Metalle im Anfangsunterricht - von der historische Gewinnung bis zur heutigen Bearbeitung (WORD)

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

Schülerinnen sind genauso gemeint.

Metalle im Anfangsunterricht – von der historischen Ge- winnung bis zur heutigen Bearbeitung

Kerstin Langer, Kiel Niveau: Sek. I

Dauer: 20 Unterrichtsstunden (Minimalplan: 13 Unterrichtsstunden) Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler* können …

– chemische Reaktionen im Teilchenmodell darstellen,

– einfache chemische Experimente selbstständig durchführen und ggf. planen, – Reaktionsgleichungen für einfache Redoxvorgänge aufstellen.

Der Beitrag enthält Materialien für:

ü offene Unterrichtsformen ü Schülerversuche ü Lehrerversuch ü Hausaufgaben

Hinweise zur Didaktik und Methodik

Das Thema „Metalle“ liegt im Anfangsunterricht meist im ersten Lernjahr. Dabei werden die ersten chemischen Reaktionen erlebt und die ersten Vorstellungen dazu er- zeugt.

Durch diese Einheit zieht sich ein historischer roter Faden, der in der Kupferzeit beginnt und über die Bronze- und die Eisenzeit bis in die heutige Zeit verläuft. Dabei bauen die einzelnen Materialien Schritt für Schritt aufeinander auf. Sie sind schüler- gerecht gestaltet und haben als fachlichen Schwerpunkt anschauliche Vorstellungen auf der Teilchenebene. Damit sind sie ideal für den Anfangsunterricht in den unteren Klassenstufen. Ausgehend von der Wortgleichung wird das Teilchenmodell gezeichnet und daraus die Reaktionsgleichung abgeleitet und in drei Schritten aufgestellt.

Anspruchsvolle Reaktionen werden so für die Schüler greifbar.

Diese Einheit beginnt optional mit dem Atommodell (M 1) und führt dann sofort in den Bereich der chemischen Formeln ein (M 2). Über die historische Einführung (M 3) am Beispiel von Ötzis Kupferbeil werden die Kupfergewinnung im früheren Zeitalter als Comic thematisiert (M 4) und die chemischen Hintergründe in einem Schülerver- such untersucht (M 5) sowie eine alternative Herstellung durchgespielt (M 6). Die zu der Zeit mögliche Methode der Metallbearbeitung war auf das Gießen beschränkt (M 7). Bronze zeigte in der folgenden Zeit als Werkstoff Vorteile gegenüber Kupfer (M 8), später folgte die Eisenzeit (M 9) mit der Gewinnung von Eisen in Rennfeueröfen (M 10). Inzwischen konnten Metalle geschmiedet werden (M 11). Es folgt der Sprung in die heutige Zeit mit dem Hochofenprozess (M 12). Daraus ergibt sich die Metallfol- ge (M 13) mit zusätzlichen Übungsaufgaben (M 14) und der praktischen Anwendung im Thermitverfahren (M 15). Die Einheit schließt mit der modernen Metallbearbeitung in Form von Schweißen und Löten (M 16).

Um in dieser Einheit erfolgreich mitarbeiten zu können, müssen die Schüler folgende unterrichtliche Voraussetzungen mitbringen: chemische Reaktionen, Teilchenvor- stellung sowie Luft als Reaktionspartner inklusive Nachweise für Stickstoff, Sauer- stoff und Kohlenstoffdioxid.

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Materialübersicht

· V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch FoVo = Folienvorlage

GBU = Gefährdungsbeurteilung ^#Die Gefährdungsbeurteilungen inden Sie auf CD 54.

