Beschlüsse der Kultusministerkonferenz … · Aufbau und Ordnung des Schulwesens 196.34 (Allgemeinbildende Schulen) 3 Beschlüsse der Kultusministerkonferenz Bildungsstandards im

Bildungsstandardsim Fach Chemiefür den MittlerenSchulabschluss

Beschlussvom16.12.2004

Beschlüsse derKultusministerkonferenz

Luchterhand

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Aufbau und Ordnung des Schulwesens196.34(Allgemeinbildende Schulen)

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Beschlüsse der Kultusministerkonferenz

Bildungsstandards im Fach Chemiefür den Mittleren Schulabschluss(Jahrgangsstufe 10)

Seite

Vereinbarung über Bildungsstandards für den MittlerenSchulabschluss (Jahrgangsstufe 10) in den Fächern Biologie,Chemie, Physik(Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 16.12.2004) 3

Bildungsstandards im Fach Chemie für den MittlerenSchulabschluss (Jahrgangsstufe 10)(Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 16.12.2004) 5

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Herausgegeben vom Sekretariat der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in derBundesrepublik Deutschland.Luchterhand – eine Marke von Wolters Kluwer Deutschland© 2005 Wolters Kluwer Deutschland GmbH, München, NeuwiedSatz: Satz- und Verlags-GmbH, DarmstadtDruck: Wilhelm & Adam, HeusenstammPrinted in Germany, Juni 2005Art.-Nr. 06220


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Vereinbarung über Bildungsstandardsfür den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10)

in den Fächern Biologie, Chemie, Physik(Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 16.12.2004 )

Die Kultusministerkonferenz hat am 23./24.05.2002 beschlossen, für aus-gewählte Schnittstellen der allgemein bildenden Schularten – Primarbe-reich (Jahrgangsstufe 4), Hauptschulabschluss (Jahrgangsstufe 9), Mittle-rer Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10) – Bildungsstandards zu erarbei-ten. Mit Beschluss vom 04.12.2003 hat die Kultusministerkonferenz eine„Vereinbarung über Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss(Jahrgangsstufe 10)“ in den Fächern Deutsch, Mathematik und ErsteFremdsprache (Englisch/Französisch) getroffen. In Ergänzung dieserVereinbarung beschließt die Kultusministerkonferenz für den MittlerenSchulabschluss (Jahrgangsstufe 10) in den Fächern Biologie, Chemie,Physik:

1. Die Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangs-stufe 10) in den Fächern Biologie, Chemie, Physik werden von denLändern zu Beginn des Schuljahres 2005/2006 als Grundlagen derfachspezifischen Anforderungen für den Mittleren Schulabschlussübernommen.

2. Die Länder verpflichten sich, die Standards zu implementieren undanzuwenden. Dies betrifft insbesondere die Lehrplanarbeit, die Schul-entwicklung und die Lehreraus- und –fortbildung. Die Länder kom-men überein, weitere Aufgabenbeispiele zu entwickeln und diese in ei-nen gemeinsamen Aufgabenpool einzustellen, so dass sie für Lern-standsdiagnosen genutzt werden können.

3. Die Standards werden unter Berücksichtigung der Entwicklung in denFachwissenschaften, in der Fachdidaktik und in der Schulpraxis zu-nächst durch eine von den Ländern gemeinsam beauftragte wissen-schaftliche Einrichtung überprüft und weiter entwickelt.

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Bildungsstandards im Fach Chemiefür den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10)

(Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 16.12.2004)

Inhaltsverzeichnis Seite

1 Der Beitrag des Faches Chemie zur Bildung 6

2 Kompetenzbereiche des Faches Chemie 7

2.1 Fachwissen 8

2.2 Erkenntnisgewinnung 9

2.3 Kommunikation 9

2.4 Bewertung 10

3 Standards für die Kompetenzbereiche des Faches Chemie 10

3.1 Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen 11

3.2 Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung 12

3.3 Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation 12

3.4 Standards für den Kompetenzbereich Bewertung 13

4 Aufgabenbeispiele 13

4.1 Fachspezifische Beschreibung der Anforderungsbereiche 13

4.2 Kommentierte Aufgabenbeispiele 15

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1 Der Beitrag des Faches Chemie zur Bildung

Naturwissenschaft und Technik prägen unsere Gesellschaft in allen Be-reichen und bilden heute einen bedeutenden Teil unserer kulturellenIdentität. Das Wechselspiel zwischen naturwissenschaftlicher Erkenntnisund technischer Anwendung bewirkt Fortschritte auf vielen Gebieten,beispielsweise bei der Entwicklung und Anwendung von neuen Verfahrender Medizin sowie der Bio- und Gentechnologie, der Neurowissenschaf-ten, der Umwelt- und Energietechnologie, bei der Weiterentwicklung vonWerkstoffen und Produktionsverfahren sowie der Nanotechnologie undder Informationstechnologie. Andererseits birgt die naturwissenschaft-lich-technische Entwicklung auch Risiken, die erkannt, bewertet und be-herrscht werden müssen. Hierzu ist Wissen aus den naturwissenschaftli-chen Fächern nötig.

Naturwissenschaftliche Bildung ermöglicht dem Individuum eine aktiveTeilhabe an gesellschaftlicher Kommunikation und Meinungsbildungüber technische Entwicklungen und naturwissenschaftliche Forschungund ist deshalb wesentlicher Bestandteil von Allgemeinbildung.

Ziel naturwissenschaftlicher Grundbildung ist es, Phänomene erfahrbarzu machen, die Sprache und Historie der Naturwissenschaften zu verste-hen, ihre Ergebnisse zu kommunizieren sowie sich mit ihren spezifischenMethoden der Erkenntnisgewinnung und deren Grenzen auseinander zusetzen. Dazu gehört das theorie- und hypothesengeleitete naturwissen-schaftliche Arbeiten, das eine analytische und rationale Betrachtung derWelt ermöglicht. Darüber hinaus bietet naturwissenschaftliche Grundbil-dung eine Orientierung für naturwissenschaftlich-technische Berufsfel-der und schafft Grundlagen für anschlussfähiges berufsbezogenes Lernen.

Die Chemie untersucht und beschreibt die stoffliche Welt unter besonde-rer Berücksichtigung der chemischen Reaktion als Einheit aus Stoff- undEnergieumwandlung durch Teilchen- und Strukturveränderungen undUmbau chemischer Bindungen. Damit liefert die Chemie Erkenntnisseüber den Aufbau und die Herstellung von Stoffen sowie für den sachge-rechten Umgang mit ihnen.

Der Chemieunterricht bis zum Mittleren Schulabschluss versetzt Schüle-rinnen und Schüler in die Lage, Phänomene der Lebenswelt auf derGrundlage ihrer Kenntnisse über Stoffe und chemische Reaktionen zu er-klären, zu bewerten, Entscheidungen zu treffen, Urteile zu fällen und da-bei adressatengerecht zu kommunizieren.

Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung der WissenschaftChemie, der chemischen Industrie und der chemierelevanten Berufe fürGesellschaft, Wirtschaft und Umwelt. Gleichzeitig werden sie für einenachhaltige Nutzung von Ressourcen sensibilisiert. Das schließt den ver-antwortungsbewussten Umgang mit Chemikalien und Gerätschaften ausHaushalt, Labor und Umwelt sowie das sicherheitsbewusste Experimen-tieren ein.

Auf Grundlage der erworbenen chemiespezifischen Kenntnisse, Fähig-keiten und Fertigkeiten nutzen die Schülerinnen und Schüler insbeson-


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dere die experimentelle Methode als Mittel zum individuellen Erkennt-nisgewinn über chemische Erscheinungen. Darüber hinaus ziehen sieKompetenzen aus anderen Fächern heran und erfahren die Grenzen na-turwissenschaftlicher Erkenntnis. Die Schülerinnen und Schüler ver-knüpfen experimentelle Ergebnisse mit Modellvorstellungen und erlan-gen im Teilchenbereich ein tieferes Verständnis der chemischen Reaktio-nen und der Stoffeigenschaften.

2 Kompetenzbereiche des Faches Chemie

Mit dem Erwerb des Mittleren Schulabschlusses verfügen die Schülerin-nen und Schüler über naturwissenschaftliche Kompetenzen im Allgemei-nen sowie chemische Kompetenzen im Besonderen.

Kompetenzen sind nach Weinert (2001)1) „die bei Individuen verfügbarenoder durch sie erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, umbestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationa-len, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten, um dieProblemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwor-tungsvoll nutzen zu können“. Die Kompetenzen, die eine naturwissen-schaftliche Grundbildung ausmachen, bieten Anknüpfungspunkte fürfachübergreifendes und fächerverbindendes Arbeiten. Sie werden ohneBerücksichtigung ihrer Vernetzung vier Bereichen zugeordnet und für dasFach Chemie spezifiziert:

Schülerinnen und Schüler mit einem Mittleren Schulabschluss müssen imFach Chemie Kompetenzen erworben haben, die neben den Fachinhaltenauch die Handlungsdimension berücksichtigen:

� Die drei Naturwissenschaften bilden die inhaltliche Dimension durchBasiskonzepte ab. In der Chemie wird die Inhaltsdimension durch vierBasiskonzepte (vgl. Kap. 2.1) strukturiert. Mit diesen Basiskonzeptenkönnen Phänomene chemisch beschrieben und geordnet werden.

