Unterrichtspraktische Prüfung im Fach Chemie

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Wilfried Budde

Unterrichtspraktische Prüfung im Fach Chemie

Lerngruppe: G 8b 29. Mai 2001

2. Stunde: 8.40-9.25 Uhr

Stundenthema:

Wasser als Verbindung – Experimenteller Nachweis am Beispiel der Reaktion von Wasser mit Magnesium

Stundenziel:

Die Schülerinnen sollen durch die Auswertung der Reaktion von Wasser mit Magne- sium begründen können, dass Wasser eine Verbindung ist.

Feinziele: Die Schülerinnen sollen ...

• mit Hilfe ihrer Kenntnisse zur Klassifikation von Stoffen Wasser als Reinstoff ein- ordnen und Unterschiede zwischen Verbindung und Element erläutern können.

• ausgehend von Wasser und Magnesium als Edukten das Reaktionsschema durch Einbeziehen der Beobachtungen (vgl. Raster) und ihrer Kenntnisse ver- gleichbarer Redoxreaktionen (Reaktion von Magnesium mit Kohlenstoffdioxid bzw. Schwefeldioxid) formulieren können.

• den exothermen Verlauf der Redoxreaktion aus den Versuchsbeobachtungen (helles Glühen der Magnesium-Späne) beschreiben und begründen können.

• den Versuch selbstständig in Gruppen durchführen und die Gruppen-Ergebnisse der Klasse an der Tafel vorstellen. [pragmatisch]

• Freude am selbstständigen Experimentieren (und Arbeiten) in der Gruppe haben.

[affektiv]

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A. Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe:

Unterrichtsreihe „Wasser – ein vielseitiger Stoff mit wertvollen Eigenschaften“ (8 Std.) (1) Mind-map „Wasser“: ! Sammeln u. Strukturieren der Kenntnisse der Schülerinnen,

integrierte Wiederholung (Aggregatzustände, Zustandsänderungen, Lösungsvorgang, ...)

(2) W^{ASSER ALS}V^ERBINDUNG– EXPERIMENTELLER N^ACHWEIS

AM BEISPIEL DER REAKTION VON WASSER MIT MAGNESIUM

(3) Synthese von Wasser aus den Elementen (exotherme Reaktion), Nachweis von Wasser mit (weißem) Kupfersulfat

" EXKURS: Wasserstoff als Element: ! Dichte (Ballon), Brennbarkeit im Gemisch mit Sauerstoff (Experimente: „Kerzenversuch“, „Böllerbüchse“, Knallgasprobe), Reduktion von Kupferoxid mit Wasserstoff

(4) Dichteanomalie des Wassers und die Bedeutung für das Leben im Wasser

(5) Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Gasen in Wasser am Beispiel von Kohlenstoffdioxid (Mineralwasser)

(6) Trinkwassergewinnung: ! EXKURSION: Trinkwasserlehrpfad der Stadtwerke Paderborn (Wasserwerk Diebesweg)

(7) Prozess der Abwasseraufbereitung – Schema einer Kläranlage

B. Begründung der unterrichtsrelevanten Entscheidungen

!!!

!SCHWERPUNKT: Zugänglichkeit des Themas für die Schülerinnen

Im Mittelpunkt der Stunde steht die eigenständige Durchführung und Auswertung des Experimentes „Reaktion von Wasser mit Magnesium“ durch die Schülerinnen.

Wasser spielt in vielfältiger Weise im alltäglichen Leben eine große Rolle. Im Che- mieunterricht haben die Schülerinnen Wasser als wichtiges Lösungsmittel für ver- schiedene Stoffe (Kochsalz, Zucker, Alkohol, ...) und den Lösungsvorgang bzw. des- sen Deutung anhand des Teilchenmodells bereits kennen gelernt. Im Rahmen der Unterrichtssequenz zur Stofftrennung ist Wasser als Reinstoff mit charakteristischen Stoffeigenschaften (z.B. Schmelz- u. Siedetemperatur) charakterisiert worden. Die Leitfrage der Stunde ergibt sich direkt aus der Einteilung der Reinstoffe in Elemente und Verbindungen. Diese Begriffe haben die Schülerinnen wiederholt im Unterricht verwendet, so dass sie recht sicher mit diesen Fachausdrücken operieren können.

