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Unterrichtsinhalte  (Beispiel)

Leistungsbewertung (mit Beispielen zu schriftlichen Arbeiten)

Unterrichtsinhalte

Der vorgestellte dreistündige Kurs stellt eine Kombination der Fächer Chemie und Physik dar. Die Wahl der Gegenstände begründet sich darin, dass hier Bereiche behandelt werden, die im Fachunterricht (erstes bzw. zweites und drittes Jahr) nur knapp angesprochen werden, Ergänzungen darstellen und fächerübegreifenden bzw. fächerverbindenden Charakter haben. Die Reihenfolge ist nicht als zwingend zu verstehen. Eine Umstellung ist dann notwendig, wenn auf Grundlagen der Fächer, die im Klassenverband unterrichtet werden, zurückgegriffen werden muss.

1. Untersuchung und Trennung von Stoffen:

• Bestimmung physikalischer Größen
  (Schmelzpunkte, Siedepunkte, Dichten, Löslichkeiten)
• Destillation verschiedener Gemische (z.B. alkoholische Getränke)
• Extraktionsverfahren:
  - Fette aus Lebensmitteln (z.B. Kokosflocken)
  - Farbstoffe aus Pflanzen (z.B. Blattfarbstoffe, Rotkohl)
• Papier- bzw. Dünnschichtchromatographie von Farbstoffgemischen
  (z.B. Chlorophyll, Lebensmittelfarbstoffe)
• Auskristallisieren, Züchtung von Kristallen
• Technisch wichtige Verfahren:
  - Zucker aus Zuckerrüben (Arbeitsblatt)
  - Stärke aus Kartoffeln (Arbeitsblatt)
  - Kochsalz aus Rohsalz
  - fraktionierte Destillation von Erdöl

2. Grundgesetze und deren Anwendung:

• Ergänzende Versuche zu den chemischen Grundgesetzen:
  Gesetze der konstanten und multiplen Proportionen
• Bestimmung der Avogadrozahl (Öltropfenversuch)
• Die Gasgesetze und ihre Bedeutung in Chemie und Physik
  - Boyle-Mariotte, Gay-Lussac, Allgemeine Gasgleichung
  - Anwendung in der Wetterkunde:
    Luftdruck und Wettergeschehen, Wetterkarten

3. Der Einsatz des Computers:

Hier können z.B. die integrierten Programmpakete WORKS oder OFFICE zum Einsatz kommen.
Die Behandlung dieses Themas sollte nicht als Block, sondern an verschiedenen Stellen im Kurs erfolgen.

• Erstellen von Versuchsprotokollen mit einer Textverarbeitung
• Erfassen und Auswerten von Messwerten und deren grafische Darstellung
  mit Hilfe einer Tabellenkalkulation
• Erstellen von stoffbezogenen Dateien und Arbeiten damit
  mit Hilfe eines Datenbank
• Präsentation von abgeschlossenen Themen (z.B. mit POWER POINT)
• Recherchen im Internet

4. Energiegewinnung und Energieverwertung:

• Fossile Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas)
  Verkokung, Holzkohle
  Kohlevergasung, Kohlehydrierung, Kohleverflüssigung
  Bestimmung von Heizwerten (vergleiche Energetik S II)
  Heizungsanlagen
  Wärmekraftwerke
  Kraft-Wärme-Kopplung
  Abluftreinigung (Entschwefelung, Entstickung)
• Herstellung und Untersuchung von Biogas, Biogasreaktor
• Kernenergie und Kernkraftwerke
  Vergleich mit konventionellen Kraftwerken
• Motorkunde (Otto- und Dieselmotor)
  Getriebe und Kraftübertragung
  Abgaskatalysator
• Regenerative Energien (Wasser, Wind, Geothermie, Sonnenkollektoren)
• Elektrochemische Energiegewinnung und Energiespeicherung
• Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen
• Photovoltaik und Solarzellen

5. Werkstoffe:

• Metalle:
  - Herstellung wichtiger Gebrauchsmetalle aus Verbindungen
    (Aluminium, Eisen, Blei, Kupfer, Zink)
  - Eigenschaften von Metallen, wichtige Verbindungen (Legierungen)
  - Erze, Hochofenprozess, Stahlerzeugung
  - Geschichte der Metalle
  - Korrosion und Korrosionsschutz
• Baustoffe:
  - technischer Kreislauf des Kalks
  - Herstellung von Kalkmörtel und Zementmörtel
  - Gips
• Glas:
  - Versuche mit Wasserglas
  - Herstellung von Gläsern
  - Verarbeitung, Verwendung und Recycling
• Kunststoffe:
  - Untersuchung von Kunststoffen
  - Einsatz von Kunststoffen
  - Kunststoffherstellung und Recycling