1) Weinert, F. E. (2001). Vergleichende Leistungsmessung in Schulen – eine umstrit-tene Selbstverständlichkeit. In F. E. Weinert (Hrsg.), Leistungsmessungen inSchulen. Weinheim und Basel: Beltz Verlag, S. 17-31.

Kompetenzbereiche im Fach Chemie

Fachwissen chemische Phänomene, Begriffe, Gesetzmä-ßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuord-nen

Erkenntnisgewinnung experimentelle und andere Untersuchungsme-thoden sowie Modelle nutzen

Kommunikation Informationen sach- und fachbezogen er-schließen und austauschen

Bewertung chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten

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� Die Handlungsdimension bezieht sich auf grundlegende Elemente dernaturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung, also auf experimen-telles und theoretisches Arbeiten, auf Kommunikation und auf die An-wendung und Bewertung chemischer Sachverhalte in fachlichen undgesellschaftlichen Kontexten.

Diese beiden Dimensionen chemischen Arbeitens ermöglichen es denSchülerinnen und Schülern, vielfältige Kompetenzen zu erwerben, die ih-nen helfen, die natürliche und kulturelle Welt zu verstehen und zu erklä-ren. Die Inhaltsdimension wird überwiegend im Kompetenzbereich Fach-wissen dargestellt, die Handlungsdimension in den KompetenzbereichenErkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung. Inhalts- undhandlungsbezogene Kompetenzen können nur gemeinsam und in Kon-texten erworben werden. Die Kompetenzen beschreiben Ergebnisse desLernens, geben aber keine Unterrichtsmethoden oder -strategien vor.

2.1 Fachwissen

Chemische Phänomene, Begriffe, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen

Die Chemie betrachtet Stoffe, deren Eigenschaften, Umwandlungen so-wie Nutzungsmöglichkeiten phänomenologisch und zieht zu deren Erklä-rung Modelle auf der Teilchenebene heran.

Der Kompetenzbereich Fachwissen umfasst daher– das Wissen über chemische Phänomene,– das Verständnis grundlegender Begriffe, Gesetzmäßigkeiten und

Prinzipien der Chemie zur Beschreibung von Stoffen und Stoffverän-derungen,

– das grundlegende Verständnis von in der Chemie verwendeten Model-len.

Die in der Schule relevanten chemischen Fachinhalte mit den zugehöri-gen naturwissenschaftlichen Fachbegriffen lassen sich auf wenige Basis-konzepte zurückführen. Für den Mittleren Schulabschluss wurden dieBasiskonzepte– zu Stoff-Teilchen-Beziehungen, – zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen,– zur chemischen Reaktion und – zur energetischen Betrachtung bei Stoffumwandlungen ausgewählt.

Mittels dieser Basiskonzepte der Chemie beschreiben und strukturierendie Schülerinnen und Schüler fachwissenschaftliche Inhalte. Sie bildenfür die Lernenden die Grundlage eines systematischen Wissensaufbausunter fachlicher und gleichzeitig lebensweltlicher Perspektive und die-nen damit der vertikalen Vernetzung des im Unterricht situiert erworbe-nen Wissens. Gleichzeitig sind sie eine Basis für die horizontale Vernet-zung von Wissen, in dem sie für die Lernenden in anderen naturwissen-schaftlichen Fächern Erklärungsgrundlagen bereitstellen. Basiskonzep-te, wie z.B. das Konzept zur energetischen Betrachtung, finden sichinhaltlich in den Unterrichtsfächern Biologie und Physik in unterschied-lichen Zusammenhängen und Ausprägungen wieder, können zwischen


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den naturwissenschaftlichen Disziplinen vermitteln und so Zusammen-hänge hervorheben.

2.2 Erkenntnisgewinnung

Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen

Fachbezogene Denkweisen und Untersuchungsmethoden mit ihren kon-zeptionellen Rahmen werden dem Kompetenzbereich Erkenntnisgewin-nung zugeordnet.

Die Chemie steht in einem gesellschaftlichen und historischen Zusam-menhang, der sich in der Auswahl der Sachverhalte für die fachbezogeneErkenntnisgewinnung widerspiegeln soll.

Grundlage für das Erschließen von Erkenntnissen ist die Fähigkeit derSchülerinnen und Schüler, die für den zu bearbeitenden Sachverhalt be-deutsamen und durch das Fach Chemie beantwortbaren Fragestellungenzu erkennen sowie geeignete Untersuchungsmethoden anzuwenden.

Der konzeptionelle Rahmen einer Untersuchungsmethode umfasst dieAuswahl und Einengung des Untersuchungsgegenstandes sowie die Pla-nung und Bewertung möglicher Verfahren durch die Lernenden unter Be-achtung notwendiger Bedingungen. Dies beinhaltet die Organisation derArbeitsschritte sowie das Beherrschen bestimmter Arbeits- und Auswer-tungstechniken durch die Schülerinnen und Schüler. Das Experiment hatdabei zentrale Bedeutung.

Die Ergebnisse werden durch die Lernenden vor dem Hintergrund derAusgangsfrage, der festgelegten Bedingungen und der zugrunde gelegtenModellvorstellung geprüft.

Die Verknüpfung gewonnener Erkenntnisse mit bereits geläufigen Kon-zepten, Modellen und Theorien führt zur Fähigkeit, chemische Phänome-ne zu erkennen und zu erklären. Dadurch wird ein Beitrag für die Ent-wicklung eines naturwissenschaftlichen Weltverständnisses geleistet.

2.3 Kommunikation

Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen

Im Bereich Kommunikation werden Kompetenzen beschrieben, die füreinen fachbezogenen Informationsaustausch auf der Basis einer sachge-mäßen Verknüpfung von Alltags- und Fachsprache erforderlich sind.

In ihrer Lebensumwelt begegnen den Schülerinnen und Schülern Phäno-mene, die sie sich und anderen mit Hilfe der Chemiekenntnisse unter Nut-zung der Fachsprache erklären können. In der anzustrebenden Auseinan-dersetzung erkennen sie Zusammenhänge, suchen Informationen undwerten diese aus. Dazu ist es notwendig, dass sie die chemische Fachspra-che auf grundlegendem Niveau verstehen und korrekt anwenden können.Ergebnisse bzw. erarbeitete Teillösungen werden anderen mitgeteilt. DerInformationsaustausch mit den jeweiligen Gesprächspartnern verlangt

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von den Schülerinnen und Schülern ein ständiges Übersetzen von All-tagssprache in Fachsprache und umgekehrt. Dabei überprüfen die Schü-lerinnen und Schüler Informationen daraufhin, ob die darin getroffenenAussagen chemisch korrekt sind. Sie können ihre Positionen fachlich ori-entiert darstellen und reflektieren, Argumente finden oder gegebenenfallsihre Auffassung aufgrund der vorgetragenen Einwände revidieren.

Die Kommunikation ist für die Lernenden ein notwendiges Werkzeug, umfür Phänomene Erklärungen zu entwickeln, diese in geeigneter Form dar-zustellen (verbal, symbolisch, mathematisch) und mitzuteilen. Kommuni-kation ist somit Instrument und Objekt des Lernens zugleich.

Sie ist außerdem wesentliche Voraussetzung für gelingende Arbeit imTeam. Kriterien für Teamfähigkeit sind u.a. strukturierte, aufeinanderabgestimmte Arbeitsplanung, Reflexion der Arbeitsprozesse sowie Be-wertung und Präsentation der gewonnenen Ergebnisse.

2.4 Bewertung

Chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten

Die Kenntnis und Reflexion der Beziehungen zwischen Naturwissen-schaft, Technik, Individuum und Gesellschaft gehören zum Bereich Be-wertung.

Durch die Auswahl geeigneter Sachverhalte können die Schülerinnenund Schüler Vernetzungen der Chemie in Lebenswelt, Alltag, Umweltund Wissenschaft erkennen. Darauf basierend sollen Schülerinnen undSchüler in der Lage sein, chemische Sachverhalte in ihrer Bedeutung undAnwendung aufzuzeigen.

Diese gezielte Auswahl chemierelevanter Kontexte ermöglicht es denSchülerinnen und Schülern, Fachkenntnisse auf neue vergleichbare Fra-gestellungen zu übertragen, Probleme in realen Situationen zu erfassen,Interessenkonflikte auszumachen, mögliche Lösungen zu erwägen sowiederen Konsequenzen zu diskutieren.

Bei der Betrachtung gesellschaftsrelevanter Themen aus unterschiedli-chen Perspektiven erkennen die Lernenden, dass Problemlösungen vonWertentscheidungen abhängig sind. Sie sollen befähigt sein, Argumenteauf ihren sachlichen und ideologischen Anteil zu prüfen und Entscheidun-gen sachgerecht, selbstbestimmt und verantwortungsbewusst zu treffen.

