Kohlensäure und ihre Salze - Von Soda-Streamern, Backpulver und Kalk (WORD)

Von Soda-Streamern, Backpulver und Kalk – Kohlensäure und ihre Salze

Ein Beitrag von Sabine Stoermer, Oldenburg Mit Illustrationen von Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing

K

Aber nicht nur dort indet Kohlensäure ihren Ein- satz. Auch ihre Salze begegnen uns überall im Alltag. In der Baustofindustrie ist Kalk (Calci- umcarbonat) unverzichtbar. In der Küche kommt Natriumhydrogencarbonat als Backpulver, im Medizinschrank als Mittel gegen Sodbrennen und in Feuerlöschern als Brandbekämpfungs- mittel zum Einsatz.

In dieser Unterrichtseinheit nähern sich die Schüler über Demonstrationsversuche zunächst der Kohlensäure an. In Schülerversuchen wird dann den Eigenschaften der Kohlensäure auf die Spur gegangen. Abschließend erkunden die Schüler die beiden genannten Stoffe Backpulver und Kalk aus chemischer Sicht.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 9/10

Dauer: 4–5 Stunden (Minimalplan: 2) Kompetenzen: Die Schüler …

• formulieren die Reaktionsgleichung zur Herstellung und zum Zerfall von Kohlen-

Versuche:

• Mineralwasser enthält Kohlensäure (LV)

• Wir stellen Kohlensäure her (LV)

• Kohlensäure und Wärme (SV)

In den meisten Erfrischungsgetränken ist Kohlen- säure enthalten.

Mit vielen V ersuchen!

Foto: Thinkstock/Stockbyte

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Was Sie zum Thema wissen müssen

Eigenschaften von Kohlensäure

Kohlensäure (H₂CO₃)ist eine chemische Verbindung, die beim Lösen von Kohlenstoffdioxid in Wasser entsteht.

CO₂ + H₂O H₂CO₃

H₂CO₃ + H₂O H₃O⁺ + HCO₃^– HCO₃^– + H₂O H₃O⁺ + CO₃^2–

Diese Gleichgewichtsreaktion liegt weit auf der linken Seite. Es entstehen nur wenige Säure- moleküle. Der größte Teil des Kohlenstoffdioxids (> 90 %) wird physikalisch gelöst. Daher ist die Säurewirkung der Kohlensäure als gering einzustufen.

Der saure Charakter der Kohlensäure lässt sich mithilfe eines Säureindikators nachweisen, z. B. Universalindikator. Dieser ändert bei Säuren und Laugen abhängig von der Hydronium- ionenkonzentration seine Farbe.

Kohlensäure selbst lässt sich indirekt nachweisen. Da die Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser zu Kohlensäure in beide Richtungen verläuft, wird bei der Entstehung von Kohlensäure auch permanent Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Leitet man diesen in Kalkwasser, so trübt es sich. Calciumcarbonat fällt aus.

Ca(OH)₂ +CO₂ CaCO₃↓ + H₂O Wichtige Salze der Kohlensäure

Wie aus den oben gezeigten Reaktionsgleichungen sichtbar wird, ist die Kohlensäure eine zwei- protonige Säure. Daher bildet sie zwei Reihen von Salzen: die Carbonate (Formel M₂CO₃) und die Hydrogencarbonate (Formel: MHCO₃). Die bekanntesten Salze sind das Natriumcarbonat (Soda), Natriumhydrogencarbonat (Natron), Kaliumcarbonat (Pottasche) und Ammonium- hydrogencarbonat (Hirschhornsalz). Natriumhydrogencarbonat NaHCO₃ ist ein Bestandteil von Backpulver. Beim Backen indet durch die Wärme eine thermische Zersetzung statt. Das entweichende Kohlenstoffdioxid lockert den Teig auf.

2 NaHCO₃ Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O

Ein weiteres bekanntes Salz der Kohlensäure ist Calciumcarbonat (Kalk). In der Natur tritt Kalk in verschiedenen Erscheinungsformen auf. Der für die Baustofindustrie wichtige Kalkstein ist ein durch Ton verunreinigter Kalk. Kalkstein wird erhitzt (gebrannt), dabei wird Kohlenstoffdi- oxid frei und gebrannter Kalk entsteht:

CaCO₃ CaO + CO₂↑ Der Branntkalk wird mit Wasser „gelöscht“. Es entsteht Löschkalk:

CaO + H₂O Ca(OH)₂

Löschkalk kann dann als Mörtel eingesetzt werden. Wenn dieser an der Luft trocknet, spricht man von Abbinden:

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O

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Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Es bietet sich an, dieses Kapitel in den Themenkomplex „Säuren, Laugen, Salze“ einzubetten.