6. Umweltbereich Wasser:

• Nachweis wichtiger Inhaltsstoffe und Verunreinigungen
  qualitative und quantitative Untersuchungen mit Teststäbchen, Reagenziensätzen (vergleiche Analytik S II)
• Trinkwassergewinnung und Abwasserreinigung
• Untersuchung von Mineralwasser

7. Photographie und reprographische Methoden:

• physikalische Grundlagen aus der Optik, Gerätetechnik
• chemische Grundlagen:
  - Herstellung von lichtempfindlichen Schichten
  - Entwickler und Fixierbäder
  - Dunkelkammertechnik
• Kopier- und Druckverfahren

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Leistungsbewertung

Kursarbeiten:

Im Differenzierungsbereich können  pro Halbjahr zwei ein- bis zweistündige Kursarbeiten geschrieben werden. In der Regel dürften diese Arbeiten aus schulorganisatorischen Gründen einstündig sein. Statt der 2. Kursarbeit im Halbjahr kann eine andere Form der schriftlichen Leistungsüberprüfung gewählt werden (z.B. Facharbeit, Dokumentation).

Anforderungsbereiche der Kursarbeiten:
Im Unterricht behandelte Sachverhalte, Arbeitstechniken und Verfahrensweisen sollten in angemessener Form wiedergegeben werden können.
Aus dem Unterricht bekannte Sachverhalte, Arbeitstechniken und Verfahrensweisen sollten auf
ähnliche und vergleichbare Fragestellungen angewendet werden können.
Beispiele:
Ein bereits durchgeführter Versuch soll beschrieben und die bekannten Ergebnisse sollen erläutert werden.
Eine fachspezifische Vorgabe (z.B. Messreihe) soll nach einer den Schülern bekannten Methode ausgewertet werden.

>>> Beispiele

Andere Formen der schriftlichen Leistungsüberprüfung als Ersatz einer Kursarbeit:
Hier kann z.B. ein im Unterricht über mehrere Stunden behandeltes Thema noch einmal unter ganz bestimmen Fragestellungen zusammenhängend dargelegt werden.
Es kann auch ein im Unterricht nur knapp eingeführtes Thema selbstständig auf Grundlage vorgegebener oder selbst zu beschaffender Materialien und eingeübter Arbeitstechniken erarbeitet werden, vergleichbar einem Referat.
Es könnte auch eine ausführliche Dokumentation eines Themas über eine Internetrecherche erstellt werden.
Bei allen Formen solcher Leistungsüberprüfungen muss aber der individuelle Charakter deutlich werden.

Bewertet wird bei den schriftlichen Leistungsüberprüfungen nicht nur die sachliche Richtigkeit sondern auch das Darstellungsvermögen unter Berücksichtigung der allgemeinsprachlichen Richtigkeit.

Sonstige Mitarbeit:

Hier gelten die allgemeinen Kriterien der Leistungsbewertung.

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Aufgabenbeispiele zu schriftlichen Kursarbeiten

1. Beispiel: 

Eine Mischung aus Wasser und Alkohol soll weitgehend in die reinen Stoffe getrennt werden.

1. Fertige eine beschriftete Skizze der Versuchsapparatur an.
2. Beschreibe die Versuchsdurchführung.
3. Erkläre, aufgrund welcher Stoffeigenschaften die Trennung funktioniert.
4. Lege dar, ob eine vollständige Trennung des Gemischs möglich ist.
4. Wie könnte man in Abänderung der verwendeten Versuchsapparatur
    den Siedepunkt des reinen Alkohols bestimmen?

2. Beispiel: 

Gegeben ist folgende Messreihe, die beim Erwärmen von Fixiersalz aufgenommen wurde:

1. Trage die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit grafisch auf und
    beschreibe den erhaltenen Graphen.
2. Gebe begründet an, welchen Schmelzpunkt Fixiersalz hat.
3. Gebe im erstellten Diagramm an, wo der feste und flüssige Aggregatzustand
    vorliegen.
4. Beschreibe die Versuchsdurchführung mit Versuchsskizze, die zu der gegebenen
    Messreihe führt.
5. Die Löslichkeit von Fixiersalz beträgt bei 20 ^oC  70 g in 100 g Wasser.
    Wie kann man die Löslichkeit experimentell bestimmen?
    Wie viel g Fixiersalz und Wasser sind in 750 g einer Lösung mit einem
    Massenanteil von 10 %?