3. Standards für die Kompetenzbereiche des Faches Chemie

Im Folgenden werden für die vier Kompetenzbereiche Regelstandardsformuliert, die von Schülerinnen und Schülern mit Erreichen des Mittle-ren Schulabschlusses zu erwerben sind. Eine Zuordnung konkreter Inhal-te erfolgt exemplarisch in den Aufgabenbeispielen.


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3.1 Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen

Chemische Phänomene, Begriffe, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen

Die Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen werden nach denausgewiesenen Basiskonzepten gegliedert:

F 1 Stoff-Teilchen-Beziehungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

F 1.1 nennen und beschreiben bedeutsame Stoffe mit ihren typischenEigenschaften,

F 1.2 beschreiben modellhaft den submikroskopischen Bau ausgewähl-ter Stoffe,

F 1.3 beschreiben den Bau von Atomen mit Hilfe eines geeigneten Atom-modells,

F 1.4 verwenden Bindungsmodelle zur Interpretation von Teilchenag-gregationen, räumlichen Strukturen und zwischenmolekularenWechselwirkungen,

F 1.5 erklären die Vielfalt der Stoffe auf der Basis unterschiedlicherKombinationen und Anordnungen von Teilchen.

F 2 Struktur-Eigenschafts-Beziehungen


F 2.1 beschreiben und begründen Ordnungsprinzipien für Stoffe, z.B.mit ihren typischen Eigenschaften oder mit charakteristischenMerkmalen der Zusammensetzung und Struktur der Teilchen,

F 2.2 nutzen ein geeignetes Modell zur Deutung von Stoffeigenschaftenauf Teilchenebene,

F 2.3 schließen aus den Eigenschaften der Stoffe auf ihre Verwendungs-möglichkeiten und auf damit verbundene Vor- und Nachteile.

F 3 chemische Reaktion


F 3.1 beschreiben Phänomene der Stoff- und Energieumwandlung beichemischen Reaktionen,

F 3.2 deuten Stoff- und Energieumwandlungen hinsichtlich der Verän-derung von Teilchen und des Umbaus chemischer Bindungen,

F 3.3 kennzeichnen in ausgewählten Donator-Akzeptor-Reaktionen dieÜbertragung von Teilchen und bestimmen die Reaktionsart,

F 3.4 erstellen Reaktionsschemata/Reaktionsgleichungen durch Anwen-dung der Kenntnisse über die Erhaltung der Atome und die Bil-dung konstanter Atomzahlenverhältnisse in Verbindungen,

F 3.5 beschreiben die Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen,F 3.6 beschreiben Beispiele für Stoffkreisläufe in Natur und Technik als

Systeme chemischer Reaktionen,F 3.7 beschreiben Möglichkeiten der Steuerung chemischer Reaktionen

durch Variation von Reaktionsbedingungen.

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F 4 energetische Betrachtung bei Stoffumwandlungen


F 4.1 geben an, dass sich bei chemischen Reaktionen auch der Energie-inhalt des Reaktionssystems durch Austausch mit der Umgebungverändert,

F 4.2 führen energetische Erscheinungen bei chemischen Reaktionenauf die Umwandlung eines Teils der in Stoffen gespeicherten Ener-gie in andere Energieformen zurück,

F 4.3 beschreiben die Beeinflussbarkeit chemischer Reaktionen durchden Einsatz von Katalysatoren.

3.2 Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Model-le nutzen


E 1 erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe chemi-scher Kenntnisse und Untersuchungen, insbesondere durch chemi-sche Experimente, zu beantworten sind,

E 2 planen geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermu-tungen und Hypothesen,

E 3 führen qualitative und einfache quantitative experimentelle undandere Untersuchungen durch und protokollieren diese,

E 4 beachten beim Experimentieren Sicherheits- und Umweltaspekte,E 5 erheben bei Untersuchungen, insbesondere in chemischen Experi-

menten, relevante Daten oder recherchieren sie,E 6 finden in erhobenen oder recherchierten Daten, Trends, Struktu-

ren und Beziehungen, erklären diese und ziehen geeigneteSchlussfolgerungen,

E 7 nutzen geeignete Modelle (z.B. Atommodelle, Periodensystem derElemente) um chemische Fragestellungen zu bearbeiten,

E 8 zeigen exemplarisch Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichenEntwicklungen und Erkenntnissen der Chemie auf.

3.3 Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation

Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austau-schen

Die Schülerinnen und Schüler . . .

K 1 recherchieren zu einem chemischen Sachverhalt in unterschiedli-chen Quellen,

K 2 wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus,K 3 prüfen Darstellungen in Medien hinsichtlich ihrer fachlichen

Richtigkeit,K 4 beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachver-

halte unter Verwendung der Fachsprache und/oder mit Hilfe vonModellen und Darstellungen,


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K 5 stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten undAlltagserscheinungen her und übersetzen dabei bewusst Fach-sprache in Alltagssprache und umgekehrt,

K 6 protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von Untersuchun-gen und Diskussionen in angemessener Form,

K 7 dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisseihrer Arbeit situationsgerecht und adressatenbezogen,

K 8 argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig,K 9 vertreten ihre Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und re-

flektieren Einwände selbstkritisch,K 10 planen, strukturieren, reflektieren und präsentieren ihre Arbeit als

Team.

3.4 Standards für den Kompetenzbereich Bewertung

Chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennenund bewerten


B 1 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen che-mische Kenntnisse bedeutsam sind,

B 2 erkennen Fragestellungen, die einen engen Bezug zu anderen Un-terrichtsfächern aufweisen und zeigen diese Bezüge auf,

B 3 nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten,um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen,

B 4 entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen, die un-ter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie be-antwortet werden können,

B 5 diskutieren und bewerten gesellschaftsrelevante Aussagen aus un-terschiedlichen Perspektiven,

B 6 binden chemische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein,entwickeln Lösungsstrategien und wenden diese an.

4 Aufgabenbeispiele

Zielsetzung dieses Kapitels ist die Veranschaulichung der Standards ba-sierend auf den vier Kompetenzbereichen sowie die Verdeutlichung einesAnspruchsniveaus.

4.1 Fachspezifische Beschreibung der Anforderungsbereiche

Da noch keine empirisch abgesicherten Kompetenzstufenmodelle vorlie-gen, wird zunächst zur Einschätzung der in den Aufgabenbeispielen ge-stellten Anforderungen auf drei Bereiche zurückgegriffen, die sich in ih-rer Beschreibung an den Einheitlichen Prüfungsanforderungen in derAbiturprüfung (EPA) orientieren. Dabei gilt, dass die Anforderungsberei-che nicht Ausprägungen oder Niveaustufen einer Kompetenz sind. Eshandelt sich vielmehr um Merkmale von Aufgaben, die verschiedeneSchwierigkeitsgrade innerhalb ein und derselben Kompetenz abbildenkönnen. Die nachfolgenden Formulierungen zeigen deshalb zunächst

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charakterisierende Kriterien zur Einordnung in einen der Anforderungs-bereiche auf.

Anforderungsbereich

I II III

Ko

mp

eten

zber

eich

Fa

chw

isse

n

Kenntnisse und Konzepte zielgerich-

tet wiedergeben

Kenntnisse und Kon-zepte auswählen und

anwenden

komplexere Frage-stellungen auf der

Grundlage von Kenntnissen und

Konzepten planmä-ßig und konstruktiv

bearbeiten

Erk

enn

tnis

gew

inn

un

g

bekannte Untersuchungs-

methoden und Mo-delle beschreiben, Untersuchungen nach Anleitung

durchführen

geeignete Untersuchungsme-thoden und Modelle

zur Bearbeitung überschaubarer

Sachverhalte aus-wählen und anwen-

den

geeignete Untersu-chungsmethoden und Modelle zur Bearbei-

tung komplexer Sachverhalte begrün-

det auswählen und anpassen

Ko

mm

un

ika

tio

n

bekannte Informatio-nen in verschiedenen fachlich relevanten Darstellungsformen

erfassen und wiedergeben

Informationen erfas-sen und in geeigneten Darstellungsformen

situations- und adressatengerecht veranschaulichen

Informationen aus-werten, reflektieren

und für eigene Argu-mentationen nutzen

Bew

ertu

ng vorgegebene

Argumente zur Bewertung eines

Sachverhaltes erken-nen und wiedergeben

geeignete Argumente zur Bewertung eines Sachverhaltes aus-wählen und nutzen

Argumente zur Be-wertung eines Sach-

verhaltes aus ver-schiedenen

Perspektiven abwä-gen und Entschei-

dungsprozesse reflek-tieren


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4.2 Kommentierte Aufgabenbeispiele

In diesem Kapitel werden Aufgaben vorgestellt, welche die in Kapitel 3formulierten Standards exemplarisch mit konkreten Inhalten verbindenund damit veranschaulichen. Der Erwartungshorizont nimmt Bezug aufdie entsprechenden Kompetenzbereiche mit den in den Aufgaben über-prüften Standards. Die erwarteten Schülerleistungen werden auf empiri-scher Basis den Anforderungsbereichen zugeordnet.

