ 71

6. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 72 Analyse und Synthese des Wassers.............................................................................................. 72

6.1 Die Elektrolyse von Wasser .......................................................................................... 74 (Hofmann’scher Zersetzungsapparat)....................................................................................... 74 6.2 Die Solar-Wasserstofftechnologie im Modellexperiment ................................................. 75 6.3 Die Synthese des Wassers (Eudiometer) ........................................................................... 77 6.4 Zünden eines Wasserstoffballons ...................................................................................... 78

7. Versuchsgruppe:....................................................................................................................... 53 Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör........................................................ 53

7.1 Vergleich einer Bürettentitration mit einer Spritzentitration.............................................. 58 7.2.1 Beeinflussung des Gleichgewichts NO/NO2 ................................................................ 59 7.2.2 Reaktion von Magnesium mit Salzsäure - Konzentrationsabhängigkeit...................... 60

7.3 Versuche rund um Chlor..................................................................................................... 61 7.3.1 Darstellung von Chlor .................................................................................................. 61 7.3.2 Bleichen mit Chlor ....................................................................................................... 61

7.4 Analyse einer Brausetablette .............................................................................................. 62 7.5 Der Kalkkreislauf im Kleinen............................................................................................. 63

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VORBEMERKUNGEN _____________________________________________________________________________ Die Kistenversuche und deren Intention Die Versuchsgruppen, für die das vorliegende Skript und eine feste Ausrüstung gestellt werden, werden während des Semesters jeweils innerhalb eines halben Tages durchgeführt. Zwei Praktikanten1 arbeiten jeweils zusammen. Die Hauptintention der Versuchsgruppen ist die Reaktivierung und Festigung von praktischen Fertigkeiten beim Umgang mit technischen Apparaturen und speziellen Experimentalaufbauten. Hierzu zählen etwa das Arbeiten mit Gasen und Gasflaschen, mit elektrischen Geräten, mit Geräten zur Projektion, mit Modellen oder mit dem Computer.

1 Im Folgenden wird bei den Personengruppen stets die männliche Form gewählt.

Die Aus- und Bewertung der Experimente

Zu einem Kistenversuch ist ein Protokoll anzufertigen und abzugeben. 1. Theoretische Auswertungen, insbesondere Berechnungen und graphische Auftragungen, z. B.

mit einer Tabellenkalkulation, werden am Versuchstag direkt durchgeführt. 2. Am Versuchstag wird ein Gespräch mit dem Assistenten geführt. Dabei spielen sowohl die

theoretischen Grundlagen, die theoretische Auswertung als auch die Beurteilung der Einsatzfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten im Unterricht eine entscheidende Rolle.

Unter der Rubrik „Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz“ sind zu jeder Versuchsgruppe unterrichtsbezogene Fragestellungen notiert, die mit dem Assistenten besprochen und diskutiert werden.

3. Es wird vorausgesetzt, dass die Praktikanten zum Versuchstag über die theoretischen Grundlagen des Experiments und über den Einsatz im Unterricht optimal informiert sind. Bei unzureichender Vorbereitung werden die Versuche an einem anderen Tag durchgeführt.

Praktikumsbuch

Als einbändiges Praktikumsbuch wird empfohlen: KARL HÄUSLER, HERIBERT RAMPF, ROLAND REICHELT; Experimente für den Chemieunterricht; Verlag Oldenbourg; 2. Aufl. 1995. Das Buch wird im Skript mit "HRR" zitiert.

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Praktikumsordnung

1. Beim Experimentieren ist eine Schutzbrille zu tragen. 2. Rauchen, Essen und Trinken sind im Labor nicht gestattet. 3. Unbefugten ist der Zutritt zum Praktikumsraum nicht erlaubt. 4. Jeder Praktikant ist für den ordnungsgemäßen Zustand seines Arbeitsplatzes sowie des

übernommenen Inventars verantwortlich. Beschädigungen von Institutseigentum werden auf Kosten des Urhebers behoben.

5. Das Arbeiten mit übelriechenden, stark giftigen oder aggressiven Substanzen, die als Gase frei werden können, darf nur unter den Abzügen vorgenommen werden.

6. Entliehene Bücher und Zeitschriften dürfen nur auf den Schreibplätzen und nicht auf den Labortischen benutzt werden.

7. Das Praktikum wird mit der ordnungsgemäßen Abgabe des Arbeitsplatzes und ausgeliehener Geräte abgeschlossen.

Betriebsanweisungen

Die Betriebsanweisungen zum sicheren Arbeiten im Praktikum bestehen aus 1. der Laboratoriumsordnung und den Betriebsanweisungen des anorganisch-chemischen

Praktikums. 2. den Sicherheitsbelehrungen zum anorganisch-chemischen Praktikum und einer

Sicherheitsbelehrung, die Teil des Praktikumsseminars ist. Das Arbeiten mit Stahlflaschen

Grundlegende Handgriffe und Sicherheitsmaßnahmen bei der Benutzung von Gasflaschen können dem Praktikumsbuch „HRR“ (S. 8-10) entnommen werden. Sie sind bei fast allen Versuchsgruppen erforderlich.

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_____________________________________________________________________________ 1. Versuchsgruppe: Schulversuche mit Namen _____________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste:

zu 1.1 1 Rundkolben mit Schliff (500 mL), 2 Rundkolben (2 L bzw. 3 L) mit Korkring dazu passend:

1 Tropftrichter mit Schliff, Druckausgleich 1 einfach durchbohrter Gummistopfen und seitlichem Ansatz 1 zweifach durchbohrter Gummistopfen 1 kleiner Glastrichter 1 Glasrohr (ca. 75 cm lang) 1 Schlauch (ca. 0,5 m lang) 1 gebogenes Glasrohr 1 Handpumpe (alternativ: Peleusball) 1 Plastikstopfen 1 Brenner mit Schlauch 1 Pulvertrichter Zusatzmaterial für Versuchsteil B: 2 Spritzen (60 ml) Verbindungsstück Pipettenhütchen Nagel zu 1.2 1 Mikrobürette (10 mL) 1 Messzylinder (5 mL) 1 Kristallisierschale (Ø = 19 cm) 1 Lineal mit mm-Skalierung 1 kleiner PVC-Trichter 1 Sieb 1 Bürettenklammer zu 1.3 3 Bechergläser (100 mL) 1 Uhrglas (Ø = 5 cm) 1 Mörser mit Pistill [Pulvertrichter aus 1.1] 1 Blumentopf aus Ton 1 Magnet 1 Eisenring 1 Feile 1 Spatel 1 Pinzette 1 Rolle aus Pappe 1 Hammer 1 Bogen Pappe 1 Tiegelzange 1 Schere 1 Rolle Tesafilm Chemikalien: zu 1.1 Ammoniumchlorid (Xn) 1 %ige Phenolphthalein-Lösung 50 %ige KOH (C) zu 1.2 Stearinsäure in Hexan Bärlappsporen (60 mg pro 100 mL Lösung), F, Xi kleine Spritzflasche mit Aceton zu 1.3. Eisen(III)oxid Magnesiumspäne (F) Aluminiumgrieß Magnesiumband Sand (mit Vorratsbehälter) Ausleihen: 1 Topf mit Sand

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Vor Beginn der Versuchsgruppe werden 15 g Eisenoxid zu Versuch 1.3 bereits in den Trockenschrank (bei 120 °C) gestellt. 1.1 „Springbrunnenversuch“ (Löslichkeit und Basizität von Ammoniak) Versuchsaufbau:

1. Tropftrichter (mit Druckausgleich und seitlichem Ansatz), Rundkolben und Schlauch werden

im Abzug wie abgebildet zu einem Gasentwickler zusammengebaut und mit zwei Klammern am Stativ befestigt. Unter dem Kolben steht ein Bunsenbrenner.

2. In einen zweifach durchbohrten Gummistopfen ist erstens ein ca. 75 cm langes Glasrohr,

dessen eine Seite zu einer Düse ausgezogen ist, und zweitens ein kürzeres gebogenes Glasrohr, an dem eine Handpumpe befestigt wird, gedreht (s. Abbildung).

Dieser Stopfen passt auf einen 3 L-Kolben (in der Abb. unten), der mit einer Klammer am Boden des Stativs befestigt wird. Das lange Glasrohr ist so tief hereinzudrehen, dass es beim Aufsetzen des Stopfens bis fast auf den Boden des Kolbens reicht.

Dieser Kolben wird mit Wasser, das mit mehreren Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt ist, vollständig gefüllt.

Auf der anderen Seite des großen Glasrohres wird ein einfach durchbohrter Gummistopfen angebracht, der auf den weiteren, allerdings trockenen 2 L-Kolben (in der Abb. oben) passt. Das Glasrohr soll an diesem Ende jedoch nur ca. 3-4 cm über dem Gummistopfen überstehen.

Versuchsdurchführung: Im Abzug werden zu 26 g NH4Cl (0,5 mol) im Kolben des Gasentwicklers 100 mL 50 %ige Kali-lauge (ca. 1 mol KOH) getropft. Durch vorsichtiges Befächeln mit kleiner entleuchteter Bunsen-brennerflamme wird die Freisetzung des Ammoniaks grob gesteuert. Versuchsteil A, Vorbereitung: Die trockene 60 ml - Spritze wird mit der Öffnung nach unten (Spritze ohne Stempel) mit Ammoniakgas gefüllt und anschließend mit dem Pipettenhütchen verschlossen. Blockiere mit

Kalilauge

Ammoniumchlorid

Handpumpe

Ammoniak

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Hilfe eines Nagels den Kolben der Spritze mit dem Gas, so dass dieser sich nicht mehr hineindrücken lässt. Versuchsteil B, Vorbereitung: Ebenso wird der trockene 2 L - Kolben, der mit der Öffnung nach unten an einem Stativ befestigt ist, mit Ammoniakgas gefüllt. (Bis zum nächsten Versuchsschritt kann auch der Kolben vorübergehend mit einem Stopfen verschlossen werden.) Versuchsteil A: • Ziehe eine Spritze („Wasser“) mit der Indikatorlösung auf und stecke

das Verbindungsstück auf die Spritze. • Stecke die Spritze mit dem Ammoniakgas zügig auf die erste Spritze. • Spritze nun mit einem Ruck etwas Wasser in die Spritze mit dem

Gas, bis eine Fontäne von selbst beginnt! Versuchsteil B: Der Kolben mit Ammoniakgas wird anschließend auf den vorbereiteten oberen Stopfen des langen Glasrohres herabgelassen und verschlossen. Er wird mit einer Klammer am Stativ befestigt. Mit der Handpumpe wird etwas Wasser in den oberen Kolben hoch gedrückt, bis eine Fontäne („Springbrunnen-Effekt“) von selbst beginnt. Sofort ist dann die Handpumpe zu entfernen, da ansonsten kein Wasser nachströmen könnte. Wie rein war das hergestellte gasförmige NH3 im Kolben? Information und Sicherheit: 1 L Wasser löst bei Zimmertemperatur ca. das 700-fache seines Eigenvolumens an Ammoniak. Aufgrund einer Implosionsgefahr ist darauf zu achten, dass nur Rundkolben und keine schadhaften Gefäße verwendet werden. Die durchbohrten Stopfen sind nicht zu klein zu wählen, da ansonsten die Gefahr besteht, dass sie in das Glasgefäß gesaugt werden. Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Wie würden Sie in der Sekundarstufe I die selbsttätige Fontäne erklären? Lohnt sich die Demonstration dieses Versuchs im Unterricht? Wenn ja, unter welchen inhaltlichen Aspekten? Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile des Springbrunnenversuchs mit der „Spritzentechnik“! Warum muss die Spritze mit dem Gas durch einen Nagel blockiert werden? Literatur:

1. HRR, 15.12, S.117 2. HRR, 15.13, S. 128 3. J.Chem.Educ. 76 (1999), 932, Ammonia can crush 4. PdN-Chemie 49 (2000), Heft 1/14, Der Springbrunnenversuch

1.2 „Ölfleckversuch“ (Bestimmung der Avogadro-Konstante)

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Theoretische Grundlagen: Eine Stearinsäurelösung in einem niedrig siedenden Lösungsmittel bildet nach dem Auftropfen auf eine Wasseroberfläche einen großen Fleck, der sich nach dem Verdampfen des Lösungs-mittels zu einer monomolekularen Schicht der Fettsäure zusammenzieht, in der alle Moleküle gleich ausgerichtet sind. Diese Schicht kann durch vorheriges Aufstreuen von Bärlappsporen in ihrer Ausdehnung sichtbar gemacht werden. (Alternativ wird Kohlepulver, Talkum oder Schwefelpulver vorgeschlagen.) Bei tropfenweiser Zugabe der Fettsäurelösung ist der Flächenzuwachs pro zugegebenem Tropfen der Lösung zunächst annähernd konstant. Die Bärlappsporenschicht wird dabei immer weiter zurückgedrängt, bis die Sporen sich allseitig berühren. Ein weiteres Auftropfen von Fettsäurelösung bewirkt danach praktisch keinen Flächenzuwachs mehr, da der Widerstand der Bärlappsporen nun dazu führt, dass sich mehrere Schichten der Fettsäuremoleküle übereinander schieben. Versuchsdurchführung: Eine flache Kristallisierschale (Durchmesser 25 - 30 cm) auf einem weißen Blatt Papier wird etwa 1 cm hoch mit Leitungswasser gefüllt. Für die Bestimmung der Fläche ist es günstig, ein Blatt mit cm-Skalierung zu verwenden (z. B. ein kariertes Papier), so dass man in der Durchsicht die Längen direkt ablesen kann. Ersetzt man das Blatt durch eine transparente Folie mit cm-Skalierung, lässt sich das Experiment auch mit dem Overhead-Projektor demonstrieren. Auf die Wasseroberfläche werden Bärlappsporen über ein sehr feines Sieb sparsam gestreut. (Dazu eignet sich auch ein Stück Kunstseidenstrumpf, das wie ein Beutel geformt und mit einigen Bärlappsporen gefüllt ist.) Anschließend wird aus einer Bürette aus möglichst geringer Höhe ein Tropfen der Stearinsäurelösung auf das Zentrum getropft. Das Auftropfen muss "zügig" geschehen, weil sich ansonsten, wenn der Tropfen zu lange an der Bürettenöffnung hängt, bevor er abfällt, die Konzentration der Lösung durch Abdunsten des Lösungsmittels deutlich erhöht. Es ist günstig, den ersten Tropfen auf ein Uhrglas abzulassen oder mit einem Filterpapier abzustreifen. (Stearinsäurelösung: 600 mg Stearinsäure pro 1000 mL Lösung in Hexan) Während des Versuchs sind Luftströmungen (Der Versuch wird außerhalb des Abzuges durchgeführt) und Erschütterungen zu vermeiden. Der "Stearinsäurefleck" breitet sich langsam aus. Der Durchmesser des sich bildenden Kreises ist zu bestimmen. Da sich eher eine Ellipse als ein Kreis ausbildet, verwendet man den Mittelwert aus dem kleinsten und größten Radius. 1

1 Zur Optimierung der Werte würde man die Messungen mehrmals wiederholen und die Ergebnisse mitteln. Da es

bei den Kistenversuchen um die prinzipielle Vorgehensweise geht, wird darauf verzichtet. Auch könnte man die Ellipse anstelle der vereinfachten Vorstellung des Kreises

wählen, da sie der Figur der sich ausbreitenden Schicht näher kommt. Die Fläche A einer Ellipse berechnet sich über den Zusammenhang A = π a b (s. Abb.) Die Entscheidung zugunsten des Kreises fällt hier aufgrund der Vorkenntnisse der Schüler: Ihnen ist die Flächeninhaltsformel eines Kreises bereits am Ende der 10. Klasse bekannt.

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Anschließend wird die Schale ausgeleert, zweimal mit etwas Aceton aus einer Spritzflasche und mehrfach mit Wasser gespült. Das Tropfenvolumen und damit die Menge Stearinsäure, die mit einem Tropfen aufgetragen wird, ergibt sich aus einer zusätzlichen Messung: Aus der Bürette wird 1 mL Fettsäurelösung in einen 5 mL-Messzylinder getropft und dabei die genaue Tropfenzahl für 1 mL festgehalten. Damit ist die Bürette "geeicht" und es lässt sich angeben, welcher Anteil eines mL einen Tropfen ausmacht. 1 Auswertung während des Praktikumstages: Berechnen Sie die Avogadro-Konstante nach folgender Auswertung. Vergleichen Sie in Punkt 2 beide Varianten a und b hinsichtlich ihres Ergebnisses und ihrer Vereinfachungen bei den Modellannahmen: 1. Berechnung des Flächenbedarfs für 1 mol Stearinsäuremoleküle: Die Stearinsäurelösung enthält: 0,6 mg Stearinsäure pro mL (600mg/1l). Die Eichung der Bürette ergibt: n Tropfen pro mL. Die Masse Stearinsäure pro Tropfen beträgt dann: ... ?

Mit der Masse Stearinsäure für einen Tropfen und der gemessenen Fläche ist zu berechnen, welche Fläche von einem Mol (284 g) der Stearinsäure bedeckt wird.

2. Berechnung des Flächenbedarfs eines Stearinsäuremoleküls:

Variante a (unter Verwendung der Messwerte) Ermitteln Sie über die Dichte der Stearinsäure (ρ = 0,845 g/mL) das Volumen V der reinen

Stearinsäure, die sich in einem Tropfen der Lösung befindet. Fassen Sie den sich ausbreitenden Tropfen geometrisch als

Zylinder auf. Mit Hilfe der Volumenformel V = h . A (h = Höhe des Zylinders, A = Inhalt der Grundfläche) lässt sich die Höhe h eines Stearinsäuremoleküls der monomolekularen Schicht bestimmen.

Gehen Sie davon aus, dass das einzelne Molekül der Stearinsäure würfelförmig ist. Dann entspricht die vorhin berechnete Höhe h der Kantenlänge dieses Würfels. Welche Fläche nimmt dann das einzelne Molekül auf der monomolekularen Schicht ein?

Variante b (unter Verwendung von Daten aus dem submikroskopischen Bereich) Für den Flächenbedarf eines Moleküls gehen wir vom Wert 27 . 10-17 cm2 aus. Erklären Sie diesen Wert anhand folgender Modellvorstellung: Beim Flächenbedarf eines Moleküls wird die Fläche eines Quadrats angenommen, dessen

Seitenlänge sich als Summe aus dem Atomdurchmesser des Kohlenstoffs (154 pm) plus dem Abstand zweier C-H-Bindungen (218 pm) plus dem zweifachen Atomdurchmesser des Wasserstoffs (148 pm) errechnet. Es wird ein Quadrat anstelle eines Kreises verwendet, damit man insgesamt den Inhalt einer lückenlosen Fläche erhält, die kompatibel mit 1. ist.

Die Avogadro-Konstante, also die Zahl der Moleküle pro Mol, ergibt sich dann jeweils als Quotient aus der Fläche für 1 Mol (aus 1.) und dem Flächenbedarf für ein Molekül (aus 2.).

1.3 „Thermitversuch“ Versuchsdurchführung:

a

b

h

A

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Der Versuch wird im Abzug durchgeführt.2 Die Bodenöffnung eines Blumentopfs aus gebranntem Ton wird mit einem Stück Pappe abgedeckt. Eine Hülse aus Pappe ist zurechtzuschneiden und zusammenzukleben, so dass der Durchmesser 4-5 cm beträgt und die Höhe 1-2 cm niedriger als der Blumentopf ist. Der Blumentopf wird um die Hülse herum mit Sand aus dem Vorratsgefäß (und nicht aus dem Topf) ausgekleidet, so dass nur ein winziges Stück der Hülse übersteht. 15 g Eisen(III)oxid sind bereits im Trockenschrank bei 120 °C getrocknet worden. Dieses wird im Mörser sehr sorgfältig mit 5 g Aluminiumgrieß gemischt. Das Gemisch schüttet man über den Pulvertrichter in die Hülse und bedeckt es mit 2 g Magnesiumspänen. Den Blumentopf hängt man in einen am Stativ befestigten Eisenring über eine mit Sand gefüllte Blechwanne (oder Kochtopf) als feuerfeste Unterlage zum Auffangen des flüssigen Eisens. Das Gemisch lässt sich mit einem aufgesteckten Magnesiumband (Band doppelt nehmen, verdrillen und tief reinstecken) als Zündschnur zünden. Dabei sollte das Magnesiumband nicht sehr weit über den Rand der Papphülse hinausragen, da es ansonsten nach der Zündung umknicken kann. Bei ungünstigen Witterungsverhältnissen sollte es im Freien mit einem Kartuschenbrenner gezündet werden. Nach dem Zünden sofort zurücktreten und den Sicherheitsabstand einhalten! Bei erfolgreichem Verlauf tritt flüssiges Eisen aus. Zündet die Mischung nicht, so sollte man unbedingt 5 min. warten, bevor man mit einem neuen Magnesiumband einen weiteren Zünd-versuch startet. Nach dem Erkalten werden die produzierten Eisenstücke unter der Wasserleitung auf Raumtemperatur abgekühlt, (evtl. auf einem Ziegelstein) mit einem Hammer zerkleinert und mit einem Magneten geprüft. Der metallische Glanz zeigt sich, wenn man den dunklen Metallregulus mit einer Feile bearbeitet. Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: 1. Schaffen Sie einen technischen bzw. praktischen Anwendungsbezug, den man in den

Unterricht integrieren könnte. 2 Der Versuch kann in der Schule auch mit der dreifachen Menge im Freien durchgeführt werden

(Literaturempfehlung für diesen Fall: 40 g Eisenoxid, 13 g Aluminiumgrieß und 5 g Magnesiumspäne zum Zünden). Der Mindestsicherheitsabstand vom Reaktionsgefäß beträgt dann 3 m. Alle Schüler tragen eine Schutzbrille.

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2. a) Welche Reduktionsmittel sind für Schulversuche im Rahmen der Redoxreaktionen (auf Sauerstoffbasis, 8. Klasse) geeignet, um Eisenoxid zu reduzieren?

b) In welchen Schulversuchen kann umgekehrt Eisen als Reduktionsmittel dienen? Schlagen Sie hierzu in Schulbüchern nach.

