U-Reihe: Technischer Kalkkreislauf

Getestete Unterrichtsreihe:

Wir untersuchen Marmorkies

 (Technischer Kalkkreislauf)

 

     Vorbemerkung:

  1. Eigenschaften von Marmorkies (MK)

  2. Ist MK brennbar? Was geschieht mit dem Stein beim Erhitzen?

  3. Ändert sich die Masse von MK beim Erhitzen?

  4. Welcher Stoff entsteht beim Erhitzen von MK?
  5. Welche Eigenschaften hat MK-Gas?

  6. Ist "erhitzter MK" immer noch das Gleiche wie MK?

  7. Wir untersuchen die Schicht, die oben auf dem MK-Zisch-Wasser bildet.

  8. Zusammenfassung: Der technische Kalkkreislauf

 9. Experiment zur Verfestigung

10. Kalk im Alltag

11. Nachweis von Kohlenstoffdioxid

12. Weitere Eigenschaft von Kohlenstoffdioxid: Feuerlöschen

 

 

 

Vorbemerkung:

Der hier skizzierte Unterrichtsgang ist angelehnt an das sehr aufwendig gestaltete Unterrichtswerk von Johann Weninger, Helga Pfundt, Werner Dierks und Wolfgang Marcus, IPN-Lehrgang, "Stoffe und Stoffumbildungen"1. Teil: Ein Weg zur Atomhypothese, welches im Klett-Verlag (1979)  erschienen war. (Klettbuch 78121, 78122, 78123 und 78129)

Der Weg wurde modifiziert und in vielen Jahren in NRW mit Erfolg beschritten. Platziert war er zu Beginn der Klasse 7.

Da an nicht allen Schulen in den verschiedenen Bundesländern die gleichen Voraussetzungen bzw. Hauscurricula vorhanden sind, um genau den gleichen Weg zu gehen, muss eventuell die eine oder andere Passage (s.u.) abgeändert werden.

Als zusätzliche Hilfe zu dem didaktischen Vorschlag finden sich auf der rechten Seite der Darstellung Links zu Hilfen wie Filmen oder Arbeitsblättern.

 


Aus einem Schülerheft (etwas überarbeitet)

 

Im ersten Jahr Chemie sollen wir eine Ahnung bekommen, wie Naturwissenschaftler arbeiten. Dabei sollen wir nicht nur Stoffe, ihre Eigenschaften und Naturgesetze kennen lernen, sondern auch wie Experimente geplant durchgeführt und ausgewertet werden.

Wir konnten uns den Stoff, den wir als ersten untersuchen sollten, nicht wählen, sondern der Lehrer stellte einen Sack mit "Marmorkies" aus dem Baumarkt auf den Tisch und gab jedem eine "Kugel".

Nach der Einführung in die Sicherheitsrichtlinien war die Hausaufgabe "Seht mal zu, was ihr zu Hause mit dem Marmorkies alles anfangen könnt!"

 

1. Eigenschaften von Marmorkies (MK)

Was wir zu Hause mit dem Marmorkies angestellt haben:

1. Unter der Lupe: Der MK ist weiß bis grau und ist mit weißem Staub überzogen. Dies kommt wahrscheinlich daher, dass sich die Stücke aneinander abreiben. Die Oberfläche hat stecknadelgroße Löcher.

2.1 Mit kaltem Wasser: Legt man MK in Wasser, geht er unter und verändert seine Farbe. Diese wird allmählich dunkler. Holt man MK aus dem Wasser hellt sich die Farbe über Nacht wieder auf.

2.2 In heißem Wasser: Man beobachtet das Gleiche wie bei 2.1.
2.3 In Tintenwasser
: Der Stein ist außen blau, aber die Farbe zieht nicht nach innen.
2.4 Mit Essigwasser: Legt man MK in Essig, so beobachtet kleine Bläschen, und die Kugel wird kleiner.

3. Mit einer Feile: MK ist schleifbar.

4. Mit einem Hammer: MK ist hart, schlägt man mit dem Hammer darauf, zerspringt er, Man sieht kleine weiß-grau glitzernde Flächen

5. Streichholz - Kerzenflamme: MK brennt nicht. Einige Stellen sind schwarz gefärbt.

AK

Material

 

 

 

Zum Erhitzen kommen noch verschiedene Beiträge. Der Lehrer möchte, dass wir die Geschichte mit dem Erhitzen gründlicher untersuchen. Dazu besprechen wir als erstes Aufbau und Bedienung des Gasbrenners - Viele nennen ihn fälschlicherweise "Bunsenbrenner".

