Chemie

Das Fach Chemie wird am Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium als reguläres Unterrichtsfach in den Klassen 7, 9 und 10 sowie in der gymnasialen Oberstufe (Jgst. 11-13) in Grundkursen und in Leistungskursen unterrichtet.

Außerdem können interessierte Schülerinnen und Schüler die Fächerkombination Biologie/Chemie als zusätzliches Angebot im Wahlpflichtbereich der differenzierten Mittelstufe (Klassen 9 und 10) wählen.

Wochenstunden

                                                                                                                                                                                    *) ab Jgst. 12

Fachkonferenzvorsitzender: Frau Kupferschmidt

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Kohlenstoffdioxid und zeitabhängige Phänomene (1)

Das Abbinden von Kalk - alte Kenntnisse, aktuelle Beobachtungen und fächerverbindende Lernprozesse

 K. H. Weißenhorn und R. G. Weißenhorn

 1 Die Kenntnisse der Alten und Begriffe

Es ist erstaunlich: Ohne Chemie- und Didaktikstudium im 20. Jahrhundert, indessen genau beobachtend um Christi Geburt und mit den Mitteln seiner Zeit messend (Waage) und interpretierend, lesen wir bei dem Römischen Schriftsteller Vitruvius recht genau über die Vorgänge beim Kalkbrennen, -löschen und -abbinden. Vitruv beschreibt auch die Massen- und Energierelationen. Füllen wir seine Angaben mit unseren heutigen Kenntnissen und jenen Begriffen, die in der Zeit vom 16. bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts gewachsen sind, ist das Bild stimmig (Abb. 1).

Abb. 1: Vorstellungen Vitruvius über das Abbinden des Kalks in und auf Fresko-Malgründen, benannt mit heutigen Fachbegriffen. Kalkwasser, das vorn Mauerwerk über die inneren Putzschichten an die Oberfläche bis zur Pigmentschicht wandert und diese umhüllt. 1: Mauerwerk (Vitruv, opus isodomum); 2, 3, 4: Putzschichten mit abnehmenden Korngrößen. 5: Pigmentschicht. Pfeile: Interphasengleichgewichte (s/fest; l/flüssig; g/gas­förmig). 6: atmosphärische Luft.  

Abb. 2: Links oben: Geplatzte Kalksinterschichten auf blauem Freskomalgrund. Links unten: Kristallisierendes Calciumcarbonat auf einer Kalkwasseroberfläche während der Reaktion mit Kohlenstoffdioxid. - Rechts oben: Kristallisierter Kalkstein in einer polierten Probe von Römischem Travertin. Rechts unten: Fraktale Strukturen während der Kristallisation von Calciumcarbonat auf Kalkwasser.  

Abb. 3: Analytiker '98 mit Sehhilfe (al fresco, 18. Jh., s. Weißenhorn, 1988): Eine Allegorie auf Bildungsprozesse. (Die Verknüpfung von Zeit, theoriengeleiteter Beobachtung, Interpretation, Wissenschaftspropädeutik und Wachstum von Calciumcarbonat auf Kalkwasser.)  

Abb. 4: Versuch und Versuchsaufbau zur Bildung fraktaler Strukturen von Calciumcarbonat. 1, 2, 3: Kristallisierschalen. Wachstum von Calciumcarbonat­Schichten auf Kalkwasser (Halbwertzeit: < 30 s).

 Begriffe:

Massenveränderung bei chemischen Reaktionen, MWG, Säure-Base-Reaktionen, endo-/exotherme, end­/exergone Reaktion, Entropie, "Calcinieren", Diffusion, Verteilungschromatographie, Ab-/Adsorption, Löslichkeit und Abbinden des Kalks, qualitativer /quantitativer Vorgang, Umwelt-, Bau- und Alltagschemie.

 2 Ältere Beobachtungen

Im Zusammenhang mit älteren interdisziplinären Projekten (Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium Münster, Schuljahr 1987/88) beobachteten wir (geplatzte) Sinterschichten auf einer blauen Freskomalschicht. Sie demonstrieren nachhaltig die in Abb. 2 beschriebenen Phänomene und weisen auf eine dynamische Oberflächenchemie im Phasengrenzbereich hin. Dies zeigen auch die Beobachtungen im Zusammenhang mit der Absorption von Kohlenstoffdioxid in wässrigen Systemen.

 3 Aktuelle Beobachtungen im Labor

Unsere aktuelleren Beobachtungen weisen auf verblüffende Ähnlichkeiten zwischen dynami­schen Gleichgewichtsreaktionen, deren Beobachtung in statu nascendi die Abbildungen 2 und 3 wiedergeben, und solchen, die in der Natur vor Jahrtausenden zum Stillstand gekommen sind.