Verbindungen können durch chemische Reaktion in andere Stoffe (in die Elemente) zerlegt werden, Elemente dagegen nicht. Es liegt also nahe, eine entsprechende chemische Reaktion mit Wasser durchzuführen. Ich erwarte keine eigenständige

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Planung eines entsprechenden Experimentes durch die Schülerinnen. Möglicherwei- se sind wenige Schülerinnen bei der Vorbereitung der Mind-map im Chemiebuch auf den dort beschriebenen Versuch gestoßen. In diesem Fall wäre ihnen die Zusam- mensetzung des Wassers aus Sauerstoff und Wasserstoff bekannt und sie könnten die Verwendung von Magnesium als Reduktionsmittel vorschlagen.

Die eigentliche Leistung der Schülerinnen liegt in der Durchführung und Auswertung des Versuchs. Im praktischen Teil ist dafür experimentelles („handwerkliches“) Ge- schick gefragt und das sorgfältige Protokollieren aller Beobachtungen. Bei der Aus- wertung und dem Formulieren des Reaktionsschemas können die Schülerinnen ihr Wissen über Redoxreaktionen und ihre Stoffkenntnisse des Metalls Magnesium bzw.

der Verbindung Magnesiumoxid verwenden. Dabei ist folgende gedankliche Schritt- folge vorstellbar: Das grelle Glühen resultiert aus der stark exothermen Oxidation von Magnesium. Der weiße pulvrige Stoff kann als Magnesiumoxid identifiziert werden.

Der dafür notwendige Sauerstoff kann nicht aus der Luft im Reagenzglas stammen, denn diese ist durch den Wasserdampf vollständig verdrängt worden (vgl. „Colado- sen“-Experiment). Bei genauem Beobachten ist das Entweichen des Wasserdampfs deutlich zu sehen. Als weiteres Reaktionsprodukt entsteht ein brennbares (und farbloses) Gas. Magnesium ist ein Element und kann bei der chemischen Reaktion kei- nen weiteren Stoff freigesetzt haben. Demzufolge kann dieses Gas nur aus dem Wasser stammen. Bei Wasser muss es sich daher um eine Verbindung – genauer um ein Oxid - handeln, die aus Sauerstoff und einem anderen Stoff besteht. Die Re- aktion von Wasser mit Magnesium kann daher als Redoxreaktion betrachtet werden.

Die Schülerinnen können daher die Teilreaktionen (Oxidation, Reduktion) im Reakti- onsschema kennzeichnen. Vielleicht kennen einige Schülerinnen die Formel „H2O“

für Wasser oder können das brennbare Gas als Wasserstoff benennen; ansonsten erscheint es mir sinnvoll, das Element Wasserstoff in diesem Zusammenhang einzu- führen (vgl. o.).

Die Verbrennung des Wasserstoffs kann in der nächsten Stunde als weitere chemische Reaktion untersucht werden. Wasserstoff verbrennt, d.h. oxidiert; es handelt sich demzufolge um eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, bei der Wasser gebildet wird (Synthese). Die Synthese von Wasser aus den Elementen ist - methodisch gesehen - eine Überprüfung der Versuchsergebnisse der heutigen Stun- de.

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ZUSAMMENSETZUNG DES WASSERS G 8b – Chemie 29.05.01

E^XPERIMENT: Reaktion von Magnesium mit Wasser Durchführung:

Skizze:

(1) Mit der nicht leuchtenden Brennerflamme wird zunächst das Wasser im Sand vorsichtig erhitzt, bis Wasserdampf aus dem Glasrohr austritt.

(2) Dann wird das Magnesium kräftig bis zum Glühen erhitzt. Durch leichtes Fächeln mit der Brenner- flamme wird zwischendurch weiter der nasse Sand erhitzt. Sobald das Magnesium hell glüht, wird nur noch der nasse Sand erhitzt.

(3) Eine brennende Kerze wird beim Erhitzen des nassen Sandes bzw. der Magnesium-Späne an die Spitze des Glasrohres gehalten.

