Didaktik des Stoffbegriffs
am Beispiel Luft 

  1. Zusammenfassung
  2. Methodisches Arbeiten in der Wissenschaft
    Merkmale wissenschaftlichen Arbeitens
    Merkmale von Forschung und Lehre
  3. Merkmale eines Stoffes
  4. Platzbedarf von Stoffen
  5. Masse von Luft
  6. Massebestimmung von Luft in Halbmikrotechnik
  7. Massebestimmung von Gasen aus Druckflaschen
  8. Massebestimmung von brennbaren Gasen
  9. Dichtebestimmung
  10. Sicherheitsbelehrung unter Nutzung des Internets
  11. Zusammenfassung

Im Vordergrund der Betrachtung stehen die Überlegungen, welcher Bewusstseinsstand bei Kindern gegeben ist, damit ihnen erste Schritte des wissenschaftlichen Arbeitens vermittelt werden können. Außerdem 

Bei der Einführung der Naturwissenschaft Chemie stehen stoffliche Veränderungen (chemische Reaktionen) im Vordergrund der Betrachtungen. Gleichwohl sind es die physikalischen Eigenschaften von Stoffen, mit denen sich Kinder auseinandersetzen müssen, um wissenschaftliches Denken zu erlernen und Chemie als Wissenschaft zu verstehen. 

 

Methodisches Arbeiten in der Wissenschaft

Häufig beginnt der Chemieunterricht mit einer Definition:

"Chemie befasst sich mit Stoffen, ihren Eigenschaften und deren Veränderungen."

Wörter mit eine definierten Wortinhalt haben Kinder bis zu dem Alter, in dem sie Chemie kennen lernen, nicht gebraucht. Ihr Sprachumfang wurde von Eltern, Großeltern, Geschwistern und anderen Kindern übernommen und durch Versuch und Irrtum "eingeübt".  - Man kann das selbst bei gestandenen Naturwissenschaftlern oft erleben, der Begriff "Stoff" kann nicht auf Anhieb definiert werden. Man versuche es selbst!

In der Didaktik gilt es, den "Lernenden dort abzuholen, wo er steht"!

Wie wenig man etwas hinterfragt oder gar wissenschaftlich zu definieren versucht, was man aus dem Kindesalter mitbekommen hat, also "schon immer wusste", kann man am Beispiel des Begriffes "Stoff" erkennen. 

Fragt man Schüler, was man unter einem Stoff versteht, bekommt man viele Antworten. In der Regel erhält man Aufzählungen von Stoffen oder Stoffgruppen. Darunter sind Beispiele wie Wasser, Stein, Eisen, (Kleidungs-)Stoffe. So kann man jedoch einen Begriff nicht definieren, es sei denn, man zählt alle Elemente der Begriffsmenge auf und erklärt die Begriffsmenge auf die Aufzählung begrenzt. 

Das gleiche gilt für die Aufzählung von Aggregatzuständen. Zu einem späteren Zeitpunkt wird man erkennen, das eine Definition der verschiedenen Aggregatzustände auf einen "fehlenden" Aggregatzustand hinweist, der zur Annahme des diskontinuierlichen Aufbaus der Materie (Teilchenbegriff) führt.

Nimmt man den Begriff  "Begriff" wörtlich , so bedeutet er ein Begreifen, ein Umfassen und Abgrenzen von anderem. Definitionen sind nichts anderes als Übereinkommen über Abgrenzung von Begriffen.

 

Welches sind die Merkmale eines Stoffes?

einfache Antwort  wissenschaftliche Definition

Volumen

Mathematische Würfel können beliebig viele ineinander gestellt werden. 

Platzbedarf

Gewicht

In der Schwerelosigkeit bleiben Stoffe sie selbst, sie verändern sich weder in der Schwerelosigkeit noch danach.

Masse 

Temperatur

passt nicht zu den anderen beiden Begriffen, da die Temperatur nicht wie die anderen von der Stoffportion abhängt.

Wärme

 

Platzbedarf von Stoffen (spielerisch)

  1. Wo ein Stoff ist, kann kein anderer sein.
  2. Wo kein Stoff ist, muss einer hin.
  3. Es gibt keinen absolut leeren Raum.

Bestimmung des Platzbedarfs eines Stoffes ist für regelmäßig geformten Feststoffen und Flüssigkeiten kein Problem. Bei Stoff-würfel oder -quadern reicht es, die Kantenlängen zu bestimmen und daraus das Volumen zu berechnen.

Bei Flüssigkeiten benutzt man einen Messzylinder.