 4 Der Versuch (Abb.4)

Er ist mit einfachen Mitteln durchführbar und eignet sich für Lernprozesse vom beginnenden Chemieunterricht ebenso wie für den fortgeschrittenen Unterricht in Schule und Studium - und darüber hinaus.

Literatur: K.-H. und. R. G. Weißenhorn, PRAXIS Naturwiss., 1/49, Jg. 2000, S. 9-10; R. G Weißenhorn in H. Brandl, Trickkiste Chemie, Bayr. Schulb. Verl. München, 1. Aufl. (1998), S. 269-273; R. G Weißenhorn, "Chemie und Freskomalerei" (1988); R. G. Weißenhorn in: Annette- von-Droste-Hülshoff -Gymnasium Münster, Hrsg.(1990): "Lernprozesse in der Chemie..."); ders. in: Chemie in unserer Zeit, "Chemische Pumpen" (1996);  ders. in:  Vortr. Univ. Wien (1997): Das Zusammenspiel von Chemie und Kunst, ders. in: Vortr. Techn. Univ. Wien (1996): ... "The Sceptical Chemist.  Fundamental concepts in the history of the scientific process of chemical education". (1995) und Fresenius J Anal Chem (1997) 357,138-147; ders. in Jahrb. der Augsburger Bistumsgeschichte e.V. 32. Jg. 1998: "Der Enderle-Zyklus..., Ein didaktisches Kunstwerk barocker Rhetorik mit ethischem Imperativ".

Anschrift des Verfassers: StD Dr. R. G. Weißenhorn, Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasiurn Münster, GrüneGasse38-40 und Sibeliusstraße 58, 48147Münster.

Kohlenstoffdioxid und zeitabhängige Phänomene (2)

Perlender Sekt und die "Halbwertszeit von Bierschaum" – Der Anlass, das Getränk, der Genuss, der Durst, die Chemie und das Gift

M. Baranowski, S. Möller und R. G. Weißenhorn

1 Der perlende Sekt

Jeder erwartet das Ereignis: Den knallenden Korken und das Überschäumen des Sektes beim ersten Guss in das Sektglas. Das Getränk mäßigt sich beim zweiten Versuch. Nach dem dritten schließlich, lässt sich der Anlass begießen, zum Beispiel der Beginn des neuen Jahrtausends. Das Getränk kann trocken munden (lat. siccum, span. seco, Sekt), aber auch süß. Prickelnd wirkt es allemal - für viele ein Genuss. Nicht nur der Geschmack - schon der Anblick der nach oben perlenden Bläschen macht den Genuss lebendig, das Lebendige zum Genuss. Das unter Druck stehende Kohlenstoffdioxid wählt die Freiheit und gesellt sich als "luftige Säure" (Goethe) zur luftigen Umgebung.

 2 Die interdisziplinären Begriffe

Champagner, Sekt, alkoholische Gärung, Druck- und Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit und der Dichte von Gasen, Temperaturgradient, Raoultsches Gesetz, Gasgleichung, Alkohol-Resorption von mit Kohlenstoffdioxid angereicherten Getränken im menschlichen Körper, Indikatorreaktionen, Mischungswärme, Wärmekapazität, Newtonsches Abkühlungsgesetz, exponentielle Wachstums- und Zerfallsprozesse, Genuss, Genussmittel, Symbol, etc.

 3 Die bildlichen Vorstellungen (Abb. 1):

4 Der Bierschaum

Das sachkundig gezapfte Bier braucht Weile. Schaum und Essenz (Flüssigkeit) müssen im angemessenen Verhältnis zueinander stehen, so dass der Durst gelöscht und zum Genuss für Körper, Geist und Seele werden kann.