Vorteilhaft wäre es, allgemeine Eigenschaften von Säuren im Voraus zu behandeln. Die Schü- lerinnen und Schüler* sollten wissen, dass sich Säuren mit Indikatoren nachweisen lassen.

Auch der Nachweis von Kohlenstoffdioxid mit Kalkwasser wird als bekannt vorausgesetzt.

Ebenso sollten die Lernenden Reaktionsgleichungen lesen und aufstellen können. Auch Salz- bildungsreaktionen und die Benennung von Salzen sollten die Schüler kennengelernt haben.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Aufbau der Unterrichtseinheit

Der Einstieg in die Einheit erfolgt über eine Situation aus dem Alltag. Das zischende Geräusch einer Mineralwasserlasche, die geöffnet wird, dient als Gesprächsanlass. Vermutungen, dass Kohlensäure diese Geräusche verursacht, werden mit zwei Lehrerversuchen bestätigt. Die Schüler halten ihre Erkenntnisse in geleiteten Versuchsprotokollen M 1 und M 2 fest. Anschlie- ßend erarbeiten sich die Schüler selbstständig mit dem Arbeitsblatt M 3 das Reaktionsverhal- ten von Kohlenstoffdioxid und Wasser.

In der 2. Stunde soll auf eine besondere Eigenschaft der Kohlensäure eingegangen werden, nämlich dass diese besonders gut mit kaltem Wasser reagiert. Ein Einstieg kann über einen mitgebrachten Soda-Streamer oder die Fotos auf der oberen Hälfte von Farbfolie M 4 erfolgen.

Nach der Problemfrage, warum für den Soda-Streamer besser kaltes Wasser verwendet werden sollte, wird der Schülerversuch M 5 geplant, durchgeführt und mithilfe des Versuchsprotokolls M 6 ausgewertet.

In der 3. Stunde beschäftigen sich die Schüler inhaltlich mit einem Salz der Kohlensäure, dem Kalk. Insbesondere wird auf den in der Baustofindustrie wichtigen Kalkkreislauf eingegangen.

Diesen erarbeiten sich die Schüler selbständig mithilfe des Arbeitsblattes M 7.

Auch während der 4. Stunde setzen sich die Schüler mit einem Salz der Kohlensäure ausein- ander – dem Natriumhydrogencarbonat. Im Schülerversuch M 8 gehen sie experimentell der Frage nach, welche Aufgabe Natriumhydrogencarbonat (Backpulver) beim Backen hat. Mithilfe des Versuchsprotokolls M 9 wird der Versuch ausgewertet.

Als Abschluss der Einheit können mithilfe des Tests M 10 die Inhalte der Stunden wiederholt werden.

Üben

Angebote zur Differenzierung

Beim Schreiben des Versuchsprotokolls M 2 können sich die Schüler Hilfe über eine Tippkarte zu M 2 ( ) holen. Als Zusatzmaterial auf CD ( ) stehen Ihnen außerdem eine leichtere Versi- on von Arbeitsblatt M 7 sowie eine Version des Tests M 10 für stärkere Schüler zur Verfügung.

Ideen für die weitere Arbeit

Wird diese Einheit in den Themenkomplex „Säuren und Laugen“ eingebettet, bietet es sich an,

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Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler ...

• beurteilen die Bedeutung von Kohlensäure in Alltagszusammenhängen.

• formulieren die Reaktionsgleichung zur Herstellung und zum Zerfall von Kohlensäure.

• nennen wichtige Verwendungszwecke von Carbonaten und Hydrogencarbonaten.

• erläutern den technischen Kalkkreislauf.

• entnehmen Texten relevante Informationen.

• führen Experimente eigenverantwortlich durch und protokollieren ihre Beobachtungen und Ergebnisse.

Medientipps

Filme

www.schulfilme-im-netz.de, Filme „Kalk und Wasserhärte“, „Kalkkreislauf – technisch“ und

„Kalkkreislauf – natürlich“

Die drei Kurzilme legen die genannten Inhalte auf schülergerechte und motivierende Art dar.

www.youtube.com, Film „Kohlensäure: Die sprudelnde Erfrischung. Ein Erklärvideo der BASF für Schüler“

In diesem Kurzilm werden die molekularen Vorgänge bei der Zersetzung von Kohlen- säure schülergerecht gezeigt.

