Gliederung:

• Ziel und Zweck
• Vorwissen
• Experiment
• Geräte
• Sonstige Hilfsmittel
• Chemikalien
• Aufbau, Sicherheit und Entsorgung
• Durchführung und Beobachtung
• Auswertung
• Ergebnis
• Folgerung
• Literatur

zu den didaktischen Anmerkungen

zur Lernkartei

Ziel und Zweck:

Herstellen von Chemikalien aus natürlichen Stoffen am Beispiel des Marmors

Vorwissen:

• Es gibt feste, flüssige und gasförmige Stoffe.
• Es gibt wässrige Lösungen von Säuren und wässrige Lösungen von Basen, die Laugen genannt werden.
• Säuren und Laugen können in wässrigen Lösungen mit Säure-Basen-Indikatoren nachgewiesen werden.
• Bromthymolblau (BTB) ist ein Säure-Basen-Indikator, der in neutralem Wasser grün ist, in Säuren gelb und in Laugen blau. Wasser mit Marmorpulver ist ebenfalls grün mit einer weißen Aufschlämmung des ungelösten Kalks.
  
• Marmor ist ein natürlich vorkommendes Mineral, genannt auch Calcit, Kalk, Kalkstein, Kesselstein,
• natürliches Gleichgewicht; Gleichgewichtsstörung durch Energie; Entsorgung ins natürliche Gleichgewicht.

Experiment:

	Baugruppen: (A) Glührohr (B) Wasserfalle (C) Gaswaschflasche (D) Halterung (E) Gasbrenner Stoffe: 1/2 Feststoff / Luft 3 Sperrflüssigkeit (mit BTB) angefärbtes Wasser
Bild 1 : Glühapparatur für Marmor	BTB Indikator Bromthymolblau

Geräte:

Sonstige Hilfsmittel:

alle Angaben sind als ungefähre Maßangaben anzusehen.

• erbsengroße Portion Calciumcarbonat (Marmorpulver)
• 5 Tropfen Bromthymolblau (w=2 Gew.-% in alkoholischer Lösung)
• (Leitungs-)Wasser
• verd. Essigsäure (c=2mol/L)
  

Durchführung: Sicherheitsmaßnahmen, Aufbau und Entsorgung

Sicherheitsmaßnahmen: Beim Umgang mit Gefahrstoffen ist immer eine Schutzbrille zu tragen.

Vorversuch:

Als erstes stellt man sich in einem Reagenzglas eine Indikatorlösung aus etwa 10 mL Leitungswasser und einigen Tropfen Bromthymolblau (BTB) her. Diese Lösung muss die grüne Indikatorfarbe von BTB in neutralem Wasser zeigen.

Anmerkung: Iin manchen Gegenden Deutschlands ist das Leitungswasser so mineralsalzhaltig, dass die Indikatorlösung BTB nicht grün ist. Dann nimmt man statt Leitungswasser deionisiertes Wasser, dem man eine sehr kleine Portion Ammoniumacetat (wenige Kristalle!) zusetzt. Ammoniumacetat puffert bei ca. pH=7.

In einem weiteren Reagenzglas versetzt man etwas von dem Marmorpulver mit ca 2 mL der Indikatorlösung BTB. Dieses Glas dient als Vergleichslösung für die kommenden Untersuchungen.

Aufbau:

Flash-Animation zur prinzipiellen Arbeitsweise beim Aufbau von Apparatur mit der "Halbmikrotechnik nach Dr. Häusler".

Das Beispiel zeigt den Aufbau einer Apparatur zur Untersuchung von der Ausdehnung von Luft beim Erhitzen. - Hier wird das Vorwissen genutzt und die gleiche Apparatur aufgebaut zur Sichtbarmachung von Kohlenstoffdioxid benutzt, das beim Glühen von Marmor entsteht.

Die Apparatur besteht aus einem Glührohr aus Quarz (A), das durch eine Wasserfalle (B) von der Gaswaschflasche (C) getrennt ist. Nicht absorbierte Gase (Luft, Kohlenstoffdioxid) können entweichen!

Die Apparatur wird zuerst komplett liegend auf dem Tisch zusammengebaut. Anschließend wird die gesamte Apparatur von der Rückseite her mit Federklammern (runde Kunststoffseite) versehen. In die Stahlseiten der Federklammern wird das Alu-Vierkantrohr eingelegt bis die Federklammern einrasten. Dabei soll das Glührohr frei im Raum hängen, damit es dort problemlos mit dem Gasbrenner bis zum Glühen erhitzt werden kann.

Die Apparatur wird zunächst auf Dichtigkeit geprüft. Dazu füllt man zunächst die Gaswaschflasche (C) mit einer wässrigen Säure-Basen-Indikatorlösung z.B. Bromthymolblau-Lösung und verschraubt sie anschließend fest. Wenn man nun das leere Quarz-Glührohr in die Wasserfall (C) schiebt, entweichen Gasblasen in der Reagenzlösung (3,D). Beim Zurückziehen wird die Reagenzlösung im Gaseinleitungsrohr über das Niveau der äußeren Lösung angehoben. Die Apparatur ist bis zu zur Gaswaschflasche dicht, wenn das Höhenungleichgewicht bestehen bleibt.
Nun kann das Quarz-Glührohr mit ca. 100 mg Marmorpulver gefüllt werden.

