Klebstoffe - Eine Unterrichtseinheit für den Anfangsunterricht Chemie - Dr. Erhard Irmer Otto-Hahn-Gymnasium Göttingen [email protected] Otterndorf 20.

Klebstoffe- Eine Unterrichtseinheit für

den Anfangsunterricht Chemie -

Dr. Erhard IrmerOtto-Hahn-Gymnasium Gö[email protected]

Otterndorf 20. Februar 2008

Übersicht

Vortrag „Klebstoffe im Anfangsunterricht Chemie“

- Die Situation des Anfangsunterrichts Chemie- Klebstoffe – ein Thema für den Anfangsunterricht

Chemie?- Abriss des Unterrichtsganges- Fazit: Klebstoffe – ein Thema für den

Anfangsunterricht Chemie!

KaffeepauseExperimentiermöglichkeit an StationenAbschlussdiskussion

Die Situation des Anfangsunterrichts Chemie in

NiedersachsenCurriculare Vorgaben für die Kl. 5-6:

Themenbereiche Chemie Feuer Luft Wasser

Rahmenrichtlinienempfehlungen Kl. 7-10 für Klasse 7 (1 Jahreswochenstunde): Stoffe aus phänomenologischer Sicht

- Identifizieren von Stoffen- Gefahren beim Umgang mit Stoffen- Trennen von Stoffgemischen- Klassifizieren von Stoffen

Die Situation des Anfangsunterrichts Chemie in

Niedersachsen

Kerncurriculum für Kl. 5-10:

- Kl. 5/6: Stoffe besitzen typische Eigenschaften, Stoffeigenschaften bestimmen ihre Verwendung, Stoffe kommen in verschiedenen Aggregatzuständen vor, Trennverfahren

- Kl. 7/8: Nachweise, Teilchenmodell, Struktur-Eigenschaftsbeziehung, Chemische Reaktionen, Energiegehalt von chemischen Systemen …

Forderungen an einen Anfangsunterricht Chemie

• Experimentelle Ausrichtung• Phänomennähe• Alltagsnähe• Größere Themenkomplexe in den

Blick nehmen• Neu: Kompetenzorientierung

sollte deutlich werden:Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Bewertung, Kommunikation

Klebstoffe – ein Thema für den Anfangsunterricht?

In Schulbüchern der Sek I - wenn überhaupt - dann zumeist im Kap. Kunststoffe (Organische Chemie, Kl. 11); sonst Sek II

Fachzeitschriften H. Brinkmann, Klebstoffe im Unterricht, PdN-Ch. 7/38

(1989), S.13-18 – Themenheft „Klebstoffe“

Th. Freiman, Kleben und Klebstoffe im Chemieunterricht, Unterricht Chemie 80/15 (2004), S. 10-13 – Themenheft „Kleben und Verbinden“

G. Wagner, R. Zajutro, Schulexperimente zur Herstellung von Klebstoffen, ebd. S. 14-19

E. Schuhmacher, Kleben – bärenstark!, ebd. S. 20-23 Kunststoffe Kölner Modell

Schülerlabor Uni Bremen, Skript „Klebstoffe“ http://www.chemie.uni-bremen.de/woehrle/Schuelerlabor-Klebstoffe.pdf

Abriss der UE „Klebstoffe“

Stärkekleister selbst gemacht

Wie klebt ein Kleber?

Die Rolle des Lösemittels Stärke aus Kartoffeln

Versuche zu Adhäsion und Kohäsion

- Styroporkleber- Welche Lösemittel sind geeignet? - Was geschieht mit dem Lösemittel beim Aushärten?- Warum härten manche Kleber schneller aus als andere?