Im Erwartungshorizont wird nur eine Lösung angegeben, auch wenn beieiner Aufgabe mehrere Darstellungsformen (z.B. Summenformelschreib-weise, Ionenschreibweise, Angabe von Aggregatzuständen) möglich sind.Bei offenen Aufgabenstellungen werden Kriterien für eine angemesseneLösung genannt und eine Lösungsmöglichkeit konkret dargestellt.

Für eine bessere Übersichtlichkeit und Seitenaufteilung wurden im Ta-bellenkopf der Erwartungshorizonte folgende Abkürzungen verwendet:

AFB: AnforderungsbereichF: Standards für den Kompetenzbereich FachwissenE: Standards für den Kompetenzbereich ErkenntnisgewinnungK: Standards für den Kompetenzbereich KommunikationB: Standards für den Kompetenzbereich Bewertung

1. Aufgabenbeispiel: Entkalkung

Material 1:

Im Haushalt müssen Elektrogeräte, wie Kaffee-maschinen, Durchlauferhitzer und Waschma-schinen nach längerem Gebrauch in Abhängig-keit von der Wasserhärte entkalkt werden. Aufder Oberfläche des Heizrohres lagert sich Kalk(CaCO3 und MgCO3) ab und verringert die Heiz-leistung.

Beim Entkalken mit verdünnter Salzsäure(HCl(aq)) ist ein deutliches Sprudeln und Zischenwahrnehmbar. In einem Haushaltstipp wird Es-sigsäure-Lösung (CH3COOH(aq)) als umwelt-freundliches Mittel zur Entfernung von Kalkfle-cken empfohlen. Sie reagiert aber schwächer alsSalzsäure.

Verkalkung auf Heizschleifen

Quelle: www.seilnacht.tuttlingen.de

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Material 2: In einer Gebrauchsanweisung fürWasserkocher heißt es:

Material 3:

Das sich bei der Entkalkung entwickelnde Gas soll nachgewiesen werden.

Für den Versuch stehen folgende Reagenzien zur Verfügung: Bariumchlo-rid-Lösung (mindergiftig, X), Silbernitrat-Lösung (mindergiftig, X),Lackmus-Lösung, Bariumhydroxid-Lösung (ätzend, C), Calciumhydro-xid-Lösung (ätzend, C).

Aufgabenstellung:

1.1 Beschreiben Sie mit eigenen Worten den Entkalkungsvorgang.

1.2 Erklären Sie die chemischen Grundlagen des Entkalkungsvorgangsdurch Salzsäure. Unterstützen Sie Ihre Aussagen mithilfe einer Re-aktionsgleichung.

Bei kalkhaltigem Wasser sollte derWasserkocher in regelmäßigenZeitabständen entkalkt werden.Verwenden Sie zum Entkalken einhandelsübliches flüssiges Entkal-kungsmittel (keine chemischenEntkalker verwenden) und beach-ten Sie dabei dessen Gebrauchsan-weisung!

Tipp: Bei leichter Verkalkung kön-nen Sie den Wasserkocher, anstattEntkalkungsmittel zu verwenden,auch mit einer Mischung von 5–6Löffeln Essig auf 0,5 Liter Wasserentkalken.

Bitte beachten Sie beim Entkal-ken: Ø kaltes Wasser in den Wasserko-

cher (bei stark schäumendemEntkalkungsmittel füllen Sienur 0,5 Liter Wasser ein)

Ø die Entkalkermischung nichtaufkochen

Ø anschließend den Wasserkocherzweimal mit klarem Wasser spü-len

Quelle: Bedienungsanleitung für denWasserkocher Mona der FirmaCloer Elektrogeräte GmbH,Arnsberg

Etikett eines Entkalkers

ÖKO-STECKBRIEF� HEITMANN Citronensäu-

re ist naturidentisch und wird deshalb vollständig abgebaut.

� Minimale Verpackung

Inhaltsstoffe gem. EU-Empfehlung:Reine naturidentische Citronensäure in Lebensmittelqualität.Dennoch bitte Sicherheitshinweise beachten.

Reizt die Augen. Be-rührung mit denAugen vermeiden.Bei Berührung mitden Augen sofortgründlich mit Was-ser abspülen undArzt konsultieren.Bei Verschluckensofort ärztlichenRat einholen undVerpackung oderEtikett vorzeigen.Darf nicht in die Hände von Kinderngelangen. Bei empfindlicher Haut wirdempfohlen, Gummihandschuhe zu tra-gen.Citronensäure nicht zusammen mitchlorhaltigen Reinigern anwenden. Für Österreich: Möglichst restlos ver-brauchen, evtl. Reste mit Wasser ver-dünnt fortspülen.Achtung: nicht geeignet für Emaille,Aluminium, Marmorflächen und säu-reempfindliche Fliesen. Bitte speziellePflegehinweise der Hersteller beach-ten. Innenbeutel nach Gebrauch ver-schließen. Trocken lagern.

Xi

Reizend


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1.3 Begründen Sie die Eignung von Speiseessig zur Entfernung von Kalkund stellen Sie die entsprechende Reaktionsgleichung auf.

1.4 Wählen Sie ein geeignetes Nachweismittel für das bei der Entkal-kung entstehende Gas aus und erklären Sie den Reaktionsablauf die-ses Nachweises.

1.5 Nennen Sie eine Ursache für die unterschiedliche Wirkung einer ver-dünnten Essigsäure (Speiseessig) und einer gleichkonzentrierten ver-dünnten Salzsäure beim Entkalken.

1.6 Diskutieren Sie den Begriff „chemischer Entkalker“ und nennen SieVor- und Nachteile verschiedener Entkalkungsmöglichkeiten. Nut-zen Sie dafür auch den Öko-Steckbrief.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be

erwartete Schülerleistung AFB

Standards

F E K B

1.1 Vorgang beschreiben:– Kalkbelag wird durch eine Säure aufgelöst– Zischen und Sprudeln sind Indizien für ei-

ne Gasentwicklung– Alternativ: Kalkbelag reagiert mit einer

Säurelösung unter Bildung eines Gases

I 1.1 2

1.2 Prinzip der Entkalkung als Stoffumwand-lung deuten:– Zerstörung der unlöslichen Verbindung

unter Gasentwicklung – Bildung einer wasserlöslichen Verbindung– Demonstration anhand einer erläuterten

Reaktionsgleichung: Calciumcarbonat re-agiert mit Salzsäure unter Kohlenstoffdio-xidentwicklung, es entsteht ein wasserlös-liches Produkt:CaCO3(s) + 2 HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) +H2O(l)

II 3.13.23.3 3.4

2458

1.3 Begründung der Eignung über die enthalteneSäure:– Speiseessig enthält Essigsäure– Essigsäure-Lösung zeigt bezüglich der

Carbonate analoges chemisches Verhaltenwie Salzsäure

– das entstehende Salz ist wie das Calcium-chlorid auch wasserlöslich:CaCO3(s) + 2 CH3COO-

(aq) + 2 H+(aq) →

Ca2+(aq) + 2 CH3COO-

(aq) + CO2(g) + H2O(l)

III 3.13.23.33.4

6 2458

196.34 Schulwesen

18

2. Aufgabenbeispiel: Identifizierung von vier verschiedenenFlascheninhalten

Material:

Ein Auszubildender im Chemielabor füllt für den nächsten Tag verdünnteSalzsäure, verdünnte Natronlauge, Natriumcarbonat-Lösung und Wasserab.

Später stellt er fest, dass er die Beschriftungen der vier Flaschen vergessenhat. Nach kurzer Überlegung findet er einen Weg, mit Hilfe von Univer-salindikator und einigen Reagenzgläsern die Lösungen zu identifizieren.

1.4 Auswahl und Erklärung eines eindeutigenNachweises auf der Basis von Vorkenntnis-sen, z.B.: – Calciumhydroxid-Lösung bzw. Bariumhy-

droxid-Lösung– experimenteller Nachweis des Kohlen-

stoffdioxids– Trübung der Lösung als Bildung von Cal-

ciumcarbonat bzw. Bariumcarbonat (Fäl-lungsreaktion):Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O(l)

II 1.13.1 3.23.33.4

23456

4568

1.5 Nennen von Ursachen:– Wasserstoff-Ionen aus Salzsäure und Es-

sigsäure-Lösung wirken in gleicher Weise– Essigsäure-Lösung wirkt schwächer, sie

stellt also weniger Wasserstoff-Ionen zurVerfügung

II 2.23.3

6 28

1.6 Diskussion des Begriffs „chemisch“, Bezug-nahme auf die enthaltenen Stoffe und derenWirkung:Mögliche Aspekte sind– Entkalker sind „chemische Substanzen“,

es sind Säuren– handelsübliche Entkalkungsmittel sind

stärker wirksam als Speiseessig– geringe Kalkablagerungen können durch

Speiseessig aufgelöst werden, bei größerenRückständen ist die Einwirkung einer grö-ßeren Menge Säure oder einer stärkerenSäure notwendig

III 1.12.3

16

2358

3

Au

fga

be

erwartete Schülerleistung AFB

Standards

F E K B


19

Sicherheitshinweis: Behandeln Sie zunächst jede Flasche so, als ob eineätzende oder reizende Lösung enthalten wäre!

