Der
Naturstoff Wasser
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Das Wasser bedeckt zu mehr als zwei Drittel
die Erdoberfläche und ist die Ursubstanz für die Entstehung des
Lebens. Die Schüler begegnen zunächst im Unterricht in vielfältiger
Art und Weise dem Wassers. Sie machen eine Exkursion an einen Bach und
führen Gewässeruntersuchungen durch. Sie hören Musik zum
Thema Wasser, betrachten Bilder oder lesen Texte
und Gedichte.
Wasser ist einem ewigen Kreislauf unterworfen,
die Sonne verdunstet es zu Wasserdampf, als Regen kommt es wieder auf die
Erde zurück. Im Winter und in kalten Gegenden gefriert es zu Eis,
das auf dem Wasser schwimmt. Nachdem die Schüler mit diesem Kreislauf
vertraut gemacht wurden, studieren sie die verschiedenen Erscheinungsformen
von Wasser genauer. Folgende Versuche eignen sich hierfür:
Wasser wird auf einer Heizplatte in einem
Gefäß aus Glas erhitzt und die sichtbaren Vorgänge während
des Aufheizens und beim Kochen werden in einem Protokoll genau beschrieben.
Dabei ist zu beobachten, dass sich zuerst Luftblasen am Boden und am Gefäßrand
sammeln, die mit der Zeit aufsteigen. Beim Sieden des Wassers sind fast
alle Luftblasen am Boden verschwunden und nur noch Wasserdampfblasen steigen
auf. Diese Unterscheidung der unterschiedlichen, aufsteigenden Blasen wird
den Schülern erst durch eine sehr genaue Beobachtung klar. Der Dampf
beschlägt nach dem Heraustreten aus dem Wasser den oberen Gefäßrand
oder verteilt sich im Raum.
durchlaufende
Diashow
Die Schüler beobachten die Entwicklung
der Luftbläschen genau. Wann setzen sie ein, wann hören sie auf?
Wie verhält es sich beim erneuten Erhitzen? Diese Versuche führen
zur Frage, von was die Löslichkeit des Luft-Sauerstoffs im Wasser
abhängig ist?
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Analog zu diesem Versuch kann auch kohlensäurehaltiges
Mineralwasser erhitzt werden. Hier kennen die Schüler manche Phänomene
aus ihrem Alltag: Warum sprudelt kaltes Mineralwasser weniger als warmes?
Die Schüler erkennen, dass die Löslichkeit von Gasen im Wasser
sowohl von der Außentemperatur als auch von dem Außendruck
abhängt. Je höher die Temperatur und je geringer der Druck, umso
schlechter die Löslichkeit. Dies kann auch dadurch gezeigt werden,
dass man eine zu drei Vierteln gefüllte Mineralwasserflasche verschließt
und kräftig schüttelt. Die Entwicklung der Gasbläschen setzt
wieder ein, sobald man die Flasche öffnet und den Druck entlässt.
Die Bedeutung des Sauerstoffskreislaufs
in einem Gewässer schließt sich an. Es wird gezeigt, dass
eine geringfügige Erhöhung der Temperatur z.B. von einem Grad
Celsius bei der Einleitung von erwärmten Kühlwasser aus einem
Kraftwerk zu einer Gefährdung des Ökosystems führen kann,
da die Fische dann wesentlich weniger Sauerstoff zum Atmen haben.
Im nächsten Schritt überlegen
sich die Schüler, wie sie Wasserdampf wieder zurückgewinnen können.
Manche haben schon beobachtet, wie Wasserdampf an kalten Scheiben kondensiert.
Sie entwerfen eine technische Anordnung, die sich eignet, auch größere
Mengen an Dampf zu kondensieren. Die Anordnungen werden diskutiert und
dann ausprobiert. Hierzu passt auch eine Schülerübung
zur Destillation von Wein.
