Atmung und Stoffwechsel
Gliederung:
1. Ziel und Zweck
2. Vorwissen
3. Experiment
3.1. Skizze
3.2. Geräte
3.3. Chemikalien
3.4. Sonstige Hilfsmittel
3.5. Aufbau, Sicherheit und Entsorgung
4. Durchführung und Beobachtung
5. Auswertung
6. Ergebnis
7. Folgerung
8. Ausblick
9. Literatur
zu den didaktischen Anmerkungen
zur Lernkartei
1. Ziel und Zweck:
Ein Atemzug soll beim Ein- und Ausatmen mit Hilfe von Kalkwasser auf Stoffwechselprodukte untersucht werden.
2. Vorwissen:
Solange man lebt, atmen man auch. Wenn man seinen Atem in kalter Luft aushaucht, entstehen nebelartige Atemfahnen. Ist die Luft sehr trocken (nicht schwül), lösen sich diese Atemnebel schon nach kurzer Entfernung von Mund auf. Wird eine kalte Glasscheibe angehaucht, so bildet sich ein feuchter Beschlag aus winzigen Tröpfchen. Bei einer Untersuchung mit weißem Kupfersulfat (wasserfrei) verfärbt sich das Kupfersulfat mit der ausgeatmeten Luft blau. Der Nebel besteht also aus Wasser (Wasserdampf). Eingeatmete Luft scheint weniger Wasser zu enthalten als ausgeatmete Luft.
Werden
noch andere Stoffe vom Körper an die Außenluft abgegeben oder aufgenommen?
3. Experiment:
3.1. Skizze:
Bild 1: Apparatur zur Vergleichsuntersuchung eines Atemzuges beim Einatmen und beim Ausatmen ohne Abzusetzen
(Anmerkung: Aufbau mit Geräteteilen des Basissatzes Art.Nr. 9802.0 und des Ausbausatzes Art.Nr. 9801.0)
Bild 2: Apparatur zur Vergleichsuntersuchung eines Atemzuges beim Einatmen und beim Ausatmen ohne Abzusetzen
Alternative Apparatur mit einem T-Stück als Wasserfalle (B) (Anmerkung: Aufbau nur mit Geräteteilen des Basissatzes Art.Nr. 9802.0)
A Rohr zum Ein- und Ausatmen (mit Filterpapier umwickelt oder mit kurzem Schlachstück versehen)
B Wasserfalle
C Sicherheitsflasche
D Gaswaschflasche
E Stativstange mit Federklammern
3.3 Chemikalien und Hilfsstoffe:
1 atmender Mensch
2 Raumluft
3 Kalkwasser
4. Nachweisreagenz auf Carbonate und Reinigungsflüssigkeit vür die benutzten Geräte:
verd. Essigsäure (c=2mol/L)
3.5. Aufbau:
Die Apparatur (Bild 1) besteht aus einem sorgfältig gereinigten Mundstück, einer Wasserfalle, einer Sicherheitsflasche und einer Gaswaschflasche.
Alle Apparaturteile werden entsprechend der Versuchskizze (Bild 1) auf dem Tisch bereitgelegt. Anschließend werden die Dichtungen in den Schraubkappen auf Unversehrtheit geprüft und nötigenfalls ausgetauscht. Danach werden zuerst alle Schraubkappen lose auf die Glasgewinde gedreht. Die Apparaturteile werden auf dem Tisch liegend zur Apparatur zusammengebaut.
Anschließend wird die gesamte Apparatur von der Rückseite her mit Federklammern (runde Kunststoffseite) versehen. In die Stahlseite der Federklammern wird das Alu-Vierkantrohr eingelegt bis die Federklammern einrasten.
Zuletzt wird die komplette, an dem Alu-Vierkantrohr hängende Apparatur mit einer Vierkantmuffe an einem Bunsenstativ aufgehängt (Bild2).
Sicherheit:
Da das Einlassrohr (A) früher mit Chemikalien in Berührung gekommen ist und man es in diesem Versuch in den Mund nehmen muss, muss sorgfältig gereinigt sein. Zur Sicherheit kann ein Stückchen feuchtes Filterpapier darum gewickelt werden. Man kann auch ein Stückchen fabrikneuen Schlauch überstülpen.
Entsorgung:
Kalkwasser und seine Reaktionsprodukte aus dem Versuch können ins Abwasser gegeben werden. Bei längerem Stehen setzt sich ein weißer Belag an der Glaswand fest. Dieser lässt sich mit verdünnter Essigsäure auflösen und die Lösung ebenfalls ins Abwasser geben.
1. Die Apparatur wird auf Dichtigkeit geprüft. Dazu öffnet man die Gewinde der Sicherheitswaschflasche (C) und der Gaswaschflasche (D) und füllt ca. 4 mL Kalkwasser in die Gaswaschflasche (D). Nach dem Verschließen der Apparatur wird das Überleitungsrohr etwa 2 mm in das Kalkwasser, so dass es etwa 2mm eintaucht. Wenn man nun etwas Luft mit dem Mund bei (A, 1) einsaugt, muss das Kalkwasser aus der Gaswaschflasche (D) in die Sicherheitswaschflasche (C) zurücksteigen.
