Wasserstoffblond?

Auch dass die Über­schrift che­misch in kei­ner Wei­se stimmt, lässt sich mit einem klei­nen Ver­such zur Ana­ly­tik zei­gen: Es wird der Was­ser­stoff­per­oxid­ge­halt in Haar­bleich­mit­tel quan­ti­ta­tiv bestimmt. Ver­ant­wort­lich für die Bleich­wir­kung die­ses Stof­fes ist kei­nes­falls der in der Über­schrift zu Unrecht beschul­dig­te Was­ser­stoff, son­dern viel­mehr der in der Oxi­da­ti­ons­stu­fe ‑I vor­lie­gen­de Sauer­stoff, der die ener­ge­tisch  für ihn erst­mal viel güns­ti­ge­re Oxi­da­ti­ons­stu­fe 0 anstrebt.

So sieht das dann aus:

H2O2 →  2H+ + O2 + 2e¯ 

Das Was­ser­stoff­per­oxid ent­zieht den Farb­stof­fen im Haar­pig­ment Elek­tro­nen, wodurch die­se oxi­da­tiv zer­stört wer­den. Die Elek­tro­nen erhält dabei for­mal (und in Wirk­lich­keit wohl auch…) der Sauer­stoff – nur sei­ne Oxi­da­ti­ons­zahl ändert sich formal.

Durch­füh­rung:

Die­ser Ver­such ist ein Klas­si­ker der Ober­stu­fen­ex­pe­ri­men­tie­re­rei – man fin­det ihn in unter­schied­lichs­ten Abwand­lun­gen im Netz und Lehr­bü­chern. Die hier beschrie­be­ne Vari­an­te stammt im Wesent­li­chen aus dem Lehr­werk „Che­mie heu­te“ (Sekun­dar­be­reich II), Schroe­del­ver­lag. Man benö­tigt dafür an Chemikalien:

  1. Haar­bleich­mit­tel
  2. Kali­um­per­man­gan­anat­lö­sung c(KMnO4)=0,01mol/l
  3. Schwe­fel­säu­re (ca. 20%ig zum Ansäuern)

Haar­bleich­mit­tel besteht in der Regel aus zwei ver­schie­de­nen Kom­po­nen­ten: Der eigent­li­chen Bleich­lö­sung, die das Was­ser­stoff­per­oxid ent­hält und einer unter­schied­lich gear­te­ten Creme, die dafür sorgt, dass das Bleich­mit­tel län­ge­re Zeit auf das Haar ein­wir­ken kann. Für den kos­me­ti­schen Ein­satz ver­ei­nigt man bei­de Sub­stan­zen, für unse­ren Ver­such reicht uns die Bleichlösung.

Die Maß­lö­sung (Kali­um­per­man­ga­nat­lö­sung) berei­te ich nicht mehr selbst vor, son­dern SuS set­zen sie „live“ vor dem Ver­such an. Zwei SuS berei­ten die Lösung dann in aus­rei­chen­der Men­ge für alle vor. Daher brau­che ich für den Ver­such fol­gen­de Geräte:

  1. Mess­kol­ben (100ml)
  2. Pipet­ten (1ml/10ml)
  3. Pipet­tier­hil­fe
  4. Büret­te
  5. Erlen­mey­er­ko­len (250ml)
  6. Waa­ge
  7. Fil­ter­pa­pier

In dem Mess­kol­ben fül­len die SuS 1ml Bleich­lö­sung mit Dei­o­nat (deio­ni­sier­tes Was­ser) auf 100ml auf und pipet­tie­ren 10ml der ent­stan­de­nen Lösung in den Erlen­mey­er­kol­ben. Die­se Lösung kann z.B. auch von zwei SuS für die Gesam­te Lern­grup­pe vor­be­rei­tet wer­den. Mit der Waa­ge und fes­tem Kali­um­per­man­ga­nat kön­nen zwei ande­re SuS die Maß­lö­sung anset­zen, die in die Büret­ten gefüllt wird.