M 1 Ab, FoVo Bausteine der Chemie – Atome

M 2 Ab Chemische Geheimsprache – Formeln M 3 Ab Mit der Chemie auf Ötzis Spuren M 4 Ab Kupfergewinnung zu Ötzis Zeit

M 5 3 SV, Ab, GBU^# Kupfergewinnung zu Ötzis Zeit aus chemischer Sicht

· V: 5 min

· D: 3 x 30 min r Malachit r Kalkwasser r Holzkohlepulver r Kupferoxid r Reagenzgläser r Reagenzglasklammer

r Brenner r Spatel

r gewinkeltes Glasrohr r durchbohrter Stopfen r Glimmspan

M 6 Ab Eine weitere Möglichkeit zur Kupfergewinnung M 7 SV, Ab, GBU^# Metallbearbeitung I – Gießen

· V: 10 min

· D: 30 min

r Zinn

r Talkumpuder r Zinngießform r Brenner

r Schmelztiegel

r Klammern zum Zusam- menhalten der Form r evtl. Seitenschneider

M 8 SV, Ab, GBU^# Von der Kupferzeit zur Bronzezeit

· V: 5 min

· D: 15 min

r Zinnpulver r Kupferpulver r Reagenzglas

r Reagenzglasklammer r Brenner

r Spatel M 9 2 SV, Ab, GBU^# Von der Bronzezeit zur Eisenzeit

· V: 5 min

· D: 2 x 30 min

r Zinnpulver r Kupferpulver r Eisenpulver r Magnesiumpulver r Eisenoxid

r Kohlenstoff

r Reagenzgläser r Reagenzglasklammer r Brenner

r Spatel r Magnet

M 10 Ab Eisengewinnung früher

M 11 SV, Ab, GBU^# Metallbearbeitung II – Schmieden

· V: 5 min

· D: 25 min

r Kupferdraht (ø 2 mm) r Hammer

r Kombizange/Seitenschneider

r Brenner r Tiegelzange

M 12 Ab, FoVo Eisengewinnung heute I – Hochofen M 13 Ab Exkurs zur Metallfolge

M 14 Ab Exkurs: Übungen zur Metallfolge

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M 15 LV, Ab, GBU^# Eisengewinnung heute II – Thermitverfahren

· V: 5 min

· D: 30 min r Elektrothermit

r Anzündstäbchen oder Wunderkerze

r Reaktionstiegel mit Deckel

r Auffangtiegel r Dreifuß r Tiegelzange

r feuerfeste Unterlage M 16 SV, Ab, GBU^# Metallbearbeitung III – Schweißen und Löten

· V: 5 min

· D: 35 min

r Kupferdraht (ø 1 mm) r Lötzinn

r Lötkolben(station) r feuerfeste Unterlage Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 29.

Minimalplan

Ihnen steht nur wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf 13 Stunden kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus:

1. Stunde M 1 und M 2 müssen unbedingt als Vorbereitung durchgeführt werden. Falls das Atommodell bereits bekannt ist, kann auf M 1 verzich- tet werden.

2.–5.

Stunde Stellen Sie M 4 vorbereitend als Hausaufgabe. M 5 sollte nicht ge- kürzt werden, da hier die Schüler an wissenschaftliches Arbeiten und Hypothesenbildung herangeführt werden. M 6 dagegen ist optional.

6. Stunde M 7 kann vorbereitend als Hausaufgabe gegeben und innerhalb von einer Stunde durchgeführt werden.

7. Stunde M 8 kann als Hausaufgabe vorbereitend gegeben und innerhalb von einer Stunde bearbeitet werden.

8. + 9.

Stunde

M 9 kann innerhalb von zwei Einzelstunden oder einer Doppelstunde bearbeitet werden. M 10 kann optional aus Hausaufgabe gegeben werden.

10. Stunde Zu M 12 sollte ein Film gezeigt werden (siehe Seite 39), die Aufgaben können als Hausaufgabe bearbeitet werden.

11. Stunde M 13 und M 14 lassen sich in einer Stunde bearbeiten.

12. Stunde M 15 kann vorbereitend als Hausaufgabe gegeben und innerhalb von einer Stunde durchgeführt werden.

13. Stunde M 16 kann optional durchgeführt werden.

Internet

www.klett.de/software/shockwave/prisma_chemie_ol/pc_pc01an605/index.

html

Hier inden Sie eine Animation zum Hochofen als Ergänzung für M 12.

Bezugsquellen

Reinzinn ist am günstigsten in Onlineshops zu erwerben.

Die fertige Thermitmischung kann bei verschiedenen Lehrmittelshops bezogen werden, z. B. unter www.der-hedinger.de, Art.-Nr. H 38 A.