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_____________________________________________________________________________ 2. Versuchsgruppe: Experimente in der Projektion _____________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste:

Allg. 1 Projektionsküvette 6 Petrischalen 1 Makrospatel 8 Tropfpipetten mit Gummihütchen 2 Mikrospatel zu 2.1 1 Becherglas zu 2.2 2 Kupferelektroden 1 Schaumstoffstreifen Schmirgelpapier zu 2.4 Spritzflasche 1 Pinzette zu 2.6 4 Wägeschiffchen 1 Messzylinder (100 mL) 1 Glastrichter 4 Erlenmeyerkolben (250 mL) zu 2.7 Kristallisierschale 2 Krokodilklemmen 2 Büroklammern (Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm) Chemikalien:

zu 2.1 Wasserglas FeCl2 . 4H2O NiCl2

. 6H2O CoCl2

. 6H2O CuSO4 . 5H2O MnSO4

. H2O Co(NO3)2

. 6H2O FeCl3 . 6H2O

zu 2.2 Phenolphthalein-Lösung (0,1 % in EtOH) Kaliumiodid (0,1 M) Stärkelösung zu 2.4 Cyclohexan (F; MAK 1050 mg/m3) Natrium (C) [Phenolphthaleinlösung aus 2.2] zu 2.5 konz. NH3 (C; MAK 35 mg/m3) Salzsäure (2 M) (Xi) Bromthymolblaulösung Natronlauge (0,5 M) (C) zu 2.6 KMnO4 (Xn, O) NaOH (Plätzchen) (C) H2SO4 (6 M) (C) Natriumsulfit (Xi) zu 2.7 halbkonz. NH3 (C; MAK 35 mg/m3) [Salzsäure (2 M) aus 2.5] [Silbernitratlösung aus 2.3] wird bereitgestellt: 1 Videokamera mit Verbindungskabel 1 Abfallflasche für Silber 1 Umlenkspiegel 1 Fernseher auf Fernsehtisch 2 Klammern mit Muffen 1 Voltmeter 1 Overhead-Projektor 1 Spannungsquelle 4 Kabel 1 Leinwand (0-250 V Gleichspannung) 2 Stativ 1 Laborboy Holzstäbchen

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Vorbemerkung: Schwach ausgeprägte und von Schülertischen aus kaum erkennbare Effekte bzw. Experimente im Mikroansatz können gegebenenfalls per Videokamera plus Monitor oder per Overhead-Projektor (im Folgenden mit OH-Projektor abgekürzt) plus Lein-wand in aller Deutlichkeit und mit optimalen Beobachtungs-möglichkeiten für alle Schüler aufgezeigt werden. In dieser Versuchsgruppe soll untersucht werden, bei welchen Effekten die Vergrößerung eine eindrucksvolle, möglichst wenig verfälschte Darstellung von Details erlaubt und bei welchen Effekten mit Einbußen zu rechnen ist.

Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Die folgenden Fragestellungen sind während der Versuchsdurchführung zu untersuchen: 1. Experimente in der Projektion sind gelegentlich nur „Schauversuche“ (Beispiel: Versuch

2.1). Zählen Sie aus Schülersicht Vor- und Nachteile solcher „Schauversuche“ auf. 2. Beurteilen Sie bei einer Projektion die Demonstrationsmöglichkeiten a) von Farbeffekten (Versuche 2.1, 2.2, 2.5, 2.6), b) einer Gasentwicklung (Versuche 2.2, 2.4), c) eines Niederschlags bzw. einer Feststoff-Abscheidung (Versuche 2.1, 2.3, 2.6, 2.7) Unterscheiden Sie dabei die Projektion mit Videokamera und die Projektion mit OHP. 3. Welche Vor- und Nachteile hat a) die Projektion mit Videokamera gegenüber der Demonstration mit OH-Projektor, b) die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor gegenüber der Demonstration auf dem

Lichttisch? 4. Bei welchen der sieben Versuche wäre a) die direkte Beobachtung in einem Lehrerdemonstrationsexperiment der indirekten

Beobachtung auf dem Monitor oder der Leinwand vorzuziehen? b) die direkte Beobachtung in einem Schülerexperiment der indirekten Beobachtung auf dem

Monitor oder der Leinwand vorzuziehen? (Berücksichtigen Sie hierbei, ob ein Schüler-experiment sinnvoll bzw. aufgrund einzuhaltender Sicherheitskriterien oder aufgrund der apparativen Möglichkeiten überhaupt realisierbar ist.)

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a) Demonstration mit der Videokamera 2.1 „Chemischer Garten“ Anschluss und Einstellung der Kamera:

Die Kamera weist drei Buchsen auf: o o o

Die mittlere obere Buchse wird mit dem Netzkabel versehen, die rechte Buchse bleibt unbenutzt (sie ist für eine Tonübertragung gedacht). In die linke Buchse, die mit „Video“ beschriftet ist, wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels zum Fernseher gesteckt. Das andere Ende dieses Verbindungskabels wird mit dem Fernseher über das Scart-Kabel am unteren Eingang verbunden. Nach Anschluss von Kamera und Fernseher an das Stromnetz wird der Schalter der Kamera nach links, also in Richtung der Aufschrift „Video“, gedrückt (die andere Richtung ist für eine Ton-übertragung vorgesehen). In der mittleren Stellung des Schalters ist die Kamera nicht in Betrieb. Mit einer beliebigen Programmtaste der Fernbedienung (z. B. ) startet man den Fernseher und durch Bedienen der Taste die gewünschte Bildübertragung. Die Scharfeinstellung der Kamera erfolgt mit der vorderen Drehvorrichtung an der Schutzkapsel der Linse, die Einstellung des Zooms mit der Drehvorrichtung dahinter. Für die Projektion eines farbigen Experiments (z. B. des „chemischen Gartens“) kann es auch günstig sein, die Farbein-stellung am Fernseher zu korrigieren. Man erreicht sie durch Drücken der Tasten „MENU“ und ∨, so dass die Kategorie „Colour“ erscheint. Nachdem die Farbintensität mit den Tasten < und > optimiert worden ist, verlässt man den Regler durch erneutes Betätigen der „MENU“-Taste. Anmerkung für den Praktikumsblock in den Semesterferien: Die Kamera lässt sich zur Projektion von Experimenten auch an den Beamer anschließen, so dass ein noch größeres Bild erzeugt werden kann. Man geht in gleicher Weise vor: In die linke Buchse der Kamera, die mit „Video“ beschriftet ist, wird der gelbe Stöpsel des Verbindungskabels gesteckt. Das andere Ende wird mit der gelben Buchse „VIDEO 1“ an der oberen Leiste der Seitenfläche des Beamers verbunden. Der Beamer selbst wird zunächst über den Hauptschalter an der Seitenfläche und anschließend durch Drücken des Feldes „STANDBY/ON“ auf der Oberseite in Gang gesetzt. Zur Bildübertragung ist der Kanal umzustellen: Hierzu wird am Beamer auf den rechten Pfeil der Taste „MENU“ (auf der Oberseite) zweimal gedrückt, bis die Übersicht aller Kanäle erscheint (RGB 1, RGB 2, VIDEO 1, VIDEO 2, TEST, MUSTER). Durch Betätigen des unteren Pfeils der Taste „MENU“ kann man die Kanalwahl aktivieren (grün unterlegt) und ebenso den Kanal verschieben, bis „VIDEO 1“ angezeigt wird. Vorsicht beim Beenden des Beamers! Nachdem das Feld „STANDBY/ON“ mehrere Sekunden gedrückt worden ist, wartet man mit dem Betätigen des Hauptschalters so lange, bis die Kühlung beendet ist. Dies ist am abklingenden Geräusch zu erkennen. Ansonsten kann die teure Lampe des Beamers beschädigt werden. Versuchsdurchführung: In einem 250 mL-Becherglas wird handelsübliches Wasserglas (Alkalisilikat) im Volumen-verhältnis 1:2 mit dest. Wasser verdünnt, so dass das Becherglas bis knapp unter den Rand gefüllt ist. Das Becherglas wird stabil auf dem Labortisch platziert. Jetzt wird die Kamera optimal und scharf eingestellt, so dass das Becherglas den Bildschirm ausfüllt. Hinter das Becherglas wird zur Kontrastierung weißes Papier als Hintergrund befestigt. Anschließend verteilt man vorsichtig und gleichmäßig auf dem Boden des Gefäßes etwa

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erbsengroße Kristalle der bereitgestellten Schwermetallsalze (Cobaltchlorid und - nitrat, Kupfersulfat, Eisen(II)- und Eisen(III)-chlorid, Nickelchlorid, Mangansulfat). Eine Berührung des Spatels mit der Wasserglaslösung sollte möglichst vermieden werden; die Lage der Salzkristalle kann eventuell mit einem Holzstäbchen korrigiert werden. Vermeiden Sie stärkere Erschütterungen des Becherglases. Beobachtungsaufgabe: Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter Beobachtung? Achten Sie darauf, in welchem Maße die einzelnen Farben originalgetreu abgebildet werden. Information: Heben Sie den chemischen Garten bis zu Versuch 2.3 auf. Möchte man in einem Schuleinsatz das Wachstum der Kristalle über mehrere Tage verfolgen und die Oberfläche des Wasserglases für einen Transport aushärten lassen, kann man anstelle des Becherglases auch ein größeres Marmeladenglas verwenden und unverschlossen stehen lassen. b) Versuche mit gekipptem OH-Projektor und Demonstrationsspiegel

Bei einer Projektion mit zweitem Spiegel ist es das Ziel, Gefäße im Strahlengang des Projektors seitlich zu durchleuchten. Dafür ist die Anordnung mit gekipptem OH-Projektor und einem Demonstrationsspiegel verwendbar:

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2.2 Elektrolyse einer Kaliumiodidlösung Versuchsdurchführung: 1 Eine schmale Projektionsküvette, die im Strahlengang des OH-Projektors steht, wird mit einer 0,1 M Kaliumiodidlösung gefüllt. Man versetzt die Lösung mit 6 Tropfen einer alkoholischen Phenolphthaleinlösung, rührt um und setzt zwei Kupferelektroden ein. Damit man in der Projektion die Gasbildung besser beobachten kann, ist es günstig, die Kupferelektroden an ihrem freien Ende leicht umzubiegen. Die Gasblasen „verstecken“ sich dann nicht entlang der Elektrode, sondern können frei nach oben wandern (siehe Abbildung). Um eine Durchmischung der beiden Elektrodenräume einzuschränken, wird in die Küvette zur Abtrennung der Elektrodenräume ein mit der Iodid-Lösung getränkter Schaumstoffstreifen gestellt. An die Elektroden wird eine Gleichspannung von ca. 4 Volt angelegt. Beobachtungsaufgaben: - Die Elektrodenräume werden direkt und in der Projektion beobachtet. - Werden die Erwartungen gemäß Reaktionsgleichung erfüllt? - Nach wenigen Minuten ist ein vorsichtiges Umrühren in beiden Elektrodenräumen

angebracht. Werden dadurch in der Projektion die chemischen Prozesse und die Effekte besser sichtbar?

- In den Anodenraum werden wenige Tropfen einer Stärkelösung gegeben. Ergibt dies eine Verbesserung für die Wahrnehmung des Produktes?

2.3 Tücken einer Projektion Versuchsdurchführung: a) Stellen Sie in den Strahlengang des gekippten OH-Projektors den in Versuch 2.1

hergestellten „chemischen Garten“. Was zeigt sich im Vergleich von Projektion und direkter Beobachtung?

b) In eine leere Projektionsküvette mit spezieller Reagenzglashalterung wird ein passendes

Reagenzglas eingesetzt, das zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist Die Projektion zeigt eine wenig geeignete Abbildung der Reagenzgläser. Was stört? Die Darstellung kann wesentlich verbessert werden, wenn die Projektionsküvette (nicht das

Reagenzglas!) im erforderlichen Ausmaß mit Wasser gefüllt wird. Womit ist die Verbesserung zu begründen?

Entsorgung und Säuberung: Geben Sie den gesamten Inhalt des „chemischen Gartens“ in den Schwermetallabfallbehälter. Spülen Sie das Becherglas sofort und ordentlich! Wasserglas hinterlässt nach dem Eintrocknen schwer entfernbare Flecken.

1 Anmerkung: Im HRR, Versuch 25.17, S. 192, ist die Elektrolyse einer Zinkiodidlösung im U-Rohr beschrieben.

Cu

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2.4 Gasentwicklung in der Projektion (Natrium in Wasser) Versuchsdurchführung: Für diesen Versuch benutzen wir die Projektionsküvette mit der Reagenzglashalterung von Versuch 2.3 b): Es wird ein Reagenzglas benutzt und die Küvette ausreichend mit Wasser gefüllt. Das Reagenzglas wird zur Hälfte mit Wasser, das mit einem Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt ist, gefüllt und mit der gleichen Menge Cyclohexan überschichtet, so dass beide Flüssigkeitsspiegel innerhalb des projizierten Bildausschnitts zu sehen sind. Danach gibt man mit der Pinzette ein kleines Stückchen Natrium in das Reagenzglas und beobachtet direkt und in der Projektion. c) Versuche auf dem Lichttisch des OH - Projektors Schneller umsetzbar als die Demonstration mit gekipptem OH-Projektor, jedoch mit eingeschränkter Auswahl an Experimenten, ist die Durchführung von Versuchen auf dem Lichttisch des OH-Projektors. Das relativ große Arbeitsfeld erlaubt es, gleichzeitig mit dem Experiment Skizzen und Beschriftungen abzubilden.

2.5 Gas-Lösungsübergang als Prozess Versuchsdurchführung: Die bereitgestellte Bromthymolblaulösung wird durch tropfenweise Zugabe der verd. Natron-lauge bzw. der verd. Salzsäure grün eingestellt (Die Bromthymolblaulösung färbt sich gelb-orange im sauren und blau im alkalischen Milieu.) Anschließend wird eine Petrischale in ganz dünner Schicht mit dieser Bromthymolblaulösung gefüllt. Eine Tropfpipette ohne Gummikappe wird mit Hilfe eines Stativs plus Klammer so ausgerichtet, dass sich die Spitze ungefähr in der Mitte der Petrischale etwas über der Wasseroberfläche befindet (nicht eintauchen). Die Tropfpipette wird mit der Spitze in konz. NH3 getaucht und mit der Menge, die dabei aufgenommen wird, über der Wasseroberfläche eingespannt. 2.6 Die Reduktion von Kaliumpermanganat

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Lösungen, die anzusetzen sind: KMnO4 (50 mg in 100 mL Lösung) (Xn, O für KMnO4 als Festsubstanz) NaOH (6 M; 24 g in 100 mL Lösung) (C) NaOH (30 %ig) (C) H2SO4 (6 M; 33 mL konz. H2SO4 in 100 mL Lösung) (C) Na2SO3 (2 g in 100 mL Lösung) (Xn) Versuchsdurchführung: Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu unterschiedlichen Farbeffekten, die für eine Projektion benutzt werden können. Die folgenden Versuche sollen in Bezug auf die Demonstration der Farbeffekte über die Wahl der Reagenzmengen optimiert werden: a) In die erste Petrischale wird die KMnO4-Lösung in geeigneter Verdünnung und Schichtdicke

als Vergleichslösung gefüllt. b) In die zweite Petrischale kommt eine analoge KMnO4-Lösung, die dann mit einer Pipetten-

füllung der 6 M H2SO4 und danach tropfenweise mit der Na2SO3-Lösung versetzt wird. c) In die dritte Petrischale wird eine den Vorversuchen entsprechende KMnO4-Lösung

gegeben, der tropfenweise Na2SO3-Lösung zugesetzt wird. Es wird sich in neutraler Lösung eine klare gelbbraune Färbung ergeben, die bei

Sulfitüberschuss länger haltbar sein soll und allmählich eine Ausfällung ergibt. d) In der vierten Petrischale wird die KMnO4-Lösung mit mehreren Tropfen der 6 M

Natronlauge versetzt; danach wird Na2SO3-Lösung eingetropft. Es soll ein Farbumschlag nach grün erfolgen, hervorgerufen durch MnO4

2−-Ionen. e) In der fünften Petrischale wird der KMnO4-Lösung das gleiche Volumen der 30 %igen

Natronlauge zugesetzt. Nach Zugabe eines Tropfens der Na2SO3-Lösung sollen MnO43−-

Ionen und dadurch eine blaue Lösung entstehen. (Wird ein Grünton erreicht, so war zu viel Sulfit zugesetzt worden; es kann dann etwas

KMnO4-Lösung zugetropft und vermischt werden.) Information: Die Reduktion des Kaliumpermanganats führt je nach Reaktionsmedium zu Mn2+ (sauer), Mangan(IV) (neutral) oder Mangan(V) bzw. Mangan(VI) (stärker alkalisch). Bei Reduktion im Alkalischen soll sich laut Literatur bei pH > 12,5 eine Blaufärbung und bei pH < 12 eine Grünfärbung ergeben. Aus der grünen Lösung soll allmählich MnO2 ausfallen.

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2.7 Fraktale Abscheidung von Silber Versuchsdurchführung: Ca. 100 mL 0,1 M AgNO3-Lösung werden tropfenweise mit halbkonz. NH3-Lösung versetzt, bis der braune Niederschlag wieder in Lösung gegangen ist. Diese Lösung füllt man in eine Kristallisierschale (Ø = 15 cm, Höhe = 2 cm) auf dem OH-Projektor. Als Anode (positive Elektrode) wird eine kreisförmig gebogene Büroklammer verwendet, die um die Kathode herumgelegt wird, so dass sich ein sternförmiges Fraktal bildet. (Als Kathode wird eine einfach aufgebogene Büroklammer in der Mitte der Schale so platziert, dass die Metallspitze auf die Oberfläche der Lösung aufgesetzt wird und sie gerade so berührt. Taucht die Spitze zu tief ein, erfolgt keine Fraktalbildung.) Nach Einschalten des Stroms (Gleichstrom von 20 Volt) bildet sich die fraktale Struktur des abgeschiedenen Silbers. (Nach dem Abheben der Struktur mittels eines untergeschobenen Rundfilters wäre der Versuch wiederholbar.) Entsorgung der Silberlösung: Die ammoniakalische AgNO3-Lösung wird mit verd. HCl angesäuert und danach in die Flasche für Silberrückstände gespült. Information: Für das tiefere Verständnis universeller Wachstums- und Selbstorganisationsprozesse in der Natur ist der von B. B. MANDELBROT vor nahezu zwei Jahrzehnten eingeführte Begriff Fraktal von zentraler Bedeutung, insbesondere im Rahmen der Chaostheorie. Fraktale haben häufig die Eigenschaft der Selbstähnlichkeit, d. h. ein Ausschnitt aus dem Fraktal unterscheidet sich vom gesamten Fraktal nur in seinem Maßstab, stellt also eine verkleinerte Kopie des Ganzen dar. Fraktale bilden sich etwa bei sehr raschen Kristallisationen (z. B. Schneeflocken), wobei eine Abscheidung an Eckpositionen begünstigt ist, weil dabei die frei werdende Energie besser abgeführt werden kann; dadurch „läuft die Struktur auseinander“.

„Warum wird die Geometrie oft als kalt und trocken beschrieben? Einer der Gründe liegt in ihrer Unfähigkeit, die Gestalt einer Wolke zu beschreiben, eines Gebirges, einer Küstenlinie, eines Baumes. Wolken sind nicht Kugeln, nicht glatt, und der Blitz schlägt nicht in gerader Bahn ein ... Die Natur zeigt sich uns nicht einfach höher geordnet, sondern sie weist ein ganz und gar unterschiedliches Niveau von Komplexität auf. Die Zahl individueller Längenmaße in diesen komplexen Strukturen ist in jedem Sinne unendlich groß. Gerade die Existenz dieser Strukturen zwingt uns, jene Formen zu erforschen, die Euklid als formlos beiseite stellt, regt uns an, die Morphologie des scheinbar Amorphen zu untersuchen. Die Mathematiker haben diese Herausforderung bisher nicht angenommen, ja sie haben sich in zunehmendem Maße entschlossen, vor der Natur zu fliehen, indem sie sich mit Theorien befassen, die ohne jeden Bezug zu allem sind, was wir sehen und fühlen können.“ (MANDELBROT 1)

1 Zitat aus: H. W. ROESKY, K. MÖCKEL; Chemische Kabinettstücke; Verlag Chemie (1994), Seite 7 (3. Exp.)

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_____________________________________________________________________________ 3. Versuchsgruppe: Modellversuche _____________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste: zu 3.1.1 1 Bürettenrohr (50 mL) 1 Trichter Kapillaren verschiedener Länge 1 Stoppuhr 2 Bechergläser (250 mL) 1 Spritzflasche mit Wasser 1 Quetschhahn zu 3.1.2 1 Geburtstagskerze mit Ständer (Länge ≈ 6 cm, ∅ ≈ 0,5 cm) zu 3.1.3 100 Centstücke zu 3.1.4 50 rote Kugeln in einer Kiste 50 blaue Kugeln in einer Kiste zu 3.1.5 2 Plastikschalen ohne Löcher 1 Stück Vakuumschlauch 1 Plastikschalen mit 2 Löchern 100 Stahlkugeln zu 3.2 Glasrohre mit verschiedenen Radien 2 Messzylinder (100 mL) (2,5; 3 und 4 mm innerer Radius) 1 Messzylinder (50 ml) zu 3.3 6 Gewichte mit Halterung Gummiringe 1 Zollstock wird bereitgestellt: Gummi- oder PVC-Schläuche Digitalwaage LAPTOP mit EXCEL-Programm zum Versuchstag mitbringen!!! Falls kein Laptop verfügbar ist, müssen die Werte auf Millimeterpapier aufgetragen werden!

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3.1 Modellversuche zur Kinetik Vorbemerkung: Die Kinetik bezieht die Dimension Zeit in die Überlegungen und Untersuchungen chemischer Umsetzungen mit ein. Die Zeitabhängigkeit von Reaktionen ist häufig von entscheidender Bedeutung. Das betrifft technische Umsetzungen, aber auch physiologische Vorgänge. Es ist deshalb durchaus sinnvoll, Zeitabhängigkeiten chemischer Reaktionen in den Unterricht relativ früh einzubeziehen. Dabei stellt sich die Aufgabe, komplexe Zusammenhänge in Lernschritte aufzulösen und schrittweise zu erarbeiten. Ein Problem der Kinetik besteht darin, dass die Reaktionsgeschwindigkeit eine abgeleitete Größe und keine direkte Messgröße ist. Sie ist auch relativ unanschaulich, weil es bei chemischen Reaktionen normalerweise keine bewegten Objekte gibt. Einen vereinfachten Zugang stellt deshalb die Reaktionsdauer bis zu einem bestimmten Umsatz oder die Halbwertszeit dar. Weiterhin können Modellversuche die Experimente und Erörterungen begleiten und ergänzen. Kurzerläuterungen zur Reaktionsordnung: Bezeichnet man mit [A]t die Konzentration des Stoffes A nach t Zeiteinheiten und entsprechend mit [A]0 die Konzentration zu Beginn der Reaktion, so gelten die folgenden Zusammenhänge:

Reaktion nullter Ordnung Reaktion erster Ordnung

Beschreibung

Reaktionsgeschwindigkeit ist unabhängig von der Konzen-tration des Ausgangsstoffes A

Reaktionsgeschwindigkeit ist direkt proportional zur

Konzentration des Ausgangsstoffes A

differentielles Geschwindigkeitsgesetz

[ ]dt

Ad− = k . [A]t0 = k

[ ]dt

Ad− = k . [A]t1 = k . [A]t

integriertes Geschwindigkeitsgesetz *)

[A]t = −k . t + [A]0

ln [A]t = −k . t + ln [A]0

Halbwertszeit T

T = k

A2

][ 0

T = k2ln

*) geeignet zur graphischen Auftragung Auswertung während des Praktikumstages:

Wählen Sie drei der fünf vorgeschlagenen Versuchsteile aus, die Sie am Praktikumstag durchführen und auswerten.

