Thema 3: „Untersuchung der Sauerstoffdurchlässigkeit verschiedener Folien“

Denkstufen Aktivitäten in verschiedenen Denkphasen 3. Durchführung

eines Lösungs-vorschlages

E: Zersetzung sehr dünner Aluminiumschichten durch konz. Salzsäure (w=25%) und spätere Messung der Dicke der verbliebenen Kunststoff-schichten mit einer Mikrometerschraube (V 1.1)

E: Zersetzung der Aluminiumschichten von Kaugummifolie, Butter-wickler und Milchkarton mit konz. Salzsäure (w=25%) und pneumati-sches Auffangen des Wasserstoffs zur Ermittlung der Stoffportion an Aluminium (volumetrisch, V 1.3.2)

E: Zersetzung der Aluminiumschichten von Kaugummifolie, Butter-wickler mit verdünnter Salzsäure (c=2 mol/L) und Ermittlung der Alu-miniumionen-Konzentration durch ein komplexometrisches Verfahren mit EDTA (titrimetrisch, V 1.3.3)

E: Zersetzung der Aluminiumschichten von Kaugummifolie, Butter-wickler mit verdünnter Salzsäure (c=2 mol/L) und Ermittlung der Alu-miniumionen-Konzentration durch ein orientierendes Schnelltest-Verfahren (Merckoquant, V 1.3.1)

4. Abstraktion der gewonnenen Erkenntnisse

Gleichung der Reaktion von Metall mit Säure

Errechnung der Aluminiumportion aus der Wasserstoffportion (allge-meine Zustandsgleichung der Gase)

Komplexe Bindung der Aluminium-Ionen 5.

Wissenssiche-rung BE: Zerlegung eines Getränkekartons mit Hilfe von Toluol (V 2.7) Aluminiumschicht als Barriere gegen Sauerstoff- und Lichteintritt Aufbau und Herstellung einer Aluminiumfolie

Herstellung eines Getänkekartons mit Aluminiumschicht

Aufbringen einer sehr dünnen Aluminiumschicht auf eine Chipsfolie Wiederholung des Struktur-Eigenschaften-Prinzips (Metallgitter /

me-tallische Eigenschaften)

Am Anfang dieser als Demonstration geplanten Einführungsphase muss als Impuls und zur richtungsweisenden Motivation folgende Frage an die Lernenden gestellt werden: „Wie kann man den Sauerstoffgehalt in einer Apparatur und seine möglichen Veränderungen möglichst präzise ermitteln?“. Zunächst werden die Vorschläge und Anmerkungen gesammelt, dann stellt der Lehrer die direkte Frage nach den erforderlichen Bedingungen für eine störungsfreie Bestimmung des Sauerstoffgehaltes. Auch diese Vorschläge werden gesammelt, ohne sie zu-nächst weiter zu kommentieren.

Nun wird das „technische Gerät“, ein umgebauter Exsikkator vorgestellt, in welchem sich eine mit einem Widerstand von 80 Ω belastete Batterie befindet. Diese Zink-Luft-Battereie, eine Knopfzelle, ist das eigentliche chemische Kernstück der Apparatur. Die beiden Kabel bzw. Drähte werden durch die seitliche Öffnung nach außen geführt und dort mit einem Spannungsmessgerät bzw. einem entsprechenden Computerprogramm zur Datenspeicherung und Aufzeichnung verbunden. Der Ausführkanal der Kabel ist abgedichtet, wobei sich an der Seite dieses abführenden Glasrohres ein Hahn befindet, über welchen Stickstoff in die Appa-ratur eingeleitet werden kann. Der geschliffene Rand des Exsikkators wird zunächst mit Schlifffett bestrichen, woraufhin die zurechtgeschnittene Prüffolie aufgelegt wird. Diese wird durch einen extra angefertigten Messingring beschwert (Abb. 35, V 4.1.2).

Abb. 35: Umgebauter Exsikkator als Messapparatur zur Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeit von Prüffolien.

An Stelle des Glasdeckels wird der Messingring auf die Prüffolie gelegt. Im Inneren befindet sich die Plexiglas-platte mit Knopfzelle und 80 Ω –Widerstand. Der Spannungsabgriff an den beiden Drähten erfolgt mit Hilfe von Krokodilklemmen

Am Ende dieser Problemgewinnungsphase muss den Lernenden bewusst sein, dass die er-wähnte Prüfapparatur gasdicht sein muss, damit ein mögliches Eindringen von Sauerstoff ausschließlich durch die Fläche der ausgeschnittenen Prüffolie erfolgen kann. Dazu wird er-wähnt, dass Schlifffett als Dichtungsmittel verwendet wird. Es stellt sich nun die Frage, wie die Zink-Luft-Batterie funktioniert und wie man sie einsetzen muss, um den Sauerstoffgehalt und seine Veränderungen zu ermitteln.