Das Thermit-Set ist ebenfalls bei verschiedenen Lehrmittelshops zu beziehen. Es lohnt sich, die Preise zu vergleichen. Insbesondere bei den Versandkosten kann bei einigen Anbietern ein erhöhter Gefahrgutzuschlag hinzukommen.

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Cu Cu C H H O O O O O H O H

Cu

Cu C

O O

M 1c Teilchenmodelle für die einzelnen Materialien

Malachit à Wasser + Kohlenstoffdioxid + Kupferoxid à + +

Kupferoxid + Kohlenstoff à Kupfer + Kohlenstoffdioxid + à +

Kupferkies + Sauerstoff à Kupferoxid + Eisenoxid + Schwefeldioxid

+ à + +

Schmieden von Kupfer:

Schweißprozess auf der Teilchenebene:

Lötprozess auf der Teilchenebene:

Cu

Cu O O

C

Cu

Cu u O

C

u O C O

Cu Fe S S O O O O

O O

Cu O Fe O

S

S O

O

M 5

M 6

M 11

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M 16

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M 3 Mit der Chemie auf Ötzis Spuren

1991 wurde in den Ötztaler Alpen (Südtirol) eine Gletschermumie gefunden. Es ist die ein- zige aus der Kupfersteinzeit erhaltene Leiche in Mitteleuropa und über 5000 Jahre alt. Nach ih- rem Fundort erhielt sie den Namen Ötzi. Er wird auch als „der Mann aus dem Eis“ bezeichnet.

Ötzi trug eine Jacke aus braunem und weißem Fell. Um die Hüften trug er einen Gürtel aus Kalbsleder, an dem auch der Lendenschurz hing. Seine Schuhe bestanden aus Rindleder mit einer Sohle aus Bärenfell. Als Isolations- material diente trockenes Gras. Seine Mütze bestand ebenfalls aus Fell.

Ötzi wurde vermutlich durch eine Pfeilattacke ermordet – einen Schuss in den Rücken. Bei sich hatte er mehrere Waffen. Der Bogen bestand aus Eibenholz, die Pfeilspitzen wurden aus Feuerstein gefertigt. Zu seiner Ausrüstung gehörte ebenfalls ein Dolch mit einer Klinge aus Feuerstein und einem Griff aus Eschen- holz.

Ötzis Kupferbeil ist vollständig erhalten. Die Klinge besteht zu 99 % aus Kupfer, das in der damaligen Zeit sehr wertvoll war. Ob Ötzi sein Beil zum Fällen von Bäumen oder als Waffe benutzte, ist bis heute nicht geklärt.

Die Gletschermumie wird untersucht

Ötzis Kupferbeil

So könnte er ausgesehen haben

Diese Schuhe hat Ötzi getragen

5

10

15

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M 4 Kupfergewinnung zu Ötzis Zeit

Ötzi lebte etwa 3200 v. Chr. Wie die Kupfergewinnung zu dieser Zeit funktionierte, kannst du auf den folgenden Comicbildern sehen. Schneide die Bilder aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge in dein Heft. Schreibe auf, was an den einzelnen Sta- tionen passiert.

erd „PIRG“ Pircher – www.oetzl.com



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M 5 Kupfergewinnung zu Ötzis Zeit aus chemischer Sicht

Nachdem du gelernt hast, wie zu Ötzis Zeit Kupfer gewon- nen wurde, untersuchst du nun die chemischen Hinter- gründe dieses Prozesses. Ausgangsstoff ist Malachit, ein hellgrün aussehendes Kupfererz. Malachit hat die Sum- menformel Cu₂CH₂O₅.

Erhitzen von Malachit

Aufgabe 1: Zeichne den Teilchenmodell-Ausschnitt von einem Malachitteilchen.

Um den Prozess der Kupferherstellung chemisch zu verstehen, müssen wir ihn schritt- weise durchführen und aus quantitativer Sicht betrachten.

Schülerversuch 1: Erhitzen von Malachit Chemikalien Geräte

r Malachit r mind. 4 Reagenzgläser r Reagenzglasklammer

r Brenner

r Spatel r Waage Entsorgung: Die Überreste können im Abfall entsorgt werden.