Zu diesen vier Versuchsteilen soll sowohl das Geschwindigkeitsgesetz nach nullter Ordnung als auch das Geschwindigkeitsgesetz nach erster Ordnung überprüft werden, indem man entsprechend der vorletzten Zeile der obigen Tabelle

zur Überprüfung der nullten Reaktionsordnung [A]t gegen t und zur Überprüfung der ersten Reaktionsordnung ln[A]t gegen t

aufträgt.

A

20

Welche Messgrößen in den Versuchsanordnungen jeweils der Konzentration und einer Zeiteinheit entsprechen, zeigt die folgende tabellarische Übersicht:

Versuchsnummer [A]t = Konzentration (nach t Zeiteinheiten)

eine Zeiteinheit

3.1.1 Volumen in der Bürette eine Sekunde

3.1.2 Masse der Kerze ohne Kerzenständer eine Sekunde

3.1.3 Zahl der Centstücke mit der Zahl nach oben ein Schüttelvorgang

3.1.4 Zahl der roten Kugeln eine Ziehung

3.1.5 Zahl der noch nicht durchgefallenen Kugeln

sechsmaliges Hin- und Herkippen

Am Praktikumstag wird die graphische Auftragung unter Zuhilfenahme einer Tabellenkalkulation umgesetzt. Sie benötigen dazu einen Laptop mit dem Programm EXCEL. Hinweise zur Auswertung mit Excel:

A B C D E 1 Zeit [s] Messwert A(t) lnA(t) Zeit [s] 2 1 40 =LN(B2) 1 3 2 61 2 4 4 84 4 5 5 91

kopieren

5

kopieren

(erfundene Zahlenwerte) 1. Eingabe der Werte: Geben Sie bereits während der Versuchsdurchführung Ihre Werte in die ersten beiden Spalten ein: in die

erste Spalte die Zeit, in die zweite Spalte den zugehörigen Messwert. 2. Transformation der Werte: Zur Berechnung von ln[A]t geben Sie in Tabellenzelle C2 die Formel =LN(B2) ein. Excel erfährt durch

das Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung. Verändern Sie testweise und nur vorübergehend den Wert in Zelle B2 und Sie stellen fest, dass der Wert in Zelle C2 sofort angepasst wird.

Mit Hilfe der Eingabe einer Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens nutzen: Kopieren Sie die Formel aus C2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die untere rechte Ecke der Zelle C2 mit der Maus anklicken und – während Sie die Maus gedrückt lassen – den Rahmen der Zelle C2 nach unten über die anderen Felder ziehen. Die Formel aus C2 wird dann automatisch angepasst, z. B. greift Excel in Zelle C5 auf Zelle B5, aber nicht mehr auf B2, zurück. Dies können Sie – nach dem Anklicken der Zelle C5 – an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette x = verfolgen.

3. Erstellen des Diagramms: Markieren Sie mit der Maus gleichzeitig die beiden Spalten, deren Werte gegeneinander aufgetragen werden

sollen. Bei der Auftragung von t gegen ln [A]t ist es daher günstig, die Spalten A und C zuvor in die Spalten D und E nebeneinander zu kopieren.

Wählen Sie dann in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.

4. Erstellen einer Ausgleichsgeraden mit Geradengleichung: Klicken Sie das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der

Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort

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- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und - in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“. Drücken Sie anschließend „OK“. 3.1.1 Das Kapillarflussmodell Erläuterungen: Für die Durchflussgeschwindigkeit in einer Kapillare gilt das Hagen-Poisseuillesche Gesetz:

l8pr

dtdV

4

ηπ

=− ,

wobei V das Volumen des fließenden Stoffes in der Kapillare, η dessen Viskositätskoeffizienten, r bzw. l Radius bzw. Länge der Kapillare und p den Druck der auf der Kapillare lastenden Flüssigkeitssäule bezeichne. Bei gegebener Kapillarabmessung und gleicher Substanz (η = const.) gilt dann −

dtdV = const. . p,

d. h. die Strömungsgeschwindigkeit ist dem Druck proportional und nimmt deshalb mit der Höhe der Flüssigkeitssäule ab. Wählt man nun eine Versuchsanordnung, bei der an ein Bürettenrohr über eine Schlauchverbindung eine Kapillare in waagerechter Stellung angeschlossen ist, so ist der Druck p proportional zur Höhe der Flüssig-keitssäule in der Bürette und wegen des konstanten Querschnittes der Bürette auch proportional zur jeweils vorhandenen Flüssigkeitsmenge V. Daher gibt es Konstanten k’ und k mit

− dtdV = k’

. p = k . V

Aus dieser Vorüberlegung ließe sich bereits ableiten, ob sich theoretisch diese Versuchsanordnung als Modell für eine Reaktion nullter Ordnung oder als Modell für eine Reaktion erster Ordnung eignet. Bemerkung: Verschiedene Geschwindigkeitskonstanten bzw. Reaktionsgeschwindigkeiten lassen sich durch Variation der Kapillarabmessungen oder durch Verwendung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositätskoeffizienten simulieren. (Wasser mit η = 1,002

scmg

⋅, Aceton mit η = 0,316

scmg

⋅, Butanol mit η = 2,62

scmg

⋅)

In einer Vereinfachung entspricht dieser Vorschlag dem Versuch 35.11. im HRR (S. 255), bei dem die Viskositäten verschiedener Alkohole über einen Auslauftest aus einer Bürette qualitativ verglichen werden. Versuchsdurchführung: Es wird eine Bürette ohne Hahn verwendet, die seitlich in einer Olive endet. Zur Erleichterung des Ablesens sollte eine möglichst lange Kapillare gewählt werden. In einem Becherglas wird das auslaufende Wasser gesammelt.

22

Die Kapillare muss waagerecht so eingespannt sein, dass der Wasserstand in der aus-gelaufenen Bürette mit der untersten Bürettenmarkierung (50 mL-Markierung) übereinstimmt. Dazu ist ein Testauslauf durchzuführen und die Höhe der Kapillare einzuregulieren. Anschließend wird die Bürette bis zur Null-Markierung mit Wasser gefüllt. Mit einem Probelauf wird ein geeignetes Zeitintervall für die Messpunkte festgelegt. Mit dem Quetschhahn wird die Tropfgeschwindigkeit reguliert. Lesen Sie in Abhängigkeit von der Zeit t an der Bürettenmarkierung den Wert des bereits ausgelaufenen Volumens V ab. (Zum Zeitpunkt t = 0 hat V aufgrund der Skalierung der Bürette den Wert Null. Nach Beendigung des Auslaufens ist V = 50 mL.) Während V die Produktkonzentration und damit den Umsatz kennzeichnet, entspricht im Modell die Differenz ΔV = 50 − V der Konzentration [A]t. Dies ist dasjenige Volumen, das sich zur Zeit t oberhalb der 50 mL-Markierung der Bürette befindet und das damit alleine zum Druck der Flüssigkeitssäule beiträgt. Versuchsauswertung: siehe Einleitung

1. Überprüfung Geschwindigkeitsgesetz nach nullter Ordnung: Zeit-Umsatzkurve 2. Überprüfung des Geschwindigkeitsgesetzes 1. Ordnung: ln(Umsatz) gegen t.

3.1.2 Abbrennen einer Kerze Versuchsdurchführung: Den Kerzenständer stellt man auf die Waage und tariert die Waage auf „Null“. Anschließend wird eine Geburtstagskerze zusammen mit dem Kerzenständer gewogen – die Anzeige gibt die „Netto“-Masse der Geburtstagskerze an. Man zündet die Kerze an und bestimmt alle 30 Sekunden ihr Gewicht. Es werden so viele Werte aufgenommen, dass eine graphische Auftragung möglich ist. 3.1.3 Münzenwurf Versuchsdurchführung: Als Ausgangszustand (Zeitpunkt Null) stellen wir uns vor, dass 100 Centstücke mit der Zahl „1“ nach oben auf der Tischplatte liegen. Anschließend werden 100 Cents in einem Becher sorgfältig geschüttelt und auf die Tischplatte geschüttet: Diejenigen Centstücke, die mit der Zahl nach oben sichtbar sind, werden ausgezählt und weiterverwendet. Man wiederholt diesen Vorgang mit der nun reduzierten Anzahl an Centstücken, und zwar so lange, bis nur noch fünf Cent oder weniger übrig bleiben. 3.1.4 Kugeltausch Versuchsdurchführung: In einer Kiste befinden sich 50 rote Kugeln, in einer anderen Kiste 50 blaue Kugeln. Für die Simulation gelten die folgenden „Spielregeln“:

Das Gefäß mit den roten Kugeln ist das Reaktionsgefäß. Hieraus erfolgen die Ziehungen. Bei jeder Ziehung wird „blind“, also mit verschlossenen Augen, genau eine Kugel gezogen. Wird eine rote Kugel gezogen, so wird sie gegen eine blaue Kugel ausgetauscht, die dann in das Reaktionsgefäß gegeben wird.

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Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird sie unverändert in das Reaktionsgefäß zurückgelegt. Die Simulation wird spätestens beendet, wenn sich nur noch 25 rote Kugeln im Reaktionsgefäß befinden.

Information: Man kann die Spielregeln vielfältig modifizieren: a) Simulation einer Reaktion 2. Ordnung: Hierzu zieht man jeweils zwei Kugeln. Ein Kugeltausch gegen zwei blaue Kugeln erfolgt nur dann, wenn man zwei rote Kugeln gezogen hat. b) Simulation einer Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt: Man stellt die gleiche Anzahl Kugeln einer dritten Farbe, etwa gelb, bereit. Wie ursprünglich zieht man genau eine Kugel. Handelt es sich dabei um eine rote Kugel, so wird sie gegen eine blaue Kugel ausgetauscht. Wird eine blaue Kugel gezogen, so wird diese nun durch eine gelbe Kugel ersetzt. Unverändert werden nur die gelben Kugeln zurück in das Reaktionsgefäß gegeben. (Schema: rot ↔ blau ↔ gelb) c) Simulation einer Gleichgewichtsreaktion: Die ursprünglichen Spielregeln ändert man derart ab, dass man auch beim Ziehen einer blauen Kugel diese gegen eine rote austauscht. 3.1.5 Kugel-Loch-Modell Erläuterungen: Das Kugel-Loch-Modell stellt eine sehr starke Vereinfachung bezüglich einer chemischen Reaktion dar:

A + B + Lösungsmittel → P A = Kugel (∅ 5,5 mm) B = Loch (∅ 9 mm) Lösungsmittel = Fläche zwischen den Löchern P = durchgefallene Kugel

Ein Nachteil des Modells ist die konstante "Konzentration" an B. Dieser Sachverhalt lässt sich mit der Annahme eliminieren, dass B in großem Überschuss gegenüber dem Partner A vorliegt und deshalb seine Konzentration bei der Reaktion praktisch konstant bleibt (die Reaktion lässt sich damit unabhängig von B betrachten). Im Geschwindigkeitsgesetz drückt sich dies wie folgt aus:

[ ]dt

Ad− = k1 . [A] . [Löcher] = k . [A] da [Löcher] = konstant

Weiter ist zu beachten, dass es sich im Modell um eine irreversibel verlaufende Reaktion handelt. Ein chemisches Gleichgewicht lässt sich mit dieser Versuchsanordnung nicht darstellen. Kästen mit verschiedener Lochzahl ermöglichen Experimente mit verschiedenen Konzentrationen an B. Die Anfangskonzentrationen an A können variiert werden. Reaktionsfolgen lassen sich

24

mit gestapelten Kästen, die jeweils mit Löchern versehen sind, darstellen. Versuchsdurchführung: Als Anfangsbedingungen werden gewählt: [A]0 = 100, [B]0 = 2, also ein Kasten mit 2 Löchern und 100 Kugeln. Damit beim Schütteln keine Kugeln das System nach oben verlassen können (Konkurrenzreaktion), deckt man die Versuchsanordnung mit einem weiteren Kasten ab. Nun wird das System sechs Mal über einem Stück Vakuumschlauch hin und her gekippt. Dieses sechsmalige Hin- und Herkippen stelle eine Zeiteinheit dar. Dann werden [A] oder [P] ([A] + [P] = 100) ausgezählt. Danach kippt man weitere sechs Mal hin und her und zählt erneut aus (= zweite Zeiteinheit). Dies setzt man bis zu einer Gesamtreaktionsdauer von sechs Zeiteinheiten (mit je sechs Kipp-bewegungen) fort. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, wird die Messung einmal wiederholt. Zur Auswertung werden die Mittelwerte der beiden Messreihen für A gebildet. Versuchsauswertung: Zeichnen Sie zunächst in einem Diagramm die Zeit-Umsatzkurve der Reaktion (also die Produktkonzentration gegen die Zeit t). Vermutete Gesetzmäßigkeit nach 1. Ordnung (s.o.):

[ ]dt

Ad− = k1 . [A] . [Löcher] = k . [A] da [Löcher] = konstant

Nach Integration ergibt sich: ln [A]t / ln [A]0 = -k· t, wobei [A]t die Konzentration von A nach t Zeiteinheiten angibt. Tragen Sie ln [A]t in Abhängigkeit von t auf und beantworten Sie, wie und ob sich eine Reaktion 1. Ordnung bestätigen lässt. 3.2 Das Hebermodell zum chemischen Gleichgewicht Erläuterungen: Chemische Modellexperimente stellen stets nur eine reduzierte Verwirklichung der im Original ablaufenden Vorgänge dar. Die Reduktion kann dabei unter Umständen so stark sein, dass das Original kaum noch wieder zu erkennen ist. Gerade zum Hebermodell findet man zahlreiche Diskussionen über das Pro und Contra in gängigen fachdidaktischen Zeitschriften. Dieses Modell hat den Vorteil, dass es sich wegen des sehr einfachen Geräteaufwandes auch mit einer größeren Anzahl von Schülern in kleinen Gruppen als Schülerexperiment ausführen lässt. Es lässt sich für eine Reaktion nach 1. Ordnung verwenden und außerdem erweitern zu einem Modell für das chemische Gleichgewicht oder für eine Reaktionsfolge mit Zwischenprodukten. Versuchsdurchführung: Der erste Messzylinder ist mit 50 mL Wasser gefüllt, der zweite ist leer. Das Flüssigkeitsvolumen im ersten Messzylinder stellt die Konzentration des Edukts, das Flüssigkeitsvolumen im zweiten Messzylinder die Konzentration des Produkts dar.

25

Um die Reaktion „ablaufen“ zu lassen, wird jetzt aus beiden Messzylindern unter Benutzung von Glasrohren unterschiedlichen Durchmessers umgefüllt, bis praktisch keine Veränderung mehr auftritt. Für jeden Hubvorgang werden beide Rohre bis auf den Boden des Messzylinders getaucht, mit einem Finger verschlossen und das fixierte Wasservolumen gleichzeitig in den jeweils anderen Messzylinder überführt. So ein Hubvorgang stellt eine Zeiteinheit mit den Anteilen der Hin- und Rückreaktion dar. Lesen Sie nach jeder Übertragungsoperation das Volumen in beiden Messzylindern ab und geben Sie Ihre Werte direkt in eine Datei der Tabellenkalkulation Excel ein: 1. Spalte: Zeit, 2. Spalte: Volumen in Messzylinder 1, 3. Spalte: Volumen in Messzylinder 2. Um die Zahl der Messwerte zu begrenzen, kann die Zahl der Hubvorgänge (d. h. die Zeit-einheiten), nach denen abgelesen wird, mit Fortschreiten der Reaktion stetig erhöht werden. Auswertung während des Praktikumstages: 1. Lassen Sie mit Hilfe der Tabellenkalkulation die Werte für beide Messzylinder in ein

gemeinsames Diagramm graphisch auftragen (Volumen gegen Zeiteinheiten). Markieren Sie hierzu alle drei Spalten und wählen Sie in der Bildschirmleiste „Einfügen“ den

Befehl „Diagramm“, dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.

2. Theoretische Überlegung: Welche der im Modellsystem beobachtbaren Größen entsprechen a) der momentanen Geschwindigkeit der Hinreaktion bzw. Rückreaktion, b) der Geschwindigkeitskonstanten, c) der Gleichgewichtskonzentrationen? 3.2.1. Reaktionsfolge: Durchführung: Um eine Reaktionsfolge mit einem Zwischenprodukt zu simulieren, muss man drei Messzylinder (stellvertretend für Edukt, Zwischenprodukt und Endstoff) verwenden und wie folgt vorgehen: Der erste 100 ml Messzylinder wird mit Wasser gefüllt, ein zweiter 50 ml und ein dritter 100 ml Messzylinder sind zu Beginn leer. Jetzt wird aus dem ersten Messzylinder Wasser mit einem weiten Rohr in den zweiten Messzylinder überführt und gleichzeitig aus dem zweiten Messzylinder mit einem etwas engeren Rohr Wasser in den dritten Messzylinder überführt. Zwei derartige Hubvorgänge stellen eine Zeiteinheit dar. Die Zahl der Hubvorgänge, nach denen abgelesen wird, ist passend zu wählen. Der Versuch wird fortgesetzt, bis der erste Messzylinder weitgehend leer ist.

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Auswertung während des Praktikumstages: Die Messdaten erfassen, graphisch auftragen und interpretieren. 3.3 Ein Modellversuch zur maximalen Nutzarbeit Die maximale Nutzarbeit, die einem System mit potentieller Energie entnommen werden kann (z. B. einer Batterie ihre potentielle chemische Energie), ergibt sich bei reversibler Reaktions-führung. Ein Modell soll das Prinzip der Annäherung an eine reversible Führung am Beispiel der potentiellen Energie eines gereckten Gummibandes, das benutzt wird, um Nutzarbeit zu leisten, zeigen. Versuchsbeschreibung: Sechs Gewichte werden von einem Gummiband gehalten. Die in diesem System enthaltene potentielle Energie, die benutzt werden kann, ein Gewicht zu heben, soll in unterschiedlichem Ausmaß genutzt werden. 1) Grenzfall ohne Gewinnung von Nutzarbeit: Die sechs Gewichte werden heruntergenommen; das Gummiband schnerrt zusammen. Es wird praktisch keine Nutzarbeit (zum Heben der Gewichte) gewonnen; der Ablauf wird

irreversibel geführt. 2) Übergang zur Gewinnung von Nutzarbeit: Nur einzelne Gewichte werden nacheinander heruntergenommen. Die verbleibenden

Gewichte der Masse m werden eine jeweils kleine Strecke gehoben, die durch Messen der Bodenhöhe h vor und nach dem Herunternehmen der Gewichte erfasst werden muss.

Nutzarbeit ΔG = m . Δh . g [J = kg . m2/s2] mit g = 9,81 m/s2. 3) Grenzfall mit maximaler Nutzarbeit: Es werden winzig kleine Gewichtsanteile heruntergenommen. Damit wird immer ein

maximaler Gewichtsanteil um kleine Strecken gehoben. Die Versuchsführung ist für diesen Grenzfall reversibel. Die Nutzarbeit entspricht der Integration dieses Vorganges.

Versuchsdurchführung: 6 Gewichte von je ca. 100 g stehen zur Verfügung. Es sollen damit vier Versuchsreihen mit unterschiedlicher Nutzarbeit ausgeführt werden.

Die Höhen hi der Gewichte sind zu messen, d. h. der Abstand der Labortischplatte von der Bodenfläche des unteren der anhängenden Gewichte. Dabei bezeichnet der Index i die Anzahl der anhängenden Gewichte. 1 m gibt diejenige Masse der gehobenen bzw. verbleibenden Gewichte an, durch die folglich eine Nutzarbeit geleistet wird. Zum Verständnis der Bezeichnungen ist die folgende Abbildung zu Versuchsteil c) aufschluss-reich: 1 Man kann die Höhen auch jeweils zwischen anderen Punkten, z. B. von der Labortischplatte bis zum unteren

Ende des Gummibandes, bestimmen. Die Messmethode muss jedoch in allen Versuchsteilen konsequent weitergeführt werden. Keinesfalls darf die Höhe des oberen Gewichts von der Laborttischplatte gewählt werden, da ansonsten auch die Dicke der Gewichte mitbetrachtet würde!

27

Abbildung zu Versuchsteil c)

h6 m = 0,4 kg m = 0,2 kg m = 0 kg h4 – h6 h2 – h4 h0 – h2 a) einmalige Gewichtsentnahme: Es werden alle sechs Gewichte auf einmal entfernt. Bestimmen Sie die Höhendifferenz Δh =

h0 – h6 von der Ausgangsposition (h6) bis zum Endzustand (h0). Bei diesem Vorgang wird keine Nutzarbeit gewonnen (m = 0 kg). b) zwei Gewichtsentnahmen: Es werden zweimal je drei Gewichte entfernt. Die zuerst verbleibenden drei Gewichte werden um Δh = h3 – h6 gehoben, wobei Nutzarbeit

gewonnen wird (m = 300 g = 0,3 kg). Für den zweiten Vorgang ergibt sich keine Nutzarbeit (m = 0 kg). c) drei Gewichtsentnahmen (siehe obige Abbildung) Gemäß obiger Abbildung werden dreimal je zwei Gewichte entfernt. Dadurch werden vier Gewichte um h4 – h6 und zwei Gewichte um h2 – h4 gehoben. Die insgesamt gewonnene Nutzarbeit ergibt sich als Summe der Nutzarbeit aus diesen

beiden Prozessen. Das Entfernen der letzten beiden Gewichte ergibt wieder keine Nutzarbeit. d) sechs Gewichtsentnahmen: Es wird sechsmal immer nur ein Gewicht entfernt. Bei fünf der sechs Hebevorgängen ergibt

sich eine Nutzarbeit. Auswertung während des Praktikumstages: 1. Übertragen Sie die folgende Tabelle sinnvoll in eine EXCEL-Tabelle und ergänzen Sie.

Lassen Sie, wenn möglich, die Werte durch Eingabe einer Formel mit Hilfe von EXCEL

Tischplatte

h4 – h6

h2 – h4

h0 – h2

28

berechnen. Beachten Sie die Einheiten.

Anzahl der Gewichts-entnahmen

Masse, die angehoben wird

m [in kg]

Höhen-differenzen Δh [in m]

Nutzarbeit (Einzelbeträge)

[in J]

Nutzarbeit (Summe)

[in J]

a) 1 0 h0 – h6

. . .

. . .

b) 2 0,3 0

h3 – h6 h0 – h3

. . .

. . .

c) 3

0,4 0,2 0

h4 – h6 h2 – h4 h0 – h2

. . .

. . .

d) . . .

. . .

. . .

. . .

. . .

2. Tragen Sie mit Hilfe von EXCEL die insgesamt gewonnene Nutzarbeit (letzte Spalte der

Tabelle) graphisch gegen die Anzahl der Gewichtsentnahmen auf (vier Datenpunkte).