               

AB A00a

 

 

 

Kennenlernen der chemischen Arbeitsgeräte:  AK Riddle

Wir haben eine Vertretungsstunde in Chemie. Der Lehrer holt uns in den Chemieraum und wir müssen die Laptops aufbauen. Nach einer langen Wartezeit können wir endlich starten: Wir müssen aus vorgegeben Antworten die richtige zur Abbildung eines Gerätes anklicken. Dafür gibt es Punkte der Punktestand der fünf besten wird eingeblendet.

Es macht einen Riesenspaß.

Der Lehrer sagt uns, das wir "AK-Riddle" als Bestandteil von AK WinChemie aus dem Internet herunter laden können. Die Seite ist:

      http://kappenberg.com/pages/akwinchemie/installatio.htm 

Film: akriddle

 


Dann aber geht es richtig los. Wir "dürfen" unser erstes Protokoll schreiben!! Es soll demnächst immer so ähnlich aussehen:

 

2. Ist MK brennbar? Was geschieht mit dem Stein beim Erhitzen?

Prinzip:

Wir halten MK in eine "saubere", heiße Flamme, um zu sehen, was passiert.

Skizze:

entfällt

Material:

Schutzbrille, Bunsenbrenner, Feuerzeug, Tiegelzange, Porzellanschale

Chemikalien:  

MK

Durchführung
und

Beobachtung:

Wir halten MK mit Hilfe der Tiegelzange in die „rauschende Flamme“.

MK fängt an einer Stelle an rötlich zu glühen. Wenn man den MK lange genug ruhig hält, glüht er sogar gelb.

Nach dem Abkühlen in der Porzellanschale bröckelte er an der Stelle ab, die erhitzt wurde.

Ergebnis:

MK verändert beim starken Erhitzen seine Konsistenz.

 

Einige von uns meinen, dass der Stein beim Erhitzen leichter wird. Wir stimmen ab:

   20 sind dafür, dass er leichter wird

     7 sind dafür, dass er schwerer wird

     5 behaupten, dass die Masse sich nicht ändert (Da bin ich dabei.)
Wir wollen diese Vermutung genauer untersuchen.

3. Ändert sich die Masse von MK beim Erhitzen?

Prinzip:

Wir wiegen MK vor und nach dem Erhitzen.

Skizze:

entfällt

Material:

Wie bei Versuch 2; zusätzlich: Elektronische Waage  

Chemikalien:  

MK

Durchführung
und

Beobachtung:

Nach dem Abkühlen wiegen wir MK erneut in der

Porzellanschale und notieren wieder die Masse

Masse des Steines + Schale vorher Masse des Steines + Schale vorher  :      .....   ...   g

Masse des Steines + Schale nachher:      .....   ...   g

Differenz:                                            .. ...   ...   g

Ergebnis:

MK wird  beim Erhitzen leichter.

 
Ich habe leider für das falsche Ergebnis gestimmt.

Nun stellt sich natürlich die Frage: Wo ist das, was beim Erhitzen verschwindet?
 

4. Welcher Stoff entsteht beim Erhitzen von MK?

 Die erste Idee ist: Es entsteht Wasser. Bei dieser hohen Temperatur verdampft es und es verteilt sich im Raum. Wir könnten eine Glocke um unsere Apparatur bauen, oder eine kalte Glasscheibe darüber halten.

Dann hat Ludger die Idee: Wir packen MK in ein Rohr und machen oben einen Luftballon darauf. Der Lehrer ist begeistert, sagt aber: „Evtl. hält der Ballon die Hitze nicht aus. Wir nehmen lieber ein Gerät aus der Medizintechnik, das so ähnlich funktioniert: eine Spritze.“

 

Erhitzen von Marmorkies (Brennen von Kalk) 


AB: A05A


Film: A05A

 Ergebnis:  

 Beim Erhitzen vom MK entsteht kein Wasser sonder ein farbloses Gas.

  Wir nennen es MK-Gas.

            

Nun haben wir schon zwei Stoffe, die wir untersuchen müssen, das Gas und das erhitzte MK. Wir fangen mit dem Gas an.

 

5. Welche Eigenschaften hat MK-Gas?

a) Ist MK-Gas brennbar?

Eigentlich dürfte es nicht brennbar sein, weil wir beim Erhitzen keine Veränderung der Flamme festgestellt haben. Aber Ludger darf für seine gute Idee das Gas aus der Spritze über eine Brenndüse in die Bunsenbrennerflamme pusten: Es passiert nichts.