Tipp: Für die Auswertung der Versuchsergebnisse benötigen wir die in der Tabelle angegebenen Werte (siehe Aufgabe 2). Überlege dir vor der Ver- suchsdurchführung, wann du das Reagenzglas jeweils wiegen musst, und führe diesen Schritt selbstständig an den richtigen Stellen durch.

Versuchsdurchführung

• Fülle das Reagenzglas 1 cm hoch mit Malachit.

• Erhitze das Malachit im Reagenzglas über dem Brenner.

Aufgabe 2: Trage die Werte in die Tabelle ein. (RG = Reagenzglas)

Masse in g leeres RG RG mit

Malachit Malachit RG mit Reak- tionsprodukt

Reaktions- produkt

Aufgabe 3: Notiere deine Beobachtungen.

_____________________________________________________________ _________

Aufgabe 4: Finde eine Erklärung für deine Beobachtungen und notiere sie. ________

_____________________________________________________________ _________

Die Massendifferenz vor und nach dem Versuch beträgt ____ g, das entspricht ____ %.

Malachit

(unpoliert und poliert)

Thinkstock/iStock

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Nun überprüfen wir, ob unser Versuchsergebnis mit der theoretischen Berechnung übereinstimmt:

Um den Anteil des entstehenden Wassers am Malachit zu berechnen, benötigen wir die Masse der einzelnen Atome. Da ein Atom sehr leicht ist, geben die Chemiker Atom- massen nicht in g an, sondern in u. Zum Beispiel wiegt ein Kohlenstoffatom 12 u. Das sind umgerechnet 0,000 000 000 000 000 000 000 02 g.

Aufgabe 5: Zeichne die Teilchenmodelle der jeweiligen Atome in die Tabelle.

Atom Kupferatom Kohlenstoff- atom

Wasserstoff-

atom Sauerstoffatom Teilchen-

modell

Symbol Cu C H O

Masse

in u 63,5 12 1 16

Aufgabe 6: Ergänze folgende Tabelle:

Teilchen Malachitteilchen Wasserteilchen

Teilchen- modell

Formel Masse in u (inkl. Be- rechnung)

Aufgabe 7: Berechne den Massenanteil in % von einem Wasserteilchen an einem Malachitteilchen.

_____________________________________________________________ _________

Aufgabe 8: Vergleiche den von uns experimentell ermittelten mit dem berechneten Wasseranteil und ziehe Schlussfolgerungen daraus.

_____________________________________________________________ _________

Aufgabe 9: Verwende das Teilchenmodell, um deine Schlussfolgerungen zu konkretisieren. Vermutlich entstehen beim Erhitzen von Malachit folgende Reaktionsprodukte:

_____________________________________________________________ _________

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M 7 Metallbearbeitung I – Gießen

Das vermutlich älteste Verfahren zur Bearbeitung von Metallen ist das Gießen von lüssigem Metall in vorgefertigte Formen. Das heiße Metall erstarrt beim Abkühlen und nimmt die Gestalt der Form an.

Da Kupfer einen Schmelzpunkt von 1085 °C hat, ist es für unsere Zwecke nicht zum Metallgießen ge- eignet. Wir verwenden stattdessen Zinn, das einen Schmelzpunkt von 232 °C hat, um uns das Prinzip des Metallgießens klarzumachen.

Schülerversuch: Gießen von Zinnfiguren Chemikalien Geräte

r Zinn

r Talkumpuder

r Zinngießform

r Klammern zum Zusam- menhalten der Form

r Schmelztiegel r Brenner

r evtl. Seitenschneider

Aufgabe 1: Die folgenden Bilder stellen die einzelnen Arbeitsschritte beim Gießen von Zinnfiguren dar. Sortiere sie in die richtige Reihenfolge und formuliere jeden einzelnen Arbeitsschritt aus, ggf. mit Begründung.

1 2 3 4 5 6



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Aufgabe 2: Vervollständige den Lückentext mit den folgenden Wörtern: Geschwin- digkeit – Schmelzpunkt – Anziehungskräfte – erstarrt.