3. Ermitteln Sie aus der Auftragung durch Extrapolation den Wert der insgesamt zu

gewinnenden Nutzarbeit für zwölf 50 g-Gewichte (also insgesamt 600 g = 0,6 kg), von denen immer nur ein Gewicht entfernt wird.

Welchen Wert erhalten Sie schätzungsweise für den Grenzfall der maximalen Nutzarbeit

maximale Nutzarbeit = ∫ Δ6,0

0,081,9 h dm = … ?

Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Wählen Sie aus allen Modellen der Versuchsgruppe 3 eines aus, das Sie im Unterricht am ehesten einsetzen würden, und begründen Sie, was Ihnen an diesem Modellversuch gefällt und was das Modell im Unterricht leisten kann. Wählen Sie andererseits mit Begründung auch ein Modell aus, das Sie im Unterricht am ehesten nicht einsetzen würden. In welchen Punkten (z. B. bei der Durchführung, bei der Auswertung) ist der Modellversuch möglicherweise schwieriger zu verstehen und komplexer gestaltet als der zu demonstrierende Sachverhalt?

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_____________________________________________________________________________ 4. Versuchsgruppe: Computerunterstütztes Experimentieren (ALT) _____________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste: zu 4.1 1 Messkolben (50 mL) 1 Messzylinder (100 mL) 6 Bechergläser (250 mL) 1 Peleusball 2 Vollpipetten (5 mL) 1 Trichter, klein 2 Vollpipetten (10 mL) 1 Stoppuhr 1 Vollpipette (50 mL) 1 kleiner Rührmotor mit Rührkern zu 4.2 1 Kolbenpipette (5 mL) 3 Bechergläser (50 mL) 1 Kolbenpipette (2 mL) 3 Kolbenpipetten (1 mL) zu 4.3 2 Vollpipetten (10 mL) 2 Reagenzgläser mit Ständer 2 Erlenmeyerkolben (100 mL) 2 Küvetten (kleine Reagenzgläser) 1 kleiner Spatel [Peleusball aus 4.1/2] Chemikalien: zu 4.1 0,1 M NaOH (Xn) ca. 0,1 M HCl Phenolphthalein-Lösung ca. 0,1 M Essigsäure zu 4.2 Ethanol (p. a.) (F) tert.-Butylbromid (F) [0,1 M NaOH aus 4.1] zu 4.3 5.10-5 M Kristallviolett-Lösung (Xn) 0,5 M NaOH (C) Ausleihen: PC mit Monitor und Drucker Perfusor Software pH-Meter AD-Wandler (ADW-16) Leitfähigkeitsmessgerät mit Kabel RGB-Anschlusskabel Einstabmesskette 3 RS-232 Übertragungskabel Colorimeter CO 65 mit Filter Nr. 6 3 Klammern mit Muffen Stativ

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Vorbemerkung: Dem Vordringen der Computer in fast alle Lebensbereiche des Menschen sollte nicht eine Verweigerungshaltung im Bereich der Schule gegenüber stehen. Der Schüler hat einen Anspruch darauf, aktuelle Bezüge in seinem Unterricht wiederzufinden. Im Übrigen ist eine kritische Auseinandersetzung mit diesem Medium höher zu bewerten als eine kritiklose bis euphorische Übernahme von neuen Technologien. Neben der gesellschaftlichen Relevanz dieses Themas ermöglicht es der Computer, den Ablauf des Chemieunterrichts in bestimmten Einsatzbereichen zu erleichtern. Vorteile des Computers bei der Messwerterfassung: 1. Anzeige von Messwerten und Graphen Der Computer lässt sich über einen AD-Wandler an nahezu jedes Gerät mit einem Gleich-

spannungsausgang anschließen. Der Messwert kann so erfasst und auf einen Großbildschirm, z. B. einen Fernseher, für jeden Schüler sichtbar übertragen werden.

Auch die graphische Darstellung des Verlaufs einer Messgröße ist möglich. Gerade bei Messreihen kann das Aussehen des Graphen wesentlicher als die einzelnen Zahlenwerte sein.

2. Verarbeitung der Werte Ermittelte Messwerte lassen sich abspeichern, ausdrucken, vor allem aber ohne großen

Zeitaufwand umrechnen (z. B. mit einer Tabellenkalkulation). Nicht immer sind nämlich die am Messgerät angezeigten Werte selbst wichtig, oft müssen z. B. Differenzen oder ein Logarithmus gebildet werden. Gleichartige Umrechnungen vieler Tabellenwerte sind zeitraubend, fehlerträchtig und alles andere als motivierend und lenken oft vom eigentlichen Versuchsergebnis ab. Allerdings sollte der Schüler die PC-unterstützten Umrechnungen nicht als „Black-box“ gebrauchen, sondern die Rechenoperationen zumindest nachvollziehen können.

Mit dem Computer besteht außerdem die Möglichkeit, mehrere Messreihen aufzunehmen und zum Vergleich in einem gemeinsamen Koordinatensystem graphisch exakt darzustellen.

3. Zeitraffer und Zeitlupe Mit dem Computer lassen sich sowohl schnelle als auch extrem langsame Vorgänge gut

verfolgen. So sind Langzeitmessungen möglich, ohne den Unterricht durch andauerndes Ablesen von Messwerten zu stören.

Auch bei einer raschen Reaktion, deren Ablauf in Abhängigkeit von der Zeit erfasst werden soll, eröffnet die Registrierung mit dem Computer eine intensivere und detailliertere Besprechung und Diskussion der Ergebnisse, die ansonsten aufgrund der Messwertdichte eventuell überhaupt nicht zugänglich wären. Allein vom Zeitaufwand lässt sich bei einem klassischen Verfahren mit der Analyse von Einzelproben eine solche Messwertdichte in der Schule auf keinen Fall realisieren.

Das kürzest mögliche Zeitintervall zwischen zwei Messungen hängt von der Arbeits-geschwindigkeit des Rechners und des AD-Wandlers ab. Mit dem in unseren Versuchen verwendeten ADW-16 können maximal 6,5 Messwerte pro Sekunde ermittelt werden. Allerdings hängt die Aufzeichnungsgeschwindigkeit auch von der verwendeten Software ab. Je umfangreicher der Programmablauf ist, desto weniger Messwerte können pro Sekunde ermittelt werden.

Beispielhaft sollen diese für eine Messwerterfassung typischen Punkte in den Versuchen 4.1 bis 4.3 bei einer Leitfähigkeits-, bei einer pH-Wert- und bei einer Extinktionsmessung demonstriert werden. Über die Messwerterfassung hinaus findet der Computer in den folgenden unterrichtlichen

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Situationen Anwendung:

Simulation Der Computer lässt sich zur Simulation physikalischer und chemischer Phänomene einsetzen,

z. B. - bei der Simulation großtechnischer Verfahren (Ein solcher Einsatz kann sich als sinnvoll erweisen, wenn bei der Simulation

Versuchsparameter geändert werden können oder wenn der apparative Aufwand bei der experimentellen Durchführung in keinem Verhältnis zum Ergebnis stünde.)

- bei Modellversuchen (beispielsweise zur kinetischen Gastheorie)

Molekülmodellierungen Molekülmodellierungen sind modellhafte Abbildungen berechneter komplizierter Molekül-

strukturen oder Orbitale. Im Schulbereich wird vielfach eine einfache dreidimensionale Darstellung verwendet, bei denen die Atomsorten als unterschiedlich große, farbcodierte Kugeln dargestellt werden; die benötigten Bausteine - Atome und funktionelle Gruppen - kann der Benutzer nach eigener Wahl zusammenbauen.

Lernprogramme

Fertige Lernprogramme werden für alle Fächer angeboten. Sie erheben den Anspruch, für einen handlungsorientierten Unterricht geeignet zu sein. Leider verlangen sie von den Schülern oft nicht sehr viel mehr das Ausfüllen von Lücken und unterscheiden sich dann kaum von einem kleinschrittig aufgebauten Arbeitsblatt.

Vorteile, die solche Lernprogramme dennoch bieten können, die allerdings auch nicht überschätzt werden dürfen, sind:

- individuelle Anpassung an das Arbeitstempo und die Arbeitsweise der Schüler, - Wahl des Schwierigkeitsgrads bei der Stoffaneignung, - sofortige Selbstkontrolle der Ergebnisse, - Sekundärmotivation über die Arbeit mit dem Medium Computer.

Programmierung Mit ausreichenden Programmier-Kenntnissen, z. B. in der Programmiersprache PASCAL,

können die Schüler selbst Programme zur Auswertung experimentell ermittelter Werte erarbeiten. Das Erstellen eines Programms bedeutet zunächst einmal intensive Auseinander-setzung mit der Struktur des Problems. Diese Beschäftigung kann den Lernerfolg nachhaltig verstärken.

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4.1 Leitfähigkeitstitration Erläuterungen: Titrationen sind ein wesentlicher Bestandteil der analytischen Chemie. Normalerweise wird im Chemieunterricht nur eine klassische Endpunkttitration, z. B. mit Indikatoren, durchgeführt. Diese lässt sich visuell gut aufarbeiten und ist vom Zeitbedarf günstiger als eine diskontinuierliche Titration über die Leitfähigkeit, den pH-Wert oder die Temperatur. Das fortlaufende Stoppen der Titerzugabe und Ablesen eines Messwertes ist zeitaufwendig und für Schüler wenig attraktiv. Wichtigster Nachteil einer Endpunkttitration ist aber, dass der zeitliche Verlauf der Messgrößen (wie z. B. die Leitfähigkeit) nicht verfolgt werden kann. Der Computer liefert die Möglichkeit, Messwerte in kleinen Zeitabschnitten aufzuzeichnen und innerhalb kurzer Zeit auszuwerten. Da der Computer nur in der Lage ist, Messdaten in Abhängigkeit von der Zeit aufzuzeichnen, muss bei der Titration das Volumen zugegebener Lauge, Säure oder sonstiger Titerlösungen in Form einer Zeitangabe ausgedrückt werden. Hierfür wählen wir einen sogenannten „Perfusor“ mit einer gesteuerten Spritze. Dieses Gerät liefert innerhalb eines festen Zeitintervalls immer dasselbe Volumen und wird im Krankenhaus zur genauen und kontinuierlichen Dosierung von Infusionslösungen eingesetzt. 1 Vorbereitungen: Die Spritze des Perfusors wird mit 0,1 molarer Natronlauge gefüllt. Die Zutropfgeschwindigkeit wird am Gerät auf 99 mL/h eingestellt. Aus diesem Wert ist zu berechnen, wie viele Sekunden für das Auslaufen von 100 mL Titerlösung benötigt werden. Denn in der Parametertabelle des Computerprogramms muss dieses Ergebnis anschließend eingegeben werden: Die Parameter-tabelle erscheint durch Anklicken des entsprechenden Feldes in der Registerkarte am unteren Bildschirmrand; die Eingabe erfolgt dort unter der Rubrik „Zeit für 100 x-Achseneinheiten“. Bedienung des Computerprogramms Es empfiehlt sich vorab, die folgenden Bedienungsschritte durchzuführen, ohne dass dabei bereits titriert wird („Leerdurchlauf“).

1. Löschen bisher erstellter Messdaten: Durch Anklicken des Feldes Rücksetzen in der linken Bildschirmleiste werden alte

Messdaten entfernt. Dies sollte vor jeder Aufnahme einer neuen Messreihe geschehen. Ausnahme bilden die drei

Messreihen in Versuch 4.2, deren zugehörige Diagramme miteinander verglichen und daher zwischenzeitlich nicht gelöscht werden sollen.

2. Beginn der Messung: Durch Anklicken des Feldes Aufzeichnen werden augenblicklich die ersten Messwerte

erhoben. 1 Aussortierte Geräte werden von Krankenhäusern auf Anfrage abgegeben. Steht ein solcher Perfusor nicht zur

Verfügung, setzt man häufig eine gleichlaufende Bürette ein, die innerhalb eines festen Zeitintervalls unabhängig von der Füllhöhe immer das gleiche Volumen liefert. Eine große Flasche mit großem Durchmesser und mit einem Auslauf nach unten ist für diese Verwendung besonders zweckmäßig. Die Titrierlösung tropft durch eine Kapillare gleichmäßig aus, solange sich der Flüssigkeitsspiegel in der Vorratsflasche nicht stark ändert. Vor der Durchführung des Experiments ist dann die Auslaufzeit für ein fest definiertes Volumen aus der gleichlaufenden Bürette zu ermitteln

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3. Beendigung der Messung: Durch Anklicken des Feldes Esc in der linken Bildschirmleiste (bzw. durch Drücken der Esc-

Taste) kann die Messung abgebrochen werden, sofern die Titration beendet ist.

4. Anzeigen der erstellten Graphik: Durch Anklicken des Feldes aktuelle Graphik in der linken Bildschirmleiste - nach

Beendigung der Messung - erhält man die graphische Auftragung der Messwerte.

5. Anzeigen der gemessenen Werte: Durch Anklicken des Feldes Wertetabelle in der Registerkarte am unteren Bildschirmrand

lassen sich die Messwerte anzeigen und gegebenenfalls über das Tabellenkalkulations-programm Excel weiterverarbeiten (wie in Versuch 4.3).

Versuchsdurchführung: a) Leitfähigkeitstitration einer starken Säure mit einer starken Base: 10 mL der Salzsäure unbekannter Konzentration (ca. 0,1 mol/L) werden in einem 250 mL-Becherglas vorgelegt und mit 100 mL dest. Wasser verdünnt. Die Elektrodenflächen sollten gut mit der Lösung bedeckt sein. Die Vorlage wird mit einigen Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt, um den Umschlagspunkt auch visuell anzuzeigen. Die Lösung muss gut gerührt werden, so dass eine gleichmäßige Verteilung erreicht wird. Das Leitfähigkeitsmessgerät wird durchgehend im Messbereich 10-3 belassen und keinesfalls geändert. Um einen gleichmäßigen Zulauf zu ermöglichen, sollte der Perfusor bereits vor der Messung gestartet worden sein. Man beginnt mit der Messung, sobald der erste Tropfen Natronlauge die Säure erreicht. Anmerkung: Die Zutropfgeschwindigkeit ist unabhängig davon, ob die Kanüle in die Flüssigkeit hineinragt oder oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gehalten wird. b) Leitfähigkeitstitration einer schwachen Säure mit einer starken Base: Die Messung aus a) wird mit Essigsäure statt Salzsäure wiederholt. Auswertung während des Praktikumstages: Die graphische Auftragung der Messwerte gegen den Laugenverbrauch soll jeweils ausgedruckt und diskutiert werden. Die Konzentration der Salzsäure und der Essigsäure werden berechnet.

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4.2 pH-Wert-Messung (bei einer nucleophilen Substitution) Vorbemerkung: Der Mechanismus der SN1- und SN2-Reaktionen wird in der Schule häufig mit der alkalischen Hydrolyse von Alkylhalogeniden eingeführt. Die alkalische Hydrolyse von tert.-Butylbromid ist ein Beispiel für eine SN1-Reaktion. Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Polarität des Lösungsmittels unterstreicht das Vorliegen einer ionischen Zwischenstufe. Versuchsdurchführung: Vorbemerkung: Die Verbindungskabel zum AD-Wandler werden an die Buchsen auf der Rückseite des pH-Meters angeschlossen. Der Perfusor wird bei diesem Experiment nicht eingesetzt!

Becherglas Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3

Ethanol Wasser Natronlauge (0,1 M) tert.-Butylbromid

21 mL 1 mL 1,5 mL 1,5 mL

17 mL 5 mL 1,5 mL 1,5 mL

20 mL 2 mL 1,5 mL 1,5 mL

Ethanol, Wasser und Natronlauge werden gemäß der beiden Spalten Nr. 1 und Nr. 2 der obigen Tabelle in zwei Bechergläsern vorgelegt und gut gemischt. Die pH-Messkette wird jetzt in das erste Becherglas gestellt und mit einer Klammer am Stativ befestigt. Die Computeraufzeichnung wird gleichzeitig mit der Zugabe von tert.-Butylbromid gestartet. Um eine gute Durchmischung zu erreichen, muss sofort nach Zugabe des tert.-Butylbromids gut umgeschwenkt bzw. gerührt werden. Die Messung kann beendet werden, sobald der pH-Wert im sauren Bereich liegt. Die graphische Auftragung der pH-Werte gegen die Zeit soll zu beiden Messreihen ausgedruckt werden, wobei anschließend die Daten nicht durch Anklicken des Feldes Rücksetzen gelöscht werden sollen. Nach Beendigung der zwei Messungen sollen die beiden Graphen zum Vergleich in einem gemeinsamen Koordinatensystem angezeigt und ebenfalls ausgedruckt werden. Dies geschieht durch Anklicken des Feldes in der linken Bildschirmleiste. Auswertung während des Praktikumstages: 1. Interpretieren Sie die Ergebnisse und beziehen Sie sich dabei auf den

Reaktionsmechanismus. 2. Wie müsste sich der Kurvenverlauf ändern, wenn man die Messung mit einem weiteren

Becherglas, das gemäß Spalte Nr. 3 der obigen Tabelle befüllt ist, wiederholt?

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4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik Bei Reaktionen, die mit einer Farbänderung verbunden sind, lässt sich der zeitliche Verlauf mit Hilfe eines Photometers verfolgen. Der Einsatz eines Computers kann sich dabei als sinnvoll erweisen, da sich mit ihm Zeit-Umsatz-Kurven auch von relativ raschen Reaktionen aufzeichnen lassen. Auf diese Weise soll am Beispiel der Reaktion von Kristallviolett mit Hydroxidionen die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration aufgezeigt werden. Theoretische Einführung: Das Reaktionsschema lautet: Das Geschwindigkeitsgesetz, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit v mit den sich ändernden Konzentrationen bei einer gegebenen Temperatur verknüpft ist, lautet hier („Krist“ abgekürzt):

v = yx1dt

]Krist[d ]OH[]Krist[k −⋅⋅=− mit einer Konstanten k1.

Wenn ein hoher Überschuss an Lauge (0,5 M NaOH) eingesetzt wird, bleibt die Hydroxidionen-Konzentration während der Reaktion nahezu konstant. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt dann nur noch von der Kristallviolettkonzentration ab:

v = xdt

]Krist[d ]Krist[k ⋅=− mit einer Konstanten k.

Der Exponent x stellt die Ordnung der Reaktion bezüglich der Kristallviolettkonzentration dar. Man erhält bei einem hohen Laugenüberschuss für diese Reaktion eine Kinetik 1. Ordnung (x = 1). Die integrierte Form des Geschwindigkeitsgesetzes 1. Ordnung lautet dann:

0t ]Kristln[tk]Kristln[ +−= ,

wobei [Krist]t die Kristallviolettkonzentration zur Zeit t und [Krist]0 entsprechend zu Beginn angibt (vgl. Erläuterungen zu Versuch 3.1). Da die Reaktionsgeschwindigkeit unter den gegebenen Bedingungen nur von der Kristallviolett-konzentration abhängt und das Additionsprodukt mit OH−-Ionen farblos ist, kann die Reaktion colorimetrisch über die Farbänderung verfolgt werden. Gemessen wird die Transmission T (in %), die mit der Extinktion E über den folgenden Zusammenhang verknüpft ist:

E = −lgT

(Beispiel: Transmission T = 5 % bedeutet T = 0,05 und damit E = −lg0,05.) Die Extinktion E ist der jeweiligen Konzentration an Kristallviolett direkt proportional und kann deshalb in das Geschwindigkeitsgesetz eingesetzt werden:

0t ElntkEln +−=

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Wird lnEt gegen t aufgetragen, erhält man bei Reaktionen 1. Ordnung eine Gerade mit der Steigung −k (k = Geschwindigkeitskonstante) .

Versuchsdurchführung:

a) Messung der Transmission Mit der 0,5 M NaOH wird auf 100 % Transmission am Messgerät eingestellt. Zur Bestimmung der Zeit-Umsatz-Kurve werden 10 mL Kristallviolettlösung der vorgegebenen Konzentration in einen 100 mL-Erlenmeyerkolben und 10 mL Natronlauge in ein Reagenzglas pipettiert. Beide Lösungen werden anschließend im Erlenmeyerkolben vereinigt, kurz umgeschwenkt und außerhalb des Gerätes in die Küvette überführt (zu 2/3 gefüllt). Die Messung wird sofort gestartet und - sobald die Transmission einen konstanten Wert (nahe 100 %) erreicht hat - direkt beendet. b) Bearbeitung der gemessenen Werte mit ‚Excel’ Ziel ist es, nach einer Reaktion 1. Ordnung graphisch aufzutragen. Aus der Steigung der Geraden soll die Geschwindigkeitskonstante k und anschließend die Halbwertszeit ermittelt werden. Um die Möglichkeiten des Computers sinnvoll und optimal zu nutzen, sollen die Messwerte direkt am Versuchstag und zeitsparend mit der Tabellenkalkulation ‚Excel’ ausgewertet werden:

B C D E F 1 Zeit [s] Transmission Extinktion Zeit [s] ln(Extinktion) 2 1 40 =−LOG10(C2/100) 1 =LN(D2) 3 2 61 2 4 3 75 3 5 4 84 4 6 5 91 5 7 6 96 6 8 7 99

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7

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(erfundene Zahlenwerte)

Es folgen einige Kurzanleitungen zur Tabellenkalkulation ‚Excel’. Die Ausführungen gelten, falls Ihre Tabelle in Spalte B die Werte für die Zeit und in Spalte C die Werte für die Transmission aufweist, und orientieren sich damit an der oben abgebildeten Tabelle.

Lassen Sie in Spalte D die Extinktion aus der Transmission errechnen:

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1. Schritt: Geben Sie in Tabellenzelle D2 die Formel = − LOG10(C2/100) ein. Das Computerprogramm erfährt

durch das Gleichheitszeichen die Aufforderung zur Durchführung einer Rechnung, nämlich: „Dividiere die Zahl, die in Zelle C2 steht, durch 100, bilde hiervon den dekadischen Logarithmus und

ändere das Vorzeichen.“ (Die Division durch 100 ist erforderlich, um die Transmission in Prozent, also auf Hunderstel, umzurechnen.) Sollte als Ergebnis die Zahl Null in der Zelle erscheinen, ist die Zahl der Dezimalstellen zu erhöhen: die zugehörige Formatierung erreicht man über die rechte Maustaste.

Verändern Sie testweise und nur vorübergehend den Wert in Zelle C2; Sie stellen dann fest, dass der Wert in Zelle D2 sofort angepasst wird.

Mit Hilfe der Eingabe einer solchen Formel kann man den entscheidenden Vorteil des Kopierens (2. Schritt) nutzen:

2. Schritt: Kopieren Sie die Formel aus Zelle D2 in die darunter stehenden Zellen derselben Spalte, indem Sie die

untere rechte Ecke der Zelle D2 mit der Maus anklicken und - während Sie die Maus gedrückt lassen - den Rahmen der Zelle D2 nach unten über die anderen Felder ziehen.

