Bedeutung des Kohlenstoffdioxids (CO 2 ) - Photosynthese im naturwissenschaftlichen Unterricht

Lernziele

Die Zusammenhänge von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der Photosynthese sind sehr komplex, es soll aber schon früh damit begonnen werden, diese zu vermitteln. So wird die Wichtigkeit der Pflanzen für unser Leben und das Zusammenwirken der Lebewesen in der Natur deutlich.

Kohlenstoffdioxid als Bestandteil der Luft ist - wie alle gasförmigen Stoffe - für Schüler_innen ein abstraktes Konzept. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, werden erst (altersabhängig) die Begriffe Ausatem- und Einatemluft verwendet. Anschließend werden diese durch Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff ergänzt, später ersetzt. In der Folge werden dann die chemischen Formeln verwendet, um die Photosynthese zu beschreiben. So kann der Kreislauf von O2 und CO2 zwischen Pflanze und Tier (Mensch) aufbauend erklärt und so leichter verstanden werden.

Ausatemluft (CO2) und Einatemluft (O2) Fragen:

Was essen Pflanzen? Wie produzieren Pflanzen ihre Nahrung?

Gibt es einen Unterschied zwischen der Luft, die wir einatmen und der Luft, die wir ausatmen?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• Teelicht oder kleine Kerze

• Zündhölzer oder Feuerzeug

• Großes Glas (je größer und höher das Glas desto besser der Effekt)

• 2 Strohhalme

• Plastilin

• Stoppuhr

Fachwissen und Hintergrundinformation:

Eine Kerze braucht zum Brennen Sauerstoff (Einatemluft), die Flamme erlischt, wenn der Sauerstoff verbraucht ist. Wird Sauerstoff mit Kohlenstoffdioxid ersetzt, indem Ausatemluft zur Kerze geblasen wird (ein Strohhalm zum Einblasen der Luft, durch den anderen entweicht die im Glas vorhandene Luft), erlischt die Flamme.

Schülerperspektive:

Dass eine Kerze zum Brennen genauso wie der Mensch zum Atmen Sauerstoff (Einatemluft) braucht, wird von Schüler_innen oft als sehr interessant erlebt.

Durchführung:

• Eine Kerze wird angezündet, unter ein Glas gestellt und die Zeit gestoppt, bis sie ausgeht

• Diskussion: Warum erlischt die Kerze?

• Eine Kerze wird angezündet und unter ein Glas gestellt, das auf einem Sockel aus Plastilin steht, in das zwei Strohhalme hineingesteckt wurden.

• Tief einatmen und in einen Strohhalm langsam Luft einblasen, Zeit stoppen

• Erlischt die Kerze jetzt schneller?

• Diskussion: Warum erlischt die Kerze?

Beobachtung:

Die Kerze erlischt nach einiger Zeit unter dem Glas. Wird Luft eingeblasen erlischt die Kerze schneller.

Ergebnissicherung:

Text „Erklärung“ abschreiben und dazu ein Bild über den Zusammenhang von Einatemluft und Ausatemluft zeichnen.

Erklärung:

Es gibt eine Einatemluft und eine Ausatemluft. Der Mensch braucht Sauerstoff („Einatemluft“) zum Leben, genauso wie die Kerze diesen zum Brennen braucht. Unsere „Ausatemluft“

(enthält Kohlenstoffdioxid) bringt die Kerze zum Erlöschen, der Mensch würde daran ersticken. Die Pflanze aber nimmt die „Ausatemluft“, um im Zuge der Photosynthese daraus mit Hilfe von Sonnenlicht und Wasser ihre Nahrung aufzubauen, dabei produziert sie Sauerstoff (unsere „Einatemluft“).

Quelle:

"Zum Verstehen kommen" - Naturwissenschaftliches Lernen und Sprache (Kernbichler et al.