Internetadressen

www.seilnacht.com à Mineralogie à Calcit à Kalk- und Kohlenstoffkreislauf www.seilnacht.com à Mineralogie à Calcit à Geschichte der Kalknutzung

www.seilnacht.com à Lexika à Calcit à Säuren, Laugen und Salze à Kohlensäure und Car- bonate

Auf diesen Seiten werden die genannten Themen fachlich reduziert und schülergerecht erklärt.

https://chemiezauber.de/inhalt/basic-3-kl-9/rund-um-die-kohlensaeure.html

Auf dieser Website inden Sie interessante Informationen zur Kohlensäure und ihren

Salzen.

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Die Einheit im Überblick

· V = Vorbereitung FO = Folie AB = Arbeitsblatt

· D = Durchführung SV = Schülerversuch LEK = Lernerfolgskontrolle VP = Versuchsprotokoll LV = Lehrerversuch TK = Tippkarte

= Zusatzmaterial auf CD

Stunde 1: Kohlensäure – Herstellung, Nachweis, Wissenswertes LV

· V: 5 min

· D: 5 min

Mineralwasser enthält Kohlensäure 1 Flasche Mineralwasser

Kalkwasser

1 durchbohrter Stopfen

1 gewinkeltes Glasrohr 1 Becherglas

M 1 (VP) Versuchsprotokoll: Mineralwasser enthält Kohlensäure LV

· V: 5 min

· D: 5 min

Wir stellen Kohlensäure her Kohlenstoffdioxid Kalkwasser

1 durchbohrter Stopfen

1 gewinkeltes Glasrohr 1 Becherglas

M 2 (VP) Versuchsprotokoll: Wir stellen Kohlensäure her (TK) Tippkarte zu M 2

M 3 (AB) Kohlensäure – alles Wichtige auf einen Blick

Stunde 2: Warum sollte man für einen Soda-Streamer kaltes Wasser verwenden?

M 4 (FO) Mineralwasser selbst gemacht / Salze der Kohlensäure in unserem Alltag M 5 (SV)

· V: 5 min

· D: 15 min

Kohlensäure und Wärme 1 Schutzbrille pro Schüler Mineralwasser

Universalindikator 1 Gasbrenner

1 Becherglas 1 Dreifuß 1 Drahtnetz Streichhölzer M 6 (VP) Versuchsprotokoll: Kohlensäure und Wärme

Stunde 3: Kalk – ein Salz der Kohlensäure M 7 (AB) Kalk – ein Salz der Kohlensäure

(AB) Kalk – ein Salz der Kohlensäure (leichtere Version)

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Stunde 4: Backen ohne Backpulver?

M 8 (SV)

· D: 20 min

· Backzeit:

10 min

Backen ohne Backpulver?

1 Schutzbrille pro Schüler 60 g Mehl

Backpulver

(Natriumhydrogencarbonat) Wasser

2 Bechergläser 1 Spatel 1 Waage Backofen

M 9 (VP) Versuchsprotokoll: Backen ohne Backpulver?

Stunde 5: Lernerfolgskontrolle

M 10 (LEK) Jetzt weiß ich’s! – Kohlensäure und ihre Salze

(LEK) Jetzt weiß ich’s! – Kohlensäure und ihre Salze (schwerere Version)

Die Gefährdungsbeurteilungen zu den Versuchen finden Sie auf CD 21 .

Minimalplan

Wird diese Einheit in den Themenbereich „Säuren, Laugen und Salze“ eingebettet, könnte man sich auch auf die ersten beiden Stunden beschränken.

Auch ließen sich einzelne Stunden in andere Themenbereiche einbauen. Zum Beispiel könn- te man die 3. Stunde zum Thema Kalk auch schon im Anfangsunterricht Chemie im Bereich

„chemische Reaktionen“ einsetzen. Der Schwerpunkt könnte dann auf den Reaktionen im Kalkkreislauf und auf den Begriffen „endotherm“ und „exotherm“ liegen.

Die 4. Stunde ließe sich ebenfalls unabhängig einsetzen, z. B. als Vertretungsstunde oder im Bereich eines Wahlplichtkurses.

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M 4 Mineralwasser selbst gemacht

Salze der Kohlensäure in unserem Alltag

1

3 4

2

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M 5 Kohlensäure und Wärme

Viele Familien stellen ihr kohlensäurehaltiges Wasser selbst her. Mit einem Soda- Streamer geht das ganz einfach. Oft heißt es, man solle dafür kaltes Wasser nehmen.