LÖSCHEN VON METALLBRÄNDEN G 8B – CHEMIE 29.05.01

Riesige Feuersäule über dem Frankfurter Ostend

Eine riesige Feuersäule stand am Montagnach- mittag und Abend über dem Frankfurter Ostend.

Bei einer Firma in der Karl-Benz-Straße waren aus noch unbekannter Ursache Leichtmetallspä- ne in Brand geraten. Das Feuer stellte die Polizei vor erhebliche Probleme. Zwar gelang es, den Brand einzudämmen und ein Übergreifen der Flammen auf benachbarte Industriegrundstücke zu verhindern, doch mussten die Feuerwehrleute über 1000 t Zement auf die Brandstätte kippen.

Der Schaden wird vorläufig auf über 600.000 Mark beziffert.

Auf dem Lagerplatz am Ostend waren Feuerwehr- leute vom späten Nachmittag bis in die Abendstun- den dabei, den Brand unter Kontrolle zu bringen.

Die dort gelagerten Leichtmetallspäne, die einen hohen Anteil an Aluminium und Magnesium hat- ten, brannten lichterloh. Die Feuerwehrleute konnten nur mit speziellen Schutzanzügen an den Brand heran, um eilends herbeigeschafften Zement in Massen auf dem Flammenherd abzuladen.

Aufgrund des verbrennenden Magnesiums war der Feuerschein so grell, dass die Einsatzkräfte nur noch mit Schutzbrillen arbeiten konnten, um ihr Augenlicht nicht zu gefährden. Unmittelbar am Brandherd, der etwa zehn mal vierzig Meter groß war, stiegen die Temperaturen auf annähernd 3000 °Celsius.

aus: Frankfurter Rundschau vom 02.09.198

Aufgaben:

" Im Zeitungsartikel wird davon berichtet, dass die Feuerwehr große Massen an Zement zum Lö- schen des Brandes verwendet hat. Begründe, warum das „bewährte“ Löschmittel Wasser nicht eingesetzt werden konnte.

" Erkläre kurz, wie es zu den hohen Temperaturen unmittelbar am Brandherd kommt.

feuchter Sand

Magnesium- Späne Glaswolle

Stahlwolle

Materialien:

Reagenzglas (schwer schmelzbar), Glasrohr mit Spitze, durchbohrter Stopfen, Glaswolle, Stahlwolle, Bren- ner, 2 Kerzen, Stativmaterial, feuchter Sand, Magnesium-Band

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Zusammensetzung des Wassers:

ELEMENT oder VERBINDUNG ?

Überlegung: Wenn Wasser eine Verbindung ist, kann diese durch eine chemische Reaktion (Experiment!) in andere Stoffe (Elemente) zerlegt werden?

Versuch: Reaktion von Magnesium mit Wasser

Durchführung: (vgl. Arbeitsblatt) Beobachtungen:

(1) Entweichen von Wasserdampf, Wassertröpfchen am RG (2) Glühen der Magnesium-Späne (sehr helle Flamme) (3) weißer pulvriger Rückstand im RG

(4) Verbrennen eines farblosen Gases am Glasrohr (dunkle Verfärbung des RG, ...)

Auswertung:

zu (1): Verdampfen von Wasser u. anschließende Kondensation zu (2) u. (3): Oxidation von Magnesium zu Magnesiumoxid

zu (4): brennbares, farbloses Gas: Wasserstoff

Reaktionsschema: (REDOXREAKTION)

Wasser(g) + Magnesium(s) $ Magnesiumoxid(s) + Wasserstoff(g)

Wasserstoffoxid (Ergänzung)

Fazit: ! Wasser ist eine Verbindung, nämlich Wasserstoffoxid!!!

! ERGÄNZUNGEN zur Auswertung durch die Schülerinnen (wahr- scheinlich) Hausaufgabe zur nächsten Stunde)

Bei der Reaktion von Magnesium mit Wasser entsteht neben Magnesi- umoxid ein weiteres Reaktionsprodukt. Sowohl der für die Oxidbildung notwendige Sauerstoff als auch das farblose, brennbare Gas müssen aus dem Wasser freigesetzt werden. Demzufolge ist Wasser eine Verbin- dung! Bei dem Gas handelt es sich um Wasserstoff; Wasser ist das Oxid des Wasserstoffs, also Wasserstoffoxid.

