Chemische Gleichgewichte

Schülerinnen und Schüler haben instinktiv gelernt, ihre Umwelt zu erfassen und zu bewerten. Der Chemieunterricht ist geeignet, das instiktmäßige Verhalten bewusst zu machen und gezielt zu nutzten.
(Sicherheitserziehung SiNTU I.1.2 )

Beim ersten Betreten der Chemieräume werden Schülerinnen und Schüler aufgefordert, den Raum zu betrachten und Besonderheiten festzustellen. Aus den Besonderheiten kann man auf die Nutzung des Raumes und auf das zweckmäßige Verhalten in dem Raum schließen. Man kann auch aus dem Fehlen von Eigenschaften auf die nicht vorgesehene Nutzung schließen.

Diese Erkenntnisse führen zwanglos zu "Sicherheitsbelehrungen" für die Nutzung des Chemieraumes, den sogenannten Betriebsanweisungen für Schüler , Hausmeister und Reinigungspersonal und Lehrerpersonen.

Es sind viele besondere Einrichtungen und zahlreiche Sicherheitseinrichtungen vorhanden, die darauf hin deuten, dass hier Dingen gemacht werden können, die eine Gefährdung bedeuten können.

besondere Einrichtungen	Sicherheitsmaßnahmen
Schaltkästen mit Schlüsseln	Sicherheitstüren
viele Gasanschlüsse	Feuerlöscher, Löschdecke
viele Wasserkästen	Notduschen, Augenduschen
viele Stromanschlüsse	Sicherheitsschalter, Notausschalter
Abzugschränke	Schutzscheiben, Schutzbrillen
Sonder-Abfallbehälter	Löschsand
Werkzeuge und Glas-Geräte	Erste Hilfe-Schränke
abgeschlossene Schränke mit Stoffen in Glasflaschen	Hinweistafeln, Betriebsanweisungen
Waagen	keine Tragetaschen, keine Kasse

Auffällig sind je nach Unterrichtsraum eine Vielzahl von Gefäßen mit Stoffen darin, die besondere orange gefärbte Kennzeichen tragen. Es sieht fast so aus, wie einem Einkaufsladen.

Daraus kann man schließen: Aus den Chemieräumen darf man keine Stoffe und Geräte mitnehmen!

Es fehlen sämtliche Geräte und Gegenstände, mit denen gegessen oder getrunken werden kann, ebenso Gefäße aus dem Lebensmittelbereich.

Alles in der Natur befindet sich im Gleichgewicht! Will man ein bestehendes Gleichgewicht verändern, so muss man Energie aufwenden! Nach der Störung durch Energie stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.

Auf die Chemie bezogen bedeutet das: nur Stoffe, die sich berühren, können miteinander reagieren. Hemmungslose Anwendung naturwissenschaftlicher und technischer Möglichkeiten kann neue Gleichgewichte erzeugen, in denen der Mensch nicht mehr vorkommet. Daher ist man heutzutage bestrebt, alles zu verbieten.

Schaut man sich in seiner näheren Umgebung jedoch um, so stellt man fest, dass es kaum noch einen Stoff gibt, der in seiner natürliche art verwendet wird. - In den gemäßigten Breiten ist der Mensch nicht ohne Kleidung, Wohnung mit Heizung und Vorratshaltung existenzfähig. Daher ist die Anwendung von Chemie zur Erhaltung des menschlichen Lebens unverzichtbar.

Bei der Anwendung von Chemie kommt es darauf an, dass natürliche Gleichgewichte, wo immer sie bestehen, weitestgehend erhalten bleiben. Dazu sind grundsätzliche Erkenntnis wichtig.

Stoffe, die in der Natur vorkommen und mit denen der Mensch seit seiner Enwicklung zusammen kommt, bilden für den Menschen keine übermäßige Gefahr. An den Kontakt mit diesen Stoffen in ihrer natürlichen Konzentration bilden sein natürliches Lebensumfeld, an das er angepasst ist.

Die Stoffe, die in der Chemie benutzt werden, heißen Chemikalien, weil sie gewöhnlich nicht in dieser Form in der Natur vorkommen. Sie wurden besonders zu dem Zweck hergestellt, um mit anderen Stoffen zu reagieren.

Chemikalien sind Stoffe, die sich nicht im natürlichen Gleichgewicht mit der Umgebung befinden. Bringt man Chemikalien mit anderen Stoffen in Kontakt, so bilden sich neue Gleichgewichte aus, häufig unter Bildung neuer Stoffe oder unter teilweiser Abgabe der Energie, die zur Herstellung der Cheikalien aufgewendet wurden.

