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Fritz Fuchs goes Chemistry

NAWI- und Chemielehrer in der SEK I aufgepasst: in der ZDF-Mediathek gibt es die Sneak-Preview für eine der coolsten Fritz Fuchs-Folgen ever! „Chemie – Experiment mit Folgen“ 😮 Mit dabei: der Elemente-Rap, das ultimative Flipped-Classroom-Elemente-Suchspiel und, mein persönliches Highlight, das „Vergolden“ einer Kupfermünze! Hier gehts zum Video: ZDF-Mediathek

#chemieunterricht #chemie #schule

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Kerzentrick

„Ich kann allem widerstehen – außer der Versuchung“, beichtet Uwe Ochsenknecht als Fälscher Kujat im Film Schtonk. In einer gut sortierten Buchhandlung ergeht es mir genauso.

Der Moses-Verlag hat in seiner Phäno-MINT-Reihe eine neue Experimente-Box herausgebracht. „75 supercoole Experimente rund um Chemie“. Die Box ähnelt den 75 Experimente mit Licht, Luft etc. Lohnt also der Kauf der Chemie-Version? Ich denke, ja.

Für Klasse 7 sind allein zum Thema Gase fünf einfache Schülerexperimente enthalten, die einen ersten intuitiven Zugang zur Darstellung und dem Nachweis von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid enthalten.

Nutzen Sie doch zum Beispiel die Karte „Kerzentrick“. Sie bietet den Schülern erstens die Möglichkeit,

  • eine naturwissenschaftliche Fragestellung zum Thema Luft und Verbrennungen in einem geschlossenen Raum zu formulieren und
  • diese in einem selbst entwickelten Experiment zu überprüfen.

Verbrennungen – wie bei einer Kerze – benötigen und verbrauchen Sauerstoff.
Sauerstoff ist ein Gas, das in der Luft zu einem bestimmten Anteil (ca. 21%) enthalten ist.

Die Schüler formulieren Erwartungen (Hypothesen) über eine Verbrennung in einem geschlossenen Raum und bestimmen mittels unterschiedlicher Bechergläser (100ml, 200ml, …) den Sauerstoffverbrauch einer brennenden Kerze (Zeit in Sekunden, bis die Flamme unter verschiedenen Bechergläsern erlischt; Volumenanteil Sauerstoff am Gasgemisch Luft).

Für den Aha-Effekt (Video) sorgt natürlich der steigende Wasserstand: Verbrennungsvorgänge verbrauchen Sauerstoff. Die Luft erkaltet, zieht sich zusammen und schafft Platz für das nachrückende Wasser. Es entsteht ein Unterdruck im Glas und das Wasser steigt nach oben.

Der Kerzentrick als Schülerexperiment im Unterricht, 2024. (c) Dr. Tim Jäkel.

Tipp: fügen Sie dem Wasser einige Tropfen Tinte aus ihrem Füller bei. Das erhöht die Sichtbarkeit und den Aha-Effekt 🙂

Der Kerzentrick als Schülerexperiment im Unterricht: Verbrennungsvorgänge benötigen Sauerstoff. Sauerstoff ist zu 21% im Gasgemisch Luft enthalten. Der Docht brennt. (c) Dr. Tim Jäkel, 2024.
Verbrennungsvorgänge verbrauchen Sauerstoff. In einem geschlossenen Raum ist der Sauerstoff limitiert … (c) Dr. Tim Jäkel, 2024.
… die Flamme erlischt daher nach einer gewissen Zeit t, in Abhängigkeit vom Volumen V der Luft im Messbecher. (c) Dr. Tim Jäkel, 2024.
Die Luft erkaltet, zieht sich zusammen und schafft Platz für das nachrückende Wasser. Es entsteht ein Unterdruck im Glas und das Wasser steigt nach oben. (c) Dr. Tim Jäkel, 2024.

Der Kerzentrick als Schülerexperiment im Unterricht: Verbrennungsvorgänge benötigen Sauerstoff. Sauerstoff ist zu 21% im Gasgemisch Luft enthalten. Der Docht brennt. Verbrennungsvorgänge verbrauchen Sauerstoff. In einem geschlossenen Raum ist der Sauerstoff limitiert … die Flamme erlischt daher nach einer gewissen Zeit t, in Abhängigkeit vom Volumen V der Luft im Messbecher. Die Luft erkaltet, zieht sich zusammen und schafft Platz für das nachrückende Wasser. Es entsteht ein Unterdruck im Glas und das Wasser steigt nach oben. Bestimmen Sie den Sauerstoffverbrauch einer Kerze, in ml/Sekunde. (c) Dr. Tim Jäkel, 2024.