Ergebnis:               MK-Gas ist nicht brennbar.

b) Ist MK-Gas leichter oder schwerer als Luft?

Skizze:

Durchführung
und

Beobachtung:

Wir füllen zwei gleiche Luftballons etwa gleichgroß mit Luft bzw. mit MK-Gas. Maria steigt auf die Bank, hält in jeder Hand einen Ballon. Auf Kommando lässt sie beide gleichzeitig los. Der mit MK-Gas gefüllte Ballon ist viel eher unten auf dem Boden.

Ergebnis:

MK-Gas ist spezifisch schwerer als Luft. Der Lehrer möchte aber  die Formulierung haben:  MK-Gas hat eine größere Dichte als Luft.

 

Wir wollen wissen, wie das ganz genau ist (mit Zahlen ausgedrückt!) Deshalb machen wir den Versuch nochmal aber wieder mit Spritze statt Luftballon.

 

Bestimmung der Dichten von MK-Gas und Luft

AB A08


Film: A08

Ergebnis:               Dichte von MK-Gas:  1,82 g/L  (bei Raumbedingungen!)
                              Dichte von Luft:        1,19 g/L

Der Lehrer sagt: Die Dichten sind in den Lexika meist für 0°C  angegeben. Da Gase beim Abkühlen eine größere Dichte haben, müssen wir sollen die Werte umrechnen: Wert x 298 K/ 273 K. 

Ergebnis:               Dichte von MK-Gas:  1,82 g/L  x 298 K/ 273 K = 1,99 g/L (bei 0 °C)
                              Dichte von Luft:       
1,19 g/L x 298 K/ 273 K
  = 1,30 g/L 

Hausaufgabe: Es soll im Internet oder im Lexikon ein Gas gesucht werden, das in etwa so eine Dichte hat, wie unser MK-Gas.

 

In der nächsten Stunde kommen die Lösungen:

Ergebnis:               Höchstwahrscheinlich ist MK-Gas Kohlenstoffdioxid.

Es gibt aber eine schöne Begriffsverwirrung. Viele bezeichnen das Gas als "Kohlensäure", eine Mitschülerin hat sogar gefunden: "Anhydrid der Kohlensäure". Am einfachsten finden wir noch den Namen "Kohlendioxid". Unser Lehrer sagt, dass es Normen gibt, die helfen sollen, die Begriffe zu vereinheitlichen, aber selbst auf der Gasflasche in der Kohlenstoffdioxid drin sein soll, steht "Kohlensäure" eingeprägt. Wir benutzen in Zukunft: Kohlenstoffdioxid
Der Lehrer zeigt uns nochmal, dass Kohlenstoffdioxid spezifisch schwerer ist als Luft:

Er füllt ein großes Aquarium mit Kohlenstoffdioxid und bläst vorsichtig Zigarettenqualm
(
Rauchen in der Schule verboten!) darüber. Der Qualm legt sich oben über das Kohlenstoffdioxid.
 Wenn der Lehrer nun das Aquarium an einer Seite kurz anhebt, gibt es einen tollen Effekt: Die Qualmschicht schaukelt so, als wäre eine Flüssigkeit im Aquarium. Auch ein Luftballonschiff schwimmt auf dem Kohlenstoffdioxid.


Film: A05F

. 

 

Dann zeigt uns der Lehrer ein altes Bild der Hundegrotte.

 

 

 

Bild 29: Die Hunde-Grotte auf der Insel Capri (Italien)

In dieser Höhle lagert Kohlensäure über dem Boden. Hunde werden durch sie betäubt, aufrecht stehende Menschen aber erreicht das Gas nicht.

 

 

 

 

 

 

Im Weinkeller entsteht bei der alkoholische Gärung auch Kohlenstoffdioxid. Solche "Gärkeller" betritt man am Besten immer mit einer brennenden Kerze.


 

6. Ist "erhitzter MK" immer noch das Gleiche wie MK?

Um diese Frage zu klären, hat unser Lehrer eine große Porzellanschale mit MK im großen Brennofen in der Kunst einen Tag erhitzt. Die "Kugeln" sehen irgendwie sauberer aus und scheinen leichter zu zerbröckeln, wie wir es in Versuch 2 erlebt haben. Wahrscheinlich ist es ein neuer Stoff, denn der Lehrer mahnt uns die Schutzbrillen aufzulassen und "das Zeug" nicht mit den Händen anzufassen. Wieder starten wir mit dem ersten Versuch: MK und Wasser.

