Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS. Fachoberschule, Chemie, Jahrgangsstufe 11. Dosenimplosion

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Christian Rothbauer
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1 Dosenimplosion Jahrgangsstufen 11 Fach/Fächer Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen Benötigtes Material Chemie Technische Bildung 90 min leere Getränkedose (Plastik-)Pipette mit Graduierung Bunsenbrenner (evtl. Kerze) Tiegelzange mit Wasser gefüllte flache Schüssel Kompetenzerwartungen Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler 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. auch durch. (FOS C11 (ABU, T) 1) stellen mathematische Zusammenhänge zwischen ausgewählten chemischen Größen her und lösen damit Aufgabenstellungen alltäglicher und großtechnischer Phänomene rechnerisch anhand einfacher stöchiometrischer Formeln. (FOS C11 (ABU, T) 5) Seite 1 von 12

2 Aufgabe Dosenimplosion Schülerversuch In eine (von den Schülerinnen und Schülern mitgebrachte) leere Getränkedose werden ca. 5 ml Wasser pipettiert. Die Dose wird mit der Tiegelzange in die Flamme gehalten, bis das Wasser in der Dose für ca. 5 s siedet (Vorsicht: Heißer Wasserdampf tritt aus!) [Zeitpunkt a]. Dann wird die Dose auf den Kopf gedreht (Vorsicht: Evtl. noch vorhandenes heißes Wasser nicht auf die Haut spritzen!) und sofort mit der Öffnung in die bereitstehende Wasserschüssel eingetaucht (Dose mit der Tiegelzange gut festhalten; nicht erschrecken!) [Zeitpunkt b]. Arbeitsaufträge 1. Recherchieren Sie den Begriff Gasdruck und notieren Sie dazu eine kurze Definition, die auch die Teilchenebene einschließt. 2. Fertigen Sie Skizzen an, um die Dosenimplosion auf der Teilchenebene zu erklären. Dabei sollen Teilchen auf der Innen- und Außenseite der Dose zu folgenden Zeitpunkten dargestellt werden: [Zeitpunkt a]: Wasser in der Dose siedet; Wasserdampf tritt aus [Zeitpunkt b]: Während der Implosion der Dose (Dosenöffnung ist durch Eintauchen verschlossen ; Wasser im Doseninneren ist bereits kondensiert) Hilfe (falls nötig) am Pult: Hilfe 1: Vorlage zum Zeichnen von Skizzen zur Erklärung der Dosenimplosion auf der Teilchenebene 3. Bereiten Sie schriftlich eine Erklärung für die Implosion der Dose vor, so dass Sie vor der Klasse vollständig (auch auf der Teilchenebene) nachvollziehbar darstellen können, warum die Dose implodiert. Achten Sie auf eine gut strukturierte Darstellung. Hilfen (falls nötig) am Pult: Hilfe 2: strukturierte Tabelle Erklärung der Dosenimplosion zum stichwortartigen Ausfüllen kleine Zettel mit Stichworten, die beim Ausfüllen der Tabelle helfen sollen Seite 2 von 12

3 4. Ermitteln Sie rechnerisch, wie stark sich das Volumen des Wassers in der Dose beim Übergang vom gasförmigen zum flüssigen Aggregatzustand verkleinert. Nehmen Sie dabei an, dass die Dose zum Zeitpunkt [a] vollständig mit Wasserdampf gefüllt ist, der dann zum Zeitpunkt [b] vollständig kondensiert ist. Hinweise: Gehen Sie für Ihre Rechnung vereinfachend davon aus, dass sich der Wasserdampf in der Dose wie ein ideales Gas unter Normbedingungen verhält. Die Dichte von flüssigem Wasser beträgt bei Raumtemperatur 1,00 g/ml Hilfe (falls nötig) am Pult: Vorschlag zur Vorgehensweise beim Berechnen des Volumens des in der Dose enthaltenen Wassers im flüssigen Aggregatzustand Seite 3 von 12

4 Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Hilfen Folgende Hilfen werden am Pult bereitgestellt und können (müssen aber nicht) von den Schülern genutzt werden. Hilfe 1: Vorlage zum Zeichnen von Skizzen zur Erklärung der Dosenimplosion auf der Teilchenebene Es sollen Wasserteilchen und Luftteilchen (Stickstoffteilchen, Sauerstoffteilchen) eingezeichnet werden. [Zeitpunkt b]: Während der Implosion der Dose [Zeitpunkt a]: Wasser in der Dose siedet; Wasserdampf tritt aus Seite 4 von 12