Nach­dem die im Erlen­mey­er­kol­ben befind­li­che Pro­be­lö­sung mit Dei­o­nat auf ca. 50ml ver­dünnt und mit ca. 1–2ml der Schwe­fel­säu­re­lö­sung ver­setzt wur­de, kann so lan­ge Kali­um­per­man­ga­nat­lö­sung hin­zu­ge­tropft wer­den, bis sich die Pro­be­lö­sung leicht rosa färbt. Dabei ist natür­lich immer­zu zu schütteln.

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Kohlenstoffdioxidausstoß – Grenzwert der EU

Gera­de habe ich in mei­nem Kurs aus grund­le­gen­dem Niveau (das heißt in ande­ren Bun­des­län­dern „Grund­kurs“) fol­gen­de Auf­ga­ben­stel­lung für das Abitur­trai­ning her­aus­ge­ge­ben. Es ist ein gutes Bei­spiel dafür, dass man mit lang­wei­li­gen Rech­nun­gen zur mola­ren Mas­se doch recht aktu­ell sein kann… Das Bei­spiel ist durch die Beschrän­kung auf Octan natür­lich recht stark idea­li­siert, lie­fert aber erstaun­lich rea­lis­ti­sche Zah­len­wer­te, was mich zu der Fra­ge führt, ob in der EU-Komis­si­on wirk­lich mir rea­lis­ti­sche­ren Kraft­stoff­zu­sam­men­set­zun­gen gerech­net wird.

Ein­lei­tung:

In der EU wur­de vor­ge­schla­gen, einen ver­bind­li­chen Grenz­wert für den CO2-Aus­stoß von Neu­wa­gen vor­zu­schrei­ben. Dabei wur­de ein Grenz­wert von 130g/km vor­ge­schla­gen. Dies stieß auf hef­ti­gen Wider­stand der Auto­mo­bil­her­stel­ler und führ­te zur Ein­füh­rung zahl­rei­cher Aus­nah­me­re­ge­lun­gen. Der CO2-Aus­stoß eines Auto­mo­bils ist direkt abhän­gig vom sei­nem Ver­brauch, der in l/100km ange­ge­ben wird.

Auf­ga­ben:

  1. Wie viel Liter Ben­zin darf ein Neu­wa­gen laut die­ser Vor­schrift maxi­mal ver­brau­chen, um     den gefor­der­ten Grenz­wert ein­zu­hal­ten? Gehen sie ver­ein­facht davon aus, dass Ben­zin     ledig­lich aus Octan (Dich­te: 0,7g/cm3) besteht und im Motor voll­stän­dig ver­brannt wird.
  2. Ein Por­sche Cayenne Tur­bo S ver­braucht bei Höchst­ge­schwin­dig­keit und extre­men Beschleu­ni­gungs­ma­nö­vern bis zu 66,7 Liter Kraft­stoff auf 100km (10,6 Liter     Durch­schnitts­ver­brauch lt. Her­stel­ler, Quel­le: Bild.de). Um wie viel Pro­zent wird dann bei  die­sen extre­men Betriebs­be­din­gun­gen der von der EU vor­ge­se­he­ne Grenz­wert über­schrit­ten, wenn Sie von den glei­chen Vor­aus­set­zun­gen wie bei Auf­ga­ben­teil 1) vorgehen?
  3. Wie vie­le kg Glu­co­se (Dich­te: 1,562g/cm3) muss eine Pflan­ze auf natür­li­chem Weg pro­du­zie­ren, damit die Ener­gie­men­ge gelie­fert wer­den kann, die ein EU-Norm kon­for­mes Auto­mo­bil auf 100km umsetzt?

Die Rech­nung ist nur im ers­ten Fall ein wenig aufwendiger.

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Versuch zum Treibhauseffekt – Deutungsansatz

Lei­der muss man da etwas aus­ho­len, da die Dar­stel­lung in den Medi­en oft arg zu wün­schen übrig­lässt.  Die fol­gen­de Dar­stel­lung ist eigent­lich wis­sen­schaft­lich betrach­tet nur unwe­sent­lich bes­ser, soll­te aber zumin­dest die rel­va­n­ten Schlag­wor­te zur eige­nen Wei­ter­ar­beit lie­fern. Gleich­zei­tig zeigt sie Mög­lich­kei­ten auf, wie in die­sem lebens­prak­tisch rele­van­ten Bereich sogar fach­über­grei­fen­de Arbeit (Phy­sik, Che­mie, Geo­wis­sen­schaf­ten) mög­lich ist. Ich bin mitt­ler­wei­le selbst ein wenig erschro­cken, wie lan­ge man eigent­lich dar­an unter­rich­ten könn­te und wie vie­le ver­schie­de­ne Aspek­te zum Tra­gen kom­men.  Zunächst ein­mal ein paar Begrif­fe und Grundlagen.