Zur Verdeutlichung der Druckwirkung beim
Verdampfen von Wasser werden natürliche Phänomene gezeigt, z.B.
die Wirkung eines Geysirs. In einem Versuch kann gezeigt werden, dass Dampf
einen Stopfen aus einem Reagenzglas katapultieren oder ein Gewicht in einem
Kolben nach oben treiben kann. Das Prinzip der Dampfmaschine wird im Fach
Technik erläutert. Folgender Versuch ist sehr einfach durchzuführen
und sehr spektakulär:
Eine leere Coladose wird 1cm hoch mit
Wasser gefüllt, mit einer Tuchrolle gefasst und über der nichtleuchtenden
Brennerflamme erhitzt, bis das Wasser siedet. Man lässt das Wasser
eine Weile sieden, dreht dann die Dose mit Hilfe der Tuchrolle um und taucht
sie blitzschnell mit der Öffnung nach unten in eine mit Wasser gefüllte
Schale. Unter einem lauten Knack implodiert die Dose und verformt sich
in typischer Art und Weise. Ein ähnlicher und sehr spektakulärer
Versuch kann mit einer Wassertonne im Freien durchgeführt werden.
Dieser Versuch darf jedoch nur von erfahrenen Lehrkräften durchgeführt
werden!
Zum Zeigen, dass die Siedetemperatur des Wassers
vom Außendruck abhängt, messen wir mit den Schülern bei
einer Wanderung auf einen hohen Berg die Siedetemperaturen in unterschiedlichen
Höhenlagen. Es zeigt sich, dass die Siedetemperatur des Wassers bei
geringerem Außendruck abnimmt. Interessant ist es auch, wenn die
Schüler die Siedetemperatur selbst bestimmen und ein Zeit-Temperatur-Diagramm
(Siedekurve) entwerfen können.
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Auch die Erscheinungsform von Eis bietet eine
Reihe schöner Experimente. Die Schüler erhalten Eisstücke
und lassen sie auf dem Wasser schwimmen. Sie beobachten, wie weit die Blöcke
in das Wasser eintauchen. Warum sah die Titanic den Eisberg nicht? (Eis
besitzt bei 0°C eine Dichte von 0,9168 g/cm³; aufgrund der Dichtedifferenz
zwischen Eis und Meerwasser sind nur 12% eines Eisberges oberhalb des Wassers
sichtbar. Dabei ist noch zu bemerken, dass der Salzgehalt im Meerwasser
und die Temperatur ebenfalls einen geringfügigen Einfluss auf die
Dichte des Meerwassers haben).
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Eis wird zerstampft und die Beobachtungen
werden genau notiert, die Phänomene diskutiert (z.B. warum der Druck
beim Zerstampfen das Eis verflüssigt) und mit Beispielen aus der Natur
und dem Alltag verglichen: Warum friert das Meer nicht bis auf den Grund?
Überlegen Sie selbst, welche Auswirkungen der Wasserdruck auf die
Schmelztemperatur hat! Beim Schlittschuhlaufen verursacht der Druck der
Kufen eine Erniedrigung des Schmelzpunktes, so dass sich unter den Kufen
eine Wasserschicht bildet, auf der wir letztendlich dann fahren. Haben
Sie, lieber Leser, das gewusst?
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Eine merkwürdige Erscheinung ist auch
die Ausdehnung des Volumens beim Gefrieren von Wasser. Dieses Phänomen
wird als Anomalie des Wassers bezeichnet und widerlegt die gängigen
Vorstellungen der „Aggregatzustände“, die mit Hilfe eines Teilchenmodells
„erklärt“ werden.
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Und nun noch eine Frage zum Überlegen:
Haben Sie sich auch schon mal überlegt, warum die Stoffe im Erdkern
bei 10000 Grad Celsius nicht flüssig oder gar gasförmig sind?
Hinweise finden Sie bei den geologischen
Informationen über den Aufbau der Erde.
Wasser hat bei 4°C seine größte
Dichte (1 g/cm³). Bei einer Erwärmung sinkt seine Dichte geringfügig,
so hat 25° warmes Wasser nur noch eine Dichte von 0,997071 g/cm³.