REDUKTION

OXIDATION

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LERNGRUPPE: G 8b

DATUM: Di, 29.05.01 ZEIT: 8.40-9.25

FACHLEHRER: STUNDENTHEMA: Wasser als Verbindung – Experimenteller Nachweis am Beispiel der Reaktion von Wasser mit Magnesium.

UNTERRICHTSZIEL: Die Schülerinnen sollen durch die Auswertung der Reaktion von Wasser mit Magnesium begründen können, dass Wasser eine Verbindung ist.

PHASEN INHALTLICHE SCHWERPUNKTE / OPERATIONEN SF/AF MEDIEN

Anknüpfung an die letzten Stunden/ Prob- lemfindung

Problemstellung Lösungsplanung

Lösungsfindung

Problemlösung

Vertiefung

(wenn ausreichend Zeit)

1. Schritt: L. legt Folie mit der Mind-map zum Thema „Wasser“ auf u. weist auf den Ast „Zusammensetzung des Wassers“ hin;

eine S. erläutert die Zusammenhänge: Salz- oder Trinkwasser ist eine Lösung, (destilliertes) Wasser ist ein Reinstoff; Rein- stoffe werden unterteilt in Elemente und Verbindungen; ...; L. benennt diesen Zusammenhang als Thema der heutigen Stunde 2. Schritt: Wasser ist demzufolge entweder ein Element oder eine Verbindung; wenn Wasser eine Verbindung ist, kann diese durch eine chemische Reaktion (Analyse) in andere Stoffe (die Elemente) zerlegt werden, Reaktion von Wasser mit einem anderen Stoff ... (!Lösungsplanung)

ZUSAMMENSETZUNG DES WASSER: Element oder Verbindung?

Vorstellung des EXPERIMENTES: Reaktion von Magnesium mit Wasser ! S. lesen die Versuchsvorschrift; Klären von Fragen, Gefahrenhinweise; Wdh. durch S.

Arbeitsaufträge: Führt das Experiment in Gruppen durch. Protokolliert sorgfältig Eure Beobachtungen und wertet diese aus.

Formuliert – soweit wie möglich – das Reaktionsschema und veranschaulicht dieses mit Hilfe des Teilchenmodells.

S. führen den Versuch in Gruppen durch und vervollständigen das Versuchsprotokoll

alternativ: kurze Zwischenzusammenfassung: ! Zusammentragen und Abgleichen der Beobachtungen

S. stellen ihre Gruppen-Ergebnisse vor:

Beobachtungen: ! Wasserdampf entweicht über das Glasrohr; teilweise Kondensation; beim Erhitzen glühen die Magnesium- Späne hell auf u. verbrennen mit sehr heller (greller) Flamme; während die Magnesium-Späne brennen, kann ein farbloses Gas an der Spitze des Ableitungsrohres entzündet werden; weißer, pulvriger Rückstand (Reaktionsprodukt) im Reagenzglas;

...

Auswertung: ! Bei der Verbrennung von Magnesium entsteht weißes Magnesiumoxid; da die Luft aus dem Reagenzglas durch Wasserdampf verdrängt wird, muß der für die Oxidation notwendige Sauerstoff aus dem Wasser stammen; außerdem entsteht als weiteres Reaktionsprodukt ein brennbares Gas (ein Element); demzufolge ist Wasser eine Verbindung; die Reak- tion verläuft exotherm; ...

Bei dem brennbaren Gas handelt es sich um Wasserstoff; ! Überlegung: Wasser als Wasserstoffoxid Verbrennung von Wasserstoff als Oxidationsreaktion (! Synthese von Wasser!)

SV/UG

LI/UG

GA/PA

SV/UG

LI/UG

Mind-map „Wasser“

(Folie)

Tafel Arbeitsblatt (Folie)

Labormaterialien

Tafel

HAUSAUFGABE ZUR STUNDE: Wdh. von Fachbegriffen zur Klassifizierung von Stoffen

HAUSAUFGABE ZUR NÄCHSTEN STUNDE: (1) Vervollständigung des Protokolls; (2) Zeitungsbericht: Löschen von Magnesium-Bränden