Unter Wär­me möch­te ich inner­halb die­ses Arti­kels Teil­chen­schwin­gung- und Teil­chen­be­we­gung ver­stan­den wis­sen.  Das begrei­fe ich also als eine Form von kine­ti­scher Ener­gie. Die­se Ener­gie kann durch direk­te und indi­rek­te „Stö­ße“ an ande­re Teil­chen­wei­ter­ge­ge­ben wer­den. Das ist ein Wär­me­fluss.

Unter Wär­me­strah­lung möch­te ich elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung ver­stan­den wis­sen, die von erwärm­ten Teil­chen aus­ge­sandt wer­den. Wär­me­strah­lung ist in der Lage über grö­ße­re Distan­zen hin­weg (also auch durch ein Vaku­um) Teil­chen kine­ti­sche Ener­gie zuzu­füh­ren bzw. ihre kine­ti­sche Ener­gie zu erhö­hen. Nicht ande­res ist eine Erwärmung.

Ob sich ein Teil­chen durch Wär­me­strah­lung anre­gen lässt, hängt mas­siv von der Wel­len­län­ge der ein­fal­len­den elek­tro­ma­gne­ti­schen Strah­lung ab. Je kür­zer die Wel­len­län­ge, des­to ener­gie­rei­cher ist dabei die­se Strahlung.

Dazu ein Bild:

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Schülerdeutungen: Kupfer und Schwefel quantitativ

Lässt man Kup­fer und Schwe­fel in den ent­spre­chen­den Schul­ver­su­chen mit­ein­an­der reagie­ren, so fällt auf, dass das Kup­fer in der Regel nicht den gesam­ten Schwe­fel auf­nimmt. Tat­säch­lich sind es im Ver­hält­nis zum Kup­fer nur sehr gerin­ge Stoff­por­tio­nen, die not­wen­dig sind, um z.B. ein Kup­fer­blech voll­stän­dig zu Kup­fer­sul­fid umzusetzen.

Mei­ne SuS der 7. Klas­se hat­ten dazu eine aus­ge­zeich­ne­te Idee auf Basis ihres Wis­sens über das Kugel­teil­chen­mo­dell. In Anleh­nung an die Volu­men­kon­trak­ti­on bei der MIschung von Was­ser und Brenn­spi­ri­tus for­mu­lier­ten sie fol­gen­de Hypothese:

Kupfer und Schwefel: Theorie 1

Kup­fer und Schwe­fel: Theo­rie 1

Zwi­schen den Kup­fer­ku­gel­teil­chen befin­den sich Lücken, deren Anzahl begrenzt ist. Sind alle Lücken von den Schwe­fel­teil­chen besetzt, so kann das Kup­fer kei­nen wei­te­ren Schwe­fel mehr auf­neh­men – eine abso­lut logi­sche Hypo­the­se, die gar nicht so ein­fach mit dem Kennt­nis­stand einer 7. Klas­se zu wider­le­gen ist.

Ich habe mich fol­gen­der­ma­ßen herausgeredet:

Wenn die Hypo­the­se gilt, so dürf­ten sich die Eigen­schaf­ten von Kup­fer- und Schwe­fel­teil­chen dabei nicht ändern, da ja ledig­lich eine Art Gemisch ent­steht. Also müss­te das End­pro­dukt eine Misch­far­be aus Rot­braun (Kup­fer) und Gelb (Schwe­fel) auf­wei­sen. Außer­dem ist schwer zu erklä­ren, war­um Ener­gie bei die­ser Reak­ti­on frei wird (und das ist sicht­bar). Dann habe ich eine ande­re Theo­rie präsentiert:

Kupfer und Schwefel:Theorie 2

Kup­fer und Schwefel:Theorie 2

Kup­fer­teil­chen kön­nen nur eine begrenz­te Anzahl an Schwe­fel­teil­chen (oder umge­kehrt) auf­neh­men. Dabei ent­steht ein neu­er Stoff mit neu­en Eigen­schaf­ten, also eine Verbindung.