 5 Die Begriffe

Bier (beer, bière, birra, bibere), Biersieden, Bierdeckel Bierernst, Bierglas, Bierkrug, Bierdose, Bierfass, Fassbier, Bierflasche, Bierlaune, Biertisch, Biertischgespräch, bierselig, Bier-Maß, Maß Bier, Schoppen, Bierschoppen, Früh- und Dämmerschoppen, Stammtisch, Stammtischpolitik, Besserwisserei, Durst, über den Durst, Wasser, Quellwasser, Wasserqualität, Hopfen, Naturhopfen, Hopfenernte, Wirtschaft, Lokal, Restaurant, Kneipe, Kneipen, Kneipentour, Landwirtschaft, Natur- und Kunstdünger, Gerste, Schaum, Schaumstabilisator, Reinheitsgebot, Brauer, Brauerei, brauen, Brauereihygiene, Gebräu, Gärprozesse, unter-/obergäriges Bier, Genuss-, Lebens-, Nahrungsmittel, Stark- und Bockbier, Lagerung, Reifungsprozesse, Alkohol, Alkoholismus, Wachstum und Zerfall, Ereignis-Zeit-Funktionen, Geschwindigkeit chemisch-physikalischer Vorgänge, Halbwertzeit, Qualitätskontrolle, Medizin, Geschichte, Wissenschafts-, Wirtschafts-, Kultur- und Sittengeschichte, Sprachgeschichte, Geographie, Sprachgeographie, Sprache und Begriffsbildung, Bildung, Allgemeinbildung (im und über den Chemieunterricht), etc.

 6 Messung, Messwerte, Messwerterfassung

Die Messungen haben wir im Labor mit Messzylinder, Becherglas, Lineal, Stoppuhr und Schreibzeug durchgeführt. Man muss experimentieren, die Messwerte notieren, auswerten und interpretieren. Das kann klassisch geschehen: Mit Millimeterpapier, Bleistift und mit Phantasie. Wir erhielten unsere Kurven über die Kombination von Tabellen- und Graphikprogrammen (PC). Die heute 15-jährigen können das oft souverän. Die Nutzung zeitgemäßer Schreib- und Darstellungshilfen kann spannend sein. Sie hält jung und spritzig wie ein guter Sekt und regt den Kreislauf an.

Abb. 2: Die Halbwertszeit von Bierschaum

 7 Der Kreislauf und das Wortspiel

Chimie, formation et éducation sans étude et sans expérience de laboratoire est poison. Poison est poisson sans boisson. Chimie sans poison est formation sans désir de savoir Bière sans écume est chimie sans expérience de laboratoire - est éventé et fade. Éducation sans désir de savoir est poison deformation via Chimie!

Dank

Zu danken habe ich für die seit vielen Jahren immer wieder mit Engagement und Freude durchgeführten Messungen ehemaliger Abiturientinnen und Abiturienten, Schülerinnen und Schüler, LK/GK (Chemie) am Annette-von­Droste-Hülshoff-Gymnasium in Münster sowie Studentinnen und Studenten des Lehramtes an der WWU Münster, Diplom-Chemie-Studierende und Doktoranden eingeschlossen. Stellvertretend seien genannt cand. med. Martina Baranowski und cand. iur. Silke Möller (Abiturientinnen des Annette-von­Droste-Hülshoff-Gymnasiums Münster). Sie haben die Messwerte für die Abb. 2 aufgenommen. Die Experimente folgten einer Anregung meines niederländischen Kollegen Drs. J. Bouma aus den 80er Jahren.

Literatur: M. Baranowski, S. Möller und R.G. Weißenhorn, PRAXIS der Naturwissenschaften (Chemie), Heft 1/49, Jg. 2000, S. 10- 11.

Anschrift des Verfassers: StD Dr. KG. Weißenhorn, Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasiurn Münster, Studienseminar Münster und Anorg.-Chem. Institut der Universität Münster, Sibeliusstraße 58, D-48147 Münster

Kohlenstoffdioxid und zeitabhängige Phänomene (3)

Halbwertszeiten beim Auflösen von Brausetabletten und interdisziplinäre Lernprozesse

 M. Pirasteh und R. G. Weißenhorn

 1 Die Alltagsbeobachtung

Jeder hat die Beobachtung schon gemacht: Das Sprudeln beim Auflösen einer Brausetablette in Wasser. Schließlich hat sie sich aufgelöst. Das prickelnde Vitamin- und Farbstoff-angereicherte Getränk steht zum Trinken bereit.

 2 Der theoriengeleitete Lernprozess

Brausetabletten enthalten große Anteile an Natriumhydrogencarbonat und Vitamin C (Ascorbinsäure). Beim Zusammentreffen mit Wasser setzt spontan die Kohlen­stoffdioxid produzierende Reaktion ein:

 HCO₃^- (aq) + C₆H₈O₆(aq) ® C₆H₇O₆^-(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

 3 Der qualitative Versuch

Fängt man das aus zwei Brausetabletten gleicher Masse sich bildende Kohlenstoffdioxid-Gas pneumatisch auf, stellt man trotz gleicher Massen unterschiedliche Gasvolumina fest, wenn man den Auflösevorgang der zweiten Tablette im restlichen Wasser ablaufen lässt, durch welches bereits Kohlenstoffdioxid geperlt ist. Das verlangt nach Interpretation, Begrifflichkeiten, These und Antithese, nach (Fach-) Methodenwechsel, Verifikation und Falsifikation (kritische Diskussion).

