Standard-Experimente der Kantonsschulen Rämibühl
Aufgabe:
1. Experiment so oft durchführen bis es zügig und sicher vorgezeigt werden kann.
Dann in einem der vier Schulzimmer alles so vorbereiten, dass bei der Präsentati- on zügig mit dem Experiment begonnen werden kann.
2. Beobachtung in einer Tafel-Skizze erklären.
3. Eine chemische Botschaft formulieren (für die Schüler).
4. Lernziel formulieren (für uns Lehrer).
Schlagende Wetter und die Sicherheitslampe von Davy (Erdgas-Luft-Explosion)
Themenbereich Organische Chemie, Kohlenwasserstoffe, Methan Lernziel
Material 1 Woulfesche Flasche, 1½-Liter, dreihalsig, mit Klebestreifen ban- dagiert
1 Gummistopfen, an einem äusseren Flaschenhals angebunden 1 Einleitrohr in einem durchbohrten Gummistopfen, mit Gas-
schlauch
1 Steigrohr, ca. 50 cm lang, 0 1.5 cm, in einem durchbohrten Korkstopfen
1 Kupferdrahtnetz, zusammengerollt, in das Steigrohr passend
Vorbereitung - In die mittlere Öffnung der Woulfeschen Flasche das Steigrohr so einsetzen, dass sich sein unteres Ende ca. 2 cm über der Flaschenmitte befindet.
- In die beiden anderen Öffnungen der Woulfeschen Flasche das Gaseinleitrohr bzw. den Gummistopfen einsetzen.
- Das Zimmer etwas abdunkeln und Sicherheitsvorkehrungen treffen: Schutzscheibe, Schutzbrille, Sicherheitsabstand
Durchführung - Erdgasin die Woulfesche Flasche einleiten und das am oberen Ende des Steigrohrs ausströmende Gas nach ca. 10 Sekunden entzünden.
- Das Einleitrohr herausziehen und die Gaszufuhr abstellen. Die Flamme wandert nach einiger Zeit in die Flasche und löst eine Explosion aus!
- Das Kupfernetzchen unten in das Steigrohr einsetzen und den Versuch wiederholen: Keine Explosion! Das Gas-Gemisch aus der Flasche blasen!
Bemerkungen Der Begriff „schlagende Wetter“ bezeichnet in der Bergmanns- Sprache die dort eine grosse Gefahr darstellenden Methan- Explosionen.
Theorie Eine Gasflamme schlägt zurück, wenn die Gasausströmungsge- schwindigkeit kleiner wird als die Gasverbrennungsgeschwindig- keit. Vgl. den Bunsenbrenner!
Das sehr gut die Wärme leitende Kupfer entzieht der Flamme schlagartig so viel Wärme, dass sie von selbst erlischt! Vgl. die Sicherheitsgrubenlampe von Davy!
Entsorgung -
Kerzenleiter
Themenbereich Verbrennungen, Sauerstoff Lernziel
Material 1 Standzylinder, Höhe ca. 30 cm
1 Kerzenleiter, in den Standzylinder passend 1 Kerzen-Stummel für die Kerzenleiter 1 Stahlflasche mit Kohlendioxid Vorbereitung
Durchführung 1. Den Schlauchansatz am rechtwinklig abgebogenen Zentralrohr der Kerzenleiter mit der Kohlendioxid-Flasche verbinden. Dann die Ker- zen-Stummel in der Reihenfolge von oben nach unten anzünden.
2. Die Kerzenleiter mit den brennenden Kerzen in den Standzylin- der stellen und Kohlendioxid-Gas unter einem Druck von ca. 1 atm (1013 mbar) einleiten: Erlöschen der Kerzen in der Reihen- folge von unten nach oben.
Bemerkungen Bei 1013 mbar und 0 °C beträgt die Litermasse von Luft 1.2929 g, von Kohlendioxid-Gas 1.9769 g.
Theorie Entsorgung
Kristallisation einer übersättigten Lösung
Themenbereich Salzlösungen Lernziel
Material 1 Stehkolben, 500 ml, enthaltend:
320 g Natriumacetat-3-Wasser, gelöst in 100 ml Wasser
1 Gummistopfen als Verschluss des Stehkolbens Natriumacetat-3-Wasser zum Impfen
Vorbereitung -
Durchführung In die zimmerwarme, übersättigte Lösung von Natriumacetat in Wasser ein Kriställchen von Natriumacetat-3-Wasser einwerfen: Sofortige Kristal- lisation.
Kristallisationswärme!
Bemerkungen Zur Lösung,des Kristallisates den Stehkolben nicht direkt (Zerset- zung des Natriumacetats!) sondern in einem Wasserbad erwär- men!
In 100 g Wasser lösen sich bei 20 °C 46 g Natriumacetat-3-Wasser, bei 100 °C 170 g Natriumacetat.
Die Kristallisation lässt sich auch projizieren, wenn statt des Stehkolbens ein Weithals-Erlenmeyer oder ein Becherglas verwendet wird.