Die SuS haben berech­tigt ange­führt, dass sich ja auch hier die jewei­li­gen Teil­chen nicht ver­än­dern und die Far­big­keit so gese­hen auch nicht stimmt. Da sie es so genau wis­sen woll­ten, muss­te ich dann doch ein­räu­men, dass sich die Teil­chen sehr wohl ver­än­dern, wenn sie sich ver­bin­den und dadurch die Ener­gie­er­schei­nun­gen und die ande­ren Eigen­schaf­ten zu erklä­ren sind.

Das Gesetz der kon­stan­ten Pro­por­tio­nen erklä­ren jedoch bei­de Hypo­the­sen hin­rei­chend gut. Und wenn man sich die Orga­ni­sa­ti­on der Ionen im Kup­fer­sul­fid genau anschaut haben die SuS so Unrecht nun auch wie­der nicht.Ganz davon abge­se­hen: Metho­disch haben sie her­vor­ra­gend gearbeitet.

Der Über­gang vom Mas­sen- auf den Teil­chen­be­griff ist eben doch nicht so ganz einfach…

Versuch zum Treibhauseffekt

Es gibt eine Rei­he von Mythen zum Treib­haus­ef­fekt. Da ist von an den Wol­ken reflek­tier­ter Wär­me­strah­lung die Rede, da wer­den Strah­lung und Wär­me ineins­ge­setzt und, und, und…

Ein Ver­such, den ich zum Aus­gangs­punkt für eine eini­ger­ma­ßen wis­sen­schaft­li­che Beschrei­bung des Treib­haus­ef­fek­tes genom­men habe, besaß fol­gen­den Auf­bau, den man in diver­sen Varia­tio­nen in zahl­rei­chen Lehr­bü­chern und auf noch mehr Inter­net­sei­ten fin­det. Die „Riecken­ver­si­on“ tat ihren Dienst erwar­tungs­ge­mäß und brav.

Modellversuch Treibhauseffekt

Modell­ver­such Treibhauseffekt

Ich habe einen Bau­strah­ler (500W ech­tes Halo­gen) durch ein Scha­le mit Was­ser auf zwei klei­ne Erd­mo­del­le schei­nen las­sen: Eines mit dunk­lem Unter­grund (Ton­pa­pier – Land­mas­se), eines mit reflek­tie­ren­dem (Alu­fo­lie – Pol­kap­pen, Glet­scher­eis). Dazu habe ich zwei PET-Fla­schen geköpft und mit Cel­lo­phan­fo­lie ver­schlos­sen. Unge­fähr 3cm ober­halb des Unter­grun­des ist jeweils ein Tem­pe­ra­tur­füh­ler befes­tigt – der ver­wen­de­te Alchi­misst (Mess­ge­rät) besitzt freund­li­cher­wei­se zwei unab­hän­gi­ge Tem­pe­ra­tur­an­zei­gen. Das Loch für den Füh­ler bahnt ein glü­hen­der Nagel. Undich­tig­kei­ten ver­sorgt Knet­gum­mi oder aber auch Parafilm.

Bei­de Erd­mo­del­le wur­den über einen Zeit­raum von 5 Minu­ten bestrahlt. Ein­mal waren sie mit Luft und das ande­re Mal mit Koh­len­stoff­di­oxid­gas gefüllt. Alle 30s wird die Tem­pe­ra­tur notiert (das könn­te auch ein Rech­ner machen).

Die Was­ser­scha­le unter dem Halo­gen­strah­ler dient als Fil­ter: So heizt wirk­lich das Licht und nicht die mas­sig abge­ge­be­ne Wärmestrahlung.

Das Roh­ergeb­nis sieht damit fol­gen­der­ma­ßen aus:

Wei­ter­le­sen

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