 

6.1 Wie verhalten sich MK und "erhitzter MK" in Wasser

 

Prinzip:

Wir geben MK und erhitzten MK in ein Glas mit Wasser, um zu sehen, was passiert.

Skizze:

entfällt

Material:

Schutzbrille, 2 Bechergläser, 250 mL, Tiegelzange, Spatel

Chemikalien:

MK, Wasser

Durchführung
und
Beobachtung:

Wir füllen die beiden Bechergläser etwa zur Hälfte mit Wasser und geben vorsichtig mit der Tiegelzange in das eine MK und in das andere den erhitzen MK. Beim MK geschieht eigentlich nichts.
Im anderen Becherglas bröckelt die Kugel unter Geräuschentwicklung auseinander. Das Glas wird wärmer. Wenn man mit dem Spatel umrührt, ist das Wasser milchig. Nach einiger Zeit wird es wieder klar, aber auf der Wasseroberfläche bildet sich eine weiße Schicht. Wenn man sie zerstört, sinkt sie auf den Boden. Es bildet sich aber eine neue Schicht.

Ergebnis:

Erhitzer MK ist ein neuer weißer Feststoff mit neuen Eigenschaften. Wir nennen ihn MK-Light

 

Natürlich müssen wir den Versuch mit weniger Wasser wiederholen:

Löschen: Reaktion von MK-Light (Branntkalk)  mit Wasser

AB A05B

 


Film: A05B

Ergebnis:

Aus MK-Light mit Wasser ist ein neuer weißer Feststoff mit neuen Eigenschaften entstanden. Wir nennen ihn MK-Zisch.

  

7. Wir untersuchen die Schicht, die oben auf dem MK-Zisch-Wasser bildet.

Es ist so komisch, dass es immer eine ganze Zeit dauert, bis sich die weiße Schicht aus Versuch 6.1 wieder bildet. Sie bildet sich auch, wenn wir die Mischung filtrieren und ein ganz sauberes klares Filtrat nehmen. Und ..... sie bildet sich immer oben. Es scheint so als würde sie aus der Luft gebildet. Nach vielen Überlegungen hat Carsten eine Idee:" Wir pusten mal MK-Gas oben drauf" Und.... die Schicht bildet sich schneller. Als er aus Versehen die Düse in das Wasser hält, trübt es sich sofort an der Stelle. Darauf müssen wir das Ganze natürlich genauer untersuchen:

 

Abbinden: Reaktion von MK-Zisch (Löschkalk) mit MK-Gas (Kalkgas)

AB A05C

 


    Film: A05C

 

Zusatzversuch: In zwei große Schalen geben wir MK-Zisch-Lösung und blasen darauf Kohlenstoffdioxid. Nach einiger Zeit fischen wir die Schicht oben ab, trocknen sie und wiederholen mit ihr den Versuch 4: Es entsteht wieder Gas.

 

Ergebnis:

Aus MK-Zisch mit MK-Gas entsteht ein weißer Feststoff. Diesen kennen wir schon: Es ist MK. Außerdem entsteht Wasser. Der Kreis hat sich geschlossen.


8. Zusammenfassung

 Der technische Kalkkreislauf

 

Zusammenfassung: (in allen möglichen Schreibweisen)

 

1) Brennen

a) Wir

MK

 

 

®

MK-Light

+

MK-Gas

b) Technik

Kalk

 

 

®

Branntkalk

+

Kalkgas

c) mit LEGO-
    Steinen

 

 

d) Formeln

CaCO3

 

 

®

CaO

+

CO2

e) Chemie

Calciumcarbonat

 

 

®

Calciumoxid

+

Kohlenstoffdioxid

 

2) Löschen

a) Wir

MK-Light

+

Wasser

®

MK-Zisch

 

 

b) Technik

Branntkalk

+

Wasser

®

Löschkalk

 

 

c) mit LEGO-
    Steinen

 

 

c) Formeln

CaO

+

H2O

®

Ca(OH)2

 

 

d) Chemie

Calciumoxid

+

Diwasserstoffoxid

®

Calciumdihydroxid

 

 

 

3) Abbinden

a) Wir

MK-Zisch

+

MK-Gas

®

MK

+

Wasser

b) Technik

Löschkalk

+

Kalkgas

®

Kalk

+

Wasser

c) mit LEGO-
    Steinen

c) Formeln

Ca(OH)2

+

CO2

®

CaCO3

+

H2O

d) Chemie

Calciumdihydroxid

+

Kohlenstoffdioxid

®

Calciumcarbonat

+

Diwasserstoffoxid

 


9. Experiment zur Verfestigung: Wie kann man Calciumdihydroxid, Calciumoxid und Calciumcarbonat unterscheiden? Alle drei sind weiße Pulver

 

Prinzip

Durch Zufügen von Wasser und warten, können wir alle drei weißen Stoffe anhand ihre Reaktionen unterscheiden.