2008)

Nachweis von CO2 in der Ausatemluft - Kalkwasserprobe Fragen:

Was atmen wir ein? Was atmen wir aus? Kann das CO2 (Kohlenstoffdioxid) in der Ausatemluft nachgewiesen werden?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• 0,2 g Calciumhydroxid - Ca(OH)2

• 100 mL destilliertes Wasser

• 2 Erlenmeyerkolben

• Trichter

• Papierfilter

• Trinkhalm und darauf passenden Gummischlauch (z.B. aus dem Aquarium Handel) ODER für indirekte Methode Luftballon, Röhrchen und Gummischlauch

Durchführung:

• 0,2 g Calciumhydroxid werden in 100 mL destilliertem Wasser im Erlenmeyerkolben gelöst

• Lösung durch den Filter (Trichter mit Filterpapier) in den zweiten Erlenmeyerkolben leeren

• Unter Beachtung der Sicherheitshinweise (nicht Einatmen!) wird mit einem Trinkhalm (oder indirekt mit einem Luftballon und Röhrchen) Ausatemluft in das klare Kalkwasser übertragen

Beobachtung:

Durch das Hineinblasen von Ausatemluft wird die klare Lösung milchig weiß.

Fachwissen und Hintergrundinformation:

Die Kalkwasserprobe ist eine Reaktion um Kohlenstoffdioxid (CO2) - oder Calciumhydroxid (Ca(OH)2) - nachzuweisen. So kann festgestellt werden, dass Kohlenstoffdioxid in der Atemluft vorhanden ist.

Lernziele:

Die Schüler_innen sollen die Nachweisprobe für CO2 kennenlernen. Weiterführend soll der Zusammenhang zwischen CO2 Abgabe und O2 Aufnahme bei der menschlichen Atmung und der CO2 Aufnahme und O2 Abgabe während der Photosynthese der Pflanzen verdeutlicht werden.

Ergebnissicherung:

Aufschreiben: „Fachwissen und Hintergrundinformation”, für Oberstufe „Erklärung“.

Erklärung:

Durch Einblasen von Ausatemluft in das Kalkwasser wird dieses milchig trüb. Es ist also CO2 in der Ausatemluft vorhanden, das beim Hineinblasen der Ausatemluft in die Lösung eingeleitet wird. Calciumcarbonat fällt aus und trübt die Lösung, die dann milchig erscheint. Als Nebenprodukt der Reaktion entsteht Wasser:

Sicherheitshinweise:

Calciumhydroxid: reizend Quellen:

Biologie am Babelsberger Filmgymnasium: Pflanzenphysiologie - Photosynthese Teil 1 - Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff (Video-Kanal vom Fachbereich Biologie des Babelsberger Filmgymnasiums 2017); Fachportal chemie.de (LUMITOS AG 2021)

Bedeutung des Kohlenstoffdioxids - Kohlenstoffdioxidgehalt im Wasser Fragen:

Brauchen Pflanzen Kohlenstoffdioxids für die Photosynthese? Hat die Menge des Kohlenstoffdioxids einen Einfluss auf die Photosynthese?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• Leitungswasser, Mineralwasser und destilliertes (oder abgekochtes) Wasser

• Wasserpest Pflanzen (Elodea canadensis)

• 3 Reagenzgläser und Reagenzglasständer

• Permanentmarker oder Bleistift und Klebeband

• Sonnenlicht (Fenster) oder Pflanzenlampen

• Stoppuhr Durchführung:

• Beschriften und Befüllen von drei Reagenzgläsern: eines mit Leitungswasser, eines mit Mineralwasser und eines mit destilliertem Wasser

• Ein Pflänzchen Wasserpest wird in jedes der drei Reagenzgläser gegeben

• Belichten der Reagenzgläser

• Die aufsteigenden Gasbläschen werden gezählt und die Gasbläschen pro Minute protokolliert

Info:

In Gruppenarbeit mit drei Schüler_innen durchzuführen Beobachtung:

Der Kohlenstoffdioxidgehalt des Wassers wird durch die jeweilige Füllung des Reagenzglases mit Leitungswasser, Mineralwasser und abgekochtem Wasser variiert. Die Sauerstoffproduktion (Bläschenbildung) ist beim Mineralwasser am höchsten und beim destillierten Wasser am niedrigsten.