3. Beispiel:

Ein wasserunlösliches Farbstoffgemisch aus drei Farbstoffen (rot, gelb, grün) soll mit Hilfe der Dünnschichtchromatographie getrennt werden. Als Laufmittel wird ein Gemisch aus Benzin und Toluol verwendet.
Die Rf-Werte betragen:
Rf₁ = 0,5 (roter Farbstoff)
Rf₂ = 0,3 (gelber Farbstoff)
Rf₃ = 0,8 (grüner Farbstoff)

1. Skizziere den Versuchsaufbau und beschreibe die Versuchsdurchführung.
2. Zeichne das bei dem Versuch erhaltene Chromatogramm möglichst genau. Begründe dieses über die vorgegebenen Rf-Werte.
3. Erkläre die Funktionsweise der Dünnschichtchromatographie.

4. Beispiel:

Es sollen 30 g Eisensulfid (FeS) aus den Elementen hergestellt werden.
Atommassen:    m(Fe) = 55,9 u    m(S) = 32,1 u

1. Beschreibe die Versuchsdurchführung dieser Synthese.
2. Welche Masse Eisen muss abgewogen werden und welche Masse Schwefel ist mindestens notwendig?
   Führe die Berechnungen unter Anwendung des Gesetzes der konstanten Massenverhältnisse durch und erkläre diese.
3. Warum ist es besser, etwas mehr Schwefel als die Mindestmasse einzusetzen?

Lösung zu 2.:  m(Fe) = 19,05 g      m(S) = 10,95 g

5. Beispiel: 

In Anlage befinden sich europäische Wetterkarten vom 20. und 21.04.1999.

1. Beschreibe für beide Tage die Lage von Tief- und Hochdruckgebieten.
    Wie haben sich die Druckgebiete verlagert?
2. Beschreibe für beide Tage die Lage der Wetterfronten (Kalt-, Warmfronten,
    Okklusionen) und gebe an, wie sich die Fronten verändert haben.
3. Ermittle für die Städte London, Paris, Köln und Rom für beide Tage Luftdruck,
    Temperatur, Windstärken (m/s), Windrichtung Bedeckungsgrad und Niederschläge.
4. Beschreibe den Verlauf der Isobare 1000 hPa für den zweiten Tag.
5. Gebe begründet an, wie sich das Wetter für den 22.04.1999 für den Ort Köln
    in etwa verändern könnte.

6. Beispiel:

In einer Heizungsanlage (Ölbetrieb) mit einem Wirkungsgrad von 80 % sollen 300 L Wasser im Wärmespeicher von 20 auf 70 ^oC erwärmt werden. 

1. Welche Masse an  Heizöl ist für die Erwärmung notwendig und was kostet diese Erwärmung?
2. Wie könnte man den Heizwert von Heizöl experimentell bestimmen? Gebe hiefür eine geeignete Versuchsapparatur (Skizze) an und beschreibe die Durchführung.
3. Beschreibe und erkläre die Funktionsweise eines Ölbrenners und erläutere, wie die Verbrennungswärme zur Wasseraufbereitung im Wärmespeicher übertragen wird.

Angaben:
Heizwert von Heizöl = 42700 kJ/Kg
Preis von Heizöl = 0,5 €/kg
spezifische Wärmekapazität von Wasser = 4,19 kJ/(kg*K)

Lösung zu 1.: 
Wärmemenge:  W = 75420 kJ      Masse Heizöl: m = 1,77 kg        Preis = 0,88 €

7. Beispiel: 

Aus der Abbildung ist der Aufbau eines Viertaktmotors zu sehen (Benzinmotor, Zündfolge 1-3-4-2).

1. Erkläre mit Skizze den durchgeführten Modellversuch zum Verbrennungsmotor.
2. Erkläre die grundsätzliche Funktionsweise eines Viertaktmotors und die
    Kraftübertragung auf das Schwungrad.
3. Lege für den abgebildeten Motor dar, welche Arbeitstakte die anderen Zylinder
    ausführen, wenn Zylinder 1 gezündet wird.
4. Erkläre mit den entsprechenden Fachbegriffen, wie bei dem abgebildeten Motor
    die Ventilsteuerung funktioniert.
5. Für den Betrieb des Motors benötigt man Superbenzin mit einer Octanzahl >95 .
    Was versteht man unter der Octanzahl und warum ist dieses Benzin notwendig?