Durchführung:

Man erhitzt das Marmorpulver mit dem heißesten Teil der rauschenden Flamme eines Teclubrenners. Man beobachtet die Gasentwicklung und die Farbe der Indikatorlösung. Wenn die Gasentwicklung nachlässt, öffnet man die Verschlusskappe der Wasserfalle(B).

geplante Entsorgung:

Arbeitsanweisung: Man vereinigt die Lösungen, indem man die blaue Lösung tropfenweise in einzelnen Portionen zu der gelben Lösung gibt, nicht umgekehrt! Dabei beobachtet man weiter!

Erwartung und Arbeitshypothese: Durch Vereinigen der wässrigen Lösung des gebrannten Kalks (1,A) und der Reagenzlösung mit dem adsorbierten Gas (3,D) sollte das Ausgangsprodukt "Marmor" wieder hergestellt werden können.

Didaktische Anmerkung: Die Abweichung von der Wiederherstellung des Ausgangsgleichgewichtes ist Gegenstand des weiteren Unterrichtsgespräches. Dabei wird die Notwendigkeit von geschlossenen Apparaturen bei chemischen Experimenten abgeleitet!

Auswertung:

Gasentwicklung [A]:  CaCO₃,aq --> CaO + CO₂

Reaktion des Gases mit Wasser [C]:   CO₂ + H₂O --> H₂CO₃

Reaktion des "gebrannten Kalk" mit Wasser:  CaO + H₂O --> Ca(OH)₂

"Marmor-Recycling" 1. Schritt:   Ca(OH)₂ +2 H₂CO₃ -->2 CaHCO₃,aq + 2 H₂O

"Marmor-Recycling" 2. Schritt:    CaHCO₃,aq + H₂CO₃ --> CaCO₃,s + H₂

Ergebnis:

Marmor zersetzt sich beim Glühen in ein Gas (Kohlenstoffdioxid) und einen Feststoff (Calciumoxid). Das Gas bildet mit Wasser eine Säure, die Kohlensäure. Der geglühte Feststoff, der sogenannte "gebrannte Kalk" reagiert mit Wasser unter leichter Erwärmung zeigt die Eigenschaften einer Lauge (Kalkwasser, Kalklauge).

Bei der Vereinigung der neu gebildeten Lauge mit der Säure bildet sich (fast) das neutral reagierende Gleichgewicht zurück. Ein Teil des Kohlenstoffdioxids, der Säure-bildende Anteil des Kalks, scheint in die Raumluft entwichen zu sein.

Folgerung:

• Marmor (Calciumcarbonat) zersetzt sich bei Temperaturen ab 600°C merklich unter Bildung von Kohlenstoffdioxid und Calciumoxid.
• Kohlenstoffdioxid bildet mit Wasser eine Säure, Kohlensäure;
• Calciumoxid regiert mit Wasser zu einer Lauge, zu Calciumhydroxid-Lösung, auch Kalkwasser oder Kalklauge genannt.
• Kohlensäure neutralisiert Calciumhydroxid in wässriger Lösung, dabei bildet sich wieder Calciumcarbonat und Wasser.

Durch Zufuhr von Energie werden beständige Stoffe aus dem natürlichen Gleichgewicht gebracht. Wenn sich dabei neue Stoffe mit anderen Eigenschaften bilden, nennt man das eine chemische Reaktion.

Die zugeführte Energie ist in den gebildeten Stoffen als chemische Energie gespeichert.

Die entstandenen Stoffe haben entgegengesetzte chemische Eigenschaften, so dass sich in einer Rückreaktion wieder zum Ausgangsstoff zurückverwandeln können. Dabei wird auch die gespeicherte Energie wieder abgegeben.

Im Versuch war das ursprüngliche Gleichgewicht aber nicht exakt wieder einstellbar. Entweder ist der Denkansatz. "Alles in der Natur befindet sich im Gleichgewicht" falsch oder ein Stoff ist mehr gebildet als der anderer, oder einer ist entwichen, oder ....?

Vermutumg:

Warum verändert sich beim Zusammengeben der grünen BTB- Lösung zum Bodensatz der Lösung des gebrannten Kalks die Farbe nach blau und bleibt so? - Etwas von dem Säure-bildenden Gas muss aus der halbseitig geschlossenen Apparatur entwichen sein.

Wohin ist das säurebildende Gas entwichen?
Warum haben wir nichts bemerkt?
Was hätte geschehen können, wenn wir uns unbemerkt einem Säure-bildenden Gas aussetzen?

Ausblick:

Welche Stoffe reagieren mit wässriger BTB- Lösung mit Gelbfärbung oder mit Blaufärbung?
Welche Farbe nimmt die neutrale BTB- Lösung, mit Marmorpulver, Salz, Zucker, Sand, Kreide an?
Warum darf man weder die blaue noch die gelbe Lösung  in das Abwasser geben?
Warum darf man dagegen diese vereinten Lösungen ins Abwasser geben, wenn  sie grüne Farbe zeigen?

Wie muss eine chemische Apparatur aussehen, in denen unbekannte Chemikalien entstehen oder eingesetzt werden?

Literatur:

 Klaus-G. Häusler: Energie-Erhaltungssatz und Verständnis von Chemie

Klaus-G. Häusler: Chemische Allgemeinbildung

Themenheft Kalk Praxis der Naturwissenschaften - Chemie Heft 7/46

Wasserhärte: Viktor Obendrauf: Nicht zu hart und nicht zu weich;  quantitativ, SEKII

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