Die Formel aus Zelle D2 wird dann automatisch angepasst; z. B. greift das Computerprogramm in Zelle D5 auf Zelle C5, aber nicht mehr auf C2 zurück. (Dies können Sie - nach dem Anklicken der Zelle D5 - an der oberen Bildschirmleiste neben der Symbolkette × = verfolgen.)

Kopieren Sie die Daten aus Spalte B in Spalte E.

Wiederholen Sie analoge Schritte zur Vervollständigung der Tabelle, wie sie oben angedeutet ist

(Spalte F).

Erstellen Sie ein Diagramm, das ln(E) in Abhängigkeit von der Zeit darstellt: Markieren Sie dazu mit der Maus die beiden Spalten E und F. Wählen Sie in der Bildschirmleiste

„Einfügen“ den Befehl „Diagramm“ und dort unter „Diagrammtyp“ die Variante „Punkt (XY)“. Anschließend können Sie das Diagramm sinnvoll verfeinern und beschriften.

Lassen Sie in das betreffende Diagramm eine Ausgleichsgerade hineinlegen und deren Geraden-gleichung bestimmen:

Klicken Sie dazu das entsprechende Diagramm mit der Maus genau einmal an. Wählen Sie unter der Bildschirmleiste „Diagramm“ den Befehl „Trendlinie hinzufügen“ und dort

- in der Registerkarte „Typ“ den Trend-/Regressionstyp „Linear“ und - in der Registerkarte „Optionen“ das Feld „Formel im Diagramm darstellen“. Drücken Sie anschließend „OK“.

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4. Versuchsgruppe: Computergestütztes Experimentieren (NEU)

Geräte in der Kiste: Zu 4.1

1Magnetrührer + Rührfisch 1 Messzylinder (100ml) 3 Bechergläser (250ml)

1 Peleusball 1 Trichter, klein

Zu 4.2

3 Bechergläser (50ml) 2 Bechergläser (100ml) 1 Becherglas (250ml) 2 Kolbenpipette (5ml)

1 Kolbenpipetten (1ml) 1 Peleusball [aus Versuch 1] 1 Magnetrührer + Rührfisch[aus Versuch 1]

Zu 4.3 2 Bechergläser (50ml) 1 Becherglas (100ml)

1 Becherglas (250ml) 1 Peleusball [aus Versuch 1]

Chemikalien: Zu 4.1

0,1 Mol NaOH Phenolphthalein-Lösung

HCl Essigsäure

Zu 4.2

0,1 Mol NaOH [aus Versuch 1]

Ethanol tert.-Butylbromid

Zu 4.3

Mol Kristallviolett-Lösung

0,5 Mol NaOH

Ausleihen:

Laptop Perfusor mit Spritze 2 Cobra4 USB-Link 1 Cobra4 Sensor-Uni Conductivity+ 2 USB-Kabel 1 Leitfähigkeitselektrode 1 Cobra4 Sensor-Unit Drop Counter 1 pH-Elektrode

1 Cobra4 Sensor-Unit pH 1 Eintauchphotometer 1 Interface 1 USB-Kabel Stativ 1 Doppelmuffe mit Ring 2 Doppelmuffen 2 Stativklammern

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Einleitung

Der Computereinsatz nimmt einen immer höheren Stellenwert in unserer Gesellschaft ein.

Daher ist es heute wie auch schon vor 10 Jahren ein sehr aktuelles und vor allem wichtiges

Thema in der Lehrerausbildung. Der Computer bietet dem Lehrer eine große Vielfalt an

Einsatzmöglichkeiten. Die computergestützte Messdatenerfassung gehört dabei zu den

wichtigsten Anwendungsbereichen in den Naturwissenschaften, speziell in der Chemie. Die

Kiste 4 bietet die Möglichkeit drei alltägliche Schulversuche kennen zu lernen, bei denen der

Einsatz von Computer und Messsensoren im Fokus stehen. Weiterhin liefert die Kiste einen

direkten Vergleich zwischen den beiden führenden Softwareanbietern in Deutschland, PHYWE

und LD DIDACTIC. Denn der Lehreralltag dreht sich nicht nur darum, ob und wann der

Computer zum Einsatz kommt, sondern auch darum, welche Messsensoren und dazugehörige

Software benötigt werden. Da die Schule die Aufgabe hat, die notwendigen Grundlagen der

Medienkompetenz zu lehren, werden neben dem Einsatz dieser Softwareprogramme auch

Microsoft Office Excel und Word Anwendung finden.

Möchte man Messwerte mit dem Computer verarbeiten, besteht prinzipiell immer die

Möglichkeit, die Messdaten manuell einzugeben. Allerdings gibt es Experimente, bei denen

sehr viele Daten in sehr kurzer Zeit anfallen, sodass ein manuelles Erfassen der Messdaten

umständlich, wenn nicht unmöglich wird. Als Lösung für dieses Problem bieten verschiedene

Hersteller Hardware und dazugehörige Software an, mit deren Hilfe Messdaten in Echtzeit

aufgenommen werden können.

In Deutschland gehören Phywe und LD DIDACTIC, auch LEYBOLD genannt, zu den

führenden Vertretern, die sich seit über 100 Jahren auf diesem Gebiet beweisen und bewähren.

Aktuell besteht der Unterschied zwischen diesen beiden Herstellern zum einen darin, dass

Phywe seine Produkte nicht nur für die schulische Ausbildung, sondern auch für

wissenschaftliche Forschung entwickelt, und zum andern, dass Phywe in seiner derzeitigen

Entwicklung, durch das Angebot von Wireless-Geräten, moderner und schulkompatibler ist. Das

Wireless erleichtert die Integration von computergestütztem Experimentieren in den Unterricht,

da man unabhängiger von der Anzahl und der Verortung der Computer wird. Beide Hersteller

bieten für die naturwissenschaftlichen Fächer Chemie, Physik, Biologie und Geographie von der

Sekundarstufe I bis zur Sekundarstufe II unterschiedlichste Lehrmittel an, von Geräten und

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Messsensoren für Experimente über komplett ausgearbeitete Versuchsanleitungen mit

Durchführung, Beobachtung und Auswertung.

Phywe und LD DIDACTIC bieten beide modulare Systeme an. Modulares System bedeutet,

dass der Computer mit einem Basismodul entweder durch ein USB-Kabel oder durch Wireless

verbunden wird. Das Basismodul, auch Interface-Modul genannt, dient zur Messdatenerfassung

von Sensormesswerten und der Übertragung dieser an den Computer. An das Basismodul wird

wiederum das benötigte Messsensor angeschlossen. Die Bedienung beider Systeme erfolgt

durch "Plug and Play", da das Basismodul sowie das Messmodul automatisch erkannt werden

und sofort verschiedenste Einstellungen, abhängig vom Messmodul, gewählt werden können.

Die Messaufnahmen können manuell (durch Tastendruck) oder automatisch (durch eine

bestimmte Voreinstellung) erfolgen. Desweiteren besteht die Möglichkeit, Messdaten und/oder

Diagramme zu exportieren und in andere Auswertungsprogramme zu importieren.

Wichtig! Beide Software-Programme müssen durch regelmäßige Updates im Internet

aktualisiert werden. Falls die Fehlermeldung erscheint, dass das Messmodul nicht erkannt

werden kann, ist ein neues Update fällig!

Phywe

Cobra4 ist die Software von Phywe zur Aufnahme und Auswertung der Messdaten aller Geräte

mit ausführlicher, integrierter Hilfe und vielen vorbereiteten Versuchsanleitungen.

Abbildung 1 Screenshot des Messdatenfensters von Cobra 4

1)Navigatorfenster

2) Messfenster

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Der Screenshot zeigt das Messaufnahme-Programm, welches aus dem Navigatorfenster und

Messfenster besteht. Drückt man in der Symbolleiste auf , gelangt man automatisch in das

Measure-Programm, in dem die aufgezeichneten Graphen ausgewertet und bearbeitet werden

können. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, durch einen Klick auf in der Symbolleiste

vom Measure-Programm wieder zurück in das Messaufnahme-Programm zugelangen.

1) Navigatorfenster:

Das Navigatorfenster zeigt automatisch alle Sensoren und deren Zustand (aktiv oder

inaktiv) an. Durch Doppelklick auf die einzelnen Sensoren können sowohl Zustand als

auch Parameter geändert werden.

2) Messfenster

Im Messfenster können die Messwerte der einzelnen Parameter nicht nur digital, sondern

auch analog angezeigt werden. Desweiteren werden für jeden Parameter die Messwerte

direkt in Form eines Graphen aufgezeichnet. Während der Messung können alle

Änderungen im Navigatorfenster vorgenommen werden.

Geräte: Cobra4 USB-Link (Interface)

Das Basismodul dient zur Messdatenerfassung von Sensormesswerten und Übertragung dieser an den Computer.

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Cobra4 Sensor-Unit pH mit BNC-Anschluss

Die Cobra4 Sensor-Unit pH dient speziell pH-Messaufnahmen.

Dieser Sensor besitzt zwei Bindungsstellen. Über den BNC-Anschluss wird er mit einer pH-Elektrode verbunden und die Unterseite dient der Verbindung zum USB-Link.

Cobra4 Sensor-Unit Conductivity+

Die Cobra4 Sensor-Unit Conductivity+ dient speziell der Leitfähigkeits-und Temperatur-Messaufnahmen.

Dieser Sensor besitzt zwei Bindungsstellen. Über die fünfpolige Diodenbuchse wird er mit einer Leitfähigkeitselektrode verbunden und die Unterseite dient der Verbindung zum USB-Link.

Cobra4 Drop Counter

Der Drop Counter erfüllt die Aufgabe des Tropfenzählens, wodurch das zugetropfte Volumen ermittelt wird. Dies erfolgt über eine Lichtschranke.

Hinweis! Falls die Lichtschranke nass wird, muss sie gut mit destilliertem Wasser gespült werden und 24h trocknen.

Der Drop Counter bietet die Möglichkeit, die Einheit der X-Achse von der vorgegebenen Zeitkomponente auf das Volumen umzustellen.

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Leitfähigkeits-Messelektrode

Die Leitfähigkeitselektrode muss mit der Schutzkappe oder einem mit destilliertem Wasser gefüllten Aufbewahrungsgefäßgelagert werden.

pH-Elektrode

Die pH-Elektrode muss in einem mit 3 M KCL gefüllten Aufbewahrungsgefäß gelagert werden.

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LD DIDACTIC

Cassy Lab 2 ist die Software von LD DIDACTIC zur Aufnahme und Auswertung der

Messdaten aller Geräte mit ausführlicher, integrierter Hilfe und vielen vorbereiteten

Versuchsanleitungen. Anders als bei Cobra4 von Phywe findet die Messaufnahme und

Messauswertung in einem Programm statt. Im linken Fenster werden die Messdaten

aufgezeichnet, in der Mitte erfolgt die Auftragung des Graphen und das rechte Fenster dient

letztendlich der Änderung von Einstellungen sowie der Auswertungsmöglichkeiten für die

aufgenommenen Diagramme.

Abbildung 2 Screenshot der Software Cassy Lab 2

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Tabelle 1 Geräte und passende Beschriftung verändert nach LD DIDACTIC

Pocket-Cassy (Interface)

Das Basismodul dient zur Messdatenerfassung von Sensormesswerten und Übertragung dieser an den Computer/Laptop.

Eintauchphotometer

Das Eintauchphotometer, welches im engeren Sinn ein Kolorimeter ist, wird bei der Messung von Transmission, Extinktion und Konzentration verwendet. Daraus leiten sich auch Messungen zur Kinetik ab, indem diese Messgrößen zeitlich verfolgt werden. Diskrete Wellenlängen können gemessen werden: LEDs 455-520-558-612-696 nm

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4.1 Leitfähigkeitstitration Einführung in den Versuch

Die Leitfähigkeitstitration ist die wichtigste konduktometrische Methode, bei der

Ionenreaktionen zur Endpunktsindikation gemessen werden.

Im klassischen Chemieunterricht wird meistens mit Hilfe eines Farbindikators auf den Endpunkt

bzw. den Neutralpunkt titriert, ohne dabei andere Messgrößen zu beobachten. Dabei wird mit

dem Indikator der Äquivalenzpunkt visualisiert, ohne dass man dabei Messdaten aufnehmen

muss. Außer Acht gelassen wird häufig die Leitfähigkeit, was insofern schade ist, als diese

Größe mehr Auskunft darüber gibt, was chemisch gesehen im Messgefäß passiert. Durch die

Zugabe eines Titers lässt sich nämlich nicht nur die Anzahl und Art der Ionen (Neutralisations-

und Fällungsreaktion) im Messgefäß beobachten, sondern auch deren Beweglichkeit. Dies hat

zur Folge, dass eine verschiedene Leitfähigkeit gemessen werden kann. Das Minimum der

Leitfähigkeit entspricht dem Äquivalenzpunkt. Über die Beziehung

kann die Ausgangskonzentration der zu bestimmenden Flüssigkeit ausgerechnet werden. Der

Schnittpunkt der idealen Kurvenäste beschreibt den Verbrauch an Maßlösung bis zum

Äquivalenzpunkt.

Leitfähigkeitsmessung findet im Alltag häufig Anwendung im Bereich der

Reinheitsüberprüfung von Trink-und Brauchwasser oder aber auch in der Bestimmung von

Konzentrationen in Sole- und Säurebädern.

Die Messdatenerfassung der Leitfähigkeit kann sowohl analog als auch digital geführt werden.

Die analoge Messdatenerfassung bietet sich vor allem an, wenn die zu fördernde Kompetenz im

exakten chemischen Experimentieren liegt oder wenn die Ausrüstung mit Messgeräten nur ein

Demoexperiment zulässt. Der große Nachteil liegt in der zeitlichen Dimension der

Messdatenerfassung, da nach jeder einzelnen Titerzugabe der Wert einzeln abgelesen und

notiert werden muss. Die digitale Messdatenerfassung zeichnet Messdaten in kurzen

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Zeitintervallen auf und überführt diese automatisch in ein Diagramm, das mit Hilfe der Software

analysiert werden kann.

Bei diesem Versuch handelt es sich um die Veränderung der Leitfähigkeit während einer Säure-

Base-Titration. Dazu gilt es die Messwerte der Leitfähigkeitstitration im Teil a) von einer

starken Säure mit einer starken Base und im Teil b) von einer schwachen Säure mit einer starken

Base graphisch darzustellen sowie zu interpretieren.

Verwendete Geräte und Chemikalien

0,1 Mol Natronlauge H-Sätze: 290 P-Sätze: 234 -390

Salzsäure unbekannter Konzentration H-Sätze: 290 P-Sätze: 234 -390 Essigsäure unbekannter Konzentration H-Sätze: 226-314 P-Sätze: -

2 Cobra4 USB-Link 1 Cobra4 Sensor-Uni Conductivity+ 1 USB-Kabel 1 Cobra4 Aufsteller 1 Leitfähigkeitselektrode 1 Cobra4 Sensor-Unit Drop Counter, Tropfen- zähler 1 Stativ 2 Doppelmuffe 1 Doppelmuffe mit Ring 1 Stativklammer 1Magnetrührer + Rührfisch 1 Messzylinder (100ml) 3 Bechergläser (250ml) 1 Perfusor 1 Spritze mit Kanüle

Phenolphthalein-Lösung H-Sätze: 341-350-361f P-Sätze: 281-201-308+P313

48

Versuchsaufbau

Abbildung 3 Versuchsaufbau zur Leitfähigkeitstitration (eigenes Foto)

Vorbereitende Arbeit

1. Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß der Abbildung 3.

2. Der Laptop wird gestartet. Das Passwort lautet: ich

3. Die Cobra4 Sensor-Unit Conductivity+ sowie den Cobra4 Drop Counter auf je einen

Cobra4 USB-Links stecken und diese am Stativ befestigen. (Der Drop Counter mit dem

Punkt nach oben befestigen!)

4. Die Leitfähigkeitselektrode wird an die Cobra4 Sensor-Unit Conductivity+

angeschlossen und in eine der runden Aussparungen des Drop Counters gesteckt. (vgl.

Abb.3)

5. Die Cobra4 USB-Links mit je einem USB-Kabel am Laptop anschließen.

6. Die Software „measure” wird gestartet, wodurch im Navigator-Fenster die

Leitfähigkeitselektrode und der Drop Counter automatisch erkannt werden.

7. Es öffnet sich das Fenster ,Drop Counter Übersicht‘. Hier wird ,bekanntes

Titrationsvolumen‘ ausgewählt und mit ,OK‘ bestätigt. Im Messbereich wird nun ein

virtueller Kanal angezeigt.

8. Die Muffe mit Ring wird über dem Drop Counter am Stativ befestigt.

9. Die Spritze des Perfusors blasenfrei mit ca. 40ml 0,1M NaOH aufziehen und in den

Perfusor einspannen.

49

10. Der Ausgang der Kanüle wird über die Muffe mit Ring eingehängt, so dass sie sich

direkt über der Lichtschranke befindet.

11. Um zu überprüfen, ob der Tropfenzähler sauber durch das Loch tropft, wird ein Testlauf

gestartet. Dazu wird das Becherglas untergestellt, aus dem die Natronlauge für die

Spritze gezogen wurde.

12. Die Zutropfgeschwindigkeit wird am Perfusor auf 99 ml/h eingestellt.

13. Aus diesem Wert ist zu berechnen, wie groß das Tropfenvolumen ist.

Jetzt heißt es Tropfen zählen: Dazu hängt man die Kanüle in ein leeres Becherglas und

startet den Perfusor. Sobald der erste Tropen ins Becherglas tropft, wird dreimal exakt

eine Minute lang gemessen und nach jeder Minute die gezählte Tropfenzahl notiert.

Daraus bildet man den Mittelwert und rundet ihn sinnvoll. Nun kann aus Mittelwert und

Zutropfgeschwindigkeit das Volumen pro Tropfen ausgerechnet werden.

14. So kann die Zeitkomponente, die vom Programm vorgegeben ist, umgangen und bei der

Auswertung direkt im Kurvenverlauf das Volumen ohne Umrechnung abgelesen werden.

Durchführung

a) Leitfähigkeitstitration einer starken Säure mit einer starken Base

In einem 250 ml Becherglas werden zu 100 ml destilliertem Wasser 10 ml (unbekannter

Konzentration) und ein Rührfisch hinzugegeben. Die Leitfähigkeitselektrode muss so in der

runden Aussparung des Drop Counters befestigt werden, dass die Elektrodenflächen komplett in

die Messlösung eintauchen. (Hinweis: Der Rührfisch darf nicht an die Leitfähigkeitselektrode

schlagen.) Zur Visualisierung des Umschlagpunktes gibt man 10-15 Tropfen der

Phenolphtalein-Lösung in das Becherglas. Der Magnetrührer sollte so eingestellt werden, dass

dabei kein Strudel an der Flüssigkeitsoberfläche entsteht. Der Perfusor wird gestartet.

Die Messung kann per Mausklick auf das Startsymbol in

der linken oberen Ecke des Fensters von measure gestartet

werden. Das Fenster ,Bevor der Messung Berechnung‘ geht

auf, in das das oben berechnete Volumen eines Tropfens

eingetragen wird. Dieses wird mit ,OK‘ bestätigt, bevor! der

erste Tropfen Natronlauge zu der Säure tropft. Abbildung 4 Screenshot verändert nach Phywe

50

Nach zehn Minuten wird die Messung

per Mausklick auf das Stoppsymbol

beendet und automatisch das Fenster

,weitere Datenbearbeitung‘ geöffnet.

Man wählt ,alle Messungen an

measure übertragen‘ aus und klickt

auf ,OK‘.

Graphische Auswertung

Nun erfolgt die Übertragung der Messwerte in das measure-Programm. Es werden zwei

Diagramme aufgerufen. Das Diagramm mit der X-Achsenbeschriftung ,Zeit in Sekunden´ wird

geschlossen. Das zweite Diagramm mit der x-Achsenbeschriftung ,Volumen pro Milliliter´ soll

hier bearbeitet und ausgewertet werden.

Um das Diagramm zu formatieren, ruft man durch Doppelklick auf einen Graphen im

Diagramm das Fenster ,Darstellungs-Optionen‘ auf. Im Drop-Down-Menü

,Messkanäle‘ wählt man die Leitfähigkeit aus. Der Darstellungsbereich für die Y-Achse sollte

sinnvoll angepasst sowie die Farbe, Symbole und Breite der Linie nach Belieben verändert

werden (siehe Abb.). Die Änderungen werden mit ,OK‘ bestätigt.

(Hinweis: Unter dem Reiter ,Messauswertung‘ in der Symbolleiste findet man die Option

,Glätten‘.) Die einzelnen Graphen werden in der Symbolleiste angezeigt.

Durch einen Klick auf die einzelnen Symbole können die Graphen ausgeblendet werden. Es soll

nur der Graph angezeigt werden, welcher der Auswertung dient.

Äquivalenzpunkt im Graphen beschriften

Abbildung 5 Screenshot verändert nach Phywe

51

Unter dem Reiter ,Messauswertung‘ in der Symbolleiste findet man die Option ,Extrema

anzeigen‘. Das Minimum muss vorerst

notiert werden, um es anschließend im

Graphen zu beschriften.

Beschriftung: Dazu klickt man in der

Symbolleiste auf . Jetzt wird exakt die

Stelle im Graphen angeklickt, welche

beschriftet werden soll. Im Fenster

,Beschriftungen´ kann unter

Beschriftungsoptionen der Äquivalenzpunkt

eingegeben sowie Typ, Symbol und Farbe

nach Belieben verändert werden (siehe Abb.). Die Änderungen werden mit ,OK‘ bestätigt.

Regression im Graphen beschriften

Dazu klickt man in der Symbolleiste auf . Die Regressionsfunktion zeigt die Steigung eines

Abschnittes an, wenn man die Markierungsvierecke vom Anfang des Graphen bis zum

Minimum platziert. Die Regressionsfunktion muss wieder notiert werden, um sie anschließend

im Graphen zu beschriften. Die Beschriftung erfolgt analog zum Äquivalenzpunkt. (Hinweis:

Für beide Äste des Graphen!)

Um abschließend einen Diagrammtitel hinzuzufügen, klickt man auf den Reiter ,Messung‘,

Abbildung 6 Screenshot verändert nach Phywe

Abbildung 7 Screenshot verändert nach Phywe

52

wählt ,Messwerte exportieren‘ an und setzt die Haken gemäß

Abbildung 8. Man öffnet nun MS Word und kann hier das

Diagramm einfügen. In MS Word bekommt das Diagramm einen

Titel und kann dann ausgedruckt werden (Hinweis: Wenn zu

dieser Kiste ein Protokoll geschrieben werden muss, empfiehlt es

sich, dass Word-Dokument auf einen USB-Stick zu übertragen).

b) Leitfähigkeitstitration einer schwachen Säure mit einer starken Base

Diese Messung und die graphische Auswertungen erfolgen analog zur Messung a), wobei

Essigsäure statt Salzsäure titriert wird. Allerdings können hier die Äquivalenzpunkte nicht

angezeigt werden, sondern müssen ausgerechnet werden. Die Beschriftung erfolgt dann wieder

analog zur Messung a).