8. Beispiel:

Ein geothermisches Heizwerk fördert stündlich 200 m³ Wasser mit einer Temperatur von 80 ^oC aus 1000 m Tiefe nach dem Hot-Dry-Rock-Verfahren. Nach Übergabe an einen Wärmeaustauscher ist das Wasser auf 40 ^oC abgekühlt.

1. Erkläre das Hot-Dry-Rock-Verfahren.
2. Berechne die thermische Leistung des Kraftwerks und die jährlich abgegebene Energie.
3. Ein Haushalt verbraucht jährlich durchschnittlich 3000 kg Heizöl. Wie viele dieser Haushalte könnte man mit dem geothermischen Heizwerk heizen?

Angaben:    c (Wasser) = 4,19 kJ/(kg*K)        Heizwert (Heizöl) = 41000 kJ/kg

Lösung zu 2.:     Leistung:  P = 9,3 MW      Energie: W = 2,9364 * 10⁸ MJ
Lösung zu 3.:     2387 Haushalte

9. Beispiel:

50 g einer Bodenprobe werden mit verdünnter Salzsäure im Überschuss versetzt.
Man erhält ein Gasvolumen von 360 ml.

1. Welche chemische Reaktion läuft beim Versetzen mit Salzsäure ab?
    Gebe hierzu auch die Reaktionsgleichung an.
2. Berechne den Massenanteil von Kalk in der Bodenprobe und begründe
    alle Rechenschritte.
3. Beschreibe und erkläre mit allen Reaktionen den technischen Kreislauf
    des Kalks und gebe an, welche Bedeutung Kalk als Baustoff hat.

Angaben:
m (Ca) = 40 u      m (C) = 12 u      m (O) = 16 u     V_m (Gas) = 24 L/mol  (20 ^oC)

Lösung zu 2.:     Massenanteil = 3 %

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Extraktion von Pflanzenfett

Ein großes Reagenzglas wird etwa 4 cm hoch mit Kokosflocken oder Kokosraspeln gefüllt. Diese Portion ist vorher genau abzuwiegen. In dem Reagenzglas werden die Kokosflocken mit Leichtbenzin übergossen, wobei das Benzin etwa 1 cm über den Flocken stehen soll. Das Reagenzglas wird in einem Wasserbad (Temperatur ca. 60 ^oC) mehrere Minuten unter Schütteln erwärmt.
Danach wird die Lösung abfiltriert. Das Filtrat wird auf eine Glasschale gegossen, die zuvor gewogen wurde. Man lässt das Benzin im Freien verdunsten und wiegt danach die Glasschale mit dem Rückstand.

Auswertung: Der Massenanteil von Fett in den Kokosflocken soll berechnet werden.

Frage: Wie könnte man den Versuch abändern, um die Ausbeute von Fett zu erhöhen und das Benzin wiederzugewinnen?

Sicherheitshinweise: Das Benzin ist leichtentzündlich. Daher sind offene Flammen und Zündquellen unbedingt zu vermeiden!

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Trennung von Blattfarbstoffen

Gewinnung der Farbstofflösung:
Grüne Blätter, die man zuvor im Dunkeln leicht getrocknet hat, werden zerkleinert und mit einer Spatelspitze Quarzsand und Calciumcarbonat in einem Mörser zerrieben. Das Gemisch gibt man in einen Erlenmeyerkolben (100 mL). Nach Zugabe von 30 mL Aceton wird der Kolben mit einem Stopfen verschlossen und der Inhalt ca. 5 Minuten geschüttelt. Die Lösung wird abfiltriert und in einer braunen Flasche aufbewahrt.

Trennung des Farbstoffgemischs:
Das Farbstoffgemisch wird mit Hilfe der Papierchromatographie und der Dünnschichtchromatographie (DC) getrennt.
Ein Tropfen der Farbstofflösung wird mit einer Mikropipette jeweils auf der Startlinie aufgetragen und leicht angetrocknet.

Laufmittel für die Papierchromatographie: Gemisch aus 10 mL Benzin, 2 mL Petrolether, 2 mL Aceton

Laufmittel für die Dünnschichtchromatographie: Gemisch aus 5 mL Benzin, 5 mL Petrolether, 1 mL 2-Propanol

Sicherheitshinweise: Die Lösungsmittel sind leichtentzündlich. Daher sind offene Flammen und Zündquellen unbedingt zu vermeiden!

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