- Wo kommt Stärke vor? - Stärkegewinnung aus der Kartoffel - Stärkeprodukte als Kunststoffersatz

Thermisch aushärtende Klebstoffe

- Schmelzkurve von Kerzenwachs- Aggregatzustände und ihre Übergänge im Teilchenmodell

• Laborführerschein (Verhalten im Chemieunterricht, Geräte, Gefahrstoffsymbole, Gasbrenner, Wasser kochen im Reagenzglas, Genauigkeit von Volumenmessgeräten)

• Kleber aus Kartoffelstärke?Aufgabe: Aus dem weißen Kartoffelmehl soll ein Kleber hergestellt werden, keine Anleitung, selbst ausprobieren

Kleber muss erst flüssig sein, „klebrige“, zähflüssige Konsistenz

Stoffe alltagsmäßig beschreiben (Farbe, Aggregatzustand, Konsistenz)

Einstiegsphase

Station

Versuche zur Klebewirkung

• „Wasser klebt!“ Versuche zur Klebewirkung verschiedener Flüssigkeiten auf Glasplatten(Untersuchung der Zug- und Scherfestigkeit mit Wasser, Spiritus, Speiseöl, Honig …)

• Tropfenformen von Flüssigkeiten (Tropfen von Wasser, Spiritus, Benzin, Speiseöl, Honig auf Objektträgern)

• Viskositätsmessungen(Austropfzeiten verschiedener Flüssigkeiten aus Pasteurpipetten)

• Kleben mit Heißklebesticks(Heißklebesticks über der Brennerflamme schmelzen, damit kleben)

Station

Modellvorstellung zur Klebewirkung

Adhäsion & Kohäsion

Adhäsion Kraft, die zwei

verschiedene Stoffe zusammenhält

Kohäsion

Zusammenhaltkraft innerhalb ein und desselben Stoffes

Material 1

Material 2

Klebstoff

Versuche zur Klebewirkung?

Speiseöl Wasser

Tropfenformen

Starke Kohäsion / schwache Adhäsion

Schwache Kohäsion / starke Adhäsion

Modellvorstellung zur Klebewirkung

Ein guter Kleber zeigt:

starke Adhäsion / schwache Kohäsion

beim Auftragen

Ausbildung starker Kohäsion beim

Aushärten

Material 1

Material 2

Klebstoff

Wie kann ein Stoff seine Kohäsion verändern?

als Leitfrage• Beobachtung 1: Verflüssigen

durch Erwärmen / Härten durch Abkühlen (z.B. Heißkleber)

• Beobachtung 2: Es gibt viele Kleber, die nicht erwärmt oder abgekühlt werden müssen (z.B. Alleskleber, Klebestifte, Tesafilm, …)

Die Rolle des Lösemittels

Der „Styroporkleber“Styroporstückchen in

Nagellackentferner lösen(Aceton oder

Essigsäureethylester)

Beobachtungen beim Stehenlassen:Die Masse wird zähflüssiger, „klebrig“ (Kohäsion nimmt zu)

Klebeprobe positiv

Station

Löslichkeitsversuche

• Welche Lösemittel sind geeignet, um Styropor zu lösen?SV: Überprüfen der Löslichkeit von Styropor in verschiedenen Flüssigkeiten (experimentelle H.A.)

• Gibt es Löslichkeitsregeln?SV: Welche Flüssigkeiten lösen sich ineinander? Wasserfreundliche und fettfreundliche Lösemittel (Wasser, Alkohol, Speiseöl, Benzin)Einordnung von Aceton und Essigsäureethylester in die Löslichkeitsreihe:Wasser Alkohol Aceton Essigsäureethylester Speiseöl Benzin

Löslichkeitsversuche

Anwendung der Kenntnisse über Löslichkeit

Auswaschbarkeit von Klebern auf Basis verschiedener Lösemittel:

„Lösungsmittelfreier“ Alleskleber (wasserhaltig)

mit Wasser und Seife auswaschbar

„UHU® Flinke Flasche “ (aceton-/alkoholhaltig)

bei 60° C auswaschbar

„UHU® Alleskleber Kraft“ (essigsäureethylesterhaltig)

nicht mit Wasser auswaschbar, Reinigungsbenzin

Was geschieht mit dem Lösemittel beim Aushärten?