Geräte und Chemikalien:Flaschen mit verdünnter Salzsäure, verdünnter Natriumhydroxid-Lö-sung, Natriumcarbonat-Lösung und Wasser, Universalindikator-Lösung, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Schutz-brille

Aufgabenstellung:

2.1 Entwickeln Sie einen geeigneten Untersuchungsplan zur Identifizie-rung der Lösungen.

2.2 Überprüfen Sie experimentell Ihren Untersuchungsplan und notie-ren Sie Ihre Beobachtungen.

2.3 Beschriften Sie die Flaschen nach ihren Beobachtungen folgerichtigund ordnen Sie die entsprechenden Gefahrensymbole

und zu.

Begründen Sie Ihre Entscheidungen.

2.4 Informieren Sie sich über das Berufsbild der Chemielaborantin bzw.des Chemielaboranten und erstellen Sie ein Berufsprofil.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be

erwartete Schülerleistung

AF

B

Standards

F E K B

2.1 Erstellen eines Untersuchungsplans:– Nummerieren der Flaschen mit den unbe-

kannten Lösungen– Prüfen jeder Lösung mit Universalindika-

tor zwecks Einteilung in saure, basischeund neutrale Lösungen: a) saure Lösung: Salzsäure, b) neutrale Lösung: Wasser, c) basische Lösungen: Natriumhydroxid-

Lösung, Natriumcarbonat-Lösung

III 1.12.1

12

8

196.34 Schulwesen

20

– mit der sauren Lösung die basischen Lö-sungen prüfen,

– die basische Lösung, die Gasentwicklungzeigt, ist die Natriumcarbonat-Lösung,

– die andere basische Lösung ist die Natron-lauge

2.2 Exaktes Experimentieren unter Berücksich-tigung der Sicherheitsvorschriften und Be-obachten:– Beobachtungen:

1 (Salzsäure): Rotfärbung 2 (Wasser): Grün- bzw. Gelbfärbung

(je nach Indikator) 3 (Natriumhydroxid-Lösung): Blau-

färbung4 (Natriumcarbonat-Lösung): Blaufärbungweiteres Vorgehen:

– Lösung 1 zu Lösung 3 und 4,– Gasentwicklung in Lösung 4

II 1.22.1

3456

26

3

2.3 Beschriften der Flaschen und Zuordnen derGefahrensymbole aufgrund der Ergebnisse: – Lösung 1: Salzsäure– Lösung 2: Wasser– Lösung 3: Natriumhydroxid-Lösung– Lösung 4: Natriumcarbonat-Lösung– Begründung auf der Basis der Indikator-

färbungen und der Gasentwicklung (Koh-lenstoffdioxid aus Carbonat)

– Gefahrstoffsymbole entsprechend zuge-ordnet: ätzend für Salzsäure und Natrium-hydroxid-Lösung, reizend für Natriumcar-bonat-Lösung

II 2.12.22.3

6 48

3

2.4 Berufsprofil:Voraussetzungen, Art und Dauer der Ausbil-dung, Tätigkeitsfeld, Einsatzmöglichkeiten,Qualifizierungsmöglichkeiten, Arbeitsmarkt-situation, Verdienst, ...

I 12

1

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B


21

3. Aufgabenbeispiel: Wie funktionieren Flüssiggas-Feuerzeuge?

Material 1:

Eigenschaften von Flüssiggas

Flüssiggas besteht aus einem Gemisch der Kohlenwasserstoffe Propanund Butan. Wie Erdgas haben Propan und Butan keinen Eigengeruch undwerden daher vor der Auslieferung mit einem stark riechenden Zusatzversetzt, um das Erkennen eventueller Lecks zu erleichtern. Flüssiggas istin Gegenwart von Luft entflammbar.

Quellen: www.thermogas.de, www.seilnacht.tuttlingen.de

Aufgabenstellung:

3.1 Erklären Sie das Ausströmen des Brennstoffgemisches beim Öffnendes Ventils.

3.2 Beschreiben Sie die Bedingungen, unter denen das ausströmende Gasentflammt werden kann.

3.3 Entwerfen Sie einen Untersuchungsplan, mit dem Ziel, die Reakti-onsprodukte des brennenden Gasgemisches aufzufangen und nach-zuweisen.

3.4 Führen Sie die von Ihnen geplanten Experimente durch und notierenSie Ihre Beobachtungen.

3.5 Werten Sie Ihre Beobachtungen aus.

3.6 Erläutern Sie, warum die Untersuchungsergebnisse einen qualitati-ven Nachweis der im Feuerzeuggas enthaltenen Elemente darstellen.

Bild 1: Flüssiggas-Feuerzeug

Material 2:

Geräte und Chemikalien für dieexperimentelle Untersuchung desFeuerzeuggases:

Flüssiggas-Feuerzeug, Becher-gläser, Uhrglas, Gaswaschflaschen,U-Rohr, Trichter,Stativ mit Klammern und Muffen, Wasserstrahlpumpe, Schlauch-materialKalkwasser (ätzend, C), weißes Kupfersulfat (Xn), kaltes Wasser, Eiswürfel,Schutzbrille

Beachten Sie die Sicherheitsbe-stimmungen!

Physikalische Daten von Flüssiggas Propan Butan

Siedepunkt in °C bei Normaldruck -42 -0,5

Entflammungstemperatur in °C mit Luft -104 -60

196.34 Schulwesen

22

3.7 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die bei der Verbren-nung des Brennstoffgemisches ablaufenden chemischen Reaktionen.

3.8 Skizzieren Sie ein Energiediagramm der Verbrennungsreaktion füreine der beiden Kohlenwasserstoffverbindungen des Feuerzeuggases.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

3.1 Erklärung:Propan und Butan sind bei Raumtemperaturgasförmig. Zur Verflüssigung ist ein Überdrucknotwendig.Da Propan und Butan im Feuerzeug flüssig vor-liegen, müssen sie dort unter einem Überdruckstehen/unter Überdruck abgefüllt worden sein.

II 1.11.4

2 3

3.2 Bedingungen:Luftsauerstoff, Temperatur oberhalb der Ent-flammungstemperatur, Zündfunken (oder offe-ne Flamme)

II 1.1 6 2, 45

3

3.3 Untersuchungsplan mit Apparaturen zum Auf-fangen und Nachweisen der Verbrennungspro-dukte:Wasserdampf kann an kalten Glasflächen kon-densieren, Kohlenstoffdioxid kann in einem Be-cherglas oder einer Gaswaschflasche gesam-melt werden.Nachweis des Wassers erfolgt mit weißem Kup-fersulfat, Nachweis des Kohlenstoffdioxids mitKalkwasser.

III 1.13.2

12

3.4 Durchführung der Untersuchung und Be-obachtungen:Kupfersulfat ändert unter Einwirkung der kon-densierten Flüssigkeit die Farbe von weiß nachblau, Kalkwasser trübt sich beim Kontakt mit denVerbrennungsprodukten.

I 1.13.2

345

4

3.5 Auswertung:Die Farbänderung des Kupfersulfats weistWasser nach.Die Trübung des Kalkwassers weist das Vor-handensein von Kohlenstoffdioxid in den Ver-brennungsgasen nach.

II 1.13.1


23

4. Aufgabenbeispiel: Das Kupferbeil des Gletschermannes „Ötzi“

Material: Die Entdeckung des Kupferbeils von Ötzizeigt, dass er in der Kupferzeit, der letz-ten Phase der Jungsteinzeit, gelebt hatte.Weitere Funde von Guss- und Schmelz-tiegeln in einigen Siedlungen beweisen,dass auch schon vor Ötzis Lebzeiten dieTechnik der Kupferverarbeitung, d.h. dasSchmelzen und Gießen des Metalls, be-kannt war. Kupfererze findet man in Ge-steinen, die sowohl an der Oberfläche, alsauch im Berginnern abgebaut werdenkönnen. Im Alpengebiet befinden sichzahlreiche Lagerstätten von Kupfererzen(Malachit, Kupferkies), die für Ötzi er-reichbar waren. Malachit enthält Kupfer-carbonat (CuCO3), Kupferkies enthältKupfersulfid (CuS).Die Umwandlung von Erz in Metall, die„Verhüttung“, erfolgte in mehrerenSchritten.

3.6 Erläuterung über Stoff-Teilchen-Beziehungen:Die chemische Reaktion eines Kohlenwasser-stoffes mit Sauerstoff führt zu den ProduktenWasser und Kohlenstoffdioxid. Somit sind dieElemente Wasserstoff und Kohlenstoff in denAusgangsverbindungen nachgewiesen.