Um Metalle gießen zu können, müssen sie über ihren ____________________ hinaus erhitzt werden. Das Metall wird dann l üssig. Beim Abkühlen _______________ es wieder. Im l üssigen Zustand bewegen sich die Atome. Beim Abkühlen nimmt ihre ____________________ ab. Dadurch können die _____________________ zwischen den einzelnen Atomen so stark wirken, dass sich die Atome zusammenlagern. Dieser Prozess heißt „Kristallisieren“.

Zusatzinfo für Profi s: Wir wissen, dass die Atome im festen Zustand geordnet sind. Da der Kristallisationsprozess in der Realität an mehre- ren Stellen gleichzeitig startet, hat jedes dabei entstehende Korn (Kris- tallit) für sich gesehen eine Ordnung. Die einzelnen Körner begrenzen sich gegen- seitig unregelmäßig, sodass zwischen ihnen Korngrenzen entstehen. Durch die Geschwindigkeit und Dauer des Abkühlens kann man das Wachstum dieser Korn- grenzen beeinl ussen. Bei manchen Metallen kann man die Korngrenzen sogar mit dem bloßen Auge erkennen, z. B. bei Zinkblechen.

Aufgabe 3: Wir betrachten den Vorgang des Kristallisierens nun auf Teilchenebene.

Schneide die unteren Bilder aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge in die lee- ren Kästchen.



 

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M 9 Von der Bronzezeit zur Eisenzeit

Nach der Bronzezeit folgte die Eisenzeit. Eisen war wesentlich härter als Bronze und eignete sich gut als Werkstoff. Eisen hatte jedoch einen entscheidenden Nachteil: Die Verfahren zur Herstellung von Kupfer oder Bronze ließen sich nicht auf die Herstellung von Eisen übertragen. Deswegen blieb das häufig vorkommende Eisenerz lange Zeit ungenutzt.

Aufgabe 1: Ergänze die chemischen Überlegungen zur Problematik der Eisenherstel- lung. Verwende die richtigen Wörter aus dieser Liste:

edle – unedle – Wasser – Sauerstoff – Eisenoxid – Gemenge – schrumpft – rostet Kupfer und Zinn sind im Vergleich zu Eisen relativ __________ Metalle. Eisen ______________ sehr schnell an der Luft, d. h., es reagiert gut mit _________________.

Dabei entsteht chemisch gesehen ein _______________.

Aufgabe 2: Vergleiche Kupfer, Zinn, Eisen und Magnesium im folgenden Versuch bezüglich der Stärke ihrer chemischen Reaktion mit Sauerstoff.

Schülerversuch 1: Metalle im Vergleich

Chemikalien Geräte

r Zinnpulver r Eisenpulver

r Kupferpulver r Magnesiumpulver

r Reagenzglas

r Reagenzglasklammer

r Brenner r Spatel Entsorgung: Die Überreste können im Abfall entsorgt werden.

Versuchsdurchführung

• Stelle den Brenner auf die blaue Flamme ein und halte ihn schräg in der Hand.

• Streue dann jeweils ein bisschen Metallpulver in die Flamme. Es darf dabei nicht in den Brenner gelangen!

Aufgabe 3: Vergleiche die Helligkeit der Funken.

______________________________________________________________ ________

_______________________________________________________________ _______

Die Helligkeit der Funken können wir als Maß für die frei werdende Energie betrachten: Je heller die Funken sind, desto mehr Energie wird bei der chemischen Reaktion dieses Metalls mit Sauerstoff frei.

Aufgabe 4: In der Chemie kennzeichnet man frei werdende Energie mit einem Pfeil nach unten. Je mehr Energie frei wird, desto länger ist der Pfeil. Trage, basierend auf den Versuchsergebnissen, die Metalle, deren Oxide und die Funkenfarbe richtig ein.





oxid

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M 10 Eisengewinnung früher

Ab etwa 800 v. Chr. spricht man vom Beginn der euro- päischen Eisenzeit. Für die Gewinnung von Eisen wurden dazu Rennfeueröfen gebaut. Hier lernst du die Funktion und die chemischen Prozesse von Renn- feueröfen kennen.

Aufgabe 1: Ergänze die Lücken im folgenden Text (auch mithilfe der Abbildung).