Ergebnissicherung:

Erstellen einer Excel Tabelle und eines Diagrammes mit den Ergebnissen.

Quellen:

Vom Schulversuch zum Forschenden Unterricht: Wissenschaftliches Arbeiten im Biologieunterricht am Beispiel der Photosynthese. Workshop zum BLK-Programm "Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts" (Mayer 2002)

CO2 Aufnahme durch die Spaltöffnungen

Vorkenntnisse:

Schüler_innen sollten bereits erste Kenntnisse im Mikroskopieren haben. Für jüngere Schüler_innen sollten die Blätter mit der Nagellackschicht bereits vorbereitet sein, dann muss die Schicht nur noch abgezogen und mikroskopiert werden.

Fragen:

Wie kommt CO2 in die Pflanze? Wie kommt der Sauerstoff aus der Pflanze heraus? Wie kann Wasser trotz wasserundurchlässiger Wachsschicht aus dem Blatt verdunsten?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• Blätter z.B. Efeu (Hedera helix), Funkien (Hosta sp.), Rhododendron, Steckrose (Althaea rosea), …

• Lichtmikroskop

• Objektträger

• Klarer Nagellack

• Klebestreifen (Tixo)

• Pinzette Durchführung:

• Blatt an der Unterseite mit farblosem Nagellack mehrfach betupfen und zwischendurch Trocknen lassen

• 5 Minuten warten, bis der Nagellack gut getrocknet ist

• Nach dem Aushärten ein Stück Klebestreifen auf den Lackfleck kleben und leicht andrücken

• Klebestreifen mit dem Lackabdruck vorsichtig vom Blatt abziehen und auf einen Objektträger kleben

• Funktioniert das nicht: Klebestreifen entfernen und mit der Pinzette den Lackfleck vorsichtig abziehen, auf einen Objektträger legen und mit einem zweiten Objektträger flachdrücken

• Mikroskopiere den Lackabdruck

• Was kannst du erkennen? Sind "Kaffeebohnen"-artige Öffnungen sichtbar? Diese Strukturen heißen Spaltöffnungen oder „Stomata“

• Wiederhole alle Schritte, mach diesmal aber den Lackfleck auf der Oberseite des Blattes

• Diskutiere, ob man einen Unterschied zwischen der Ober- und der Unterseite beobachten kann.

Beobachtung:

Spaltöffnungen werden vermehrt auf der Unterseite des Blattes gefunden.

Fachwissen und Hintergrundinformation:

Spaltöffnungen sind „Aussparungen“ in der Epidermis durch die CO2 in die Pflanze gelangt.

Ihr Öffnungszustand kann vom Blatt verändert werden und ist abhängig von der Wasserversorgung, der CO2-Konzentration im Blatt, vom Licht und von der Temperatur. Sie bestehen aus zwei Schließzellen und angrenzenden Nebenzellen.

Ergebnissicherung:

• Mikroskopieren der Abdrücke von der Blattober- und Blattunterseite

• Zeichnen und Beschriften (Stomata, Schließzellen, Nebenzellen) der Blattunterseite

• Zusatzaufgaben:

o Zeichnen und Beschriften der Blattoberseite

o Recherchiere im Internet die Aufgaben und Funktionsweise der Stomata Quelle:

Materialien und Ideen zum problemorientierten Biologieunterricht (Raschke 2007-2009), Strasburger – Lehrbuch der Botanik (Sitte et al. 2002)

Nachweis des CO2 Bedarfs der Photosynthese mittels Bromthymolblau Fragen:

Brauchen Pflanzen CO2 zur Photosynthese? Wie kann der CO2 Verbrauch während der Photosynthese nachgewiesen werden?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• Wasserpest (Elodea canadiensis)

