Stoffumsatz bei der Fotosynthese - stöchiometrische Berechnungen

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1 Stoffumsatz bei der Fotosynthese - stöchiometrische Berechnungen Stand: Jahrgangsstufen 11 Fach/Fächer Chemie (Ausbildungsrichtung ABU und T) Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen Benötigtes Material 40 min evtl. Hilfekärtchen (abgestufte Lernhilfen; siehe Hinweise zum Unterricht) Kompetenzerwartungen Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler leiten Stoffmengenverhältnisse aus Reaktionsgleichungen ab und nutzen diese, um mithilfe einheitlich strukturierter stöchiometrischer Berechnungen quantitative Zusammenhänge bei chemischen Reaktionen darzustellen. (C11 (ABU, T) 5) stellen mathematische Zusammenhänge zwischen ausgewählten chemischen Größen her und lösen damit Aufgabenstellungen alltäglicher und technischer Phänomene rechnerisch anhand einfacher stöchiometrischer Formeln. (C11 (ABU, T) 5) leiten aus einfach strukturierten Phänomenen des Alltags und der Technik chemische Fragestellungen ab, planen hypothesengeleitet qualitative und quantitative Experimente zu deren Beantwortung und führen diese z. T. durch. (C11 (ABU, T) 1) unterscheiden bei der exakten Beschreibung chemischer Zusammenhänge sicher zwischen der Stoff- und Teilchenebene und verwenden die Fach- und Alltagssprache korrekt wobei sie auch Ungenauigkeiten in der Alltagssprache identifizieren. (C11 (ABU, T) 1) Seite 1 von 10

2 Aufgabe Stoffumsatz bei der Fotosynthese Mit Hilfe des enthaltenen Chlorophylls betreiben grüne Pflanzen Fotosynthese. Dabei wird aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie Glucose (C 6 H 12 O 6 ) und Sauerstoff hergestellt. Der Teil des Sonnenlichts, der dabei nicht absorbiert wird, wird reflektiert. Pflanzen nehmen also grünes Licht nicht auf, sondern reflektieren es und erscheinen uns deshalb grün. Abb. 1: Wasserpest 1. Berechnen Sie die Masse an Kohlenstoffdioxid, die von einer Pflanze aufgenommen werden muss, um 100 mg Glucose zu bilden. Benötigen Sie Hilfestellungen, nutzen Sie die Hilfekärtchen. 2. Die Wasserpest (lat. Elodea) lebt unter Wasser, aber nah genug an der Oberfläche, um Fotosynthese betreiben zu können. Berechnen Sie das Volumen an Sauerstoff, welches bei der Bildung von 100 mg Glucose bei Normalbedingungen freigesetzt wird. Benötigen Sie Hilfestellungen, nutzen Sie die entsprechenden Hilfekärtchen. Nebenstehendes Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Temperatur und molarem Volumen bei 1013 hpa. 3. Liegen Sie gut in der Zeit, bearbeiten Sie bitte zusätzlich nachfolgende Aufgaben. Andernfalls springen Sie weiter zu Aufgabe 4. Das molare Volumen eines Gases ist nicht unter allen Bedingungen gleich, sondern hängt (unter anderem) von der Temperatur ab. Seite 2 von 10

3 a) Berechnen Sie, welches Volumen das Sauerstoffgas einnimmt, das bei der Bildung von 100 mg Glucose bei 30 C und 1013 hpa gebildet wird. Nutzen Sie hierfür obenstehendes Diagramm. b) Erläutern Sie die unterschiedlichen Volumina auf Ebene der Teilchen. 4. Benennen Sie den energetischen Reaktionsverlauf mit einem Fachbegriff und begründen Sie Ihre Entscheidung knapp. Skizzieren Sie außerdem das entsprechende Energiediagramm und beschriften Sie es. 5. Entwickeln Sie in Partnerarbeit eine beschriftete Skizze eines hypothetischen Versuchsaufbaus, mit dem man nachweisen könnte, dass die Fotosyntheserate (also die Glucose- und Sauerstoffbildung pro Zeiteinheit) mit zunehmender Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Umgebung steigt. Beschreiben Sie die Beobachtungen, welche gemacht werden könnten und begründen Sie diese. Benötigen Sie Hilfestellungen, nutzen Sie die Materialliste. Nutzung der Hilfekärtchen: Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit der Lösungskarte am Ende des zugehörigen Büchleins. Stimmt Ihre Berechnung: Gut gemacht. Stimmt Ihre Berechnung nicht, so ermitteln Sie anhand des Hilfebüchleins Schritt für Schritt, an welcher Stelle Sie einen Fehler gemacht haben und korrigieren Sie diesen. Seite 3 von 10

4 Quellen- und Literaturangaben Abb. 1: Wasserpest: von Carl Axel Magnus Lindman; lizenziert unter Public Domain (gemeinfrei) (aufgerufen am ) Vorlage der Hilfekärtchen: Habelitz-Tkotz, W.: Offene Lernformen. Akademiebericht Nr Dillingen 2004 Hinweise zum Unterricht Vorlage abgestufte Lernhilfen Bauanleitung für ein Hilfebüchlein mit abgestuften Lernhilfen: Hilfe 1: Lösung 1: Hilfe 2: Lösung 2: Hilfe 3: Lösung 3: Hilfe 4: Lösung 4: Hilfe 1: Hier zusammenheften. Bla blub. Seite 4 von 10