Es gilt diesen Sachverhalt für Schülerinnen und Schüler verständlich und merkbar zu machen.

Dazu formt man aus den Newtonschen Axiome, die für Kräfte formuliert waren, in Axiome für die stoffliche Gleichgewichte um. - Notwendigerweise werden im Anfangsunterricht sprachliche Formulierungen gewählt werden müssen, die dem Verständnis des Kindes entsprechen und daher dem Feld der Umgangssprache entnommen sind. Ebenso lassen sich grobe Verallgemeinerungen nicht ausschließen, die eine Aufarbeitung nötig werden lassen.

Hinter Allem steht der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, der den Energieerhaltungssatz als fundamentalen Aussage unserer Naturerkenntnis auf die chemische Reaktion anwendet.

Die speziellen Ergebnisse des nachfolgenden Experiments "Glühens von Marmor" im Hinblick auf das sichere Umgehen mit Stoffen sind:

Das Ergebnis beider Experimente hat Folgen für die Arbeitsverfahren in Forschung und Industrie, die in der Gefahrstoffverordnung §19 Absatz 1-4 festgelegt sind. Das höchste und damit anzustrebende Ziel ist das sichere Arbeiten, das in der Verwendung von geschlossenen Apparaturen besteht.

Um die Eigenart von Chemikalien durch Schülerinnen und Schüler erkunden zu lassen und dabei die ersten Regeln im sicheren Umgang mit Chemikalien zu erlernen, eignen sich als Einstieg Säure-Basen-Indikatoren und verdünnte Säuren und Laugen.

Mit unbekannten Stoffen muss umgegangen werden wie mit gefährlichen Stoffen!

Hinweise für den Umgang findet man auf dem Chemikalien-Etikett.

Daran kann sich die Herstellung von Chemikalien, gebrannter Kalk, gelöschter Kalk, Kalkwasser (Lauge) und Kohlensäure (Säure) anschließen. Die Entsorgung wird durch die gegenseitige "Neutralisation" der entstandenen neuen Stoffe (Chemikalien) versucht.

Wegen der unbeabsichtigten Freisetzung von Kohlenstoffdioxid gelingt die Neutralisation letzten Endes nicht. Aus dem fehlgeschlagenen versuch zur Neutralisation wird auf den sicheren Umgang mit Chemikalien geschlossen und für die Zukunft die Verwendung geschlossener Apparaturen gefordert! Daran schließt sich der "Atemversuch" an, bei die Fließgleichgewichte des Lebens festgestellt werden.

Als Säure-Basen-Indikator eignen sich besonders gut natürliche Farbstoffe (Rotkohlsaft, Kirschsaft, Pflaumensaft).

An dieser Stelle sei auf den Vortrag von Prof. Flint und Julia Freienberg, Didaktik der Chemie, Universität Rostock, verwiesen in am 23.10.2001 Münster. Hier wird ein eine induktive Einführung in die Chemie an Hand von Haushaltschemikalien erarbeitet. Die Inhalte des Word-Dokuments (32 Seiten) sind vorläufige Ergebnisse, sie werden zur Zeit noch einer eingehenden Evaluation unterzogen.

Als chemischer Säure-Basen-Indikator ist besonders gut Bromthymolblau geeignet. Er zeigt drei Farben, im Sauren gelb, im Alkalischen blau und um den Neutralpunkt grün-blaugrün. "Grün" signalisiert quasi den "grünen Bereich des Lebens", die beiden anderen Farben lassen didaktisch gut verwenden, um grün als Mischfarbe der Neutralisation von blau und gelb zu erklären. Die so gefundenen Stoffklassen der Säuren und Laugen sind sozusagen Gegenspieler in der Chemie. Mehrzahl der natürlich vorkommenden Stoffe, sind Säure-Basen-neutral, z.B. Zucker, Salz, Mehl, Harnstoff, Sand, Kupfer, Marmor.

Wenn den Schülerinnen und Schülern mitgeteilt wurde, dass alle im Handapparat vorgehaltenen Säuren und Laugen aus Naturstoffen durch Erhitzen hergestellt werden können, kann dieses Wissen anschließend für die "Entsorgung" genutzt werden.

Diese können dem Haushaltsbereich entnommen sein oder auch verdünnte Säuren und Laugen eines "Chemikalien-Handapparats" entstammen.