Das Phänomen der Dichtezunahme von kaltem Wasser spielt für das
Klima in Mitteleuropa eine entscheidende Rolle: Der Golfstrom ist eine
Meeresströmung von Afrika aus quer über den Atlantik, an die
Westküsten von Süd- und Nordamerika und wieder zurück über
den Atlantik in die nördlichen Polarmeere. Er bringt in höheren
Schichten warmes Wasser vom Süden in die nördlichen Meere. Aufgrund
der Abkühlung sinkt das warme (und dann schwerere) Wasser in den nördlichen
Polarmeeren nach unten, kühlt sich dort ab und fließt in den
unteren Schichten wieder zurück durch den Atlantik in den Süden.
Die warme Meeresoberfläche erwärmt die Luft. Die Warmluft gelangt
über Winde nach Mitteleuropa und sorgt dort für ein warmes Klima.
In den letzten Jahren wurde jedoch das Pumpensystem des Golfstroms durch
die selbstverschuldete Erwärmung der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt)
weitgehend lahmgelegt, so dass die Hochdruckgebiete aus dem Atlantik ("Azorenhoch")
für Mitteleuropa zu wenig „Druck“ haben, um die Tiefdruckgebiete aus
den nördlichen Polargebieten zu vertreiben. Die Folge ist eine starke
Zunahme der Niederschläge z.B. in Deutschland.
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Im Anschluss wird der Naturstoff Wasser
als Stoffgemisch und seine Komponenten näher beleuchtet. Dazu ist
es notwendig, dass wir die mit dem Wasser vermischten Stoffe genauer untersuchen.
Wir erhitzen stark kalkhaltiges Wasser oder
Meerwasser und lassen es vollständig verdampfen. Im Rückstand
erhalten wir einen zweiten „Stoff“, der für die Existenz des „Kalkwassers“
oder des „Salzwassers“ verantwortlich war. Nach diesem analytischen Vorgehen
können wir auch zeigen, dass man durch das Zusammenmischen der Stoffe
wieder das ursprüngliche Wasser erhalten kann.
Die Schüler entwickeln in einem Experiment
Trennverfahren, wie man zum Beispiel aus einem Stoffgemisch - bestehend
aus Gartenerde, Wasser und roter Tinte - wieder trinkbares Wasser zurückgewinnen
kann. Zur Initiation wird das Wasser vor den Augen der Schüler mit
diesen Stoffen verunreinigt und die Aufgabe gestellt, wieder die reinen
Stoffe zurückzugewinnen. Dabei erfahren die Schüler auch die
technischen Grundlagen der Wasserreinigung
in einem Wasserwerk und führen die Verfahren wie Destillation,
Filtration, Absetzen-Lassen und Adsorption in Schülerübungen
durch.
Danach wird untersucht, welchen Einfluss
Verunreinigungen auf das Wasser ausüben. Jedem Kind ist bekannt, dass
Streusalz Eis zum Schmelzen bringt. Warum? Wissen Sie es, lieber Leser?
Wie ändern sich die Siedetemperaturen, wenn man Verunreinigungen wie
Alkohol oder Salze zum Wasser hinzugibt? Auf diese Fragen finden Sie in
den gängigen Chemiebücher leider nur wenig Antworten, obwohl
derartige Vorgänge in der Natur bei der Entstehung von Stoffgebilden,
z.B. bei der Entstehung von Mineralien
oder von Eiskristallen von großer Bedeutung sind.
Ein weiteres interessantes Thema in diesem
Zusammenhang sind chemische Lösungen. Die Schüler sollen Lösungen
selbst herstellen und die Vorgänge dabei genau beobachten. Sie erkennen,
dass sich Salz in heißem Wasser besser löst (oder dass beim
Lösungsvorgang selbst Wärme erzeugt wird). Auch hier können
Zeit-Temperatur-Diagramme erstellt werden. Die schönsten Versuche
lassen sich mit konzentrierten Salzlösungen durchführen, wenn
man diese längere Zeit an der Luft stehen lässt (Arbeitsanleitung)
oder einen Impfkristall, bzw. einen Wollfaden als Verunreinigung (!) in
die Lösung hält. Dann entstehen die Kristalle, Stoffgebilde,
die einen hohen Grad an Gestaltform und Ordnung besitzen und an deren Bildung
das Wasser wesentlich beteiligt ist.