Rennfeueröfen waren kleine, aus Lehm und Steinen gebaute Schmelzöfen, in de- nen schichtweise ________ ______ und ____ ___________ eingebracht wurden. Über eine seitliche Öffnung wurde durch Wind oder durch einen Blasebalg ________ __ zugeführt. Die erreichbare Temperatur von ca. 1300 °C lag unter dem __________ _______ von Eisen mit 1536 °C. Das Eisen musste zur Weiterverarbeitung also ________ ________ werden.

Aufgabe 2: Aus chemischer Sicht passiert Folgendes. Ergänze die drei Reaktionsglei- chungen.

Ø Unter Sauerstoffmangel verbrennt Kohlenstoff nicht zu Kohlenstoffdioxid, sondern zu Kohlenstoffmonooxid – ein brennbares, giftiges Gas:

Ø Kohlenstoffmonooxid reagiert mit dem Eisenerz (Fe₂O₃):

Ø Das entstehende Kohlenstoffdioxid reagiert mit noch vorhandenem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonooxid, das wieder mit Eisenerz reagieren kann:

Ø Das entstandene Eisen lagert sich am Boden der Mulde ab. Die Schlacke besteht aus nicht brauchbaren Nebenbestandteilen und muss abgetrennt werden.

Holzkohle Eisenerz Blasebalg Eisen

Schlacke

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M 12 Eisengewinnung heute I – Hochofen

In der heutigen Zeit wird Eisen nicht mehr in Rennfeueröfen, sondern großtechnisch in Hochöfen hergestellt. Ein Hochofen läuft etwa 30 Jahre ununterbrochen und produziert täglich 300 t Eisen. Hier lernst du, wie der Hochofenprozess funktioniert.

In der heutigen Zeit wird Eisen nicht mehr in Rennfeueröfen, sondern großtechnisch in Hochöfen hergestellt. Ein Hochofen läuft etwa 30 Jahre ununterbrochen und produziert täglich 300 t Eisen. Hier lernst du, wie der Hochofenprozess funktioniert.

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Aufgaben

1. Schneide die folgenden Beschriftungen aus und klebe sie an die richtige Stelle.

Verbrennungszone:

Verbrennung von Koks

Reduktionszone:

Reduktion von Eisenoxid mit Kohlenstoffmonooxid

Schmelzzone:

lüssiges Roheisen und Schlacke

Ringleitung:

Einleiten von Heißluft

Vorwärmzone:

Trocknen und Vorwärmen der Ausgangsstoffe

Die Schlacke schwimmt auf dem Roheisen und wird abgegossen Beschickung mit Koks,

Eisenerz und Zuschlägen

Gichtgase mit 20 % Koh- lenstoffmonooxid und 5 % Wasserstoff

Ständige Wasserkühlung der Hochofenwand

2. Ergänze in den freien Feldern im Hochofen die Temperaturen: 2000 °C, 1400 °C, 900 °C, 400 °C, 200 °C.

3. Kennzeichne durch Pfeile im Hochofen, in welche Richtung sich feste und gasförmi- ge Stoffe bewegen.

4. Ergänze folgende Reaktionsgleichungen und klebe sie an die richtige Stelle.

Fe₂O₃ + _CO à _Fe + _CO₂ CO₂ + C à _______ C + O₂ à _______

5. Fasse den Hochofenprozess stichwortartig in einem Pfeildiagramm zusammen.

6. Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft:

a) Welche Stoffe werden im Hochofen verarbeitet?

b) Warum hat der Hochofen diese Form?

c) Welche Aufgabe hat die Vorwärmzone?

d) Wodurch wird die benötigte Reaktionstemperatur erreicht?

e) Wie wird das geschmolzene Eisen in der Schmelzzone vor erneuter Oxidation geschützt?

f) Wie bekommt man das Eisen aus dem Hochofen heraus?

g) Was passiert mit den Gichtgasen?

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Erläuterungen und Lösungen

Erläuterung (M 1a–c)

Dieser Informationstext M 1a dient zur Vorstellung des daltonschen Atommodells, falls dieses aus dem vorherigen Unterricht nicht bekannt ist. Es bildet die Grundlage für diese Unterrichtseinheit. Das PSE ist an dieser Stelle nur zum Nachschlagen der Elementsymbole gedacht und erhält daher keine weiteren Informationen.