Stufe 2:

Im Zentrum der „technischen Analyse“ steht die Funktionsweise der Zink-Luft-Batterie. Die zugehörigen chemischen Vorgänge lassen sich als Redoxgleichung darstellen:

Zn → Zn²⁺ + 2 e^– 4 e^– + O2 + 2 H2O → 4 OH^–

Bei ungehindertem Luftzutritt beträgt die Spannung ohne Belastung 1,4 V.

Stufe 3:

Das erste „Grundproblem“ besteht nun darin, einen Zusammenhang zwischen einer definier-ten Sauerstoffkonzentration und der Spannung der Zink-Luft-Batterie herzustellen. Hierzu müssen die Schülerinnen und Schüler informiert werden, dass sich nur bei Belastung der Bat-terie mit einem Widerstand von 80 Ω eine lineare Beziehung zwischen Batteriespannung und Sauerstoffgehalt ergibt. Es können nun Wertepaare zugeordnet werden, woraus sich folgende Eichkurve erstellen lässt (Abb. 36):

Abbildung 36: Eichkurve zur Sauerstoffkonzentration. Spannungsanstieg und Konzentrationsdifferenz des Sau-erstoffs verhalten sich zueinander proportional. (Die Eichkurve bezieht sich auf eine Belastung der Zink-Luft-Batterie mit 80 Ω, eine Temperatur von ca. 22°C und einen Luftdruck von rund 1 bar).

Spätestens an dieser Stelle, mit Blick auf die Eichkurve müssen die Schüler gefragt werden, wie man es schafft, einen niedrigen Sauerstoffgehalt bzw. einen Prüfraum sauerstofffrei zu erhalten. Folgende Vorschläge wären – als fragend-entwickelnde Zwischenphase - denkbar:

1. Man evakuiert die Apparatur.

2. Man leitet ein Gas ein, welches sauerstofffrei ist (Edelgas, Wasserstoff, Stickstoff, Koh-lenstoffdioxid).

Anschließend werden die Vorschläge auf ihre Sinnhaftigkeit hin überprüft.

1. Eine Evakuierung der Apparatur würde die Prüffolie auf Grund des entstehenden Unter-drucks zerstören.

2. Das Gas muss sauerstofffrei sein und darf nicht mit der Batterie und ihren Inhaltsstoffen reagieren. Diese Anforderung wird mit Sicherheit erfüllt von Edelgasen, Wasserstoff und Stickstoff. Kohlenstoffdioxid ist hingegen ungeeignet, da es mit den Hydroxid-Ionen des Elektrolyten reagiert und diese Ionen dann dem Gleichgewicht entzieht.

Schließlich bleibt zusammenzufassen, welches der genannten inerten Gase am sinnvollsten eingesetzt wird:

Wasserstoff diffundiert leicht und würde relativ schnell zu einem Unterdruck im Prüfgerät führen. Daher erscheint er wenig geeignet.

Das Edelgas Argon ist zwar geeignet, jedoch spricht der Kostenfaktor gegen eine Ver-wendung.

Die Wahl fällt daher auf Stickstoff, denn er verhält sich gegenüber der Batterie neutral und ist kostengünstig.

„Modellversuch“:

Stickstoff wird nun verwendet, um für den nachfolgenden „Modellversuch“ die Apparatur zu spülen. Mit diesem kurzen Demonstrationsexperiment soll den Schülern innerhalb einer Doppelstunde das Funktionieren der Apparatur nahe gebracht werden. Die beiden Drähte (Kabel) aus der Apparatur werden mit einem Voltmeter verbunden sowie mit dem PC, auf welchem ein entsprechendes Messprogramm verwendet wird. Damit die Diffusion des Sauerstoffs durch die Prüffolie innerhalb einiger Minuten nachvollziehbar gemacht wird, setzt man z.B. Backpapier als Modell-Prüffolie ein. Die Apparatur wird über den seitlichen Ansatz mit Stickstoff geflutet, das rund ausgeschnittene Backpapier lose auf den eingefetteten Rand gelegt, bis die Spannung auf einen minimalen, konstanten Betrag abgesunken ist. Dann dreht man den Stickstofffluss ab und setzt den Messingring auf den Folienrand über dem Schliff und drückt somit die Folie auf die eingefettete Schlifffläche. Man startet das Messprogramm und verfolgt den Spannungsanstieg. Anhand der Eichkurve lässt sich nun jede Spannungsdifferenz einer Konzentrationsänderung des Sauerstoffs zuordnen. Daraus lässt sich bei bekannter Folienfläche die Sauerstoffdurchlässigkeit pro m² berechnen.

