Chemie

Albert-Einstein-Schule in Maintal

Anwendungen der ELMO-Kamera im Chemie-Unterricht, die eine Verbesserung der Unterrichtsqualität und -effizienz bewirken. Drei Berichte über unterschiedliche Anwendungen zu zwei Lehrplan-Themen in der Q-Phase (Qualifikationsphase, hier Q3, also Abitur-Jahrgang) an der Albert-Einstein-Schule in Maintal

Verantwortliche Lehrkraft: Dr. Martin M. Patzlaff

Bestimmung von Reaktionsgeschwindigkeiten

a. Bestimmung des Verlaufs der Reaktionsgeschwindigkeit von unedlen Metallen mit Salzsäure bei verschiedenen Konzentrationen.

Es werden unterschiedliche Mengen Metall (z.B. 1cm, 2cm, 4cm Magnesiumband) in unterschiedlich konzentrierte Säurelösungen gegeben (z.B. 0,1M oder 1M oder 2M oder 5M). Das Reaktionsgefäß (Erlenmeyerkolben) wird sofort mit einem Stopfen verschlossen, in dessen Bohrung ein rechtwinklig gebogenes Glasrohr steckt. Das Glasrohr ist über einen Schlauch mit einem horizontal eingespannten leichtgängigen Kolbenprober verbunden. Gemessen wird das Volumen des bei der Reaktion des Metalls mit der Salzsäure gebildeteten Wasserstoffgases gegen die verstrichene Zeit.

Die ELMO-Kamera ist so auf die Apparatur ausgerichtet, dass die Skala am Kolbenprober genau abgelesen werden kann. Die Filmaufnahme wird mit dem Verschließen des Kolbens gestartet. Nun kann man ganz bequem dem Versuchsverlauf zuschauen und dafür sorgen, dass der Kolbenprober auch wirklich nicht klemmt, d.h. dass der Kolben eine gleichmäßige Bewegung vollführt und ggf. etwas nachhelfen.

Man spart sich auf diese Weise die Arbeit mit der Stopp-Uhr und das stressige Notieren der Volumenwerte während des Versuchs, denn anschließend kann man in dem Film (Abspielen auf dem Computer mit einem für diesen Zweck geeigneten Wiedergabe- oder VideobearbeitungsProgramm) leicht entweder passende/beliebige Volumina mit der zugehörigen Zeit ermitteln oder auch zu passenden/beliebigen Zeiten die zugehörigen Volumina. Die Zeiten werden ja beim Abspielen des Videos auf dem Computer genau angezeigt, und man kann den Film jeweils anhalten oder auch einzelbildweise vor- oder zurückspielen, um die genauen Volumen-Werte abzulesen. Die Ablesegenauigkeit wird dadurch gegenüber der mit zwei Personen durchzuführenden Stoppuhr-Methode deutlich erhöht. Die Dokumentation mit der ELMO-Kamera gestattet auch die Auswertung bei hohen Reaktionsgeschwindigkeiten, wenn z.B. bei einer höheren Säurekonzentration mit Magnesium innerhalb von nur 1 bis 2 sec ca. 40ml Gas gebildet werden. (Mit einer Stopp-Uhr wäre hier die Dokumentation schlicht unmöglich!)

Mit derselben Dokumentationsmethode kann auch der Einfluss der Oberflächengröße beim Metall auf die Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt werden, indem man gleiche Mengen von Magnesium als Pulver, als Band oder als Stange in jeweils gleich konzentrierte Säurelösungen gibt.

Das nachträgliche Zeigen der Filme (über den angeschlossenen Beamer), evtl. in passenden Ausschnitten, macht übrigens die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten (zu erkennen an den unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten) im Vergleich noch einmal zusätzlich deutlich.

Bestimmung der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Oberflächengröße im unbeaufsichtigten Versuch. Ermöglichen der gleichzeitigen Durchführung mehrerer Versuche

Die ELMO-Kamera kann auch zur Zeitersparnis eingesetzt werden, etwa für die Dokumentation neben anderer Arbeit laufender Versuche, die keiner Kontrolle bedürfen und bei denen es genügt, die relevanten Daten später den Filmdaten zu entnehmen oder sich als interessant erweisende Phasen des Versuchsverlaufs später als Filmausschnitt zu zeigen:

Z.B. kann die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Oberflächengröße dadurch bestimmt werden, dass man Kalk/Marmor in unterschiedlichem Zerteilungsgrad, aber je gleicher Masse (Pulver, Granulat, größeres Stück) in Salzsäure je gleicher Konzentration (z.B. 1M) gibt und den Zeitpunkt bestimmt, zu dem der zugefügte Kalk vollständig aufgelöst ist. Fein zerteilter Kalk ist schneller aufgelöst als ein massives Stück Marmor.