Fragen zur Auswertung/Während des Praktikumstages:

Zu a) 1) Erläutern Sie den Verlauf der Graphen und argumentieren Sie unter Anderem mit der

Ionenschreibweise der Neutralisationsreaktion.

2)Berechnen Sie den Verbrauch an Maßlösung bis zum Äquivalenzpunkt.

3)Bestimmen Sie die Konzentration und den pH-Wert der Salzsäure vor der Reaktion.

4) Begründen Sie welche Steigungen zu erwarten wären, wenn NaOH mit HCl titriert

werden würde.

Zu b) 1) Erläutern Sie den Verlauf der Graphen und argumentieren Sie unter Anderem mit der

Ionenschreibweise der Neutralisationsreaktion.

2)Berechnen Sie die Äquivalenzpunkte.

3)Berechnen Sie den Verbrauch an Maßlösung bis zum Äquivalenzpunkt.

4)Bestimmen Sie die Konzentration und den pH-Wert der Essigsäure vor der

Reaktion.

Abbildung 8 Screenshot verändert nach Phywe

53

Graphische Auswertung (Alternative falls Drop Counter fehlerhaft Daten aufnimmt)

Nun erfolgt die Übertragung der Messwerte in das measure-Programm. Es werden zwei

Diagramme aufgerufen. Das Diagramm mit der X-Achsenbeschriftung ,Volumen pro Milliliter´

wird geschlossen, da die Werte fehlerhaft aufgenommen wurden. Das zweite Diagramm mit der

x-Achsenbeschriftung ,Zeit in Sekunden´ soll hier bearbeitet und ausgewertet werden. Es soll

nun eine alternative Graphenbearbeitung gezeigt werden, welche auch anwendbar ist, wenn kein

Drop-Counter zur Verfügung steht.

Um das Diagramm zu erhalten, exportiert man die Daten nach MS Excel, indem man in der

Kopfleiste von measure ,Messung‘ anwählt und im Drop Down Menü auf ,Messwerte

exportieren‘ klickt. In dem Fenster das sich öffnet wählt man als Ziel ,In

Zwischenablagekopieren‘, als Format ,Als Zahlenwerte exportieren‘ und dies mit ,OK‘ bestätigt.

Sind die Daten bei MS Excel eingefügt, fügt man eine dritte Spalte mit der Überschrift

,Volumen‘ zu und verrechnet die Zeitwerte mit dem Faktor, der sich aus der Perfusoreinstellung

ergbit, heruntergerechtnet auf ml/sek. Die Formel, soll die allgemeine Form haben

[=Faktor*(Zeitwert)]. Aus den Spalten der Leitfähigkeit und des Volumens wird nun ein

Diagramm als Typ ,Punkte nur mit Datenpunkten‘ erstellt.

Um die Steigungen der Diagrammäste zu erhalten, soll mit der rechten Maustaste ein beliebiger

Datenpunkt im Diagramm angeklickt werden. Den Befehl ,Trendlinie hinzufügen‘ wählt man im

angezeigten Drop-Down-Menü aus. Im Fenster, das sich geöffnet hat, soll der lineare

Regressionstyp ausgewählt und bei ,Formel im Diagramm anzeigen‘ ein Haken gesetzt sein.

Äquivalenzpunkt im Graphen beschriften

Unter dem (measure) Reiter ,Messauswertung‘ in der Symbolleiste findet man die Option

,Extrema anzeigen‘. Das Minimum muss vorerst notiert werden, um es anschließend im (MS

Excel) Graphen zu beschriften.

Die Koordinaten die notiert wurden werden ebenfalls verrechnet (s.o.), in Excel eingepflegt und

als extra Messreihe in das Diagramm eingefügt. Es ist darauf zu achten, dass das Symbol des

neuen Punktes deutlich zu erkennen sein.

Dem Diagramm werden Titel und Achsentitel zugefügt. Weiterhin kann das Diagramm nach

Belieben verfeinert werden.

54

(Hinweis 1: Unter dem Reiter ,Messauswertung‘ in der Symbolleiste findet man die Option

,Glätten‘.) Die einzelnen Graphen werden in der Symbolleiste angezeigt.

Durch einen Klick auf die einzelnen Symbole können die Graphen ausgeblendet werden. Es soll

nur der Graph angezeigt werden, welcher der Auswertung dient.

(Hinweis 2: Wenn zu dieser Kiste ein Protokoll geschrieben werden muss, empfiehlt es sich,

dass Word-Dokument auf einen USB-Stick zu übertragen).

4.2 pH-Wert-Messung (einer nucleophilen Substitution) Einführung in den Versuch

Der pH-Wert trifft quantitative Aussagen darüber, inwieweit ein (wässriges) System sauer,

neutral oder basisch ist. Zur Berechnung gilt

Allgemein spricht man bei pH = 7 von Neutralität. Dabei gilt

mit

Es gibt zwei Möglichkeiten, den pH-Wert eines Systems zu ermitteln, zum einen durch einen

geeigneten Farbindikator und zum anderen durch eine elektrochemische bzw. potentiometrische

Messung.

55

Die potentiometrische Messung liefert den exakteren Weg der pH-Bestimmung. Dazu bedient

man sich eines pH-Meters, welches aus einer

inneren Messelektrode und einer äußeren

Referenzelektrode aufgebaut ist (siehe Abb. 91). Die

in diesem Versuch verwendete Referenzelektrode

ist eine Ag/AgCl-Elektrode. Diese hat einen

konstanten Wert, im Gegensatz zur Messelektrode.

Die Messelektrode besitzt ein dynamisches

Potential, je nach pH-Wert der Probelösung. H+- und OH—-Ionen diffundieren in die

Quellschicht und sorgen innen an der Glasmembran für ein konstantes Potential. Dieses

Potential wird gegen das konstante Potential der Bezugselektrode gemessen, woraus sich dann

der pH-Wert errechnet.

Bei diesem Versuch handelt es sich um eine pH-Messung einer alkalischen Hydrolyse von tert.-

Butylbromid - eine nucleophile Substitution.

Verwendete Geräte und Chemikalien

1 URL: http://www.sartorius.de/fileadmin/fm-dam/sartorius_media/Mechatronics/Brochures/deutsch/BRO-ElektroAnalytik_Handbuch_Teil_2-d.pdf Stand: 19.07.2013

0,1 Mol Natronlauge H-Sätze: 290 P-Sätze: 234 -390

Ethanol H-Sätze: 225 P-Sätze: 210-233

1 Cobra4 USB-Link 1 Cobra4 Sensor-Unit pH 1 USB-Kabel 1 Cobra4 Aufsteller 1 pH-Elektrode 1 Stativ 1 Doppelmuffe 1 Stativklammer 1 Magnetrührer + Rührfisch 3 Bechergläser (50ml) 2 Bechergläser (100ml) 1 Becherglas (250ml) 2 Kolbenpipette (5ml) 1 Kolbenpipetten (1ml)

tert.-Butylbromid H-Sätze: 225 P-Sätze: 210-304+340-262-405

Abbildung 9 Querschnitt einer Einstabsmesskette

56

Versuchsaufbau

Vorbereitende Arbeit

1. Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß der Abbildung 10.

2. Die Cobra4 Sensor-Unit pH auf den Cobra4 USB-Link (aus Versuch 1) stecken und

diese am Stativ befestigen.

3. Die pH-Elektrode auf die Cobra4 Sensor-Unit pH stecken.

4. Den Cobra4 USB-Link mit dem USB-Kabel am Laptop anschließen.

5. Ethanol, Wasser und Natronlauge, entsprechend der ersten und zweiten Spalte der

Tabelle, in zwei Bechergläsern vorlegen und gut durchmischen. Spalte drei dient nur

theoretischer Überlegung (siehe Aufgabe 2). Tabelle 2 Vorlage der Bechergläser

Becherglas 1 2 3

Ethanol 21 ml 17 ml 20 ml

Wasser 1 ml 5 ml 2 ml

Natronlauge (0,1M) 1,5 ml 1,5 ml 1,5 ml

6. Die Elektrode wird, nachdem sie gut mit destilliertem Wasser abgespült wurde, am

Stativ mit einer Klammer befestigt und kalibriert.

Abbildung 10 Versuchsaufbau zur pH-Messung (eigenes Foto)

57

Kalibrierung: Für die Kalibrierung

der pH-Elektrode benötigt man zwei

unterschiedliche Lösungen

bekannter Konzentration, welche

möglichst unterschiedliche pH-

Werte besitzen. Bei diesem Versuch

stehen dazu eine 0,1 molare HCl

und eine 0,1 molare NaOH zur

Verfügung. Im Navigator-Fenster

wird durch einen Doppelklick auf

,pH/Potential pH‘ das Menüfenster

geöffnet. Es wird auf den Reiter

,Kalibrieren‘ geklickt, um die

Kalibrierung der pH-Elektrode

vorzunehmen (siehe Abb. 10). Die erste Messung erfolgt mit der 0,1 molaren HCl.

(Hinweis: Das Diaphragma der pH-Elektrode muss vollständig in die Messlösung

eintauchen.) Um die Messung zu beschleunigen wird die pH-Elektrode vorsichtig im

Glas hin und her geschwenkt. In das Eingabefeld ,Sollwert1‘ kann der pH-Wert 1

eingetragen werden, sobald der aktuelle Messwert konstant bleibt. Durch den Klick auf

,Anwenden‘ wird die Eingabe bestätigt und das untere Eingabefeld ,Sollwert2’wird

aktiviert. Die Elektrode wird zwischen den Messungen gründlich mit destilliertem

Wasser gespült. Die zweite Messung erfolgt mit der 0,1 molaren NaOH analog zur

ersten, wobei der pH-Wert hier 13 ist. Beendet wird die Kalibrierung durch Klick auf

,OK‘. Bevor die eigentliche Messung vorgenommen wird, muss die pH-Elektrode

gründlich mit destilliertem Wasser gespült werden.

Durchführung

Die erste Messwerterfassung startet, sobald 1,5

ml tert.-Butylbromid in das erste Becherglas

gegeben wird und endet, sobald der pH-Wert im

sauren Bereich (ca. pH=3) liegt. (Hinweis: Es

Abbildung 11 Screenshot verändert nach Phywe

Abbildung 12 Screenshot verändert nach Phywe

58

muss gut gerührt werden.) Nach dem Klick auf Stopp erscheint das Menüfenster ,weitere

Datenbearbeitung‘. Hier wählt man jetzt den dritten Punkt ,Messungen hinzufügen

(Wiederholungsmessung)‘ aus und klickt auf ,OK‘ (siehe Abb.12), damit die zweite Messungen

im selben Diagramm angezeigt wird. Die zweite Messwerterfassung erfolgt analog zur ersten.

Allerdings wählt man nun nach dem Ende der Messung ,alle Messungen an measure

übertragen‘.

Graphische Auswertung

Im Diagrammfenster können die Graphen bearbeitet und ausgewertet werden. Die Formatierung

erfolgt analog zum ersten Versuch.

Äquivalenzpunkte anzeigen lassen

Desweiteren lässt man sich die Äquivalenzpunkte anzeigen und klickt dazu erst auf den

jeweiligen Graphen, dann auf den Reiter ,Messauswertung‘ und wählt ,Äquivalentpunkt

bestimmen‘ aus. Das Programm kann allerdings immer nur einen Äquivalenzpunkt anzeigen.

Daher ist es notwendig, sich die Koordinaten für Zeit und pH-Wert zu notieren, um sie später in

Excel einzuzeichnen.

Das Diagramm in der aktuellen Ansicht zeigt, dass bei der Messung des zweiten Becherglases

ein abrupter Abfall auf null erfolgt. Dies wird vom Programm automatisch bei einer

vergleichenden Messung veranlasst, falls nicht gleich lang gemessen wird. Ab dem

Messungsende werden die Daten mit „Null“ aufgefüllt.

Um ein „sauberes“ Diagramm zu erhalten, exportiert man die

Daten nach MS Excel, indem man in der Kopfleiste von

measure ,Messung‘ anwählt und im Drop Down Menü auf

,Messwerte exportieren‘ klickt. In dem Fenster das sich öffnet

wählt man als Ziel ,In Zwischenablagekopieren‘, als Format

,Als Zahlenwerte exportieren‘ und dies mit ,OK‘ bestätigt.

Abbildung 13 Screenshot verändert nach Phywe

59

Sind die Daten nun bei MS Excel eingefügt, erstellt man aus ihnen ein Diagramm als Typ

,Punkte nur mit Datenpunkten‘. In der Spalte der schnelleren Reaktion werden alle Nullen

entfernt, was im Diagramm direkt aktualisiert wird.

Äquivalenzpunkte im Diagramm anzeigen lassen

Um die Äquivalenzpunkte gesondert im Diagramm einzuzeichnen, wird eine Datenreihe in

einer zusätzlichen Spalte erstellt.

Dazu werden die notierten Zeitkoordinaten sinnvoll auf glatte Sekunden gerundet. In einer

zusätzlichen Spalte werden den Zeitkoordinaten ihre y-Werte auf derselben Höhe zugeordnet.

Durch Rechtsklick im Diagrammbereich kann im Drop-Down-Menü ,Daten auswählen‘ gewählt

werden. Im sich öffnenden Fenster klickt man ,Hinzufügen‘ und gelangt in ein weiteres Fenster,

in dessen erstes Textfeld der Reihenname „Äquivalenzpunkte“ eingegeben wird. Als ,Werte der

Reihe X‘ markiert man die komplette Zeitspalte und für ,Werte der Reihe Y‘ die Spalte der

Äquivalenzpunkte. Mit ,OK‘ wird bestätigt.

Das Diagramm kann nun mit Titel, Legende und Achsenbeschriftung verfeinert werden. Um es

auszudrucken, verschiebt man das Diagramm in ein eigenes Datenblatt von Excel, indem mit

der rechten Maustaste auf das Diagramm geklickt und im dortigen Drop Down Menü

,Diagramm verschieben‘ ausgewählt wird.

Auswertung während des Praktikumstages

1) Interpretieren Sie die Ergebnisse und beziehen Sie sich dabei auf den Reaktionsmechanismus

und die Polarität des Lösungsmittels.

2) Begründen Sie wie der Kurvenverlauf sich ändert, wenn die Messung mit Becherglas 3

durchführen werden würde.

60

4.3 Eine photometrische Untersuchung der Kinetik

Einführung in den Versuch

Ziel dieses Versuches ist die zeitliche Verfolgung der Farbänderung eines

Triphenylmethanfarbstoffes mit Hilfe eines Eintauchphotometers. Der eingesetzte Farbstoff ist

Kristallviolett und wird mit Natronlauge entfärbt. Den Computer zur Messdatenerfassung und

Auswertung zu benutzen, ist hier sinnvoll, da per Hand keine ausreichend schnelle

Datenaufnahme erfolgen kann. Mit Unterstützung des Computers kann so bei relativ schnell

ablaufenden Reaktionen eine präzise Zeit-Umsatz-Kurve aufgenommen werden, die dann der

Untersuchung der Reaktionskinetik zur Verfügung steht.

Das hier benutzte Eintauchphotometer ist im engeren Sinne ein Kolorimeter, denn es arbeitet so,

dass von fünf diskreten Wellenlängen die Transmission gemessen werden kann. So erhält man

eine Veränderung der Transmission über die Zeit. Anders arbeiten Spektralphotometer, die für

die vorliegende Messung nur schlecht geeignet sind, da sie das ganze Lichtspektrum durch die

Probe strahlen und so ein Transmissionsspektrum aufgenommen wird.

Eintauchphotometer finden ihren täglichen Einsatz bei der kontinuierlichen Kontrolle von

Werten, wie der Kieselsäurekonzentration in Speisewasser oder auch bei der Analyse des Harns

oder des Blutzuckergehaltes. Häufig wird damit auch in der Abwassertechnik der Carbonhärte-,

Gesamthärte- und der Phosphatgehalt des Wassers ermittelt. Schaut man sich nun das

Reaktionsschema der Reaktion an, so lautet es:

Das kinetische Geschwindigkeitsgesetz für diese Reaktion hängt ab von der

Reaktionskonstanten k1, der Konzentration der Hydroxidionen und der des Kristallvioletts

(,Krist‘ abgekürzt):

Abbildung 14 Reaktionsschema verändert nach dem alten Skript

61

Da die Lauge hier im Konzentrationsüberschuss vorliegt, bleibt dieser in erster Näherung über

die Reaktionsdauer konstant. Somit setzt sich die Reaktionsgeschwindigkeit wie folgt

zusammen:

Der Exponent x steht für die Reaktionsordnung und bezieht sich ausschließlich auf die

Konzentration von Kristallviolett. Daher erhält man bei einem Laugenüberschuss eine

Reaktionskinetik 1.Ordnung (x=1). Integriert man diese Gleichung, so erhält man folgenden

Ausdruck:

Hierbei ist die Ausgangskonzentration der Kristallviolettlösung und

die Konzentration an Kristallviolett zur Zeit t.

Die Verfolgung der Reaktion mit einem Eintauchphotometer bietet sich hier sehr gut an, da die

Reaktionsgeschwindigkeit nur von einer Komponente, der Kristallviolettkonzentration, abhängt

und das Reaktionsprodukt eine Entfärbung zeigt. Man misst also die Transmission T (in

Prozent) und rechnet diese später per MS Excel in die Extinktion E um. Dazu gelten folgende

Zusammenhänge der beiden Größen:

und

Da die Konzentration an Kristallviolett direkt proportional zur Extinktion ist, kann sie in das

Geschwindigkeitsgesetz eingesetzt werden und man erhält:

In Excel soll später ln gegen t aufgetragen werden. Bei einer Reaktion erhält man dann eine

Gerade, deren Steigung –k ist.

62

Verwendete Geräte und Chemikalien

Versuchsaufbau

Abbildung 15 Versuchsaufbau zur photometrischen Untersuchung

0,5 Mol Natronlauge H-Sätze: 290-314 P-Sätze: 280-303+361+353-305+351+338-310

1 Eintauchphotometer und Interface

1 USB-Kabel 1 Stativ 1 Doppelmuffe 1 Stativklammer 2 Bechergläser (50ml) 1 Becherglas (100ml) 1 Becherglas (250ml)

Kristallviolett-Lösung H-Sätze: 302-318-351-410 P-Sätze: 281-273-305+351+338- 308+313

63

Vorbereitende Arbeiten

1. Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß der Abbildung 15.

2. Das Eintauchphotometer wird mit dem Interface zusammengesteckt und das Interface

über das USB-Kabel mit dem Laptop verbunden.

3. Die Software „CASSY LAB 2“

wird gestartet. Mit Doppelklick auf

das Interfacesymbol wird das

Messgerät aktiviert und man wird

automatisch weitergeleitet zur

Messoberfläche. (siehe Abb. 16)

4. Auf der rechten Seite des

Programms wird das Häkchen in der

oberen rechten Box bei Transmission 445 nm gesetzt (Wieso?).

5. Das Eintauchphotometer wird am Stativ befestigt und durch Eintauchen in eine 0,5M

NaOH und Drücken des ,100Prozent‘-Buttons geeicht.

6. Die Messzeit für diesen Versuch beträgt 600 Sekunden und das Messintervall wird auf

500ms eingestellt.

7. Um die Vielseitigkeit dieses

Computerprogrammes zu

unterstreichen, kann der Start dieser

Messung getriggert werden. Dazu setzt

man ein Häkchen bei Trigger, wodurch

in der Zeile zusätzlich Felder

erscheinen, in die eingetragen werden

kann, ab welchem Transmissionswert

die Messung automatisch gestartet

werden soll. Als Wert wird der benutzt,

der angezeigt wird, wenn das Eintauchphotometer nach der Eichung nicht mehr in die

Natronlauge eintaucht. Zu diesem Wert addiert man noch 2Prozent, sodass nicht durch

eine minimale Schwankung die Messung gestartet wird. Als letzte Triggereinstellung

muss die Richtung des Durchschreitens der Triggerschranke als ,steigend‘ definiert

werden. 8. Anschließend drückt man in der Symbolleiste auf ,Messzeit verbleibend‘.

Abbildung 16 Screenshot verändert nach LD DIDACTIC

Abbildung 17 Screenshot verändert nach LD DIDACTIC

64

Durchführung

Zur Bestimmung der Zeit-Umsatz-Kurve werden in je einem 50 ml Becherglas 30ml

Kristallviolettlösung und 30ml NaOH bereitgestellt. Das Eintauchphotometer wird so am Stativ

befestigt, dass es möglichst bodennah im 100 ml Becherglas hängt. Um die beiden Flüssigkeiten

verlustfrei im Becherglas zu vereinigen, wird das Eintauchphotometer soweit wie möglich an

den hinteren Rand des Becherglases gehängt.

Sobald die Flüssigkeiten vereinigt sind, verändert sich der Transmissionswert und die Messung

startet automatisch. Nach Ablauf der eingegebenen Messzeit stoppt die Messwertaufnahme auch

wieder automatisch.

In der Symbolleiste kann im Drop-Down-Menü

,Tabelle‘ der Reiter ,Tabelle kopieren‘ ausgewählt

werden und so alle Daten in MS Excel eingefügt

werden.

Graphische Auswertung

In diesem Teil des Versuchs soll das Ziel die graphische Auftragung der Werte sein, die zeigen,

dass hier eine Reaktion 1. Ordnung vorliegt. Aus dieser Auftragung kann anhand der Steigung

die Halbwertszeit ermittelt werden. Diese Kalkulation kann zeitsparend mit Excel nach

folgendem Muster durchgeführt werden.

Tabelle 3 Excel-Tabelle mit frei erfundenen Zahlenwerten

A B C D E

1 Zeit [s] T[Prozent] E ln(E)

2 1 40 =-LOG10(C2/100) =LN(D2)

3 2 61

4 3 75

5 4 84

6 5 92

7 6 97

kopieren kopieren

Abbildung 18 Screenshot verändert nach LD DIDACTIC

65

Sollten Werte dabei sein, die ab einem bestimmten Wert kontinuierlich wieder abfallen, werden

diese aus der Tabelle herausgenommen, da sonst die Regression verfälscht wird.

Es folgen die für diese Art der einfachen Kalkulation notwendigen Operationen als

Kurzanleitung:

Berechnung der Extinktion E:

Es wird in die Zelle D2,Extinktion‘ eingetragen und durch Tastendruck auf Enter bestätigt. In

Zelle D3 wird dann die Rechenoperation eingegeben. Dazu wird die Zelle angeklickt und durch

Drücken von F2 die Eingabe aktiviert. Nun wird eingegeben. Die

Division durch Hundert ist hier notwendig, um die Transmission von Prozent auf Hundertstel

umzurechnen. Um alle Werte der Spalte D zu berechnen, kann die Rechenoperation

vervielfältigt werden, indem die untere rechte Rahmenecke von D2 angeklickt wird und

gedrückt bleibt und bis zum letzten Wert herunter gezogen wird.

Für die Spalte E wird diese Vorschrift wiederholt, wobei als Spaltenname nun ln(E) und als

Rechenoperation eingetragen wird.