5 Hilfe 2: strukturierte Tabelle Erklärung der Dosenimplosion zum stichwortartigen Ausfüllen Zeitpunkt Beschreibung auf Stoffebene Beschreibung auf Teilchenebene Vergleich Gasdruck innen außen Erklärung der Beobachtung [a] [b] Seite 5 von 12

6 Stichworte zum Ausfüllen der strukturierten Tabelle Erklärung der Dosenimplosion Seite 6 von 12

7 Vorschlag zur Vorgehensweise beim Berechnen des Volumens des flüssigen Wassers Seite 7 von 12

8 Hinweise zum Unterricht Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Die rechnerische Behandlung der Dosenimplosion soll dazu beitragen, dass die Schülerinnen und Schüler das Versuchsergebnis nicht nur qualitativ erklären können, sondern die beeindruckende Volumenverminderung (mehr als 1000-fach) beim Kondensieren von Wasser auch quantitativ einordnen können. Seite 8 von 12

9 Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler 1. Definition des Begriffes Gasdruck : Z. B.: Der Gasdruck ist der Druck, der durch Stöße von Gasteilchen an eine Wand entsteht. Je mehr Gasteilchen vorhanden sind, und je höher deren kinetische Energie ist, desto höher ist der Gasdruck. 2. Skizzen LÖSUNGSVORSCHLAG unter Verwendung von Hilfe 1: [Zeitpunkt a]: Wasser in der Dose siedet; Wasserdampf tritt aus [Zeitpunkt b]: Während der Implosion der Dose Seite 9 von 12

10 3. Erklärung der Dosenimplosion Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS LÖSUNGSVORSCHLAG - Strukturierte Tabelle: Zeitpunkt Beschreibung auf Stoffebene Beschreibung auf Teilchenebene Vergleich Gasdruck innen außen Erklärung der Beobachtung [a] Wasser in der Dose siedet geringer Abstand der Wasserteilchen in der flüssigen Phase großer Abstand der Wasserteilchen im Gasraum der Dose großer Abstand der Luftteilchen außerhalb der Dose Gasdruck innen = Luftdruck außen [b] Wasserdampf im Doseninneren ist kondensiert: Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand ist erfolgt geringer Abstand aller Wasserteilchen im Doseninneren Innenraum der Dose ist nahezu leer Luftteilchen außen nach wie vor vorhanden Gasdruck innen << Luftdruck außen Trägheit des Wassers in der Schüssel behindert schnelles Aufsaugen von Wasser aus der Schüssel in die Dose äußerer Luftdruck führt zum Eindrücken der Dose Seite 10 von 12

11 4. Berechnung der Volumenverkleinerung beim Übergang von H 2 O (g) zu H 2 O (l) Gegeben und gesucht: Geg.: V H2 O (g) = 330 ml (je nach verwendeter Dose) V m = 22,4 L/mol (molares Normvolumen für Gase)* H2 (l) = 1,00 g/ml O Ges.: V H2 O (l) (heißer Wasserdampf) * vereinfachende Annahme: Wasserdampf bei 100 C ist ein ideales Gas; in diesem Fall gilt: V m = 22,4 L/mol Lösungsweg: Die Stoffmenge (also: Teilchenzahl) der Wasserteilchen bleibt bei der Kondensation konstant: n H2 O (g) = n H2 O (l) Es muss in der Gasphase und in der flüssigen Phase ein Zusammenhang zwischen der Stoffmenge an Wasser und den gegebenen Größen hergestellt werden. Rohformeln: V H2 O (g) = V m n H2 O (g) => n H2 O (g) = V H 2 O (g) < H 2 O (g) kondensiert zu H 2 O (l) > V H2 O (l) = m H2O * (* siehe Formelsammlung, Physik-Teil: Dichte) H2 O (l) mit m H2 O (l) = M H2 O n H2 O(l) folgt: V H2 O (l) = M H2O n H 2O(l) H2 O (l) V m Einsetzen und ausrechnen: n H2 O (g) = V H 2 O (g) V m = V H2 O (l) = V H2 O (l) = 0,265 ml 0,330 L 22,4 L/mol = 0,0147 mol (1,008 g/mol ,00 g/mol) 0,0147 mol 1,00 g/ml (flüssiges Wasser) Beim Abkühlen kondensieren 330 ml Wasserdampf innerhalb kürzester Zeit zu nur noch 0,265 ml flüssigem Wasser. Seite 11 von 12

12 Anregung zum weiteren Lernen z. B. Kavitation: Seite 12 von 12

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