Am besten sollte es sogar vorher im Kühlschrank gestanden haben. Aber warum eigentlich? Dieser Frage wollen wir nachgehen. Führt den folgenden Versuch durch und findet es heraus.

Schülerversuch in Vierergruppen · Vorbereitung: 5 min · Durchführung: 15 min Aufgabe

Führt den folgenden Versuch durch.

So führt ihr den Versuch durch

1. Stellt die folgenden Materialien bereit.

Das benötigt ihr

1 Schutzbrille pro Schüler Mineralwasser

Universalindikator

1 Gasbrenner 1 Becherglas Streichhölzer

1 Dreifuß 1 Drahtnetz

2. Füllt etwa 25 ml Mineralwasser in das Becherglas.

3. Gebt einige Tropfen Universalindikator hinzu.

4. Stellt das Becherglas auf das Drahtnetz über den Gasbrenner.

5. Entzündet den Gasbrenner, stellt eine rauschende Flamme ein und erhitzt das Wasser.

Beobachten und Auswerten

1. Tragt die Materialien und Chemikalien in das Protokoll ein.

2. Zeichnet den Versuchsaufbau.

3. Formuliert einen Satz zur Durchführung.

4. Wie verhält sich das Wasser beim Erhitzen? Notiert eure Beobachtungen. Haltet unter diesem Punkt auch die Farbänderung des Indikators fest.

5. Füllt im Ergebnis die Lücken und führt den letzten Satz zu Ende.

Wusstest du schon, …

… dass Kohlensäure an der Entstehung von Tropfsteinhöhlen beteiligt ist? Kohlensäure löst Kalk auf und an anderen Stellen entsteht der Kalk

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M 6 Versuchsprotokoll: Kohlensäure und Wärme

Problemfrage: Warum soll man für einen Soda-Streamer kaltes Wasser nehmen?

Materialien und Chemikalien

Versuchsdurchführung

Beobachtungen

1) 2)

Ergebnis:

Füllt den Lückentext aus. Setzt dabei die folgenden Begriffe ein:

neutral – Kohlenstoffdioxid – Orange – Kohlensäure – Säure – Wasser – entweicht – Grün

Die Farbänderung des Indikators von zu

zeigt an, dass die Flüssigkeit zu Beginn eine enthält. Durch

die Wärme zerfällt die in

Aufbau

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M 7 Kalk – ein Salz der Kohlensäure

Ein häufig auftretendes und für uns wichtiges Salz der Kohlensäure ist das Calciumcarbonat CaCO₃, auch Kalkstein genannt. Lerne dieses Salz hier besser kennen.

Aufgabe 1

Lies dir den folgenden Info-Text durch.

Wir benötigen Kalkstein, um Kalkmörtel herzustellen. Mit dem Kalkmörtel können dann Mauern gebaut oder Wände verputzt werden. Kalkstein selbst ist ein Naturprodukt. Es wird in Steinbrüchen abgebaut. Als Kreide oder Marmor ist uns Calciumcarbonat ebenfalls be- kannt. Im Folgenden schauen wir uns an, wie Kalkstein in der Bauindustrie verarbeitet und genutzt wird.

1 Kalk brennen

Ausgangsstoff für Kalkmörtel ist Kalkstein. Dieser wird in Kalksteinbrüchen abgebaut. Kalk- stein besteht größtenteils aus Calciumcarbonat. Der Kalkstein wird zunächst zerkleinert und in einem Ofen bei ca. 1000 °C erhitzt (gebrannt). Dabei läuft eine chemische Reaktion ab: Aus dem Kalkstein (Calciumcarbonat) entstehen Branntkalk (Calciumoxid) und Kohlen- stoffdioxid.

2 Kalk löschen

Im nächsten Schritt wird Wasser zum Branntkalk gegeben. Man sagt, der Kalk wird „gelöscht“.

Auch hierbei findet wieder eine chemische Reaktion statt: Es entsteht Calciumhydroxid, das man Löschkalk nennt. Diese Reaktion ist exotherm.

3 Kalk abbinden

Anschließend wird der Löschkalk fein gemahlen und mit Sand und Wasser vermischt. Man erhält Kalkmörtel. Nun ist der Kalkmörtel einsatzbereit, z. B. kann man ihn zum Mauern ver- wenden. Er verbindet dann die einzelnen Mauersteine. Der letzte Schritt ist das Abbinden:

An der Luft wird der Kalkmörtel langsam fest. Er reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu Calciumcarbonat und Wasser. Auch diese Reaktion ist exotherm.

Brennen

Löschen Abbinden

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10

15

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