II 1.13.1

6

3.7 Reaktionsgleichungen für die Reaktionen vonPropan und Butan mit Luftsauerstoff:C3H8 + 5 O2 → 4 H2O + 3 CO22 C4H10 + 13 O2 → 10 H2O + 8 CO2

I 3.13.23.4

3.8 Energiediagramm einer exothermen Reaktion: II 4.14.2

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

Edukte

En

ergi

e

Reaktionskoordinate

Produkte

Freiwerdende Energie(Reaktionswärme)

Aktivierungsenergie

Quelle: www.aeiou.at/aeiou.film.o/o202a

196.34 Schulwesen

24

Die zerkleinerten Brockenwurden zunächst im Feuergeröstet, um das Gemischaus Malachit und Kupfer-kies von seinem Schwefel-anteil zu befreien. Währenddes Röstprozesses entwi-chen Schwefeldioxid undKohlenstoffdioxid. Es ent-stand Kupferoxid.

Die Gewinnung des metal-lischen Kupfers erfolgte

anschließend in Schmelzöfen. Ein solcher kupferzeitlicher Ofen wurdeaus behauenen Steinblöcken mit Lehm als Mörtel gemauert, seine Innen-seite vermutlich mit Lehm verkleidet. Am unteren Rand der Vorderseitebefand sich das Abstichloch mit der davor liegenden Schlackengrube.Darüber war das Düsenloch angebracht, durch das die Windzufuhr er-folgte. Für die Verhüttung des Erzes wurde der Ofen mit Kupfererz undHolzkohle in mehreren Schichten gefüllt. Da Kupfer einen hohenSchmelzpunkt besitzt, musste in diesem Ofen eine Temperatur von über1000°C erreicht werden. Zu diesem Zweck wurde der Holzkohleglut meh-rere Stunden lang Luft durch das Düsenloch zugeführt. Dies erreichteman mit Hilfe von Blasebälgen.

Quelle: http://home.pages.at/pirgcom/oetz1/kupfer1.htm

Aufgabenstellung:

4.1 Fertigen Sie eine beschriftete Skizze eines Schmelzofens an.

4.2 Beschreiben Sie die einzelnen chemischen Vorgänge, durch die aus ei-nem der beiden Erze (Kupferkies oder Malachit) in einem zweistufi-gen Prozess Kupfer gewonnen wird.

4.3 Stellen Sie die Wort- und Formelgleichungen für die einzelnen che-mischen Reaktionen auf.

4.4 Stellen Sie das Prinzip der Metallherstellung dar, das diesem Beispielzugrunde liegt und übertragen Sie es auf ein anderes Beispiel. GehenSie von einem Erz aus, das als Oxid vorliegt.

4.5 Skizzieren Sie einen Versuchsaufbau für ein Schülerexperiment zurKupfergewinnung aus einem der beiden Erze und formulieren Sie ei-ne entsprechende Versuchsvorschrift.

Quelle: www. seilnacht.tuttlingen.de


25

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

4.1 Beschriftete schematische Skizze eines be-schickten Kupferschmelzofens:Längsschnitt oder Aufrisszeichnung zeigt diewichtigsten Funktionen: Abstichloch (1) undDüsenloch (2) sowie die Abluftöffnung (3) aufder Oberseite des Ofens. Holzkohle und Kup-fererz sind in mehreren Schichten übereinan-der eingelagert (4).

II 6 24

4.2 Chemische Prozesse der Kupfergewinnung:Stufe 1 (Rösten im Feuer)Kupferkies:Durch Rösten zerkleinerter Kupferkiesbro-cken im Feuer wird der Schwefelanteil ent-fernt. Dabei reagiert Kupfersulfid mitLuftsauerstoff. Es entstehen Kupferoxid undSchwefeldioxid, das als Gas entweicht. Malachit:Kupfercarbonat reagiert beim Rösten zuKupferoxid. Es entweicht Kohlenstoffdioxid.Stufe 2 (Verhüttung im Schmelzofen)Kupferoxid reagiert mit glühender Holzkoh-le. Dabei wird das Kupfer im Kupferoxid re-duziert, der Kohlenstoff zu Kohlenstoffdio-xid oxidiert.oder:Die Cu2+-Ionen werden durch Elektronen-aufnahme zu metallischem Kupfer reduziert.Kohlenstoffatome werden unter Elektronen-abgabe oxidiert.

III

3.13.23.3

6 245

4.3 Wortgleichungen:Kupferkies: Kupfersulfid + Sauerstoff → Kupferoxid +SchwefeldioxidKupferoxid + Kohlenstoff → Kupfer + Koh-lenstoffdioxidMalachit:Kupfercarbonat → Kupferoxid + Kohlen-stoffdioxidKupferoxid + Kohlenstoff → Kupfer + Koh-lenstoffdioxid

II 3.23.33.4

67

4

196.34 Schulwesen

26

5. Aufgabenbeispiel: Alkoholische Gärung

Material:

Bei der alkoholischen Gärung bauen Hefepilze unter Sauerstoffaus-schluss in wässrigen Lösungen Glucose zu Kohlenstoffdioxid und Etha-nol ab. Im Verlaufe eines bei Raumtemperatur durchgeführten Gärpro-zesses ermittelte eine Schülergruppe folgende Messwerte:

4.3 Reaktionsgleichungen:Kupferkies: 2 CuS + 3 O2 → 2 CuO + 2 SO2 2 CuO + C → 2 Cu + CO2Malachit: CuCO3 → CuO + CO2 2 CuO + C → 2 Cu + CO2

III

4.4 Darstellung des Prinzips der Metallherstel-lung: Dem Erz (Kupferoxid) muss durch ein Re-duktionsmittel (Kohlenstoff) Sauerstoff ent-zogen werden.Es handelt sich um eine Redoxreaktion.Prinzip der Metallgewinnung:Das oxidierte Metall im Erz wird durch einenStoff mit einem höheren Reduktionsvermögenin das elementare Metall überführt.Beispiele:Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O32 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2

III 2.33.33.43.7

6 147

3

4.5 Versuchsaufbau und Versuchsvorschrift:Einfache Skizze eines VersuchsaufbausMögliche Versuchsvorschrift:Ein Gemisch aus zerkleinertem Erz undHolzkohle wird in einem Porzellantiegel oderin einem schwer schmelzbaren Reagenzglasin der Brennerflamme erhitzt.

III 1 24

4

Zeit in min 60 120 180 240 300 360

Volumen Kohlenstoff-dioxid in mL

2,3 4,6 9,2 18,4 36,8 73,6

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B


27

Folgendes stand der Schülergruppe zur Verfügung: Eine Geräteauswahlwie in der Abbildung

sowie verschiedene Glasrohre, Stopfen, Schlauch- und Stativmaterial,wässrige Glucose-Lösung, wässrige Hefe-Suspension und Wasser.

Aufgabenstellung:

5.1 Zeichnen und beschriften Sie einen Versuchsaufbau, mit dem dieSchülergruppe die Messergebnisse ermittelt haben könnte.

5.2 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die alkoholische Gärungin Form einer Wortgleichung und unter Verwendung von Summen-formeln. Nennen Sie Reaktionsbedingungen für diese Alkoholsynthese.

5.3 Stellen Sie die Kohlenstoffdioxidbildung in Abhängigkeit von derZeit grafisch dar. Beschreiben Sie mit eigenen Worten den quantita-tiven Zusammenhang zwischen Zeit und Kohlenstoffdioxidbildung.

5.4 In der Industrie wird Ethanol aus zuckerhaltigen Lösungen für ver-schiedenste Verwendungszwecke hergestellt. Wählen Sie begründetein Trennverfahren aus, mit dem Sie im Labor möglichst reines Etha-nol aus dem Reaktionsgemisch gewinnen können. Beschreiben Siedieses mit Hilfe einer Skizze.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

5.1 Versuchsaufbau:Anfertigung einer beschrifteten Zeichnungunter Auswahl der entsprechenden Gerätezum quantitativen, pneumatischen Auffan-gen des Kohlenstoffdioxids

I 1.1 2 2

5.2 Formulierung der Reaktionsgleichung:– Wortgleichung: Glucose → Ethanol + Koh-

lenstoffdioxid– Formelgleichung: C6H12O6 → 2 C2H5OH +

2 CO2

I/II 3.13.4

24

3

196.34 Schulwesen

28

6. Aufgabenbeispiel: Wasserqualität

Material:

Die Brauerei „Esberger Bräu“2)

besteht seit Mitte des 19. Jahr-hunderts im Osten der Stadt Es-berg. Durch Umwandlung in ei-ne Aktiengesellschaft im Jahr2001 erlebte der ehemalige Fa-milienbetrieb einen großen wirt-schaftlichen Aufschwung, sodass der Betrieb nach einemneuen Standort für die Brauereisuchen muss.