• 3 Reagenzgläser und Reagenzglashalter

• Leitungswasser

• Trinkhalm mit Gummischlauch

• Bromthymolblau Indikator

• Papierindikator (pH Papier)

• Lichtquelle: Sonnenlicht oder Aquariumlampe, Pflanzenlampe, Halogenlampe, Overheadprojector (erzeugt allerdings zu viel Wärme und die Photosyntheserate sinkt nach einiger Zeit, kann aber mit einer grauen Folie reguliert werden), …

Durchführung:

• Reagenzgläser nummerieren und jeweils gleich hoch mit Leitungswasser füllen

• Messen des pH-Werts des Leitungswassers mit dem Papierindikator (außerhalb der Reagenzgläser!)

• Wenige Tropfen Bromthymol zusetzen, das Wasser färbt sich leicht blau

• 2 Reagenzgläser mit CO2 anreichern, indem durch den Schlauch am Trinkhalm Ausatemluft eingeblasen wird (erkennbar am Farbumschlag der Lösung nach grün-gelb)

• In eines der mit CO2 angereicherten Reagenzgläser wird Wasserpest gegeben und mit einer Lichtquelle bestrahlt

Ergebnissicherung:

Filme die Veränderungen in den drei Reagenzgläsern im Zeitraffer und protokolliere die Veränderungen ODER beobachte und protokolliere die Veränderungen

Beobachtung:

Der pH-Wert des Leitungswassers liegt normalerweise etwas über pH 7. Nach Zugabe des Bromthymols zum Leitungswasser färbt es sich blau. Nach Anreicherung mit CO2 färbt es sich grün-gelb. Nach Belichtung färbt sich das Reagenzglas mit der Wasserpest wieder blau.

Außerdem ist zu erkennen, dass Gasbläschen kontinuierlich aus den Blättern und Sprossachsen aufsteigen.

Fachwissen und Hintergrundinformation:

Bromthymolblau ist ein Indikator, der in einem engen Bereich zwischen 5,8 und 7,6 von gelb (sauer) nach blau (basisch) - im Übergang grün - umschlägt.

Lernziele:

Die Schüler_innen sollen mit pH-Messungen und Indikatoren vertraut gemacht werden.

Schüler_innen sollen erkenne, dass Pflanzen während der Photosynthese CO2 verbrauchen.

Erklärung:

Nach Anreicherung mit CO2 durch Einblasen von Ausatemluft, färbt sich das Wasser grünlich-gelb. Das liegt an der Löslichkeit von CO2 in Wasser, das dadurch sauer wird (Kohlenstoffdioxid und Wasser steht mit Kohlensäure im Gleichgewicht): CO2(g) + H2O(l) ↔ H2CO3(aq)

Nach der Belichtung färbt sich das Reagenzglas mit der Wasserpest wieder blau, der Grund ist die Photosynthese: Land- und Wasserpflanzen entnehmen der Luft, bzw. dem Wasser das CO2. Diese diffundiert durch die Zellen im Blattinneren zu den Chloroplasten und wird verstoffwechselt. Dem Wasser wird so CO2 entzogen, der pH-Wert steigt über 7,6 ins leicht basische und der Indikator wird blau. Somit kann nachgewiesen werden, dass Pflanzen Kohlenstoffdioxid in der Photosynthese verbrauchen.

Die Kohlensäure als solche und das gelöste Kohlenstoffdioxid liegen in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat (Bicarbonat, HCO3−) und Carbonat (CO32−) vor, die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zueinanderstehen. In Wasser liegt dieses Gleichgewicht auf der Seite des Kohlenstoffdioxids, es bildet sich nur wenige Hydrogencarbonationen. Werden die bei der Dissoziation gebildeten Oxoniumionen (H3O⁺) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH⁻) abgefangen, verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat. Wasserpflanzen nutzen auch das Hydrogencarbonat als Kohlenstoffquelle. Sie wandeln es mit dem Enzym Carboanhydrase in CO2 zurück.