Erstellen eines ln(E)-Zeit-Diagramms:

Es werden die Spalten Zeit und ln(E) komplett markiert. Anschließend wird in der Kopfleiste

von Excel auf ,Einfügen‘ geklickt und unter ,Diagramme‘ der Reiter ,Punkt‘ gewählt. Danach

kann im Drop-Down-Menü ,Punkte nur mit Datenpunkten‘ angeklickt werden. Jetzt sind auf der

x-Achse die Zeitwerte abgetragen und auf der y-Achse die ln(E)-Werte. Das Diagramm kann

sinnvoll beschriftet und formatiert werden. Beschriftet wird durch Anklicken von ,Layout‘ , das

unter ,Diagrammtools‘ in der oberen Leiste zu finden ist.

Bestimmung der Steigung über lineare Regression:

Mit der rechten Maustaste soll ein beliebiger Datenpunkt im Diagramm angeklickt werden. Den

Befehl ,Trendlinie hinzufügen‘ wählt man im angezeigten Drop-Down-Menü aus. Im Fenster,

das sich geöffnet hat, soll der lineare Regressionstyp ausgewählt und bei ,Formel im Diagramm

anzeigen‘ ein Haken gesetzt sein.

=-LOG10(C2/100)

=LN(D2

66

Fragen während des Praktikumstages:

1) Bei der Reaktion in diesem Versuch reagieren zwei Edukte zu einem Produkt, es liegt

also eigentlich eine Reaktion zweiter Ordnung vor. Erklären Sie, wieso der

Kurvenverlauf dennoch dem einer Reaktion 1. Ordnung entspricht.

____________________________________________________________________________

67

5. Versuchsgruppe: Das Arbeiten mit Gasen – Redoxreaktionen _____________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste: Allg. 2 gebogene Glasröhrchen mit Düse 1 Tiegelzange (für Stahlflaschen) 1 Spatel 1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch 1 Schere zu 5.1 1 Becherglas (250 mL) 1 Glimmspan 1 Standzylinder zu 5.2 1 großes, breites Becherglas 1 treppenartig geknickter Blechstreifen 1 DC-Kammer 3 Teelichter (Kerzen) 1 Glasplatte zu 5.3 1 Vierhalskolben mit 2 Verbindungsstücken 2 Graphitelektroden mit Schraubverbindung 1 Waschflasche 1 Tropfpipette zu 5.4 1 Standzylinder mit Glasplatte 1 Stopfen für Standzylinder 1 Verbrennungslöffel 1 Gurkenglas 1 Draht zu 5.5 1 Quarzrohr mit durchbohrten Stopfen 1 gebogenes Glasrohr (mit Cu-Wolle) zu 5.6 2 Kolbenprober (100 mL), dazu passend 1 Reaktionsrohr; dazu passend: 1 Dreiwegehahn 2 durchbohrte Stopfen mit Glasrohrstücken

Chemikalien: zu 5.1/2 CO2-Flasche Magnesiumband Sand zu 5.3 Kupferspäne (oder Kupferdrahtnetz) zu 5.4 Schwefelpulver Stahlwolle Sauerstoffflasche Bromthymolblaulösung zu 5.5 CuO (oxidierte Kupferspäne) zu 5.6 0,1 M NaOH (Xi) wird bereitgestellt: 2 Stative 1 Hochspannungstransformator 4 Klammern mit Muffen (50 und 23000 Windungen) 2 kleine Klammern 1 Netzgerät (25 V; 12 A) 1 Vakuumschlauch 4 Kabel Gummi- oder PVC-Schläuche 1 kleine Vakuumpumpe 5.1 Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch Magnesium

68

Versuchsdurchführung: Zuerst stellt man einen langsamen Gasstrom von CO2 aus der Stahlflasche ein. Anschließend wird der Boden eines Standzylinders mit Sand bedeckt. Dann wird dieses Gefäß mit CO2 gefüllt und dabei mit einem brennenden Glimmspan der Füllstand kontrolliert. In den mit CO2 gefüllten Standzylinder wird ein am Bunsenbrenner entzündetes Magnesiumband (ca. 10 cm) mit der Tiegelzange eingeführt. Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Nennen Sie mindestens eine Fragestellung, die - als Thema einer Unterrichtsstunde - vom Lehrer aufgeworfen und die dann anhand des Versuchs untersucht und überprüft werden könnte. Welche Klassenstufe betrifft jeweils diese Fragestellung? Beantworten die von Ihnen gemachten Beobachtungen die vorgeschlagene Fragestellung ausreichend? 5.2 „Kerzentreppenversuch“ Versuchsdurchführung: (angelehnt an „HRR“, Versuch 22.4, S. 166) Auf einen treppenartig geknickten Blechstreifen, den man - wie abgebildet - in eine DC-Kammer führt, stellt man insgesamt drei Teelichter. In ein großes Becherglas wird CO2 aus der Stahlflasche eingeleitet. Dann „gießt“ man zügig das CO2 über der DC-Kammer an der Seite mit der am niedrigsten angebrachten Kerze aus, so dass die Kerzen der Reihe nach von unten nach oben erlöschen. Dabei soll ein Großteil der Becherglas-öffnung mit einer Glasplatte abgedeckt werden, damit das CO2 nicht zu großflächig ausströmt und alle drei Kerzen gleichzeitig löscht. Gegebenfalls muss man CO2 in das Becherglas zum Ausgießen nachfüllen. Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Schaffen Sie einige vor allem praktische Anwendungsbezüge dieses Experiments, die man in den Unterricht integrieren könnte. 5.3 Bildung von Stickoxiden Versuchsaufbau:

Magnesium

Kohlenstoff- dioxid

69

25 V / 12 A

Elektroden

Glaskolben

Trafo

Bromthymolblau-Lösung

Die Apparatur wird gemäß Abbildung aufgebaut (Die vier durchbohrten Stopfen werden durch zwei Verbindungsstücke aus Glas und zwei Schraubverbindungen an den Elektroden ersetzt.) Die in den Vierhalskolben hineinragenden Graphitelektroden sollen einen Abstand von ca. 1-2 mm aufweisen. Sie werden mit den Polen eines Hochspannungstransformators und diese mit einem Netzgerät zur Erzeugung von Wechselspannung (Symbol ~) verbunden. Mit Hilfe des Transformators (50 und 23000 Windungen, s. „Information“ unten) soll die Netzspannung auf ca. 5.000 V angehoben werden. In der Waschflasche befindet sich destilliertes Wasser, versetzt mit einigen Tropfen Bromthymolblau-Lösung. Die Lösung in der Waschflasche ist mit der bereitgestellten 0,1 M NaOH tropfenweise auf neutral (grüne Färbung) oder sehr schwach alkalisch (blaue Färbung) einzustellen; das verwendete destillierte Wasser ist nämlich gegebenenfalls schwach sauer. Versuchsdurchführung:

Vorsicht beim Umgang mit Hochspannung! Lebensgefahr! Gute Isolierung beachten! Niemals beide Elektroden gleichzeitig berühren! Erst einschalten, wenn die Apparatur voll-ständig aufgebaut ist! Unbedingt ausschalten, wenn Veränderungen vorgenommen werden! Die am Netzgerät regulierte Spannung wird langsam auf ca. 10 Volt erhöht, bis ein kräftiger Funkenstrom überschlägt (bei der erzeugten Hochspannung). Wenn sich die Kugel mit braunem Gas gefüllt hat, wird abgeschaltet und erst danach die Pumpe angestellt oder der Peleusball bedient, so dass ein leichter Gasstrom durch die Waschflasche hindurch erzeugt wird . Informationen zum Transformator: Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, einer Primärspule mit der Windungszahl N1 und einer Sekundärspule mit der Windungszahl N2, die entweder auf den Schenkeln eines einfach geschlossenen Eisenkerns oder auf dem mittleren Schenkel eines zweifach geschlossenen Eisenkerns sitzen. Legt man an die Primärspule eine Wechselspannung U1 an, so wird in der Sekundärspule eine Wechselspannung U2 induziert, für die die folgende Beziehung gilt:

1

2

1

2NN

UU

= .

Bei U1 = 10 V und den Windungszahlen 23000 und 50 beträgt also die erzeugte Hochspannung U2 1050

23000 ⋅= V ≈ 5.000 V. Diese Daten entsprechen dem im Schulversuchspraktikum verwendeten Transformator. Wie er

Pumpe oderPeleusball

70

über Kabel einerseits an die Spannungsquelle und andererseits an die Elektroden im Vierhalskolben angeschlossen wird, zeigen die folgenden Abbildungen: Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Für welche alltäglichen Prozesse steht dieses Experiment Modell? 5.4 Verbrennung in reinem Sauerstoff Versuchsdurchführung:

a) Schwefel: Den Versuch im Abzug durchführen! Den Stiel eines Verbrennungslöffels bohrt man durch die Mitte eines Korkstopfens, so dass sich damit ein Standzylinder verschließen lässt. Ein Standzylinder wird mit Sauerstoff gefüllt und mit einer Glasplatte verschlossen. Schwefelpulver wird in den Verbrennungslöffel gefüllt, an der Bunsenbrennerflamme entzündet und sofort in den Standzylinder eingeführt. Durch den Verschluss mit dem Korken lässt sich das Gemisch zur Demonstration der Reaktion kurzzeitig aus dem Abzug herausnehmen.

VOLT

24

64

4

Anschluss an die

Spannungs-quelle

Anschluss an die

Spannungs-quelle

Ansicht von oben

Ansicht von der Seite

A E

Anschluss an die Elektroden

des Vier- halskolbens

Anschluss an die Elektroden

des Vier- halskolbens

Diese Spule besteht aus 23000 Windungen

Diese Spule besteht aus 50 Windungen

Durch Anschluss der beiden Kabel an die linke untere Ecke und an die rechte obere Ecke wird der Transformator im obigen Experiment zu 100 % ausgenutzt. Würde man das obere Kabel tiefer stecken, so würde man die Netz-spannung entsprechend nicht so stark anheben.

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Nach Beendigung der Reaktion entfernt man den Verbrennungslöffel, gibt rasch etwas mit Bromthymolblau versetztes Wasser hinzu und verschließt mit der Glasplatte und schüttelt vorsichtig. Nach dem Versuch wird der Verbrennungslöffel unter dem Abzug durch Ausglühen von Schwefelresten gründlich gereinigt.

b) Eisen: Man führt ein Stück Draht durch das Loch des Schraubdeckels und befestigt etwas Stahlwolle am Draht. Die Stahlwolle wird am Bunsenbrenner entzündet und sofort in das mit Sauerstoff gefüllte Schraubdeckelglas (Boden mit Sand bedecken) gehalten, so dass dieses mit dem Deckel verschlossen ist.

5.5 Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff Versuchsdurchführung: Das Quarzrohr, gefüllt mit ca. 10 g oxidierten Kupferspänen, mit zwei Klammern an zwei Stativen befestigen. Am Ende des Reaktionsrohrs soll ein Gasableitungsröhrchen mit „Rückschlagsicherung (Kupfer)“ aufgesteckt werden. Der Gasfluss wird mithilfe eines mit Wasser gefüllten Becherglases überprüft. Der Wasserstoff wird nach Überprüfung des Gasflusses direkt an das Reaktionsrohr angeschlossen. An der Austrittsöffnung (A) wird nach zweimaligem negativem Ausfall der Knallgasprobe der Wasserstoff entzündet. Das Reaktionsrohr wird von links nach rechts erhitzt bis zur Rotglut. Bei weiter durchströmendem Wasserstoff das Reaktionsrohr abkühlen lassen, damit das entstandene Metall nicht sofort wieder oxidiert wird. Nach dem Abkühlen die Wasserstoffflamme löschen und Wasserstoffzufuhr abstellen. Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: An welcher Stelle im Unterricht könnte das Experiment integriert werden? Bewerten Sie das Experiment hinsichtlich der Einsatzfähigkeit im Unterricht. 5.6 Der Sauerstoffgehalt der Luft Versuchsaufbau:

3-Wege-Hahn

Quarzrohr mit Kupfer

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Versuchsdurchführung: Eine schulübliche "Luftanalyse“ benutzt Kolbenprober und Kupfer zur Bindung des Sauerstoffs bei erhöhter Temperatur. Machen Sie sich die Versuchsdurchführung anhand der Abbildung selbst klar: - Warum benötigt man zwei Kolbenprober? - Welche Funktion hat der an einer Seite des Reaktionsrohrs eingebaute Dreiwegehahn? - Warum wird das Reaktionsrohr erhitzt? Nach Versuchsende ergibt sich ein Messwert (1. Messwert) für den Sauerstoffgehalt, bei dem das tote Volumen der Apparatur als Fehler eingeht. Dieser Fehler wird völlig ausgeschlossen, wenn Sie folgendermaßen vorgehen: Lassen Sie hierzu nach dem Versuchsende, bei dem fast nur Stickstoff in der Apparatur vorliegt, diesen aus dem gefüllten Kolbenprober ab, und füllen Sie den Kolbenprober erneut mit genau 100 mL Luft. Danach wird das Reaktionsrohr noch einmal erhitzt. Die nach dem Abkühlen gemessene Volumenabnahme ist dann genau auf 100 mL Luft bezogen (2. Messwert). Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Vor allem in der Orientierungsstufe wird zur Bestimmung des Sauerstoffanteils der Luft der sogenannte „Lichterschiffversuch“ eingesetzt (vgl. „HRR“ Versuch 6.7, S. 72). In einer besser funktionierenden und schneller realisierten Variante befestigt man (mit flüssigem Wachs) in der Mitte einer Glaswanne eine Kerze, so dass sie aufrecht steht. Anschließend gibt man gefärbtes Wasser in die Glaswanne. Stülpt man einen Standzylinder (oder eine kleinere verschlossene Gaso-meterglocke mit Skalierung) über die Kerze, steigt der Wasserstand innerhalb des Gefäßes höher als außerhalb. Dabei füllt der erhöhte Wasserstand ziemlich genau 1/5 des Standzylinders aus. Beurteilen Sie abschließend, ob dieser Versuch als Ersatz oder als Ergänzung zu dem von Ihnen durchgeführten Versuch 5.4 geeignet ist oder ob Sie ihn überhaupt nicht einsetzen würden. Untermauern Sie Ihr Urteil mit Vorteilen und Schwachstellen (auch fachlicher Art) des Experiments. _____________________________________________________________________________ 6. Versuchsgruppe: Analyse und Synthese des Wassers _____________________________________________________________________________

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Geräte in der Kiste: zu 6.1 1 Hofmann’scher Zersetzungsapparat 1 Bunsenbrenner mit Gasschlauch 2 Reagenzgläser 1 Becherglas (400 mL) Glimmspäne 1 Trichter 1 Stoppuhr zu 6.2 2 Bechergläser ( 250 ml) 1 Stück eines Schwammtuchs 1 Stahlnetz 1 Nagel 1 Graphitelektrode 2 Krokodilklemmen 2 Kabel 1 Solarzelle mit Zubehör (Gestell, 2 Kabel) 1 niederohmiger Motor 2 kleine Klammern 1 Voltcraft M 818 B zu 6.3 3 Explosionsbüretten mit Platinelektroden 2 Glasrohrstücke (kapillar verengt) 3 Glaswannen 1 Zündfunkengeber 2 Bananenstecker zu 6.4 Luftballons lange Schnur 1 Kerze, an einem langen Zeigestab befestigt Chemikalien: zu 6.1 Schwefelsäure (30 %-ig), Xi zu 6.3 H2-Flasche, F O2-Flasche, O zu 6.4 [H2-Flasche aus 6.3] wird bereitgestellt: 1 Spannungsquelle 2 3 Stative 1 Ampèremeter 2 Klammern (groß) 1 Voltmeter 6 Klammern (klein) 1 Schutzscheibe 8 Muffen Gummi- oder PVC-Schläuche 5 Kabel

2 Als Spannungsquelle verwenden wir für die Elektrolyse von Wasser ein Gerät, welches variabel max. 60 Volt

Gleichspannung bei etwa 0,5 Ampère liefert.

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6.1 Die Elektrolyse von Wasser (Hofmann’scher Zersetzungsapparat) Versuchsdurchführung: Anstelle eines bei Elektrolysen häufig eingesetzten U-Rohres verwenden wir den Hofmann’schen Zersetzungsapparat (siehe Abbildung), der mit 30 %-iger Schwefelsäure als Elektrolyt befüllt wird. Hierzu öffnet man die Hähne der beiden Zersetzungsrohre und lässt durch die Kugel des mittleren Rohres langsam so viel Schwefelsäure einfließen, dass die beiden äußeren Schenkel bis in die Hähne gefüllt sind. Die Platinelektroden werden über ein Voltmeter und ein Amperemeter mit einer Spannungsquelle verbunden. a) die Zersetzungsspannung Die Spannung wird in 0,2 Volt-Schritten erhöht und jeweils die Stromstärke notiert. Nähern Sie sich dabei jedem 0,2-Volt-Schritt durch vorsichtiges Regulieren langsam von unten an, so dass der jeweilige Wert nicht kurzzeitig extrem überschritten wird. Nach dem Erreichen der Zersetzungsspannung (woran erkennbar?) wird die Messung mit der Aufnahme von drei weiteren Werten fortgesetzt. b) das Volumen der Gase

Für die weitere Elektrolyse wird nun konstant eine Spannung von etwa 20 V eingestellt und die zugehörige Stromstärke notiert. Während der Elektrolyse werden die Volumina der sich bildenden Gase zehn Minuten lang minütlich abgelesen. Danach wird weiter elektrolysiert, bis sich der Kathodenraum fast ganz gefüllt hat. c) Nachweise der Gase

„Knallgasprobe“: Das Gas, welches im Kathodenraum entsteht, wird durch die Knallgasprobe als Wasserstoff nachgewiesen. Man fängt dazu in einem Reagenzglas ca. 20 mL Gas auf und bringt sofort die Mündung des Reagenzglases senkrecht nach unten weisend an die Bunsenbrennerflamme. „Glimmspanprobe“: Im Anodenraum entsteht Sauerstoff. Man fängt ihn ebenfalls in einem Reagenzglas auf und führt rasch einen glimmenden Holzspan ein. Auswertung während des Praktikumstages: zu a) Tragen Sie die Messwerte per Hand graphisch auf (Stromstärke gegen Spannung), und diskutieren Sie den Verlauf kurz. Warum verwenden wir keine Natriumchloridlösung anstelle der Schwefelsäure? zu b)

Verhalten sich die Volumina der frei werdenden Gase wie 2:1?

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Formulieren Sie die „Hypothese von Avogadro“, und erklären Sie, warum sie erforderlich ist, wenn man aus dem Versuchsergebnis (etwa im Unterricht) die Formel des Wassers als H2O bestätigen möchte.

In der Sekundarstufe II kann man anhand der Abscheidungen beim Hofmannschen Zersetzungsapparat das erste Faradaysche Gesetz bestätigen und sowohl die Faraday- als auch die Avogadro-Konstante bestimmen:

Die Faraday-Konstante entspricht der Ladung (in Coulomb) von 1 mol elektrischer Elementarladungen. Bezüglich des Experiments gibt dies die Ladungsmenge Q an, die zur Abscheidung von 1 mol H+-Ionen (in Form von Wasserstoff) erforderlich sind.

Ermitteln Sie unter Berücksichtigung der registrierten Stromstärke denjenigen Wert für die Faraday-Konstante, den Ihr Experiment liefert (Literaturwert: 96500 C/mol; 1 C = 1 As).

Berechnen Sie schließlich unter Verwendung der Elementarladung e = 1,6 . 10−19 C auch die Avogadro-Konstante.

6.2 Die Solar-Wasserstofftechnologie im Modellexperiment Informieren Sie sich im Vorfeld über das Konzept der Solar-Wasserstofftechnologie! Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung: Mit nachfolgender Apparatur lässt sich die grundlegende Funktionsweise eines Elektrolyseurs und einer einfachen Brennstoffzelle darstellen. Die benötigte Spannung für die Elektrolyse von Kalilauge wird von einer Solarzelle erzeugt. Man hat mit diesem Versuch also ein simples Beispiel für regenerative und saubere Energiegewinnung ohne Ausstoß von CO2.

!Achtung: Die Platinnetzelektrode muss im Assistentenlabor ausgeliehen und nach Gebrauch unbedingt wieder dort abgegeben werden! Zur Durchführung wird die Solarzelle in die dafür vorgesehene Halterung gestellt und mit einer

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Lampe bestrahlt. Der Pluspol der Solarzelle wird nun mit der roten, schmalen Steckverbindung des gelben Kabels verbunden. Die schwarze, schmale Steckverbindung wird mit dem Minuspol verbunden. Die zweite Steckverbindung der gelben Kabel wird nun mit einem farblich passenden Kabel, also rot oder schwarz verbunden. Das Ende des roten Kabels wird nun in den V/Ώ-Eingang des Voltcraft M818B (gelbes Messgerät) und das schwarze Kabelende in den COM-Eingang gesteckt. Ist das Gerät eingeschaltet und das Voltcraft auf Spannungsmessung eingestellt, so sollte es nun eine Spannung zwischen 3 – 5,5 V anzeigen. Man steckt nun eine rote bzw. schwarze Krokodilklemme an die verbleibende Steckverbindung am Verbindungspunkt der beiden Kabel und spanne die jeweiligen Elektroden ein. In ein 250 ml Becherglas wird nun ein Stück Schwammtuch als Membran eingesetzt und wird mit 150 ml einer zuvor hergestellten ca. 0,1 molare Kaliumhydroxidlösung aufgefüllt (ca. 11g techn. KOH auf 200 ml dest. Wasser). Die bestückten Krokodilklemmen werden mit Hilfe des Stativs, der Doppelmuffen und den Klammern im vorbereiteten Becherglas platziert, sodass die Elektroden mindestens zu 1/3 in ihrer jeweiligen Kammer eintauchen. Sollte zu wenig Kaliumhydroxidlösung im Becherglas sein, kann jederzeit nachgefüllt werden. Versuch rote Klemme schwarze Klemme a) Graphitelektrode Nagel b) Platinnetz Stahlnetz Die Versuche a) und b) werden nun jeweils 5 min. laufen gelassen und dabei beobachtet. Die Spannung sollte dabei nie unter 1,8 V fallen. Eine Regulierung ist über den Abstand der Lampe zur Solarzelle möglich. Nach 5 min. werden die Steckverbindungen von der Solarzelle gelöst und die vorhandene max. Spannung notiert. Dann wird ebenfalls die Verbindung zum Voltmeter getrennt und die Steckverbindungen an den niederohmigen Motor angeschlossen. Man beobachte und vergleiche nun die Art und Dauer der Motorbewegungen. Auswertung während des Praktikumstages: Welche Gase entstehen an den jeweiligen Elektroden? Bei welchem Versuchsaufbau läuft der Motor gleichmäßiger und länger? Warum? In welche Unterrichtseinheiten könnte dieser Versuch eingebaut werden?