5 Aufgabe 1 Hilfe für die Berechnung stöchiometrischer Aufgaben. Stoffumsatz bei der Fotosynthese Aufgabe 1 Hilfe 1: geg.: und ges.: Schaffen Sie sich einen Überblick über gegebene und gesuchte Größen. Hierbei helfen der Aufgabentext und das Periodensystem. Geg.: m( ) = 100 mg = 0,1 g M( ) = 180 M( ) = 44,0 Ges.: m( ) Hilfe 2: Reaktionsgleichung Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für den vorliegenden chemischen Sachverhalt H 2 O + 6 O 2 Formeln notieren und Reaktionsgleichung stöchiometrisch richtigstellen. Hilfe 3: Stoffmengenverhältnis Setzen Sie die Stoffmenge des gesuchten Stoffes mit der Stoffmenge des Stoffes, von welchem Ihnen die meisten Informationen vorliegen, ins Verhältnis. = Hilfe 4: Rohformeln einsetzen/umformen Formen Sie eine Rohformel für die Stoffmenge so um, dass diese im Verhältnis ersetzt werden kann. In der Rohformel darf lediglich die gesuchte Größe unbekannt sein. Seite 5 von 10

6 Hilfe 5: Einsetzen/ausrechnen Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Lösen Sie nach der gesuchten Größe auf und berechnen Sie diese, indem Sie die Werte samt Einheiten einsetzen. passt die Einheit nicht zur gesuchten Größe, liegt evtl. ein Umformungsfehler vor. Hilfe 6: Antwortsatz Formulieren Sie einen Antwortsatz, in welchem Sie sich auf die Aufgabenstellung beziehen. A: Die Pflanze muss 0,147 g Kohlenstoffdioxid aufnehmen, um 0,1 g Glucose zu bilden. Aufgabe 2 Hilfe für die Berechnung stöchiometrischer Aufgaben. Stoffumsatz bei der Fotosynthese Aufgabe 2 Hilfe 1: geg.: und ges.: Schaffen Sie sich einen Überblick über gegebene und gesuchte Größen. Hierbei helfen der Aufgabentext und das Periodensystem. Geg.: m( ) = 100 mg = 0,1 g M( ) = 180 V m (O 2 ) 0 C = 22,4 Ges.: V(O 2 ) für 0 C Hilfe 2: Reaktionsgleichung Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für den vorliegenden chemischen Sachverhalt. Formeln notieren und ausgleichen H 2 O + 6 O 2 Seite 6 von 10

7 Hilfe 3: Stoffmengenverhältnis Setzen Sie die Stoffmenge des gesuchten Stoffes mit der Stoffmenge des Stoffes, von welchem Ihnen die meisten Informationen vorliegen, ins Verhältnis. Hilfe 4: Rohformeln einsetzen/umformen Formen Sie eine Rohformel für die Stoffmenge so um, dass diese im Verhältnis ersetzt werden kann. In der Rohformel darf lediglich die gesuchte Größe unbekannt sein. Hilfe 5: Einsetzen/ausrechnen Setzen Sie die Werte samt Einheiten ein und berechnen Sie die gesuchte Größe. passt die Einheit nicht zur gesuchten Größe, liegt evtl. ein Umformungsfehler vor. Hilfe 6: Antwortsatz Formulieren Sie einen Antwortsatz, in welchem Sie sich auf die Aufgabenstellung beziehen. A: Bei der Bildung von 100 mg Glucose entstehen bei Normalbedingungen 0,0747 L Sauerstoff. Seite 7 von 10

8 Hilfe zu Aufgabe 5: Materialliste (Es werden nicht alle Materialien benötigt) Glasbecken Glühbirne Folie Schlauch Wasserpest Feuerzeug Kerze Hilfe zu Aufgabe 5: Materialliste (Es werden nicht alle Materialien benötigt) Glasbecken Glühbirne Folie Schlauch Wasserpest Feuerzeug Kerze Seite 8 von 10

9 Beispiele für Lösungen der Schülerinnen und Schüler 1. Siehe abgestufte Lernhilfekärtchen 2. Siehe abgestufte Lernhilfekärtchen 3. a) V m (O 2 ) 30 C = 24,8 A: Bei der Bildung von 100 mg Glucose werden bei 30 C 0,0827 L Sauerstoff frei. b) Bei einer höheren Umgebungstemperatur besitzen die kleinsten Teilchen eines Stoffes eine höhere innere Energie, dadurch bewegen sich diese viel heftiger und sie entfernen sich weiter voneinander. Deshalb steigt das Volumen, obwohl die Teilchenzahl (und die Teilchengröße) gleich bleibt. 4. Endoenergetischer / endothermer Reaktionsverlauf, da Energie in Form von Licht aufgenommen wird und dabei energiereichere Produkte entstehen. Seite 9 von 10

10 5. mehrere Alternativen denkbar, z. B.: Versuchsaufbau: Glasbecken mit Wasser füllen; Wasserpest hineinsetzen, sodass sie vollständig unter der Wasseroberfläche ist; einen Schlauch in das Wasser ragen lassen und die eigene Ausatemluft durch den Schlauch in das Wasser pusten. Beobachtung: Nach mehrmaligem Ausatmen könnte man beobachten, dass pro Zeiteinheit vermehrt Gasblasen von der Wasserpest im Glasbecken aufsteigen. Begründung: Das in der Ausatemluft vermehrt vorhandene Kohlenstoffdioxid löst sich im Wasser und steht dann der Wasserpest für die Fotosynthese zur Verfügung. Da Wasser ausreichend vorhanden ist, kann die Pflanze verstärkt Fotosynthese betreiben, es entstehen also größere Menge an Sauerstoff und Glucose. Der gasförmige Sauerstoff wird von der Wasserpest abgegeben und steigt auf. Seite 10 von 10