Sicherheitshinweise:

Bromthymolblau: gesundheitsschädlich Quellen:

Biologie am Babelsberger Filmgymnasium: (Video-Kanal vom Fachbereich Biologie des Babelsberger Filmgymnasiums 2017), Strasburger – Lehrbuch der Botanik (Sitte et al. 2002), Fachportal chemie.de (LUMITOS AG 2021)

Wasseraufnahme

Pflanzen brauchen Wasser zum Wachsen - Helmonts Versuch Einleitung:

Der Arzt und Naturforscher Jan B. van Helmont (1577 – 1644), ein Schüler von Paracelsus, pflanzte eine Weide mit 2,25 kg in ein Gefäß mit 91 kg Erde und begoss sie täglich. Nach 5 Jahren stellte er fest, dass die Weide 77 kg wog, während die Erde nur 57 g verloren hatte.

Frage:

Welche Schlüsse hat Helmont aus dem Versuch gezogen?

Erklärung:

Van Helmont schloss aus dem Versuch, dass Pflanzen ihre Stoffmasse aus Wasser bilden.

Frage:

Ist dieser Schluss korrekt? Woher kommt die Zunahme des Gewichts von Pflanzen? Kann man die Hypothesen exemplarisch beweisen?

Materialien, Chemikalien, Geräte:

• 15 Plastikblumentöpfe (Ø 10 cm)

• Hobelspäne für Kleintierstreu

• Mindestens 30 Erbsen – am Vortag eingeweicht

• Waage

• Plastikschilder zum Kennzeichnen

• 3 Tabletts Vorbereitung:

Erbsen am Vortag einweichen; wenn möglich, über Nacht unter fließendem Wasser quellen lassen.

Durchführung:

• 30 Erbsen werden gewogen und das mittlere Gewicht einer Erbse notiert.

• Die Töpfe werden mit angefeuchteter Streu gefüllt und angedrückt

• je 2 Erbsen werden eingelegt und mit Streu etwa 0,5 cm hoch bedeckt

• Andrücken, gut gießen, sodass das Wasser durchläuft

• 5 Töpfe werden in volles Licht (Fensterbank), 5 Töpfe in Schwachlicht und 5 ins Dunkle gestellt

• Stülpe nach einer Woche vorsichtig die Töpfe um, entnimm die Pflanzen, spüle die Streu ab

• Alle Pflanzen werden gemessen (Länge der Sprossachse, Länge der Wurzel), gewogen und vorsichtig wieder eingesetzt

• Verwende eine Tabelle zum Eintragen der Messwerte

• Vergleiche die Werte und erläutere sie

• Wiederhole nach einer Woche Ergebnissicherung:

Protokollieren des Versuchs Lernziele:

Das 5jährige Wachstum von van Helmonts Weide soll modellhaft nachgeahmt werden.

Wichtig ist dabei die Bedeutung des Lichts. Die Forschungsfrage lautet: Wie groß ist das Wachstum von Keimlingen in starkem, in schwachem Licht, im Dunkeln?

Fachwissen und Hintergrundinformation:

Zu van Helmonts Zeit war weder die Rolle des Kohlenstoffdioxids der Luft noch die der Mineralsalze kannte, er zog den Schluss aus seiner Beobachtung, dass die Pflanzenmasse auf Kosten des Wassers entstanden sei, das er täglich der Weide zuführte. Diese Schlussfolgerung wurde bald angezweifelt und regte zu weiterer Forschung an.

Erkenntnisse:

Wiegen, Messen, Protokollieren, Erstellen einer Tabelle, Durchschnittsrechnung.

Anmerkung:

Dieser Versuch geht über 2 Wochen. Es bleibt Zeit für Auswertung, Durchführung und auch für den theoretischen Hintergrund. Mathematische Grundrechnungen können wiederholt werden (Durchschnittsrechnung). Der Versuch soll in Gruppenarbeit durchgeführt werden.

Quelle/n:

Im Dokument Photosynthese im naturwissenschaftlichen Unterricht (Seite 48-59)