 4 Die Fächerverbindung - Begriffe und Fächer

Begriffe: Säure-Base-Gleichgewichte in wässriger Lösung, Indikator-Reaktion, pH- und pK-Wert, Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten (Wasser), Molares Normvolumen, Gasgleichung, Temperaturabhängigkeit  

Abb. 1 (oben): Massenabfall während des Gasaustausches Kohlenstoff­dioxid\ Luft im offenen Gefäß. Symbole und Indices: m: Masse in g, a: Start, e: Ende der Messung, t: Zeit in s, t1/2: Halbwertszeit, m1/2: Halbwertsmasse; b: Waage  

Abb. 2 (unten): Gravimetrische Untersuchung von zwei Brausetabletten (BI) während des Auflösens in deionisiertem Wasser (18^oC). Symbole: m: Masse in mg, t Zeit in s; m1/2: Halbwertsmasse, t1/2: Halbwertszeit; BT Brausetablette, m(BT)₁- m(BT)₂.

 der Löslichkeit von Gasen, exo-/endotherme, ex-/endergone Reaktion, Entropie, Raoultsches Gesetz, Verteilung, Ab-/Adsorption, Chemisches Gleichgewicht, Gleichgewichtskonstante, Auftrieb, Dichte, Diffusion, Diffusionsgeschwindigkeit, Wachstums- und Zerfallsfunktionen, Halbwertszeit. Fächer: Chemie, Stöchiometrie, Physikalische Chemie, Physik, Mathe­matik, Biologie, Ökologie, Medizin, Physiologie, Pharmakologie, Lebensmittel/Lebensmittelchemie, Sprache, Geschichte, Wissenschaftsgeschichte, Umwelt ... Bildung.

 5 Die Wägung von Gasen

Gleiche Volumina verschiedener Element‑Gase haben unterschiedliche Massen. Verschiedene Gase können indessen unter gleichen Randbedingungen und bei gleichen Stoffmengen auch gleiche Massen haben, das gilt zum Beispiel für die isoelektronischen Gase Stickstoff, Ethen oder Kohlenstoffmonooxid. Der Unterschied zwischen gleichen Volumina Luft und Kohlenstoffdioxid ist groß genug, dass der zeitabhän­gige Gasaustausch wägend verfolgt werden kann und sich sogar Halbwertszeiten für den Gasaustausch abschätzen lassen, s. Abb. (1).

 6 Die Massenveränderung beim Auflösen einer Brausetablette

Beim Auflösen von Brausetabletten in Wasser hat man nach Abb. 1 mit überlagernden Effekten zu rechnen. Sie hängen ab vom Gasaustausch mit der atmosphärischen Umgebung und von der Löslichkeit der Gase in Wasser und in der Lösung. s. Abb. 2 (oben).

 7 Die vergleichende Messung

Der Vergleich der Massen-/Zeitverlaufskurven (Abb. 2, oben/unten) bestätigt, was qualitativ der Volumenvergleich demonstriert. Darüber hinaus erhält der Kurvenverlauf der ersten Kurve seine Bedeutung: Solange das Lösungsmittel, das zugleich Reaktionspartner ist, nicht an Kohlenstoffdioxid gesättigt (Induktionsphase) ist, fällt der zeitabhängige Massenabfall gering aus. Er steigt, wenn die Sättigungsgrenze überschritten ist und das Gas seinen Weg aus der Flüssigkeit sucht. Der Kurvenverlauf der zweiten Messung (untere Kurve) bestätigt die Thesen aus der ersten auf zweifache Weise: 1. Die Induktionsphase fehlt, da das Wasser bereits an Kohlenstoffdioxid gesättigt ist; die Lösung absorbiert also auch kein Gas mehr. 2. Der Massenabfall ist größer, weil die Lösung kein weiteres Kohlenstoffdioxid mehr aufnimmt. - Die Messungen sind vielseitig einsetzbar und erprobt: In Vertretungsstunden in jeder Jahrgangsstufe, im Anfänger-,  fortgeschrittenen Unterricht an Schule u. Univ. - Die Messdaten wertete Mehrnaz Pirasteh  über Excel aus.

Literatur: M. Pirasteh und R. G. Weißenhorn, PRAXIS der Naturwissenschaften (Chemie),1/49,Jg.2000,S.11‑13.

Anschrift des Verfassers: StD Dr. R. G. Weißenhorn. Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium Münster,GrüneGasse38-40 und Sibeliusstraße58,48147Münster

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