Bei unregelmäßig geformten Feststoffen bestimmt man den Platzbedarf durch Verdrängung einer Flüssigkeit in einem Standzylinder. All das lässt sich ohne Aufwand und Gefährdung in Schülerübungen bewerkstelligen.

Bei farblosen Gasen (Luft) ist die Bestimmung jedoch schwierig, da Gase nicht als Stoffe wahrgenommen werden. Außerdem füllen Gase jeden Raum und nehmen jede Form an, so dass sie unbemerkt verdrängt bzw. eindringen. Daher eignet sich ein Schauversuch, um den Platzbedarf spielerisch zu erschließen.

 

Platzbedarf von Stoffen (wissenschaftlich)

Lange Zeit waren die Äther in einem Raum angenommen wurde, wo sonst Nichts wäre.   (Aristoteles). Erst durch die Überlegungen und Bemühungen von Otto von Guericke  (um 1600; historische Darstellung) konnte man Luft als Stoff erkennen. 

Seine Überlegungen waren: 

Daher sollte der Raum bis hin zu den Sternen ohne Luft sein. 

 

Merkmale des Wissenschaftlichen Arbeitens: 

Überlegungen dieser Art müssen im Labor überprüft werden, denn

  • der Mensch kann die Natur nur an vorhandenen Unterschieden erkennen. (Luft, Glas, Wasser ist nur an den Rändern erkennbar. Blindprobe zum Vergleich),
  • Wo kein natürlicher Unterschied existiert, muss ein Unterschied im Experiment geschaffen werden (Labor, abgeschlossener Raum, Systembegriff). 

 

Merkmale von Forschung und Lehre

An der Untersuchung von Luft durch Otto von Guericke kann man alle Stadien der Forschung und Lehre erkennen.

  1. Geldgeber (nicht eine staatliche Behörde, sondern er selbst aus seinem Vermögen als Kaufmann. Als solcher war er auch Bürgermeister von Magdeburg und Mitunterzeichner des Westfälischen Frieden von 1648, dem Ende des dreißigjährigen Krieges.
  2. Wissenschaftliche Grundausbildung; durch Reisen nach Italien und Holland vertieft.
  3. Folgerungen aus dem Bekannten trotz dogmenartigen gegenteiligen Ansätzen.
  4. Umsetzung der Idee zur Prüfung in einen Labormaßstab
  5. Umsetzung der Ideen mit den vorhandenen Mitteln der Zeit. Erforschung von Folgen der Entdeckung
  6. wissenschaftliche Veröffentlichung mit Versuchsbeschreibung nebst Skizzen, technischen Zeichnungen einschließlich des Schauversuches.
  7. Umsetzung als Schauversuch, um die Öffentlichkeit davon in Kenntnis zu setzen.
    (der Deutsche Kaiser ließ sich diesen Versuch von Otto von Guericke vorführen!)

 

Masse von Luft 

In der Regel wird ein dünnwandiger Glaskolben mit einer Ölpumpe evakuiert, seine Leergewicht bestimmt und nach Füllung mit Luft die Masse der Luft als Differenz gemessen. Unter Nutzung des Volumens der Kugel lässt sich die daraus die Dichte von Luft bestimmen.

Üblicherweise wird der Versuch als Lehrerdemonstrationsversuch vor der Klasse vorgeführt. Dabei sind Sicherheitsregeln zu beachten: 

  1. Der Glaskolben muss auf Kratzer geprüft sein und sollte immer auf einer weichen Unterlage abgelegt werden. Staubkörner können bereits dünne Kratzer hervorrufen.
  2. Der Kolben muss beim Evakuieren von einem Splitterschutz- Drahtgeflecht umgeben sein. 
  3. Die Unterrichtsraum muss durch eine Splitterschutzscheibe geschützt werden.

Für das Lernen der Schüler ist es effektiver, die Schüler den Versuch selbst machen zu lassen. Dazu ist eine Arbeitstechnik erforderlich, die sicheres Arbeiten parallel arbeitender Gruppen durch einen Lehrer ermöglicht. Die in der Halbmikrotechnik ist benutzten Kunststoffkolbenprober erlauben es, Experimente in Schülerübungen durchzuführen, weil der Splitterschutz enfallen kann.

 

Masse von Luft in Halbmikrotechnik

Wie man die Masse von Luft in Schülerübungen bestimmen kann (Bild ). Hierbei sind auch die Begriffe Brutto, Netto, Tara zu erlernen, die für den Umgang mit Stoffen in der Chemie ebenso wie im täglichen Leben (z.B. beim Einkommen) von Bedeutung sind.

Masse von Gasen aus Druckflaschen

Will man ein die Dichte eines anderen ungiftigen Gases bestimmen, so bieten  sich Gase aus Druckflaschen an: z.B. Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Sauerstoff, Helium aber auch brennbare Gase wie Methan, Ethan, Propan und Butan an.