Man kann den Sauerstoffeintrag abstoppen, wenn man die Außenseite des Backpapiers mit Haarlack besprüht. Der als Folge auftretende Spannungswert zeigt, dass der Sauerstoffgehalt im Inneren des Messgefäßes nahezu konstant bleibt. Dabei muss man außerdem von einem geringen Sauerstoffverbrauch durch die Batterie ausgehen. Sticht man kurz nach dem Auftragen des Haarlacks, wenn die Spannung konstant geworden ist, in die Folie hinein, so steigt die Spannung sprunghaft an, da Sauerstoff ungehindert eintreten kann. Dies ist in Abb.

37 dargestellt.

Abbildung 37: Demonstration der Sauerstoffdurchlässigkeit durch eine Backpapierfolie: Unbehandelt (links), mit Haarlack besprüht (Mitte) sowie nach dem Durchstechen (rechts), dargestellt als Spannungsänderungen.

Schließlich stellt sich auf dieser Stufe die Frage nach der treibenden Kraft, welche dazu führt, dass der Sauerstoff in das Innere der Apparatur gelangt. Hier ist die Teilchenbewegung als Ursache zu nennen, wobei durch die größere O₂-Teilchenzahl außen und die sehr geringe O₂ -Teilchenzahl innen – entsprechend der Partialdruckdifferenz - ein Nettoeinstrom von Sauer-stoffmolekülen erfolgt.

Stufe 4:

In dieser Stufe soll ein „Nebenproblem“ angesprochen werden.

Beim Fluten der Apparatur mit Stickstoff zeigt sich, dass die Spannung der Batterie nicht, wie erwartet auf 0 mV absinkt, sondern – je nach Gebrauchsdauer der Batterie - im Bereich von ca. 50 bis 70 mV verharrt, auch wenn Argon zum Spülen der Apparatur verwendet wird. (Auf diesen Umstand geht Lit [78] ein.) Daher sollte aus der oben dargestellten Eichkurve nicht der absolute Gehalt des Sauerstoffs ermittelt werden, sondern nur dessen Konzentrationsdifferenz.

Zur Berechnung von Sauerstoffdurchlässigkeiten jeglicher Prüffolie genügt es, diese Diffe-renz zu kennen.

Stufe 5:

Auf dieser Stufe wird nun eine „synthetische Betrachtung“ der Apparatur vorgenommen. Dies soll nach drei Gesichtspunkten geschehen.

1. Der „Nachbau“ einer derartigen Apparatur als Schülerversuch dürfte sich äußerst schwierig gestalten. Eher empfiehlt es sich, als Schülerversuch in einer der nachfolgenden Stunden ein qualitativ ausgerichtetes Experiment durchführen zu lassen, wobei die Wirkung eines Schutzgases (N₂, CO₂) besonders deutlich wird (Versuch 4.1.1): In ein Joghurtglas mit dicht schließendem Metalldeckel legt man eine in Methylenblau getränkte und mit Thiosulfat-Lösung benetzte Filterpapierscheibe.

Das Glas wird mit N₂ oder CO₂ geflutet und der Metalldeckel wird sofort aufgeschraubt. Der gleiche Ansatz wird mit einer zweiten Probe in einem zweiten Glas durchgeführt, welches jedoch offen und damit für den Luftsauerstoff frei zugänglich bleibt. Die Unterschiede in der Geschwindigkeit der wieder auftretenden Blaufärbung lassen Rückschlüsse auf die unterschiedliche Sauerstoffkonzentration zu. Obwohl dieses Experiment keine quantifizierbaren Ansätze enthält, zeigt es trotzdem eine gute Visualisierung der Wirkung des Sauerstoffs.

2. Die Möglichkeiten des „Transfers“ beziehen sich nicht auf Variationsmöglichkeiten der Apparatur selbst, sondern auf die Überprüfbarkeit vieler verschiedener authentischer Verpackungsfolien (Frischhaltefolie, PVC-Folie, Verbundfolie zur Käseverpackung, aluminiumhaltige Folien zur Verpackung von Kartoffelchips). Die Unterschiede der Sauerstoffdurchlässigkeit verschiedener Folien können deutlich nachgewiesen werden.

3. Im Hinblick auf die „technische Leistungsfähigkeit“ soll zunächst die Messgenauigkeit dokumentiert werden, anschließend soll der Messbereich abgeschätzt werden. Auf 24 Stunden angelegte Messreihen zeigen deutliche Unterschiede bei der Sauerstoffdurchlässigkeit zwischen Folien gleichen Materials (PE) bei verschiedener Dicke. Wenn Temperatur, Partialdruckdifferenz, Fläche, Messzeitraum und Material gleich bleiben, dann lässt sich folgender Zusammenhang gut erkennen:

e Foliendick gkeit

Durchlässi 1

~ .