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Dicke Luft

Silvesterfeuerwerk und Chemiestunde – die perfekte Kombination, um in der 7. Klasse ins Thema Luft und Gase einzusteigen. Die Schüler entwickeln anhand einer simplen, aber einprägsamen Vorführung erste Hypothesen über Luftschadstoffe. Eine handelsübliche Wunderkerze wird in einem geschlossenen Gefäß verbrannt. In unserem Fall ein 2 Liter Messzylinder. Eindrucksvoll füllt sich der Zylinder zügig mit braunem Rauch. Und am Ende legt sich ein Feinstaubteppich um das Gefäß, das die Wunderkerze gehalten hat.

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Neu im Bücherregal

Ball, Philip (2022): Die Elemente. Entdeckung und Geschichte der Grundstoffe. Bern, Haupt, 225 S., 48,00 Euro.

Fahren Sie vom Zentrum der Kisch-Metropole Prag mit dem Auto 35 Minuten ins böhmische Umland, dann erreichen sie den kleinen Ort Kutna Hora. Sie entdecken dort neben einer bizarren Knochengruft eine wirklich eindrucksvolle und architektonisch einmalige Kathedrale (Abb. 1) Es dauerte fast 500 Jahre, die Kathedrale fertig zu stellen, Gründe für die Verzögerung waren finanziell angespannte Zeiten und die Hussitenkriege.

Abb. 1: Kathedrale der heiligen Barbara, Kutnà Hora, 1388-1905 rekonstruiert in neogotischem Stil (c) Dr. Tim Jäkel, 2019.

Der Reichtum für dieses Bauwerk entstammt den frühneuzeitlichen Silberbergbau in dieser Region. Silber zählt neben Gold zu Kupfer zur Gruppe der Edelmetalle. „Edel“ waren diese Metalle, weil sie für die Münzherstellung verwendet wurde. Die chemische Eigenschaft hinter der Zuschreibung „edel“ ist jedoch die ausgesprochene Trägheit von Gold, Silber und einiger anderer Metalle in dieser Gruppe des Periodensystem, mit dem Sauerstoff in der Luft zu reagieren. Aufgrund ihrer geringen Affinität zu Sauerstoff eignen sich Gold, Silber und auch Kupfer hervorragend zur Schmuckherstellung, oder eben als Zahlungsmittel. Denn wer vertraut schon einer verrosteten Eisenmünze?

Abb. 2: „Silberbergbau in Kutná Hora, Böhmen (heute Tschechische Republik). Aus einem illuminierten Gesangsbuch, 1490, Sotheby’s London.“ Quelle: Ball, Philip (2022): Die Elemente. Entdeckung und Geschichte der Grundstoffe. Bern, Haupt, S. 98.

Diese und unzählige weitere herrlich illustrierte Geschichten über die chemischen Elemente erzählt Philip Ball in seiner jüngsten Publikation aus dem Berner Haupt Verlag. Eindeutige Empfehlung: kaufen!

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Alchemistenstunde in der Schule

„Vergolde“ eine 2-Cent-Münze

Andere Länder, andere Münzen. Glänzt die 5 Jiao-Münze aus China nicht herrlich goldgelb? Wir wissen natürlich, dass nicht alles Gold ist, was glänzt. Vielleicht sollten Sie das auch Ihren Schülern näher bringen, um sie auf das Berufsleben vorbereiten.

Lassen Sie Ihre Schüler in der letzten Chemiestunde vor Weihnachten doch die rot-bräunliche 2-Euro-Cent-Münze versilbern und vergolden.

Achtung Haftungsausschluss

Führen Sie dieses Schülerexperiment nicht ohne Risikobewertung und Gefährdungsabschätzung für Ihre Lerngruppe durch! Beachten Sie insbesondere die GHS-Einstufungen für Zinkstaub!