Theorien: Lösemittel verbindet sich mit dem Kunststoff Lösemittel verdunstet

Überprüfung: Massenveränderung beim Aushärten eines Klebers

Was geschieht mit dem Lösemittel beim Aushärten?

Massenveränderung beim Aushärten eines Allesklebers

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Zeit t [min]

Mas

sen

abn

ahm

e [m

g]

m0 = 1140 mg

• Warum härten manche Kleber schneller aus als andere (z.B. acetonhaltige im Vergleich zu wasserhaltigen Klebern)?

Beschleunigung des Prozesses durch Erwärmen der reinen Lösemittel Wasser, Benzin, Aceton / EssigsäureethylesterBeobachten des Siedevorganges

• Temperaturkontrolle beim Sieden:Aufnahme einer Siedekurve der reinen Lösemittel

Siedeeigenschaften von Lösemitteln

Station

Destillation des Lösemittels• Wie kann man das Lösemittel

aus einem Kleber wiedergewinnen?Kondensieren des verdampften Lösemittels

SV:

100

80

20

40

60

0

AUS

AN

LaboBib©

200

250 mL

50

100

150200

250 mL

50

100

150

Wasserbad

KlebstoffEisbad

Station

Am Bsp. Wasser: Aggregatzustände und ihre Übergänge

Schmelz- und Erstarrungskurve von Kerzenwachs (geraspeltes Teelichtwachs)

Modellvorstellung zur Kohäsion: KugelteilchenmodellAggregatzustände und –übergänge im Teilchenmodell

Anwendung des Teilchenmodells auf die Vorgänge beim Lösen eines Stoffes und beim Verdunsten eines Lösemittels

Aggregatzustände und Teilchenmodell

Station

Kleber aus Naturstoffen: Stärke

• Wo kommt Stärke vor?Wie kann man nachweisen, dass es sich bei einem weißen Pulver um Stärke handelt?(Wdh. des bisher Erarbeiteten: stoffartkennzeichnende Eigenschaften, Löslichkeit, Verhalten beim Erhitzen …)

• Stärkenachweis mit Iodlösung (Betaisodona®-Lösung aus der Apotheke)

Überprüfung verschiedener Lebensmittel auf Stärke

Stärkegewinnung aus der Kartoffel

• Wie bekommt man die Stärke aus der Kartoffel?

Keine Anleitung, SuS probieren selbst aus

Einhilfen:Wo befindet sich die Stärke in der Kartoffel?Nachweis mit Iod, ggf. Mikroskopie Stärke ist verteilt in kleinen „Körnern“ über das ganze Fruchtfleisch der Kartoffel, nicht in der Schale

Wie ist das Lösungsverhalten der Stärke und das Verhalten beim Erhitzen? (vgl. Stärkekleister):in der Kälte ist Stärke schlecht wasserlöslich, beim Erwärmen „verklebt“ sie

Station

Stärkegewinnung aus der Kartoffel

• Entwicklung einer Strategie zur Stärkegewinnung:- Kartoffeln schälen- Reiben- Auspressen- Absetzenlassen der unlöslichen Stärke- Dekantieren- Ggf. Waschen der Stärke- Verdunstenlassen des Lösemittels Wasser

FazitViele Lernziele der RRL und des Kerncurriculums lassen sich abdecken Modularer Aufbau ermöglicht es einzelne Teile zu verwendenEinsatz in AG‘s und im WahlpflichtunterrichtAlltagsbezugVielseitige Möglichkeiten für SchülerversucheProblemorientierte Arbeitsphasen sind möglichLeichter Zugang zur Teilchenebene über den KohäsionsbegriffMotivierende Thematik

Klebstoffe: ein Thema für den Anfangsunterricht Chemie !!

E. Irmer, „Klebstoffe – Ein Thema für den Chemieunterricht in Klasse 7“, in: MNU 60/1 (2007), S. 36-42

Wilhelm Busch, Die fromme Helene

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

Zu Risiken und Nebenwirkungen …