Theorie -
Entsorgung -
Luftanalyse mit der Phosphorpipette
Themenbereich Einführung in die Chemie, Bestandteile von Luft Lernziel
Material 1 Phosphorpipette mit 1 Kolbenprober 100ml 1 Dreiweghahn 1 Lichtschutzhaube weisser Phosphor Vorbereitung -
Durchführung - Das Zimmer abdunkeln, dann die Lichtschutzhaube von der Phosphorpipette abnehmen und den Dreiweghahn mit der ro- ten Marke nach oben waagrecht stellen.
- Mit dem Kolbenprober genau 100 ml Luft aufsaugen. Darauf den Dreiweghahn mit der roten Marke gegen den Kolbenpro- ber senkrecht stellen und den Wasserstand im Kapillarrohr ab- lesen.
- Das Zimmer völlig abdunkeln, dann die Luft im Kolbenprober langsam in die Phosphorpipette drücken: Aufleuchten des weissen Phosphors, das mit der Zeit immer schwächer wird.
- Nachdem kein Leuchten mehr wahrgenommen werden kann, das Licht einschalten und den Kolben des Kolbenprobers wie- der langsam so weit zurückziehen, bis der ursprüngliche Was- serstand im Kapillarrohr erreicht ist: Im Kolbenprober befinden sich jetzt nur noch ca 79 ml Gas.
- Den Dreiweghahn mit der roten Marke nach oben wieder waagrecht stellen, den Kolbenprober entleeren, dann den Dreiweghahn zum Abschliessen des Systems diagonal stellen (Richtung der roten Marke belanglos) und sofort die Licht- schutzhaube wieder überstülpen
Bemerkungen -
Theorie Das Experiment funktioniert, da:
1. aller Sauerstoff reagiert 2. nur Sauerstoff reagiert
3. als Produkt ein Feststoff mit vernachlässigbarem Volumen ent- steht.
Entsorgung -
Staub-Explosion
Themenbereich Reaktionslehre, Kinetik Lernziel
Material 1 Büchse, Durchmesser ca. 16 cm, Höhe ca. 20 cm, mit:
1 Deckel 3 Füssen
1 Trichter, Durchmesser 6 cm, exzentrisch im Büchsenboden eingebaut 1 Schlauch, Länge ca. 1.5 m, mit dem Trichter-Rohr verbunden 1 Kerze mit Halterung
1 Kunststofflöffel mit abgebogenem Stiel Lycopodium
Pressluft
Vorbereitung Die Büchse mit aufgesetztem Deckel in ca. 1.5 m Sicherheitsabstand von einem Pressluft-Hahn aufstellen und den Schlauch anschliessen.
Durchführung 1. Durch schnelles Öffnen und wieder Schliessen des Pressluft-Hahns einen Stoss Pressluft einblasen: Der Büchsendeckel wird nur leicht angehoben.
2. Den Trichter in der leeren Büchse mit einem vollen Löffel Lycopodium laden.
Dann die Kerze ausserhalb der Büchse anzünden.
3. Die brennende Kerze in die Büchse stellen, den Deckel aufsetzen und sofort wie bei (1) einen Stoss Pressluft einblasen: Explosion!
Bemerkungen Der Versuch kann auch ohne aufgesetzten Büchsendeckel ausgeführt werden;
VORSICHT: grosse Stichflamme:
Anstelle von Lycopodium können auch andere brennbare, feingepulverte, trockene Substanzen wie Staubzucker, Mehl, Stärke usw. eingesetzt werden!
Theorie Vergrösserung der Oberfläche führt zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit Entsorgung -
Elektrolyse von Wasser
Themenbereich Redoxreaktionen, Einführung ins Teilchenmodell, Aufbau der Materie, Reaktionsgleichungen
Lernziel
Material 1 Wasserzersetzungsapparat nach Hofmann Holzspäne
Vorbereitung -
Durchführung 1. Das blaue Kabel des Zersetzungsapparates (mit MINUS bezeich- net) mit dem MINUS-Pol, das rote Kabel (mit PLUS bezeichnet) mit dem PLUS-Polder Gleichstromversorgungsanlage verbinden.
2. Gleichstrom von maximal 25 V einstellen: Entwicklung von Wasser- stoff an der Kathode und von Sauerstoff an der Anode. Sobald (nach ca. 5 Minuten) der Wasserstoff seine Röhre etwa zur Hälfte füllt, den Strom abstellen.
3. Zuerst den Sauerstoff langsam durch die Düse ausströmen lassen und dabei gleichzeitig einen glimmenden Holzspan nahe der Düse in den Gasstrom halten: Entflammung des Holzspans.
4. Dann den Wasserstoff langsam ausströmen lassen und ihn mit ei- nem Zündholz entzünden. Über die Flamme schnell ein 250-ml Be- cherglas stülpen: Beschlag von Wasser!
Bemerkungen Vor Versuchsbeginn kontrollieren, ob jede Röhre vollständig, d.h. bis zum Hahnküken, mit verdünnter Säure gefüllt ist. Die Säure aber nicht über die Hahnküken hinaus in die Düsen steigen lassen!