Um die Reaktionen im Teilchenmodell verfolgen zu können, können die Schüler die verschiedenen Atome aus M 1b ausschneiden und z. B. farbig ausmalen. Der Vor- teil dieser Methode ist das lexible Hin- und Herschieben der einzelnen Atome und das daraus resultierende Zusammenbauen der Verbindungen. Die farbige Gestaltung hilft bei der Zuordnung der einzelnen Atome. Die standardmäßig verwendeten Farben sind: Rot – Sauerstoff, Weiß – Wasserstoff, Schwarz – Kohlenstoff, Gelb – Schwefel, Braun/Orange – Kupfer und Grau – Eisen oder andere Metalle. Es besteht allerdings die Gefahr der Fehlvorstellung, dass die einzelnen Atome wirklich die entsprechenden Farben haben. An dieser Stelle haben die Schüler oft Schwierigkeiten, die Stoff- und die Modellebene auseinanderzuhalten.

Auf der Folienvorlage in M 1c inden Sie die Musterlösungen für die wichtigsten Teil- chenmodelle aus M 5, M 6, M 11 und M 16.

Erläuterung (M 2)

Generell gelten chemische Formeln unter Schülern als schwierig und undurchschau- bar. Erkennbar wird dies insbesondere beim Aufstellen von Reaktionsgleichungen – der Unterschied zwischen einer Zahl im Index und als Koefizient ist häuig nicht bekannt oder gerät im Anwendungsfall in Vergessenheit. An zwei von Ihnen ausge- wählten Beispielen stellen Sie mit Ihren Schülern Reaktionsgleichungen auf. Dafür eignen sich im Unterricht bereits durchgeführte Reaktionen: z. B. Kupfer und Sauer- stoff zu Kupferoxid oder Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid.

Hier lässt sich sehr gut mit den ausgeschnittenen Atomen von M 1b arbeiten. Die Schüler können sie aneinanderlegen und bei Bedarf hin und her schieben. Noch ge- eigneter sind DUPLO-Steine, die mit einem entsprechenden Elementsymbol versehen werden. Es gibt sie in unterschiedlichen Farben, die sich auch sehr gut für den Che- mieunterricht eignen (z. B. Gelb für Schwefel, Schwarz für Kohlenstoff).

Der Zugang vom Teilchenmodell zu den Reaktionsgleichungen vollzieht sich in drei Schritten. Er wird in den folgenden Arbeitsmaterialien vorausgesetzt. Im ersten Schritt wird das Teilchenmodell gezeichnet. Nach dem daltonschen Atommodell ist bekannt, dass die Stoffe aus Atomen bestehen, die bei chemischen Reaktionen nur umgruppiert werden. An dieser Stelle wird eine sehr bewusste didaktische Entschei- dung getroffen, nämlich dass die Atome in einem bestimmten Anzahlverhältnis auftreten. Beim Zeichnen müssen Sie also stark steuern. Eine Thematisierung, warum die Atome gerade in diesem Anzahlverhältnis auftauchen, geschieht an dieser Stelle nicht.

Das chemische Hintergrundwissen zum Verständnis dafür wird erst in den nächsten Jahren gelegt. Im zweiten Schritt wird der Ausschnitt aus dem Teilchenmodell gezeichnet. Er beinhaltet die kleinste vollständige Einheit eines Stoffes, z. B. ein Molekül aus zwei Atomen beim Sauerstoff oder eine Einheit aus zwei Ionen beim Kupferoxid.

Dann wird auf beiden Seiten des Reaktionspfeiles die Anzahl der Atome durch ent- sprechendes Hinzufügen von fehlenden ‚Atompaketen‘ ausgeglichen. Ein Atompaket ist dabei die kleinste vollständige Einheit. So wird die Vorstellung gesichert, dass ein Atompaket jeweils immer nur vollständig auftreten kann und in genau dieser Kombi- nation von Atomen zusammenbleiben muss. Im dritten Schritt werden die Formeln zu den Teilchenmodell-Ausschnitten aufgestellt. An dieser Stelle wird die Bedeutung von