Druckgasbehälter sind gesichert aufzubewahren, bereitzuhalten bzw. bereitzustellen. Auf Rollwagen müssen sie vor dem Umstürzen gesichert sein.

Sie dürfen nicht zusammen mit brennbaren Flüssigkeiten gelagert werden, brennbare Gase leichter als Luft müssen einen Sicherheitsbereich ausgehend von Flaschenventil zu Zündquellen einhalten. Die Dichte der Gase schränkt den Lagerort weiter ein, außer Pressluft und Sauerstoff dürfen Flaschen nicht in Räumen unter Ergleiche aufbewahrt werden. 

 

Masse von brennbaren Gasen (Erdgas)

Die Masse von Erdgas lässt sich leicht bestimmen, indem man den evakuierten Glaskolben mit Erdgas füllt, das aus einem Erdgashahn im Labor ausströmt. Hierzu ist eine intakte Installation der Erdgaseinrichtung des Schullabors zu beachten. Die SiNTU erlaubt die Benutzung von Kartuschenbrennern im Chemieunterricht nicht, da sie nicht im Gefahrfall zentral geschlossen werden können. 

Beim Ausströmen bildet sich ein Gas-Luftgemisch, das unter Umständen zündbar ist. Es können wichtige Eigenschaften solcher Gemische besprochen werden: kriechende Dämpfe, Explosionsgrenzen, Flammtemperatur, Zündtemperatur. 

 

Dichtebestimmung

Die Dichte von Gasen 

 

Sicherheitsbelehrung unter Nutzung des Internets

Zeppelin Unglück in Lakehurst bei New York

Aufgaben für Schüler sollten sich an den natürlichen Bedürfnissen ausrichten. Daher ist eine von vielen denkbaren Aufgaben: Trage  Bilder  über das große Zeppelin-Unglück in Lakehurst zusammen. Benutze dazu das Internet. Was war vermutlich die Ursache des Unglücks?

Ursache des Unfalls: http://www.fortunecity.de/roswell/lefanu/124/brand129.htm

Dabei wird auch das Thema "Elektrische Aufladung" durch Reibungselektrizität und nichtleitende Kunststoffhülle thematisiert. Verwendbar für das "Umfüllen brennbarer Flüssigkeiten, Erdungsklemme"

Masse von Erdgas in Halbmikrotechnik

Entsprechend den gewachsenen Erkenntnissen sollte man die Schüler auch auf Überlegungen hinweisen, welche Bedeutung Luftschiffe hätten, würde man sie mit einem unbrennbaren Gas füllen, das leichter als Luft ist. http://www.epilog.de/GeT/Luftfahrt/CargoLifter.htm 

Eine Analyse der Luftschiffsunglücke ergibt, dass sehr viele trotz Helium-Füllung bei Sturm havariert sind. Wie steht es um die Problemlösung für Sturm bei den "Neuen Technologien, z.B. Zeppelin NT"?  Welche Fragen müsste man an die Konstrukteure der neuen Luftschiffe stellen, bevor man Aktien der Firma kauft?

Inzwischen ist die Frage entschieden: Die Firma ist aufgelöst worden! Die Montagehalle wurde zu einem riesigen Tropenpark ausgebaut.

Ether-Brand (Dichte brennbarer Gase, Aufbewahrungsort, Lüftungsmaßnahmen)

Challenger Explosion (Zusammenlagerungsverbot)

Temperatur-Messung

Halbmikrotechnisch: Realbild und Skizze

Literatur

Vakuum wikipedia; Vakuumenergie wikipedia; Casimir-Effekt wikipedia;

Guericke, Otto von, * 1602 in Magdeburg, +1686 in Hamburg, stammte aus einer Patrizierfamilie, studierte Rechtswissenschaft in Leipzig, Helmstedt und Jena und dann Mathematik in Leiden. 1626 Ratsherr in Magdeburg. Nach der Zerstörung Magdeburgs (1629) im Zuge des 30jährigen Krieges arbeitete Guericke als Bauherr beim Wiederaufbau der Brücken und Befestigungsanlagen. Zwischen 1642 und 1660 vertrat er die Stadt bei vielen diplomatischen Missionen, 1646 wurde er einer der vier Bürgermeister. 1681 legte er seine Ämter nieder und zog sich nach Hamburg zurück. 
 http://www.tu-bs.de/institute/geophysik/kertz/guericke.htm
und 
http://www.uni-magdeburg.de/magdeburg/guericke.html

Entdeckung der Stoffeigenschaften von anhand historischer Stiche

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