Statt Versuch (4), bzw. zusätzlich kann auch die Knallgasprobe gezeigt werden: Ein wenig ausströmenden Wasserstoff in einem über die Düse gestülpten Reagenzglas auffangen und dieses mit der Öffnung nach unten an eine entfernte Brennerflamme bringen: Entzündung mit heu- lendem Ton; Wasserbeschlag im Reagenzglas:
Theorie
Entsorgung -
Sublimation von Iod
Themenbereich Physikalische Trennmethoden Lernziel
Material 1 Becherglas, 250 ml 1 Rundkolben, 250 ml Iod-Sand-Gemisch Vorbereitung -
Durchführung 1. Den Boden des Becherglases mit dem Iod-Sand-Gemisch bede- cken und das Becherglas auf die Heizplatte stellen.
2. Den Rundkolben mit kaltem Leitungswasser (ggf. Eiswas- ser:) zu ca. 3/4 füllen und auf das Becherglas aufsetzen.
3. Mit kleiner Flamme unter dem Drahtnetz erhitzen: Violetter Iod- Dampf, der am kalten Rundkolben resublimiert.
Bemerkungen Nach Beendigung des Versuches die am Rundkolben haftenden Iod- Kristalle durch Abstreifen am Rand des Becherglases wieder mit dem zurückgebliebenen weissen Sand vermischen.
Theorie Entsorgung
Protolyse von HCl und NH
3Themenbereiche Säure-Base-Reaktionen, Gleichgewichte (siehe Bemerkun- gen)
Lernziel Erkennen, dass Säure-Base-Reaktionen auch ohne Beteili- gung von Wasser möglich sind.
Material - 1 Glasplatte, ca. 25x25 cm
- 1 Glasglocke, H= 30 cm, Innendurchmesser ca. 18 cm - 1 Ständer, H= 15 cm
- 2 Kristallisierschalen, D= 5cm - Salzsäure konz.
- Ammoniaklösung konz.
- Silbernitratlösung 1M Vorbereitung -
Durchführung - Den Ständer auf die Glasplatte stellen. Die eine Kristalli- sierschale etwa ½ hoch mit konz. Salzsäure, die andere Kristallisierschale ebenfalls etwa ½ hoch mit konz. Am- moniaklösung beschicken.
- Die Schale mit der Salzsäure auf den Ständer, die Schale mit der Ammoniaklösung direkt darunter stellen und sofort die Glasglocke überstülpen: Weisser, aufsteigender Rauch von Ammoniumchlorid.
- Nach dem Absetzen des Rauchs auf der Glasplatte mit einem Spatel ein wenig Ammoniumchlorid in ein RG brin- gen und zuerst Wasser, dann einige Tropfen Silbernitrat- lösung zugeben: Lösung bzw. Fällung
Bemerkungen Konz. Salzsäure gibt gasförmigen Chlorwasserstoff, eine konz. Ammoniaklösung gasförmigen Ammoniak ab. Die Dich- te von Chlorwasserstoffgas ist grösser, jene von Ammoniak- gas kleiner als die Dichte von Luft. Die Standard- Reaktionsenthalpie für die Protolyse der beiden Gase beträgt – 176 kJ/mol Ammoniumchlorid.
Durch Erhitzen von Ammoniumchlorid in einem Reagenzglas kann die Umkehrung der Reaktion gezeigt werden. Dazu ein 8cm langes, angefeuchtetes pH-Papier oben in das RG, in der Mitte davon etwas Glaswolle.
Theorie
Thermolyse von Iodpentoxid
Lernziele: - Analyse einer Verbindung - Zersetzung durch Wärme - Nachweis von O
2Material: - Glaswanne - Iodpentoxid
- Glasrohr S-förmig mit Gummistopfen - Holzspan
- Reagenzglas schwerschmelzbar - Messzylinder 100mL
Durchführung: 1. Mit der Glaswanne, dem 100mL Messzylinder und Leitungswas- ser eine pneumatische Wanne zusammenstellen.
2. In das Reagenzglas wird knapp ein halber Spatel Iodpentoxid gegeben und so mit dem am Stativ befestigten Glasrohr verbun- den, dass der Sauerstoff mit dem Messzylinder aufgefangen werden kann.
3. Das Iodpentoxid wird im RG so lange erhitzt, bis kein Sauerstoff mehr entsteht. Danach zuerst das S-Rohr vom RG entfernen und dann das Erhitzen einstellen.
4. Den Messzylinder unter Wasser verschliessen, herausnehmen und mittels glühendem Holzspan den Sauerstoff nachweisen.
Bemerkung: 0.5 g Iodpentoxid entsprechen ca. 83mL O
2Theorie: 2 I
2O
5→ 2 I
2+ 5 O
2Entsorgung: Experiment dem Laboranten übergeben.
Korrosionsvorgang am Eisen
Thema Oxidation/Reduktion/Opferanode