Schritt 1: „Versilbern“

Das Schülerexperiment besteht aus zwei Phasen. In einem ersten Schritt erhitzen die Schüler eine oder mehrere gereinigte 2-Euro-Cent-Münze (geht auch mit einer 5-Cent-Münze) in einer Natronlauge mit Zinkpulver vorsichtig bis zum Sieden. Dadurch wird die Kupfermünze (Cu, für Kupfer) mit Zink (Zn) überzogen (Abb. 1) Die Schüler spülen die grobe Zinkschicht kurz mit (dest.) Wasser ab. Die Münze verfärbt sich und bekommt einen silbernen Glanz, die Münze wird ,,versilbert“ (Abb. 2).

Schritt 2: „Vergolden“

In einem zweiten Schritt Münze erwärmen die Schüler die Münze mit Hilfe einer Tiegelzange in der Brennerflamme. Die Münze darf dabei nicht glühen. Dabei drehen sie die Münzen regelmäßig im Feuer. Nach kurzer Zeit verwandelt die Münze ihre silbrige Oberfläche in goldgelben Glanz! (Abb. 3). Beim Erhitzen erhält die silber-glänzende Münze eine gold-glänzende Oberfläche die Münze wird „vergoldet“. Tatsächlich findet hier aber eine andere Reaktion statt.

Abb. 3: eine „normale“ und eine „vergoldete“ 2-Euro-Cent-Münze

Nicht-technische Erläuterung

Kupfer (Cu) und Zink (Zn) sind Metalle. Eine Mischung aus einem oder mehreren reinen Metallen bezeichnen wir als Legierung. Legierungen sind zugleich homogene Stoffgemische, die einzelnen Bestandteile sind weder mit dem bloßen Auge noch mit optischen Hilfsmitteln wie Lupe oder Mikroskop zu erkennen.

Legierungen haben andere Eigenschaften als ihre Ausgangsmetalle. Sie sind fester, härter, korrosionsbeständiger und haben i.d.R. eine andere Farbe.

In unserem Experiment verbinden sich die Ausgangsmetalle Kupfer und Zink zu der Legierung Messing. Anders herum ausgedrückt:

Messing ist eine Verbindung der beiden Metalle Kupfer und Zink.

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Silvesterstunde: die Chemie hinter Zinngießen 

Dieser Silvestergag, den viele Supermärkte jetzt vor Silvester feilbieten, macht sich die relativ niedrige Schmelztemperatur des Metalls Zinn zu Nutze. Metalle und ihre chemischen Eigenschaften sind Thema im Chemieunterricht in Klasse 7.

Zinngießen bietet eine perfekte Kombination aus Methodenerwerb (Schmelzpunkt experimentell bestimmen) und Aha-Effekt für die letzte Chemiestunde vor den Weihnachtsferien.

Beim Zinngießen wechselt Zinn zunächst durch Erhitzen vom festen (s, für solid) in den flüssigen (l, für liquid) Aggregatzustand.

Statt einer Kerze wie im handelsüblichen Set verwenden die Schüler einen Gasbrenner. Erhitzt wird in einem Verbrennungstiegel (statt Löffel im Set). Die Menge von 2-3 Gramm Zinn. behalten wir bei. Mit einem Temperaturmessgerät (Infrarotmessung der Oberflächentemperatur) bestimmen die Schüler iterativ einen Näherungswert für den Schmelzpunkt von Zinn. Sie messen unmittelbar nachdem sie die vollkommen flüssige Schmelze vom Feuer genommen haben (die Messung ergibt circa 280-290°C).

Sie beobachten nun, wie die Schmelze wieder erstarrt und messen erneut, sobald die Oberfläche des Zinn wieder in den festen Aggregatzustand übergeht. Aus den Messwerten bestimmen Sie ein Intervall, innerhalb dessen die tatsächliche Schmelztemperatur von Zinn liegt (232°C). Abschließend vergleichen Sie ihren Näherungswert mit dem Wert aus dem Tafelwerk.

Und zum Schluss kommt der Gag: die Schüler schmelzen das Zinn ein weiteres Mal und lassen die Schmelze in eine mit Wasser gefüllte pneumatische Wanne gleiten. Die entstehenden Figuren (siehe Foto), sagen nach antiker Überlieferung die Note in der nächsten Klassenarbeit voraus ;). Die beiden Videos zeigen das ganze Experiment in Kurzform.

P.S. die Einheit für die Temperatur Grad Celsius (°C) wurde vor 300 Jahren vom Schweden Anders Celsius erfunden (kein Scherz).