Sauerstoffbildung – Nachweis mit Teelichtern
Materialien, Chemikalien, Geräte:
• 2 verschließbare Gläser (Marmeladengläser)
• 4 Teelichter
• Blätter (z.B. Efeuzweig)
• Lange Streichhölzer, Zünder oder Feuerzeug
• Sonnenlicht oder Pflanzenlampe Durchführung:
• In beide Gläser die umgedrehte Metallhülle eines Teelichtes legen und ein 2. Teelicht daraufstellen (man kann das Glas auch seitlich hinlegen, um mehr Platz für die Blätter zu haben)
• in ein Glas die Blätter (den Zweig) geben
• Beide Gläser in die Sonne (unter die Pflanzenlampe) stellen
• Kerzen in beiden Gläsern anzünden und schließen
• Nach einiger Zeit (15-20 Minuten) die Gläser aufmachen
• Die Kerzen wieder anzünden
• Beschreiben und interpretieren der Beobachtungen Beobachtung:
Nachdem die Gläser mit den brennenden Kerzen verschlossen wurden, gehen die Flammen aus. Nachdem die verschlossenen Gläser einige Zeit in der Sonne gestanden sind und versucht wird die Flamme wieder anzuzünden, kann beobachtet werden, dass sich nur die Kerze im Glas mit dem Efeuzweig wieder anzünden lässt.
Fachwissen und Hintergrundinformation:
Wenn eine Kerze verbrennt, verbraucht sie Sauerstoff (Einatemluft, O2) und es bildet sich Kohlenstoffdioxid (Ausatemluft, CO2). Wird das Glas geschlossen, sammelt sich Kohlenstoffdioxid im Glas. Kohlenstoffdioxid ist schwerer als Sauerstoff, es sammelt sich unten im Glas und wenn es die Flamme erreicht hat, geht die Kerze aus, kommt kein neuer Sauerstoff dazu, kann die Flamme auch nicht wieder angezündet werden.
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Lernziele:
Die Schüler_innen sollen erkennen, dass Sauerstoff für die Verbrennung wichtig ist. Sauerstoff wird bei der Verbrennung verbraucht, es entsteht Kohlenstoffdioxid. Pflanzen können die verbrauchte Luft (CO2) wieder in frische Luft (O2) umwandeln, die Kerze kann so wieder zum Brennen gebracht werden.
Ergebnissicherung:
Protokollieren des Versuchs Quelle:
Holz - Experimente: Die atmenden Blätter! Photosynthese anschaulich gezeigt (igel tv campus - pro:Holz Steiermark 2019)
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Nachweis der Sauerstoffabgabe - Bläschenzählmethode mit Wasserpest Art des Experiments:
• Vergleich von Pflanzen im Licht und Schatten
• Kombination mit den Experimenten „Abhängigkeit der Photosynthese von der Lichtintensität“ und „Nachweis der Sauerstoffbildung - Glimmspanprobe“
• Schauversuch zur Verdeutlichung der Theorie zur Sauerstofferzeugung Materialien, Chemikalien, Geräte:
• Schere, Rasierklinge oder Präparierschere (zur Vorbereitung)
• 2 Wasserpest Pflanzen (Elodea canadensis)
• 2 (Glas)trichter
• 2 Reagenzgläser
• 2 Bechergläser
• Leitungswasser
• Lichtquelle: Sonne, Pflanzen- oder Halogenlampe, Diaprojektor (event. mit Folie etwas verdunkeln, um nicht zu viel Wärme zu produzieren)
Vorbereitung:
• Wasserpest sammeln und im Wasser und unter Sonneneinstrahlung (oder entsprechendes Pflanzenlicht) bis zum Versuch lagern
• Stängel der Wasserpest-Pflanzen sauber und möglichst schräg abschneiden Fachwissen und Hintergrundinformation:
Die Wasserpest Elodea ist eine Unterwasserpflanze, die sich sehr leicht vermehren lässt (daher auch der Namesbestandteil "pest").
Durchführung:
• Bechergläser mit Wasser füllen
• Je eine Elodea Pflanze mit der abgeschnittenen Seite nach oben in den Glastrichter stecken
• Reagenzglas unter Wasser halten, bis es sich ganz mit Wasser füllt, dann umdrehen (Öffnung dabei immer unter Wasser halten, dann bleibt es gefüllt) und den Glastrichter – wie in Abb. 17 gezeigt – in das Reagenzglas stecken
• Ein Becherglas (mit Wasser, Wasserpest, Trichter und Reagenzglas) in eine abgedunkelte Ecke des Raums stellen
• Das andere Becherglas (mit Wasser, Wasserpest, Trichter und Reagenzglas) in die Sonne (oder andere intensive Lichtquelle) stellen
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• Wenn der Versuch gut verläuft (hängt von der Qualität der Wasserpest ab), kann man die pro Minute gebildeten Bläschen zählen, sonst nach einer bestimmten Zeit die Höhe der entstandenen Luftblase im Reagenzglas markieren, so kann später durch Einfüllen und Abmessen von Wasser das Volumen ermittelt werden.