Materialien

3 Bechergläser, Spatel

Chemikalien

Pulver1, Pulver2, Pulver3 und Wasser

Skizze

entfällt

Durchführung
und
Beobachtung:

Wir geben wenig Wasser zu allen drei Proben. Nur bei Probe 1 zischte es, und es wurde warm. Nach einiger Zeit sehen alle drei Flüssigkeiten "geklärt" aus. Bei den Proben 1 und 2 hat sich eine weiße Schicht gebildet. Die Proben 1 und 2 sind gleich.

Ergebnis:

Probe 1 ist Calciumoxid "MK-Light", weil es mit Wasser unter Zischen reagiert hat.

Probe 2 ist Calciumdihydroxid "MK-Zisch", weil die Probe nach einiger Zeit genauso aussieht wie Probe 1, die wir in Calciumdihydroxid-Lösung verwandelt haben.

Probe 3 ist Calciumcarbonat, weil sie nicht so aussieht wie Probe 1, 2 (und weil nichts anderes mehr übrig bleibt).

 

10. Kalk im Alltag

Dann hat uns der Lehrer aufgefordert, etwas zu tun, wozu man den Kalk wirklich braucht.

Dazu verteilt er uns Unterlagen vom Bayrischen Fernsehen

 

Kalkbrennen im Chiemgau und Der Öko-Maurer aus dem Chiemgau

 

AB: A05D

 

 Wir sollten ein Projekt mit Kalk-Mörtel gestalten.

 

Wir bauen Objekte mit Kalkmörtel

Anregungen gibt es jede Menge auf der Homepage z. B: unter

 http://www.kappenberg.com/hosted/wolbeck/wolb2001-02/photo_haus.htm 

AB: A05E

 


11. Nachweis von Kohlenstoffdioxid

 Nebenbei haben wir eine tolle Nachweismethode für Kohlenstoffdioxid gefunden:

Leitet man ein Gas in Calciumdihydroxid-Lösung (MK-Zischlösung) ein und entsteht eine weiße Trübung von Caciumcarbonat (MK), so ist das Gas Kohlenstoffdioxid.

 

Insbesondere beim Verbrennen von Benzin, Papier, Holz , Kohle Feuerzeuggas soll Kohlenstoffdioxid entstehen. Die prüfen wir nach.

 

Nachweis von Kohlenstoffdioxid bei Verbrennungen (nur 2. Teil!)

AB L01a


Film: L01a
Ergebnis:


 Kohlenstoffdioxid enthalten:
 Benzin-, Papier-, Holz -, Kohleverbrennungsgas und Erdgasverbrennungsgas.
 
 Kein  Kohlenstoffdioxid ist nachzuweisen bei:
 Wasserstoff, Wasserstoffverbrennungsgas, Sauerstoff, Stickstoff Helium sowie Erdgas

 

Unsere Atmung soll ja auch so eine Art Verbrennung sein. Wir testen dies mit einer sicheren "Maschine", in der dafür gesorgt ist, dass wir keine Calciumdihydroxid- Lösung in den Mund bekommen.

 

Nachweis von Kohlenstoffdioxid in der Atemluft

AB A06


Film: A06

Ergebnis:

Ausatemluft enthält Kohlenstoffdioxid.
Einatemluft wahrscheinlich kein oder zu wenig Kohlenstoffdioxid

 

 

12. Weitere Eigenschaft von Kohlenstoffdioxid: Feuerlöschen

 Eigentlich gehört dieser Versuch in die Reihe "Feuer und Flamme"

Prinzip

Kohlenstoffdioxide wird im Becherglas über eine Flamme gegossen.

Materialien

3 Bechergläser, 800 mL hohe Form                   Film: A05g

Chemikalien

2 Teelichte, Kohlenstoffdioxid (Stahlflasche)

Skizze

entfällt

Durchführung
und
Beobachtung:

Wir geben in zwei Bechergläser je ein angezündetes Teelicht und füllen das dritte Becherglas mit Kohlenstoffdioxid aus der Stahlflasche.
Nun "gießen" wir das Gas vorsichtig in eines der beiden Bechergläser.

Ergebnis:

Kohlenstoffdioxid löscht die Teelichtflamme.