In der Regel darf man im Chemieunterricht die anfallenden Chemikalien nur " zur Entsorgung bereitstellen" . Zur Entsorgung von Chemikalien sind nur Firmen zugelassen, die über die notwendige Fachkenntnis und Ausrüstung verfügen. sie unterliegen staatlichen Auflagen und Kontrollen. Entsorgt werden dürfen Chemikalien im Unterricht nur, wenn die Entsorgung Teil eines Experimentes ist.
Der sicherer Umgang mit Chemikalien ist nur ein Teilziel, das es zu lehren gilt. Wichtiger noch ist der sachgerechte Umgang, der ein Mehr an Fachkenntnissen erfordert.

Vereint man alle gesammelten Lösungen, so erhält man in der Regel eine Lösung, die durch einen Überschuss einer Stoffklasse entweder sauer ("gelb") oder alkalisch ("blau") reagiert. Durch Zugabe einer verdünnten Lösung mit der gegenteiligen Eigenschaft ("Gegenspieler", "Antagonist") kann man versuchen, das natürliche Gleichgewicht neutral ("grün") wieder herzustellen. Da es sich n der Lösung um vorwiegend starke Säuren und Laugen handelt, bereitet die Neutralisation den Schülerinnen und Schülern ziemliche Schwierigkeiten, da eine Spur eines Überschusses den Lndikator sofort umschlagen lässt. Daraus kann man folgern, dass man mit Chemikalien die natürlichen Lebensbedingungen leicht verändern, aber nur mühsam wieder herstellen kann. Wenn man sich jedoch Stoffen bedient, die auch im Bereich der Chemie der Lebewesen existieren, gelingt die Neutralisation einfacher. Versucht mit die Neutralisation mit verdünntem Ammoniak (Erlernen des vorsichtigen Riechens -> "Kuhstallgeruch") und verdünnter Essigsäure ("saure Gurken"), stellt sich die neutrale Lösung recht leicht ein. Zu einem sehr viel späteren Zeitpunkt kann diese Wirkung als Pufferwirkung schwacher Säuren und Laugen wieder erinnert werden. Im Bereich der Lebewesen sind die Puffer Hydrogencarbonat/Kohlensäure und die Betain-Struktur der Aminosäuren und im Bereich der Bodenchemie die Amphoterie der Aluminium-, Silizium- und Eisenverbindungen für die Stabilisierung des Säuregrades zu nennen.

An dieser Stelle lassen sich noch eine Vielzahl von Anmerkungen und geeigneten Schülerversuchen anführen.

Alle Stoffe in der Natur befinden sich in einem chemischen Gleichgewicht mit ihrer unmittelbaren Umgebung.

Um dieses Gleichgewicht zu verändern ist Energie nötig. Diese Stoffe stehen nun nicht mehr im ursprünglichen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Gibt man diesen Stoffen die Gelegenheit, ihre Zusatzenergie wieder abzugeben, kehren sie in den Ausgangszustand zurück. Stoffe, die sich durch chemische Veränderungen mit ihrer Umgebung in ein stabiles Gleichgewicht begeben können, nennt man Chemikalien.

Am Beispiel des Glühens von Marmor kann der Prozess der Herstellung von "Chemikalien" deutlich bereits im Anfangsunterricht deutlich gemacht werden.

Durch thermische Zersetzung wird Marmor, Calciumcarbonat (CaCO₃), in gebrannten Kalk (CaO) und Kohlenstoffdioxid zerlegt. Das entweichende Kohlenstoffdioxid (CO₂) wird an Hand seiner sauren Eigenschaften erkennbar, die sich in einer wässrigen Bromthymolblau-Lösung (BTB) zeigen. Der zurückbleibende Stoff, gebrannter Kalk (Calciumoxid), sollte daher mit wässriger Bromthymolblau- Lösung alkalisch reagieren. Vereinigt man die saure und die alkalische Lösung, so sollte man eine neutrale (grüne) BTB-Lösung zurück erhalten. Der Versuch der Neutralisation und Wiederherstellung des Ausgangsstoffes Marmor (CaCO₃) scheitert bei der Zugabe des letzten Tropfens der Lösung vom gelöschten Kalk (Ca(OH)₂). Offenbar ist das Gleichgewicht nachhaltig gestört worden. Als einzige Hypothese bleibt die Annahme, dass eine Chemikalie in den Raum entwichen sein muss.

Dieser Umstand ist Gegenstand des Unterrichtsgespräches: Man hat durch Zufuhr von Energie "energiegeladene" Stoffe, also Chemikalien, produziert und getrennt. Dabei sind sie offenbar unbemerkt und damit unkontrolliert in die Umwelt gelangt. Nur dem Umstand, dass das entwichene Gas Kohlenstoffdioxid nicht sonderlich giftig ist und sich bereits in der Luft und in der Atemluft befinden soll, ist es zu verdanken, dass keine Gefährdung bis hin zur Vergiftung auftrat.