Der Versuch kann einfach im Becherglas durchgeführt werden. Die ELMO-Kamera wird auf die Marmorstückchen gerichtet bzw. auf die Oberfläche der im Becherglas befindlichen Salzsäure, da die kleinen Kalkstückchen am Schluss immer nach oben steigen. Der Versuch wird durch die Zugabe der Kalk-Portion gestartet. Die ELMO-Kamera wird entweder mit der Zugabe des Kalks oder schon vorher gestartet, denn bei der Wiedergabe des aufgenommenen Films mit einem für diesen Zweck geeigneten Wiedergabe- oder Videobearbeitungs-Programm kann man die Differenz zwischen Startzeit und Reaktionsende in wenigen Sekunden genau bestimmen. Da dieser Versuch nur am Anfang (und dann höchstens am Ende) für den Beobachter wirklich interessant ist und da es nur auf die Endpunktbestimmung ankommt, kann man unterdessen einen anderen Versuch durchführen (und evtl. mit einer weiteren ELMO-Kamera dokumentieren!), der mehr Aufmerksamkeit und Arbeitseinsatz erfordert. Die benötigten Endpunktzeiten oder interessante Versuchsphasen können später leicht und schnell durch Kontrolle des Films am Computer ermittelt werden, indem man den Endpunkt gezielt aufsucht (Abspulen des gesamten Films ist ja nicht erforderlich). Interessante Phasen des Versuchsverlaufs können mit einem Videobearbeitungsprogramm leicht für gesonderte Vorführung herauskopiert werden.

Es genügt hier also gelegentliche Kontrolle des Versuchs, lediglich, um das eventuell eingetretene Ende der Reaktion festzustellen, den Film dann zu stoppen und anschließend den nächsten unbeaufsichtigten Versuch mit einem anderen Zerteilungsgrad des Kalks zu starten.

Damit ist das gleichzeitige Durchführen mehrerer Versuche möglich, ohne dass dadurch Organisationsstress entsteht und ohne dass zusätzliche Arbeitsgruppen gebildet werden müssen, die dann dem wichtigen Versuch der Unterrichtsstunde nicht folgen könnten.

Einstellung von Verteilungsgleichgewichten zwischen zwei flüssigen Phasen. Flexible und einprägsame Dokumentation wichtiger Stadien einer chemischen Versuchsserie.

Iod löst sich leicht in organischen Flüssigkeiten wie dem (farblosen) Toluol, aber nur ziemlich schlecht in Wasser. Toluol löst sich nicht in Wasser. Füllt man also Wasser, Iod und Toluol in ein Reagenzglas und schüttelt, so kann man sehen, dass sich zwei Schichten bilden: die Toluol-Schicht färbt sich intensiv lila, weil sich fast alles Iod in dem Toluol löst, die wässrige Phase aber wird nur ein wenig braun (wässrige Iodlösung ist wie die bekannte alkoholische medizinische Tinktur braun gefärbt). Durch Einzelbilder oder mit einem Film mit der ELMO-Kamera kann man den Fortschritt der Verteilung dokumentieren und natürlich für einen größeren Kurs auch gleich über den Beamer für alle Kursmitglieder sichtbar machen.

Die Verteilungsverhältnisse in diesem Versuch ändern sich grundlegend, wenn dem Wasser eine gewisse Menge Kaliumiodid zugegeben wird. (Eine Lösung von Kaliumiodid in Wasser ist völlig farblos). Fügt man nun wieder Toluol und Iod hinzu, so zeigt sich beim Schütteln, dass jetzt fast alles Iod in die wässrige Phase übergeht, indem sich die wässrige Phase tief braun färbt und die Toluol-Phase nur noch schwach lila.

(Natürlich könnte man den Versuch mit dem Kaliumiodid auch direkt an den ersten Versuch anschließen, indem man etwas konzentrierte wässrige Kaliumiodidlösung hinzufügt und dann wieder schüttelt. Auch hier wandert das Iod dann aus der Toluol-Schicht in die wässrige Phase.)

Wie in dem Versuch ohne Zusatz von Kaliumiodid kann durch Einzelbilder oder mit einem Film mit der ELMO-Kamera der Fortschritt der Verteilung dokumentiert werden und natürlich auch gleich über den Beamer für alle Kursmitglieder sichtbar gemacht werden.

Die nachträgliche Wiederholung der Filmvorführung oder der Einzelbilder ist in diesem Falle besonders nützlich, da dann noch einmal die unterschiedlichen Phasenfärbungen (mit bzw. ohne Zusatz von Kaliumiodid) sehr schön deutlich werden. Diese werden nämlich „im Eifer des Gefechts” oft nicht zutreffend oder nicht genau genug wahrgenommen oder erinnert, so dass der Unterschied sich durch die anschließende Video- oder Bild-Wiederholung deutlicher und nachhaltiger einprägt. Die Bedienung der ELMO-Kamera kann man in dieser Altersstufe selbstverständlich ebenso wie die Durchführung der Versuche selbst den Schülerinnen und Schülern überlassen, d.h. die Lehrkraft führt lediglich Aufsicht und gibt – wo nötig – Hilfen oder Korrekturen.

Mahdavi Educational Complex – Iran

Die Schule: Mahdavi Educational Complex wurde 1989 als ganzheitliche und mehrsprachige Schule für alle iranischen Mädchen gegründet. Die Schülerinnen besuchen die Schule im Regelfall von der Vorschule bis zur Voruniversität. Die Mahdavi Gemeinschaft ist seit dieser Zeit weiter gewachsen und zählt heute rund 1400 Studentinnen und 250 Mitarbeiter.

Die Bilder stammen aus dem Biologie-Labor, das Details von Blättern, Körperfunktionen, Herzfunktionen zeigt. Ein Bild ist aus einer Chemie-Klasse, in der das Periodensystem diskutiert wird.