Ein Entscheidungskriterium fürdie Brauerei ist die Verfügbar-keit von Wasser mit geringerHärte (< 7° dH). Außerdem darfdie Konzentration bestimmter

5.2 Reaktionsbedingungen: – wässrige Glucose-Lösung, Sauerstoffab-

schluss (anaerob), Raumtemperatur, Hefe

5.3 Auswertung:Grafische Darstellung (Achsenbezeichnung,geeignete Skalierung) mit eingezeichnetenMesspunkten Zusammenhang zwischen Volumenentwick-lung und Zeit laut Tabelle:– je länger die Reaktionszeit, desto mehr

Kohlenstoffdioxid entsteht– Verdopplung des Volumens pro Zeitab-

schnitt

I/II 67

248

2

5.4 Trennverfahren:Auswahl eines TrennverfahrensBeschreibung eines geeigneten Trennverfah-rens, z.B. Destillation, UmkehrosmoseBegründung durch ausgewählte physika-lisch-chemische Eigenschaften, z. B. Siede-temperatur, KonzentrationSkizze

III 1.12.2

7 48

3

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

Esberg2)

Kreisstadt am Fluss Dard, 123500 Ein-wohner, kulturelles und wirtschaftli-ches Zentrum des „Esberger Landes“.

Sehenswürdigkeiten: Martinuskirche(16. Jh.), Burg Werenstein (11. Jh.)Grambacher Höhle, Esberger Kapelle(8. Jh.)

Naherholungsgebiete: Naturschutzge-biet Werenforst (Hochwildschutzpark)Industrie: seit dem 19. Jh. Erzbergbauund -verarbeitung (Ortsteil Stanbach),Papiererzeugung, textilverarbeitendeIndustrie, Brauerei (Esberger Bräu)

––––––––––—2) erfunden


29

Ionen im Brauwasser nicht überschritten werden (Cadmium-Ionen: 5 µg/L, Blei-Ionen: 40 µg/L, Nitrat-Ionen: 50 mg/L). Hierzu wurden sechs mög-liche Standorte in der Nähe Esbergs in Erwägung gezogen. Sie sind in derKarte mit den Nummern 1 bis 6 versehen. Unabhängig vom Standortmuss für den Brauprozess das Brauwasser aufbereitet werden. Dazu ge-hören die Beseitigung von Schwebstoffen und die Entfernung ge-schmacksbeeinflussender Eisen-Ionen. 2

Aufgabenstellung:

6.1 Wählen Sie Standorte aus, deren Wasser aufgrund der Ergebnisse derWasserhärtebestimmungen aus Probebohrungen geeignet ist.

6.2 Begründen Sie, für welche Standorte sich die Brauerei aufgrund derweiteren Werte der Wasseranalyse entscheiden müsste. Beachten Siedie Maßeinheiten!

2)

Standorte

Auszug aus der Wasseranalyse

1 2 3 4 5 6

Pb2+ in µg/L 54 0,6 0,5 0,5 0,7 673

Cd2+ in µg/L 6,38 0,53 0,47 0,37 0,29 12

NO3- in µg/L 18 · 103 14 · 103 2 · 103 76 · 103 4,5 · 103 50 · 103

Wasserhärte °dH 5 21 6 5 3 23

��

�

��

�

Esberg an der Dard

Stanbach

LieselbachVelde

DardWerenforst

Werenbach

Marsche

Werenforst

Merenbach

196.34 Schulwesen

30

6.3 Erläutern Sie ökonomische und ökologische Gesichtspunkte, die fürdie Standortwahl noch von Bedeutung sein könnten.

6.4 Nennen Sie ein Verfahren, Schwebstoffe im geförderten Brauwasserabzutrennen.

6.5 Beschreiben Sie einen prinzipiellen Weg, die störenden Eisen-Ionenzu entfernen.

6.6 Recherchieren Sie die technische Umsetzung der Schwebstoffentfer-nung bei der Trinkwasseraufbereitung. Beschreiben Sie die Funkti-onsweise des Kiesbettbeckens.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

6.1 Standortauswahl nach dem Grenzwert derWasserhärte für Brauwasser:Auswahl der Standorte 1, 3, 4 und 5

I 1.12.3

12

3

6.2 Detaillierte Analyse der weiteren Tabellen-werte:Standorte 3 und 5 auswählen und begründenmit den Schwermetall- und Nitrat-Ionen-konzentrationen

II 1.12.3

6 12

3

6.3 Aspekte für den Vergleich nach ökonomi-schen und ökologischen Gesichtspunkten:Möglichkeiten der Wasseraufbereitung,Flächeneignung, Verkehrsanbindung, Natur-schutzgebiet, aufwändiger Transport in Was-serleitung, Abwassersituation, Fachkräfteu.a.

II/ III

8 8 23

6.4 Trennverfahren:Abtrennen der Schwebstoffe durch Filtrati-on, Sedimentation oder Adsorption

I 1.1

6.5 Prinzip der Enteisenung:Gelöste Eisen-Ionen werden durch chemi-sche Reaktionen in schwerlösliche Eisenver-bindungen überführt und abgetrennt.

II 1.12.23.2

4

6.6 Funktionsweise des Kiesbettbeckens:Das Kiesbettbecken mit unterschiedlicherKörnung bildet Poren und erfüllt somit dieFunktion des Filters beim Abtrennen vonSchwebstoffen. Durch Rückspülung kanndas Kiesbett regeneriert werden.

II 1.1 1245

12


31

7. Aufgabenbeispiel: Vom Feld in den Tank – Biodiesel im Vergleich mit Dieselkraftstoff

Material:

Eine europäische Richtlinie besagt,dass bis Ende 2005 in allen EU-Mit-gliedstaaten der Anteil von Biokraft-stoffen am Gesamtkraftstoffmarkt zweiProzent, bis Ende 2010 sogar 5,75 % be-tragen muss. Ein solcher Biokraftstoffist Biodiesel (C17H32O2), der aus Rapsölhergestellt wird. Die folgende tabellarische Übersichtzeigt zwei Ökobilanzen für die Kraft-

stoffe Biodiesel und Diesel (hergestellt aus Erdöl). Diese wurden von unter-schiedlichen Auftraggebern erstellt (siehe Quellen A und B).

Aspekte Ökobilanz 1 Ökobilanz 2

Energiebilanz Die heutige Produktions-kette von Diesel ver-braucht zweimal mehr En-ergie als die von Biodiesel.

Die Energiebilanz fürDiesel und Biodiesel isteindeutig positiv, d.h., dieProdukte liefern mehrEnergie als für deren Her-stellung aufzubringen ist.

Gesamtemission klimarelevanter Gase (CO2-Ges.)3) je kg Dieselkraft-stoff

– Diesel 3,5 – 3,6 kg; – Biodiesel 0,9 kg

– Diesel 3,5 – 3,6 kg; – Biodiesel 1,9 – 3,0 kg

Kohlenstoffdioxid – Diesel 4 kg; – Biodiesel 0,3 – 0,8 kg

– Diesel 3,4 – 3,5 kg; – Biodiesel 0,8 – 1,4 kg

Schwefelverbin-dungen

– Biodiesel-Abgas frei vonSchwefeloxiden, die densauren Regen bewirken

– keine wesentlichen Un-terschiede mehr in derBelastung durchSchwefelverbindungen

Umweltauswir-kungen der Ver-brennung imMotor

Die meisten Abgaswertefür Biodiesel liegen niedri-ger: – Kohlenwasserstoffe

20–40% niedriger, – Ruß 40–50% niedriger, – Partikel 0–40% niedri-

ger,

Bei Verwendung von Bio-diesel ergeben sich nurteilweise Vorteile, z.B. beiden Partikelemissionen.Nachteile ergeben sichdurch die Stickstoffoxid-emissionen.

——————3) (CO2-Ges.): Wert für die Gesamtemission, bei dem nicht nur die Autoabgase, son-

dern auch die CO2-Anteile berücksichtigt werden, die im Herstellungsprozess desTreibstoffes entstehen.

196.34 Schulwesen

32

Text verändert nach: 3

Quelle A: Gesellschaft für Entwicklungstechnologie: Biodiesel. Union zurFörderung von Oel- und Proteinpflanzen e. V., Godesberger Allee 142-148, 53175 Bonn, 1995

Quelle B: W. Drechsler, K. Kraus, J. Landgrebe: Ökobilanz von Rapsölbzw. Rapsölmethylester als Ersatz für Dieselkraftstoff. Gesellschaft fürErdöl-, Erdgas- und Kohleforschung

Aufgabenstellung:

7.1 Welche Aussagen sind in beiden Ökobilanzen übereinstimmend zufinden? Kreuze an:Biodiesel ist der umweltfreundlichere Treibstoff. �Bei der Produktion von Biodiesel wird weniger Energie benötigt. �Die Gesamtemission klimarelevanter Gase ist für Diesel höher. �Die Emissionen von Kohlenstoffdioxid sind bei Diesel viermalso hoch. �Die Belastung durch Schwefelverbindungen wird nicht alsProblem betrachtet. �

7.2 Ordnen Sie die beiden Ökobilanzen den angegebenen Quellen unterAngabe von Gründen zu.

– NO motorspezifisch, meist 0–15% höher, oft auch niedriger,

– CO etwa gleich.

Wirtschaftlichkeit Die Preise liegen auf demNiveau der Preise für fossi-le Dieselkraftstoffe.