Im Anschluss an das Kalkbrennen gilt es zu untersuchen, ob in der Raumluft das Kohlenstoffdioxid nachweisbar ist. Dieses Kohlenstoffdioxid kann aus dem Versuch des Kalkbrennens oder aus einem Atemzug stammen. Man benötigt eine Apparatur, die sicher (mit einer Hand, die zweite ist ein Hilfsmittel bei Gefahr!) zu bedienen ist und ohne Gefahrdung durch Chemikalien den Nachweis von Kohlenstoffdioxid in einem Atemzug gestattet.

An Nachweischemikalien (Indikatoren) sind zu diesem Zeitpunk Kalkwasser ((Ca(OH)₂,(aq), löslicher Anteil des gelöschten Kalks aus dem vorherigen Versuch) und/oder Bromthymolblau- Lösung einsetzbar.

Bei diesem Versuch sind Schülerinnen und Schüler gezwungen, eine Atemzug durch eine Lösung mit Chemikalien zu machen. Sie müssen daher Vorsichtsmaßnahmen treffen, damit sie nicht mit den Chemikalien in Kontakt kommen. Dazu dient auf der Seite des Atmenden eine Wasserfalle und eine Sicherheitswaschflasche. Die unterschiedliche Funktionsweise ist abzuleiten. letztlich müsste der Atmende jedoch ein Glasrohr, das bereits in chemischen Experimenten eingesetzt wurde, in den Mund nehmen, um saugen und pusten zu können. Aus didaktischen Gründen ist es empfehlenswert, die Schülerinnen und Schüler das Glasrohr unter Hinweis auf die eigenen persönlichen Konsequenzen einer möglichen Vergiftung das Rohr so lange reinigen zu lassen, bis sie ein Mundstück aus Papier oder einen neuen Stückchen Schlauch "erfinden".

Beim Einatmen kann die Arbeitsweise der Sicherheitswaschflasche beobachtet werden, selten wird die Wasserfalle zum tragen kommen. Bei der Untersuchung der Raumluft (Einatmen) zeigt sich, dass das vorhandene Kohlenstoffdioxid mit Kalkwasser nicht chemisch nachweisbar ist. (Erfassungsgrenze!). Bei der Untersuchung der ausgeatmeten Luft können eindeutige Trübungen eine Kalkniederschlages nachgewiesen werden ( erster Hinweis), der sich mit verdünnter Essigsäure löst (zweiter Hinweis), wobei sich aus den Flocken des Niederschlages kleine Bläschen (dritter Hinweis) bilden.

Fordert man einen Schüler auf durch kräftiges Pusten besonders viel Niederschlag zu erzeugen, wird vermutlich etwas Lösung aus der Apparatur austreten. Damit verbunden ist die Erörterung, wie man das vermeiden könnte. Eine Möglichkeit ist die Ergänzung durch eine weitere Wasserfalle (sicheres Arbeiten, Chemikalien treten nicht aus!). Eine andere und bessere Möglichkeit benützt Sachkenntnis: Zunächst wurde zwar eine schwache Lauge, Kalkwasser, eingesetzt, diese setzte sich aber sofort mit dem austretenden Kohlenstoffdioxid um zu unlöslichem Kalk. Als solches ist die entstandene Aufschlemmung keine Chemikalie mehr, sie befindet sich in natürlichem Gleichgewicht mit der Umgebung! Leitungswasser ist kalkhaltiges Mineralwasser! Es reicht daher, austretende Flüssigkeit in eine Abflusskasten zu leiten.

Für die Konstruktion von Apparaturen gilt:
Vorgehen	Ergebnis
Primitiv, schnell, unbedacht	gefährdet den Benutzer
Aufwand, Material, Sorgfalt	bringt Sicherheit
Komplex, schwierig, unübersichtlich	birgt Risiko
Risiko ist das Produkt von Gefährdung und Eintrittswahrscheinlichkeit
Gesucht ist die mittlere, die "optimale Lösung"	ein Restrisiko bleibt immer.

Untersuchung von Verbrennungsgasen (Erdgas, Kerzenflamme, Alkohol, Zucker mit Zigarettenasche aktiviert),
Untersuchung von kohlesäurehaltigem Mineralwasser, gärenden Flüssigkeiten,
Untersuchung von Kesselstein, Muscheln, Eierschalen, Mörtel