2. Für das eigentliche Experiment atmet man erst ohne abzusetzen einen vollen Atemzug ein. Das sind zwischen 1-3 Liter Luft. Was beobachtet man während und nach dem Einatmen?
Zu Beginn wird etwas Kalkwasser in die Sicherheitsflasche (C) gesaugt. Das Kalkwasser bleibt während des Einatmens und nach dem Einatmen nahezu farblos und durchsichtig.
3. Danach atmet man wieder ohne Absetzen durch die Apparatur aus. Was kann man nun beobachten?
Beim Ausatmen wird das Kalkwasser, durch das die ausgeatmete Luft strömt, milchig getrübt . Es bildet sich ein weißer Festoff.
4. Man lässt die Lösung eine gewisse Zeit stehen. Was geschieht mit den gebildeten Stoffen in der Gaswaschflasche?
Der weiße Feststoff flockt aus und sinkt zu Boden. Es bildet sich ein weißer Niederschlag.
5. Man gibt 2 Tropfen einer verdünnten Essigsäure (4) in die Gaswaschflasche und beobachtet genau. Was sieht man?
Wenn der Tropfen Essigsäure sich mit dem Kalkwasser mischt, entstehen sogenannte Konzentrationsschlieren. Erreichen die Konzentrationsschlieren den weißen Niederschlag, so löst sich dieser auf und es entsteht eine kleine Bläschen, die in der Lösung aufsteigen.
5. Auswertung:
Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser. Dabei bildet sich Kohlensäure (Gleichung [I]), was in diesem Versuch noch nicht nachgewiesen wurde.
Die gebildete Kohlensäure reagiert mit der Lauge Kalkwasser zu einem weißen schwer löslichen Niederschlag, dem Calciumcarbonat (Gleichung [II]).
Calciumcarbonat reagiert mit der schwachen verd. Essigsäure unter Auflösung des Niederschlages (Gleichung [III]) Dabei bildet sich ein Gas.
Das bei der Auflösung entstehende Gas entsteht aus der Rückbildung von Kohlensäure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser (Gleichung [IV]). Es ist die Umkehrung der Reaktion (Gleichung [I]).
In chemischer Formelschreibweise:
| [I |
CO2(g) + H2O(l) --> H2CO3(aq)
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| [II |
H2CO3(aq) + Ca(OH)2(aq) --> CaCO3(s) + 2 H2O(l)
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| [III |
CaCO3(l)+ 2 CH3COOH(aq) --> Ca(CH3COO)2(aq) + H2CO3 (aq)
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| [IV |
H2CO3 (aq) --> CO2(aq) + H2O(l)
|
6. Ergebnis:
Raumluft enthält praktisch kein mit Kalkwasser nachweisbares Kohlenstoffdioxid. Ausgeatmete Luft enthält deutlich nachweisbares Kohlenstoffdioxid, das mit Kalkwasser einen festen, weißen Niederschlag von Calciumcarbonat (Kalkstein) bildet. Zum Nachweis des Carbonat dient die Auflösung mit verdünnter Essigsäure und die Bildung kleiner Bläschen.
Ungeklärt bleibt die Herkunft des Kohlenstoffdioxids.
7. Folgerung:
Im Körper des Menschen findet mindestens eine chemische Reaktion statt. Der Mensch besitzt also einen "Stoffwechsel".
8. Ausblick:
Warum braucht man keine Wasserfalle am Ausgang zum Raumhin, obwhl auch hier Lösung austreten könnte?
Wie kann man das Volumen eines Atemzuges bestimmen?
Woher stammt das gebildete Kohlenstoffdioxid?
Wenn alle Menschen und Tiere Kohlenstoffdioxid ausatmen, warum ist dann über die Millionen von Jahren seit ihrer Existenz nicht mehr Kohlenstoffdioxid in der Luft?
Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, das offenbar im Körper gebildet wird. Demnach müsste es reichen, wenn man nur ausatmen würde? Wozu atmet man dann noch ein?
Wenn man einen Ertrunkenen wiederbeleben will, lässt man erst das Wasser aus den Lungen herauslaufen. Anschließend beatmet man ihn mit der eigenen ausgeatmeten, kohlenstoffdioxidhaltigen Luft. Unter welchen Bedingungen macht es Sinn, einen Menschen mit den "Abgasen", die ein andere Mensch erzeugt hat, zu beatmen?
Welche Konzentration hat das Kohlenststoffdioxid in der ausgeatmeten Luft?
Bläst man längere Zeit durch eine Lösung mit frisch gefällten Calciumcarbonat (Kalkstein), so löst sich dieser teilweise wieder auf. Wohin "verschwindet " der Niederschlag?
Kalkstein findet sich auch in der Kaffemaschine, An Duschköpfen, Wasserhähnen und in der Toilette am Wasserrand. Wo kommt der Kalkstein her? Wie kann man den Kalkstein entfernen?
9. Literatur:
Flash-Animation zum technischen Kalkkreislauf 
HMTC
Chemikalien herstellen aus natürlichen Mineralien am Beispiel Marmor/Kalkstein 
HMTC
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