Beobachtung:
Bei der Unterwasserpflanze Wasserpest bildet sich bei Bestrahlung mit Licht kleine Bläschen, die nach oben austreten und sich im Reagenzglas ansammeln. Dort verdrängen sie das Wasser, so dass sich langsam eine immer größer werdende Gasschicht (Luftblase) bildet. Bei Pflanzen ohne Bestrahlung kommt es zu keiner Gasbildung. Je mehr Lichteinstrahlung desto stärker ist die Gasbildung.
Um zu beweisen, dass es sich bei dem Gas um Sauerstoff handelt, kann im Anschluss der Versuch „Nachweis der Sauerstoffbildung - Glimmspanprobe“ durchgeführt werden.
Ergebnissicherung:
Die Schüler_innen protokollieren (im Heft) Versuchsaufbau,
Arbeitsanweisung und Durchführung. Werden die Versuche bei unterschiedlichen Lichtstärken durchgeführt, können diese gemessen werden (Fotometer) und entsprechende Diagramme (Lichtintensität gegen Sauerstoffproduktion auftragen) erstellt werden. In der Nachbesprechung sollte darauf eingegangen werden, dass die Sauerstoffproduktion nicht unendlich durch Lichteinstrahlung gesteigert werden kann, weil durch zu hohe Belichtung der Photosyntheseapparat geschädigt wird.
Lernziele:
Die Schüler_innen sollen sehen, wie durch Licht, in der Photosynthese Gas entsteht, aufsteigt und das Wasser aus dem Reagenzglas verdrängt.
Erkenntnisse und Erklärungen:
Mithilfe von Wasserpflanzen kann aufgezeigt werden, dass Pflanzen Licht für die Photosynthese brauchen. Das Licht regt die Wasserpest zur Photosynthese an. Dabei entsteht als gasförmiges Endprodukt Sauerstoff (O2), allerdings nur wenn ihr dazu Kohlenstoffdioxid (CO2) zur Verfügung steht. Im Wasser kommt CO2 als gelöstes Hydrogencarbonat vor:
H2O + CO2(Kohlenstoffdioxid) ↔ H2CO3(Kohlensäure) ↔ HCO3-(Hydrogencarbonat-Ion) + H+
Abb. 17: Bläschenzählmethode zur Bestimmung der Abhängigkeit der Photosyntheserate von der Lichtintensität
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Das im Wasser gelöste CO2 wird von der Pflanze verstoffwechselt und dabei Sauerstoff freigesetzt, der im Reagenzglas aufsteigt und dabei das Wasser verdrängt. Die Leistung der Photosynthese (wie viele Bläschen gebildet werden) ist abhängig von der Lichtintensität.
Anmerkung:
Verständnisprobleme könnten dadurch entstehen, dass Kohlenstoffdioxid nicht als Gas auftritt, sondern in gelöster Form als Hydrogencarbonat. Sind die Schüler_innen jünger, oder ist das Thema zu komplex für die Klasse, kann sich auch darauf beschränkt werden, Kohlenstoffdioxid als gelöst zu bezeichnen ähnlich dem Sauerstoff den Wasserlebewesen aufnehmen. Bei Mineralwasser kann die Kohlensäure als „gelöstes Kohlenstoffdioxid“
beschrieben werden.
Quellen:
Ulrich Helmichs Homepage – Biologie für den Distanzunterricht - Methode:
Bläschenzählmethode mit Wasserpest (Ulrich Helmich 2020); Beitrag zu NWA-Tag 2008, die
„Vier Elemente Feuer – Wasser – Luft – Erde“ (Bitzer et al. 2010); 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); Experiment „Die Photosynthese der Wasserpest“, Uni Göttingen (Bildungsserver Naturwissenschaften - Rheinland Pfalz 2021)
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Nachweis der Sauerstoffbildung - Glimmspanprobe
Materialien, Chemikalien, Geräte:
• Reagenzglas mit Sauerstoff aus vorangegangenen Versuchen, z.B. „Nachweis der Sauerstoffabgabe - Bläschenzählmethode mit Wasserpest“
• Glimmspan (Holzspieß, lange Zündhölzer, …)
• Feuerzeug Durchführung:
• Span (oder Streichholz) anzünden, kurz brennen lassen und auslöschen. Der Span soll noch glimmen
• Span in das Reagenzglas zum Sauerstoff halten
• Beschreibe was passiert Beobachtung:
Hält man den Glimmspan in das Reagenzglas, leuchtet er deutlich und hell auf. Bei hohen Sauerstoffkonzentrationen flammt er auf und brennt wieder.