Um Biodiesel am Markteine Wettbewerbschancezu eröffnen, sind hoheSubventionen erforder-lich. Eine solche Subven-tionierung ist sowohl ausUmweltsicht als auch vonder Kosten-Nutzen-Rela-tion negativ zu bewerten.

Fazit Wird ein fossiler Kraftstoffdurch Biodiesel ersetzt, soentgeht dem Staat lediglichdie Mineralölsteuer. Der CO2-Einspareffekt be-trägt jedoch 3,5 – 4,0 kgCO2-Ges.3) pro Liter ersetz-ten Kraftstoffes. Zusätzlichwerden die fossilen Ener-gieressourcen geschont.

Die Förderung des Einsat-zes von Biodiesel als Er-satz von Dieselkraftstoffist auch weiterhin ausUmweltsicht nicht zu be-fürworten.

3)

Aspekte Ökobilanz 1 Ökobilanz 2


33

7.3 Die Informationen in den Ökobilanzen sind zum Teil nicht stimmigoder unvollständig. Sie bekommen für eine Gruppenarbeit den Auf-trag, die Angaben zu prüfen und zu ergänzen. Stellen Sie in der MindMap die Aspekte und Informationsquellen dar, denen Sie arbeitsteilignachgehen würden.

7.4 Skizzieren Sie ein Experiment, mit dem Sie demonstrieren können,dass bei der Verbrennung von Biodiesel Kohlenstoffdioxid entsteht. Zeigen Sie anhand einer Reaktionsgleichung, welche weiteren Pro-dukte bei der Verbrennung entstehen können.

7.5 In der Diskussion über den Einsatz von Biodiesel wird oft behauptet:„Die Verbrennung von Biodiesel belastet die Atmosphäre nicht mitKohlenstoffdioxid“.Nehmen Sie Stellung zu dieser Aussage.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

7.1 Prüfen der Aussagen in den Bilanzen undrichtige Aussagen ankreuzen:– Ankreuzen der Aussagen 3 und 5

I 2

7.2 Zuordnung aufgrund der genannten und feh-lenden Aspekte:– Ökobilanz 1: Union zur Förderung von Öl-

und Proteinpflanzen, Ökobilanz 2: Gesell-schaft für Erdölforschung

II 28

35

196.34 Schulwesen

34

7.2 – Gründe für Bilanz 1: betont wird positiveEnergiebilanz für Biodiesel, deutlich po-sitive CO2-Emission und günstige Abgas-werte für Biodiesel, ...

– Gründe für Bilanz 2: keine besondere Be-tonung der Vorteile des Biodiesels, Er-wähnen der eingeschränkten Vorteile derAbgaswerte von Biodiesel, Hervorhebender Subventionierung von Biodiesel, ...

7.3 Auswählen verbraucherrelevanter Aussagen,z.B.:– Abgaswerte: Umweltbundesamt, Untersu-

chungsämter, Hersteller, TÜV– Schwefelbelastung: Umweltbundesamt– Verbrennungsprozesse im Motor: Physik-

und Chemiebücher, Internet– Wirkungsgrad: Hersteller– Infrastruktur Tankstellen: Mineralölge-

sellschaften– Verfügbarkeit, Gewinnung, Verarbeitung:

Ölmühlen, Ölraffinerien

II 568

1234

10

32

7.4 Skizze eines möglichen Experimentes, z.B.:Biodiesel wird in einer Porzellanschale er-hitzt, entzündet und verbrannt. Die entste-henden Gase werden mittels Trichter undWasserstrahlpumpe durch eine Waschflaschemit Kalkwasser geleitet. Eine Trübung zeigtKohlenstoffdioxid an.Formulierung einer Reaktionsgleichung:C17H32O2 + 24 O2 → 17 CO2 + 16 H2O

II 1.13.4

25

8

7.5 Argumentation über den Kohlenstoffkreis-lauf:– Rapspflanzen entnehmen jährlich über die

Photosynthese den Anteil an Kohlenstoff-dioxid wieder aus der Atmosphäre, derdurch die Verbrennung hinzugefügt wurde.

– Dabei wird allerdings der Kohlenstoffdio-xid-Anteil, der durch die Herstellung desBiodiesels zusätzlich freigesetzt wird,nicht berücksichtigt.

III 3.6 89

3

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B


35

8. Aufgabenbeispiel: Streusalz und Korrosion

Material 1:

Ökotipp: Alle Jahre wieder: Streusalz

Den „guten Rutsch“, den wir uns alle Jahre wieder wünschen, versuchenwir auf den Gehwegen und Straßen zu verhindern, indem wir die Natur„einpökeln“. Im Durchschnitt werden jährlich in der BundesrepublikDeutschland zwischen 1 und 2 Millionen Tonnen Auftausalze im Winter-dienst verwendet. Die Folge: Durch Streusalz entstehen Jahr für Jahrvolkswirtschaftliche Schäden in Milliardenhöhe durch Korrosion an Brü-cken und Kraftfahrzeugen. Quelle: http://vorort.bund.net/thueringen/service/service_16/service_118.htm

Rollenlager einer Brücke Korrosion am Kfzmit beginnender Korrosion

Material 2:

Geräte und Chemikalien für den Langzeitversuch:Metallbleche (Eisen, verzinktes Eisen, Aluminium, Kupfer), Streusalz-Lösung (w = 10 %) (alternativ Natriumchlorid-Lösung mit w =10 %), destilliertes Wasser, 12 Bechergläser

Aufgabenstellung:

8.1 Entwickeln Sie einen geeigneten Untersuchungsplan für einen Lang-zeitversuch, mit dem überprüft werden kann, welche Einflüsse eineStreusalz-Lösung, destilliertes Wasser und Luft auf unterschiedlicheMetallbleche haben.

Alternative Aufgabestellung:

Entwickeln Sie in einer Kleingruppe einen Plan für eine arbeitsteiligeUntersuchung, in der Sie durch Kombination verschiedener Experi-mente umfassende Aussagen über die Einflüsse von Streusalz, destil-liertem Wasser und Luft auf unterschiedliche Metallbleche treffenkönnen. Stellen Sie die einzelnen Teilversuche mit den jeweiligen Be-dingungen in einer Tabelle dar.

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8.2 Führen Sie den Versuch durch. Notieren Sie Ihre Beobachtungen überden Zeitraum von mehreren Tagen.

8.3 Erklären Sie Ihre Beobachtungen.

8.4 Autokarosserien sind dem Streusalz im besonderen Maße ausgesetzt. Welche Korrosionsschutzmaßnahmen würden Sie, unter Berücksich-tigung des Versuches, als Fahrzeughersteller bevorzugen? BegründenSie Ihre Vorschläge.

Erwartungshorizont:

Au

fga

be


AF

B

Standards

F E K B

8.1 Entwickeln eines Untersuchungsplanes:– in vier Bechergläser werden jeweils ein

Stück von einem Eisenblech, einem ver-zinkten Eisenblech, einem Aluminium-blech und einem Kupferblech in eine Salzlösung mit w = 10 % gestellt,

– in vier weiteren Bechergläsern werden zuVergleichszwecken die Bleche in destillier-tes Wasser gestellt und

– in vier weiteren Bechergläsern bleiben dieMetalle ohne Wasser

Alternative Aufgabenstellung:Jedes Gruppenmitglied führt ein Experimentdurch, wobei darauf geachtet wird, dass je-weils nur eine Variable verändert wird.

II 123

89

10

8.2 Versuchsdurchführung und Beobachtungen:Salzlösung:– am Eisenblech bildet sich ein roter Belag– am Aluminium und Kupfer kaum wahr-

nehmbare Veränderung– am verzinkten Eisenblech keine Verände-

rungdestilliertes Wasser:– alle Metallbleche im destillierten Wasser

zeigen kaum VeränderungenLuft: – in den Bechergläsern ohne Wasser ist an

den Metallblechen keine Veränderung zubeobachten

I 34

26


37

8.3 Erklärung der Beobachtungen:– Korrosion ist abhängig von der Art des Me-

talls– Eisen korrodiert besonders stark, Kupfer

und Aluminium nicht– wässrige Salzlösung ist korrosionsför-

dernd– Korrosion wird als Redoxreaktion be-

schrieben:2 Fe + 3 O2 � 2 Fe2O3 (vereinfacht)

II 1.12.13.23.33.4

67

58

8.4 Begründung von Korrosionsschutzmaßnah-men:– Verzinken von Karosserien dient dem Kor-

rosionsschutz und verlängert dadurch dieNutzungsdauer des Fahrzeugs und trägt zudessen Werterhaltung bei

– Aluminium eignet sich durch seine Korro-sionsbeständigkeit (Passivierung) eben-falls zum Fahrzeugbau

– verschiedene Vor- und Nachteile für dieVerwendung von Metallen werden abgewo-gen: z.B.: Gewicht, Preis, Stabilität, Verar-beitbarkeit, Korrosionsanfälligkeit, Repa-raturfreundlichkeit, Recycling

III 1.12.3

16

25789

3

Au

fga

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