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6.3 Die Synthese des Wassers (Eudiometer) Versuchsanordnung und -durchführung: Drei dickwandige, einseitig geschlossene Glasröhren (Explosionsbüretten bzw. Eudiometer-rohre), die eine mL-Unterteilung haben, besitzen eingeschmolzene Platinstifte. Die Röhren werden mit Wasser gefüllt und tauchen mit der Öffnung nach unten mindestens 10 cm tief in je eine pneumatische Glaswanne. Bei der Versuchsdurchführung ist unbedingt zu beachten:

Die Eudiometerrohre werden zweifach mit Klammern, die fest angezogen werden müssen, an Stativen befestigt!

Schutzscheibe oder Abzug ist zu verwenden! Alle Anwesenden tragen eine Schutzbrille!

Damit die Gase rein genug sind, müssen die Schlauchverbindungen vorher mit dem jeweiligen Gas gut gespült werden! Eine Sicherheitsflasche sollte bei der Gasentnahme entfallen.

Die Glasdüse sollte spitz ausgezogen und der Gasstrom nur schwach sein, damit kleine Gasblasen einzeln dosiert werden können. Lassen Sie sich beim Einfüllen der Gase Zeit!

Mit einer gebogenen Glasrohrdüse werden in die drei Eudiometerrohre (I) 4 mL, (II) 6 mL und (III) 8 mL Wasserstoff eingefüllt und die tatsächlich vorgelegten Mengen genau abgelesen. Genau abgelesene Volumina sind zur Interpretation des Versuchs viel wichtiger, als dass die angegebenen Werte genau erreicht werden. Danach gibt man in gleicher Reihenfolge (I) 6 mL, (II) 3 mL und (III) 2 mL Sauerstoff hinzu (Schlauch vorher spülen) und liest wieder genau ab. Nun werden die Buchsen der Platindrähte an den Zündfunkengeber angeschlossen und dieser durch Drücken aufgeladen. Wenn die Zündung nicht erfolgt, so dürfen die Kontakte auf keinen Fall berührt werden! Unter heftiger Explosion erfolgt die Zündung des Knallgasgemisches. Dabei darf kein Gas unten aus dem Eudiometerrohr entweichen. Wenn das geschieht, ist das Eudiometerrohr nicht tief genug eingetaucht worden. Nach der Reaktion werden die Restvolumina abgelesen. Auf die Nachweise der Restgase wird wegen der geringen Mengen verzichtet. Auswertung während des Praktikumstages: Welche Restvolumina sind, ausgehend von den tatsächlich eingefüllten Mengen, zu erwarten? Wie gut ist die Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis?

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6.4 Zünden eines Wasserstoffballons Versuchsdurchführung: Sicherheitshinweis: Warnen Sie alle Umstehenden, bevor Sie die Zündung vornehmen! Es wird einer Stelle des Experimentiertisches gearbeitet, an der sich rundum keine brennbaren Gegenstände oder Chemikalien befinden, da der Ballon mit großer Flamme verbrennt (alternativ: im Abzug). Man bläst einen Luftballon mit etwas Wasserstoff auf (Durchmesser ca. 15 cm), verknotet ihn und befestigt ihn mit einer dünnen Schnur am Tisch (z. B. an den Türgriffen des Unterschranks). Der Wasserstoffballon darf sich nicht zu nah an der Raumdecke befinden. Mit der an einem langen Zeigestab befestigten Kerze wird er entzündet. 1 Anwendung: Am 6. Mai 1937 ereignete sich ein folgenschweres Unglück: Das Luftschiff „Hindenburg“ war von Frankfurt aus zu einer 60-stündigen Fahrt über den Atlantik nach New York gestartet. Die Passagiere reisten darin so bequem wie auf einem Luxusdampfer, denn es war mit seinen 245 Metern mehr als zweimal so lang wie ein Fußballfeld. In seiner Hülle befanden sich beachtliche 200 Millionen Liter Wasserstoff. Zu der Zeit, als bereits der Landeplatz in Sicht kam, lag ein Gewitter über der Stadt. Kurz vor der Landung, beim Anflug auf den Ankermast, wurde eine Gaszelle undicht. Eine elektrostatische Aufladung der lackbeschichteten Außenhaut führte wahrscheinlich zu einer Funkenbildung, die den ausströmenden

1 Zur Steigerung des Effekts könnte man auch mehrere nebeneinander aufgereihte Luftballons aufhängen, so dass

eine optisch und akustisch gut wahrnehmbare kleine Kettenreaktion erfolgt.

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Wasserstoff zur Zündung brachte. Was dann geschah, schilderte ein Reporter in einer Live-Übertragung für den Rundfunk: „Der Zeppelin gleitet auf den Landemast zu. Die ersten Taue fallen zu Boden. Man kann von hier aus direkt in die Gondeln sehen. Die Passagiere stehen an den Fenstern und winken. Sie hatten eine gute Fahrt über den Ozean… Was ist das? Feuer! Das Schiff brennt! Von hinten kommen Flammen heraus, sie erfassen das ganze Schiff! Es ist schrecklich! Das ganze Schiff brennt! Man kann nicht helfen! Jetzt stürzt das Heck auf die Erde, es schlägt auf. Menschen springen heraus. Es ist eine furchtbare Katastrophe! Da kommen die ersten Ambulanzwagen. Das Schiff ist ein einziges Meer von Flammen. Es ist etwas Furchtbares passiert: Das herrliche Schiff ist nur noch ein Gerippe. Wie viele Menschen mögen darin umgekommen sein?...“ Innerhalb von 30 Sekunden stand das 245 m lange Luftschiff in Flammen. 32 Menschen starben, wie durch ein Wunder überlebten 62 Passagiere und Besatzungsmitglieder.

Ergänzungen zum Unterrichtseinsatz: Bringen Sie die Versuche der Versuchsgruppe 6 in eine mögliche unterrichtliche Reihenfolge zum Thema „Wasser“ in der neunten Jahrgangsstufe, bei dem u. a. „Wasserstoff als Energieträger“, „die chemische Formel von Wasser“ und „die Zweiatomigkeit einiger elementarer Gase“ behandelt werden sollen. Nennen Sie dazu Fragestellungen, die im Unterricht aufgeworfen werden können und die dann zu den vier Versuchen führen. Welche Versuche könnten dann ergänzt werden? Auf diese Weise sollen Sie ein kurzes Rahmenprogramm der genannten problemorientierten Unterrichtseinheit skizzieren. Die Sichtung von Schulbüchern kann hilfreich sein.

„Gestern haben wir den Unterschied zwischen Wasser und Wasserstoff kennen gelernt.“

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_________________________________________________________________________

7. Versuchsgruppe: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör _________________________________________________________________________ Geräte in der Kiste: zu 7.1 1 Luer Spritze (20ml) 1 Luer Spritze (5 ml) 1 Luer Spritze (1 ml) 3-Wege Hahn 1 Erlenmeyerkolben (100 ml) 1 Becherglas (100 ml) 1 kleiner Trichter 1 Glasflasche (100 ml) 1 Magnetrührer mit Kern 15 ml Vollpipette, Peleusball zu 7.2 1 Luer-Lock Spritze (30 ml) 1 Luer-Lock Spritze (60 ml) 1 Luer Spritze (5 ml) 3-Wege Hahn 2 Verbinder 1 Stoppuhr 1 Becherglas (50 ml) 1 Becherglas (50 ml) 1 Stopfen mit Bohrung und Kanüle 1 Dreifuß mit Ceranplatte (für 100ml Erlenmeyerkolben) 1 Bunsenbrenner 1 Luer-Lock Spritze (60 ml) 1 Luer Spritze (10 ml) 3-Wege Hahn 1 Messzylinder (10 ml) 1 Spatel zu 7.3 2 Luer-Lock Spritzen (30 ml) 1 Luer Spritze (5 ml) 2 Kombistopfen 1 Erlenmeyerkolben (200 ml) 1 Kolbenprober mit 3-Wege Hahn (50 ml) 1 Feststofftrichter 1 Schlauchstück (5 cm) 1 Verbindungsstück weiblich-weiblich zu 7.4 3 Luer Spritze (60 ml) 1 Luer Spritze (50 ml) 1 Hahnenbank (5 Hähne) 1 Stopfen mit Doppelbohrung

1 doppelt gebogenes Glasrohr (für 200 ml Erlenmeyerkolben) 1 Gummischlauch

Mörser mit Pistill zu 7.5 3 CO2-gefüllte Luer-Lock Spritzen 1 Lock Schlauch 2 Reagenzgläser 1 Reagenzglashalter

1 Reagenzglasklammer Chemikalien:

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zu 7.1 Phenolphtalein-Lösung, Natronplätzchen (C) kristal. Oxalsäure (Xn) zu 7.2 Natriumnitrit (O, T, N) Eisen(II)sulfat (Xn) konz. Salzsäure (C) Sauerstoff (O)

Eis Magnesiumband (F) 2 molare Salzsäure (Xi) zu 7.3 Kaliumpermanganat (O, Xn) konz. Salzsäure(C) Natriumthiosulfat pH-Papier zu 7.4 Brausetablette Phenolphtalein-Lösung 1 molare Natronlauge zu 7.5 Kalkwasser (Xi) Kohlenstoffdioxid Ausleihen: 2 Stative 2 Doppelmuffen 2 große Klammern 1 Bürette (25 ml) 1 Plastikschüssel 1 Stahlring

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Vorbemerkung:

Im heutigen Schulalltag wird immer mehr Wert auf eine schüler-aktive, problemorientierte

Form des Unterrichtens gelegt. Eine mögliche Form Unterricht auf diese Weise zu gestalten ist

das forschend-entwickelnde Unterrichtsverfahren. Hierbei sollen die Schüler selbstständig ein

gegebenes Problem mit Hilfe von selbst erdachten Versuchen lösen können. Um diese Form von

Unterricht durchführen zu können, müssen Lehrer ein großes Repertoir an möglichst günstigen

Versuchen haben. Diese low-cost Versuche zeichnen sich durch eine finanziell günstige

Versuchsdurchführung, kostengünstige Versuchsaufbauten und Chemikalien aus. Versuche mit

medizintechnischem Zubehör gehören zu den low-cost Versuchen. Sie haben viele Vorteile, aber

auch Nachteile und Grenzen in ihrer Einsatzmöglichkeit. Die nachfolgenden Experimente sollen

eine Einführung in die Verwendung von Experimenten mit medizintechnischem Zubehör

darstellen.

7.1 Vergleich einer Bürettentitration mit einer Spritzentitration

Versuchsdurchführung 1. Bürettentitration: Die 25 ml Bürette wird am Stativ befestigt. In der 250 ml Glasflasche

wird eine 1 M Natronlauge angesetzt, welche auch für nachfolgende Versuche zur Verfügung

stehen soll. Mit Hilfe des Trichters wird die Bürette mit 1 M Natronlauge zum Waschen befüllt.

Die Natronlauge wird im 100 ml Becherglas aufgefangen und kann verworfen werden. Die

Bürette wird nun für die Titration befüllt.

Als Titer dient eine Lösung aus 2,2 g Oxalsäure in 50 ml dest. Wasser, die in der 100 ml

Glasflasche angesetzt wird. Diese Lösung dient auch in nachfolgenden Versuchen als Titer.

Von der Titerlösung werden nun 15 ml in den 100 ml Erlenmeyerkolben überführt und mit drei

Tropfen Phenolphtaleinlösung versetzt. Die Lösung ist titrationsbereit. Zur besseren

Durchmischung der Titerlösung und der Titrationslösung während der Titration, wird der

Erlenmeyerkolben auf den Magnetrührer gestellt.

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2. Spritzentitration A: Die 5 ml Luer Spritze wird mit 1 M Natronlauge befüllt. 15 ml der

Titerlösung werden in den 100 ml Erlenmeyerkolben gegeben und mit 3 Tropfen

Phenolphtalein-Lösung versetzt. Auch dieser Erlenmeyerkolben wird zur besseren

Durchmischung der Lösungen während der Titration auf einen Magnetrührer gestellt. Die

Titration erfolgt nun mit der Spritze, welche immer wieder aufgefüllt werden kann.

3. Spritzentitration B: Die 20 ml Luer Spritze wird mit 1 M Natronlauge gefüllt und am Stativ

so eingespannt, dass die Spritze horizontal mit genügend Abstand zum Versuchstisch

festgehalten wird. Der 3-Wegehahn wird so an die Spritze angeschlossen, dass der

Drehverschluss des Lock-Systems nach unten zeigt. Die 1 ml Luer Spritze wird nun horizontal

an den Ausgang des 3-Wegehahns angeschlossen. Mit Hilfe des 3-Wegehahns kann nun die 1

ml Spritze entlüftet und das System befüllt werden. Überschüssige Natronlauge wird dabei mit

dem 100 ml Becherglas aufgefangen und verworfen. Ansatz und Aufbau der Titerlösung erfolgt

wie im vorhergehenden Versuch.

7.2.1 Beeinflussung des Gleichgewichts NO/NO2

Versuchsdurchführung Die beiden Luer-Lock Spritzen (60ml) werden mit den Verbindern bestückt. Die 30 ml Spritze

wird mit Sauerstoff aus der Gasflasche gespült, befüllt und mit dem 3-Wege Hahn verschlossen.

In den 100 ml Erlenmeyerkolben werden 4 g Eisen(II)sulfat eingewogen und mit 5 ml konz.

Salzsäure im Abzug erhitzt.

Im 50 ml Becherglas werden 1 g Natriumnitrit in 7 ml dest. Wasser gelöst und in die 5 ml

Spritze aufgezogen.

Die folgenden Arbeitsgänge müssen im Abzug durchgeführt werden. Der 100 ml

Erlenmeyerkolben wird nun mit dem Stopfen (mit Bohrung und Kanüle) verschlossen. Auf die

Kanüle wird die 5 ml Spritze mit der Natriumnitritlösung aufgesteckt, in die Bohrung wird die

60 ml Luer-Lock Spritze mit dem Verbinder eingeführt.

Nun wird langsam die Natriumnitritlösung eingespritzt, bis in der 60 ml Spritze 30 ml

hellbraunes NO enthalten ist. Achtung: Durch die Gasentwicklung entsteht ein Druck auf dem

Gefäß. Der Gummistopfen muss mit der Hand gesichert werden.

60

Die Spritze wird nun vom Verbinder gelöst und zügig auf den 3-Wege Hahn geschraubt. Der

Sauerstoff wird nun vollständig in die NO-gefüllte Spritze überführt und der 3-Wege Hahn

geschlossen, sodass kein Gas mehr aus der gefüllten Spritze austreten kann.

Dann werden folgende Versuche durchgeführt:

a) Der Stempel der Spritze wird in die Spritze hinein gedrückt, dass ein merklicher

Überdruck entsteht, bzw. soweit herausgezogen, dass ein Unterdruck entsteht. Notiere

die Beobachtung.

b) Die Spritze wird in eine Plastikwanne mit Eiswasser gelegt und gut mit Eis bedeckt.

Nach zwei Minuten wird beobachtet und Versuch a) mit der kalten Spritze wiederholt.

c) Die Spritze wird für 20 sec. unter heißes Wasser aus dem Hahn gehalten, beobachtet und

Versuch a) mit der heißen Spritze wiederholt.

7.2.2 Reaktion von Magnesium mit Salzsäure - Konzentrationsabhängigkeit

Versuchsdurchführung In die 60 ml Luer-Lock Spritze wird ein zusammengefaltetes 4 cm langes Stück

Magnesiumband gegeben. Am Stativ wird die Luer-Lock Spritze so befestigt, dass der Auslauf

der Spritze nach unten zeigt. An der Spritze wird nun ein 3-Wegehahn befestigt.

Mit Hilfe des Messzylinders werden folgende Verdünnungen der 2 M Salzsäure hintereinander

herstellt

a) 3 ml 2 M HCl mit dest. Wasser auf 10 ml aufgefüllt

b) 5 ml 2 M HCl mit dest. Wasser auf 10 ml aufgefüllt

c) reine 2 M Salzsäure

und in das 50 ml Becherglas gegeben, um die 10 ml Spritze einfacher befüllen zu können.

In den folgenden Versuchen sollen je 9 ml der unterschiedlich konzentrierten Salzsäuren zu

immer einem neuen Stück Magnesiumband gegeben werden. Zu messen ist die Zeit, die

benötigt wird, 40 ml des entstehenden Gases aufzufangen.

61

7.3 Versuche rund um Chlor

7.3.1 Darstellung von Chlor

Versuchsdurchführung 2 g Kaliumpermanganat werden in den 100 ml Erlenmeyerkolben eingewogen. Der

Erlenmeyerkolben wird mit einem Stopfen (mit Bohrung und Kanüle) verschlossen.

Anschließend werden im Abzug ca. 10 ml der konz. Salzsäure in ein Becherglas gegeben und in

eine 5 ml Spritze aufgezogen. Die Spritze wird auf die Kanüle gesteckt. Die 30ml Luer-Lock

Spritze wird nun mit dem Verbinder zusammengeschraubt und in die Bohrung des 100 ml

Erlenmeyerkolbens gesteckt.

Im 200 ml Erlenmeyerkolben werden 10 g Natriumthiosulfat in reichlich dest. Wasser gelöst.

Die Thiosulfatlösung dient zur Reduktion von überschüssigem Chlor.

Der nachfolgende Versuchsteil muss im Abzug stattfinden, da elementares Chlor dargestellt

wird! Über die Spritze wird nun langsam die konz. Salzsäure auf das Kaliumpermanganat

gespritzt. Der Stopfen sollte dabei gut mit der Hand gesichert werden, da ein Überdruck im

Gefäß entsteht.

Für die nachfolgenden Versuche sollen zwei 30 ml Luer-Lock Spritzen mit Chlorgas befüllt

werden.

7.3.2 Bleichen mit Chlor

Versuchsdurchführung 2 bis 3 cm des pH-Papiers werden mit dest. Wasser angefeuchtet und auf den Boden der 30 ml

Luer-Lock Spritze gelegt. Die Spritze wird entleert und mit Hilfe des weiblich-weiblichen

Verbindungsstücks mit der Chlorspritze verbunden. Das Chlor wird nun in die Spritze mit dem

pH-Papier gespritzt und 1 Minute beobachtet.

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7.4 Analyse einer Brausetablette Versuchsdurchführung:

2,5 g der gemörserten Brausetablette

werden in den 200 ml Erlenmeyerkolben

gegeben. Danach wird dieser mit dem

Stopfen verschlossen und mithilfe des

Stahlrings am Stativ gesichert.

In das 50 ml Becherglas wird dest. Wasser

gefüllt und 25 ml mit der 60 ml Spritze

aufgezogen. Danach wird die Spritze in eine

Bohrung des Stopfens gesteckt.

In die zweite Bohrung wird nun der doppelt

gebogene Glasstab gesteckt. Die zweite

Seite des Glasstabs wird nun über einen

Gummischlauch mit der Hahnenbank

verbunden, welche zuvor mit einem

Verbinder ausgestattet wurde.

An drei der fünf 3-Wege Hähne wird nun jeweils eine 60 ml Luer-Lock Spritze angebracht. Die

3-Wege Hähne werden nun so gestellt, dass der erste Hahn zur Spritze hin geöffnet wird. Die 3-

Wegehähne ohne Spritzen werden so geöffnet, dass ein Zustrom des entstehenden Gases zu

anderen Spritzen möglich ist, aber kein Gas nach außen entweichen kann. Ist die erste Spritze

mit Gas befüllt, so kann der nächste 3-Wege Hahn geöffnet werden, sodass die nächste Spritze

für den Gasauffang zur Verfügung steht. Das Endvolumen wird notiert, sobald keine

Gasentwicklung mehr feststellbar ist und der Erlenmeyerkolben mehrfach geschüttelt wurde.

Das entstandene CO2 wird für den nächsten Versuch (8.5) benötigt (Verschluss der Spritzen

durch die 3-Wege Hähne).

Der Erlenmeyerkolben wird nun aus der Sicherung gelöst und der Stopfen entfernt.

Anschließend wird die Flüssigkeit kurz auf dem Dreifuß erhitzt. Die Flüssigkeit soll nicht

kochen! Das entweichende Gas wird hin und wieder aus der Flüssigkeit herausgeschüttelt.

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Anschließend werden 5 Tropfen Phenolphtaleinlösung hinzu gegeben und die Flüssigkeit bis

zum Umschlag des Indikators (von farblos nach pink) mit einer 1 M NaOH-Lösung, welche in

die 5 ml Spritze aufgezogen wurde, titriert. Der Magnetrührer hilft bei der Vermischung der

Lösungen. Der Volumenverbrauch der NaOH-Lösung wird notiert.

Auswertung während des Praktikumstages

Berechnen Sie den Massenanteil von Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat in 1,5 g einer

Brausetablette.

7.5 Der Kalkkreislauf im Kleinen

Versuchsdurchführung Im Messzylinder werden je 2 ml Kalkwasser mit 2 ml dest. Wasser gemischt und in die beiden

Reagenzgläser gegeben.

Nun wird der Lock-Schlauch auf die CO2-gefüllte Spritze gedreht und das Ende des Schlauchs

im verdünnten Kalkwasser platziert. Dann wird solange Gas durch die Flüssigkeit gespritzt, bis

ein weißer Niederschlag zu beobachten ist.

Auch das zweite Reagenzglas wird nun mit Kohlenstoffdioxid gefüllt. Hierzu werden immer 5

ml des Gases durch die Flüssigkeit gedrückt und das Reagenzglas danach kurz und heftig

geschüttelt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis nach dem Auftreten des weißen

Niederschlags eine weitere deutliche Reaktion im Reagenzglas zu sehen ist.

Danach wird das Reagenzglas solange mit der Reagenzglasklammer über dem Bunsenbrenner

erhitzt, bis das gesamte Wasser verdampft ist.

ACHTUNG! Nach jedem Versuchsende müssen alle benutzten Geräte gründlich mit

Wasser gereinigt werden!

Auswertung während des Praktikumstages

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1. Erläutern Sie praktische Anwendungsbezüge für die Integration der einzelnen

Experimente in den Unterricht. Gehen Sie dabei auf mögliche Unterrichtseinheiten ein,

innerhalb derer die Experimente eingesetzt werden könnten.

2. Erstellen Sie eine schülergerechte Auswertung zu den Versuchen in 8.2 und geben Sie

mögliche operationalisierte Feinlernziele an.

3. Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der durchgeführten Spritzenversuche!

Anhang:

Abb. 1: Spritzen 1 bis 20 ml

Abb. 2: Luer-Lock Spritzen 30 ml, 50 ml

Abb. 3: Spritze 50 ml

Abb. 4: 3-Wege Hahn

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Abb. 5: orangefarbener Kombistopfen,

transparenter Verbinder

Abb. 6: Kanüle mit Kappe

Abb. 7: Hahnenbank mit fünf 3-Wege Hähnen

Abb. 8:Verbindungsstück weiblich/weiblich

Abb. 9: Heidelberger Verlängerung (Lock-

Schlauch)

Abb. 10: Schlauch für Spritze (50 ml)