Fachwissen und Hintergrundinformation:
Sauerstoff (O2) ist ein brandförderndes Gas. Hält man den glimmenden Holzspan in ein Gefäß mit Sauerstoff, so flammt er auf, bei höherer Konzentrationen von Sauerstoff brennt er auch wieder.
Lernziele:
Glimmspanprobe als Methode des Sauerstoffnachweises kennenlernen.
Ergebnissicherung:
Das Ergebnis diskutieren. Aufschreiben der Zusammenfassung „Fachwissen und Hintergrundinformation“.
Quelle:
Die Photosynthese der Wasserpest - Unterrichtsmaterialien Chemie, Uni Goettingen (Bildungsserver Naturwissenschaften - Rheinland Pfalz 2021)
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Priestley Versuch: Wirkung von Pflanzen auf Luft Durchführung:
• Fragen an die Schüler_innen:
o Versuche die Abbildungen (Abb. 18) zu beschreiben
o Welche Fragestellung oder Idee steckt hinter diesem Versuch?
o Versuche die Ergebnisse des Versuches zu erklären.
• Festhalten der Fragen und Antworten auf der Tafel
• Schüler_innen lesen „Fachwissen und Hintergrundinformation“ laut vor
• Diskussion des Gelesenen
Abb. 18: Priestley Versuch (Biorender.com 2021)
Fachwissen und Hintergrundinformation:
Josef Priestley (1733 – 1804) war ein englischer Geistlicher und Naturgelehrter. Er beschäftigte sich mit dem Aufbau der Luft, dem Unterschied zwischen „schlechter Luft“ und
„guter Luft“ und hatte „Atmungsversuche mit Mäusen“ durchgeführt. Er stellte fest, dass Mäuse in einer offenen Glasglocke leben können. Wenn diese jedoch verschlossen wird, werden sie nach kurzer Zeit ohnmächtig. Ja, sie sterben sogar, wenn man sie nicht rechtzeitig ins Freie holt. Ein einfacher Nachweis über die Qualität der Luft war, ob eine Kerze in den beiden Gläsern brennen konnte oder nicht, bei „guter Luft“ konnte sie brennen.
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In einer zweiten Versuchsserie fand Priestley heraus, dass eine grüne Pflanze in einer derart abgeschlossenen Glasglocke lange leben kann. Eine in die Glocke eingeführte Kerze brannte eine Zeitlang weiter – aber nur dann, wenn die Pflanze längere Zeit im Licht stand.
Er kam zu dem Schluss, dass Tiere anscheinend Luft verbrauchen, während Pflanzen dies (im Licht) nicht tun. Dies konnte er mit der Kerze beweisen. Pflanzen verbessern, die durch das Atmen der Tiere verdorbene Luft und machen sie damit neu zur Atmung fähig. Es gibt also einen Kreislauf der Luft zwischen Pflanzen und Tieren.
Heute wissen wir, dass die Pflanzen als Besonderheit ihrer Lebensweise, Sauerstoff (O2) abgeben und Kohlenstoffdioxid (CO2) benötigen, bei der Atmung der Tiere und damit des Menschen dagegen Sauerstoff aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben wird.
Ergebnissicherung:
Protokoll: zeichnen des Versuchsaufbaus, dazu die Punkte Material, Durchführung, Beobachtung und Interpretation formulieren:
Materialien, Chemikalien, Geräte:
- 2 gleich große Glasgefäße (kleines Aquarium)
‐ 4 Kerzen
‐ Stoppuhr
‐ eine Topfpflanze mit Blättern, die gut in den Glasbehälter passt.
‐ 1 Feuerzeug oder Streichholz
Durchführung:
….
Quellen:
Pflanzen verbessern die Luft – Photosynthese, Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Reutlingen (RS) Fach Biologie (Scheffczyk und Schuster 2010); Vom Schulversuch zum Forschenden Unterricht, Wissenschaftliches Arbeiten im Biologieunterricht am Beispiel der Photosynthese (Mayer 2002)
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