Außerdem zeigen sich hohe Durchlässigkeiten bei PE-Frischhaltefolie bzw. PVC-Folie, ge-ringe Durchlässigkeiten hingegen bei aluminiumhaltigen Verbundfolien sowie bei Folien, welche mit PA beschichtet sind. Die relativ hohe Messgenauigkeit liefert Hinweise auf Polari-tät und Dichte von Folien bzw. auf das Vorhandensein von Sauerstoffbarrieren.

Nachfolgend ist eine Tabelle zum „Analytisch-synthetischen Verfahren“ dargestellt, welche vereinfacht eine Übersicht über die Stufen und ihre Inhalte enthält (Tab. 27).

Tabelle 27: „Messung der Sauerstoffdurchlässigkeit einer Folie mit Hilfe einer Zink-Luft-Batterie“ als Beispiel für ein Analytisch-synthetisches Unterrichtsverfahren (in Anlehnung an [45, S. 223] )

Stufe Inhalt

Stufe 1: Problemgewinnung am technischen Gerät

Vorstellung des umgebauten Exsikkators mit der Zink-Luft-Batterie (Versuch 4.1.2)

Stufe 2: Technische Analyse Zink-Luft-Batterie: Redoxreaktion Stufe 3: Analyse der

Grund-probleme

Erstellung einer Eichkurve zum linearen Zusammenhang Konzentrationsdifferenz / Spannungsdifferenz; Modellversuch mit Backpapier

Stufe 4: Bearbeitung von Nebenproblemen

Vernachlässigung des Netto-Stickstoff-Ausstromes Stufe 5: Synthetische

Be-trachtung (Transfer, techni-sche Leistungsfähigkeit)

Antiproportionaler Zusammenhang zwischen Durchläs-sigkeit und Foliendicke

Berechnung der Leistungsfähigkeit mit Hilfe des idealen Gasgesetzes

Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeit verschiedener Folien

Vorstellung anderer Messverfahren

Qualitativer Versuch mit reduziertem Methylenblau im Joghurtglas (Versuch 4.1.1)

Exkurs: Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeit einer Folie in industriellen Prüfverfahren Diese zur Ermittlung der Permeation verschiedener Stoffe benutzten Verfahren sind meist DIN-definiert. Bei Gasen wie Sauerstoff wird das Volumen angegeben. Da dieses nicht nur vom Zeitraum und der permeablen Fläche abhängig ist, sondern auch von der Partialdruckdif-ferenz, muss die Einheit angegeben werden in

bar d m

cm

×

2×

3

[11, S. 371-374]. Prüfverfahren zur Sauerstoffdurchlässigkeit sind z.B. manometrische Verfahren, bei denen Druck- und Vo-lumenänderungen erfasst werden. Weiter ist die Gasphasenmethode zu erwähnen, wobei das Permeans in einem schwer flüchtigen, flüssigen Medium gelöst, durch einen Gasstrom in ein Sorptionsröhrchen transportiert, später extrahiert und gaschromatographisch bestimmt wird.

Bei der Trägergasmethode wird in einer Prüfzelle eine Prüffolie von einer Seite mit dem Prüfgas umspült, auf der anderen Seite - bei Druckgleichheit - von einem Trägergas. Letzte-res reißt permeiertes Prüfgas mit und führt es einem Detektor zu. Hierbei kann es sich um einen Absorptions- oder einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor handeln. Auch UV-Detektoren können hier eingesetzt werden. Ferner kann als Detektor auch ein Massenspektrometer ver-wendet werden. Schließlich muss eine kolorimetrische Methode erwähnt werden, welche die Bildung von Kupferammonium-Ionen in einer Ammoniak-Lösung registriert, wenn Sauerstoff hinzu tritt. Außerdem sind noch Verfahren mit radioaktiven Isotopen zu erwähnen. Letztlich sind bei Polymeren in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt Thermolumineszenz-Verfahren möglich [11, S. 378-380]. Eine nicht-invasive Methode auf der Basis der Fluoreszenz-Auslöschung erlaubt die Sauerstoff-Registrierung sogar in geschlossenen Flaschen [105]. Auf einer invasiven Messmethode basiert ein Analysator, durch dessen dünne Nadel kleinste Gasmengen aus dem Inneren von Verpackungen entnommen werden und mit Hilfe einer Messzelle auf Restsauerstoff überprüft werden. Die auftretende schwache Spannung wird von einem Mikroprozessor ausgewertet [106]. Da diese genannten Verfahren recht aufwändig und mit der Anschaffung u. U. sehr teurer Geräte verbunden sind, ist ihr Einsatz im Chemieunter-richt fragwürdig. Hier wären handlichere Geräte vonnöten, die möglichst wenig störanfällig sind. Grundbedingung für das Funktionieren eines Messsystems ist seine prinzipielle Affinität zu Sauerstoff.

Im Dokument OPUS 4 | Lebensmittelverpackungen als Thema des Chemieunterrichts (Seite 105-111)