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Demonstrationen zur Massenerhaltung

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Stoffe  Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche, Kalkwasser, Seifenblasenlösung, Streichhölzer
Geräte  Mehrere Kerzen, Präzisionswaage 0,01g, Trichter, Gaswaschflasche, Schlauchstücke, Wasserstrahlpumpe, Reagenzgläser - eines davon aus Quarzglas, Reagenzglashalter, Glasröhrchen, große Wanne (kleines Aquarium) mit Glasplatte, Unterlegklötze, Brenner, Luftballons, evt. Gaswägekugel und Vakuumpumpe
Sicherheit  Die Vorschriften beim Umgang mit Gasflaschen müssen beachtet werden. Auf gute Raumlüftung achten! Es muss eine Schutzbrille getragen werden! Beim Verbrennen von Streichhölzern im geschlossenen Reagenzglas kann das Glas platzen.

Schutzbrille anziehen!  Lueftungsmassnahmen erforderlich
GefährdungsBU  Experimente mit Kohlenstoffdioxid   pdf

Zum Experimentieren im eigenen Unterricht wird eine editierbare GBU benötigt.
 

 
Das Gesetz zur Erhaltung der Masse ist ein chemisches Gesetz, das schon von Antoine Lavoisier und Michail W. Lomonossow im 18. Jahrhundert aufgestellt wurde. Heute weiß man, dass die Masse geringfügig abnehmen kann, während gleichzeitig Energie nach E=mc² (Albert Einstein) freigesetzt wird, auch wenn dies bei chemischen Reaktionen noch nicht mit Waagen messbar ist. Doch soweit wollen wir zunächst nicht gehen. Die hier vorgestellten Demonstrationen eignen sich als Vorbereitung für das Thema Oxidation.
 
 
Demonstration 1   Verbrennen einer Kerze im offenen System
 
Dass bei chemischen Reaktionen nichts von der Masse der beteiligten Stoffen verloren geht, ist nicht unbedingt eine primäre Alltagserfahrung. Beim Verbrennen einer Kerze sieht man zunächst, wie das Wachs immer weniger und die Kerze "leichter" wird. Zum Einstieg in die Problematik wird eine Kerze auf eine Waage gestellt. Nun äußern die Schüler Vermutungen, wie sich die Waage verändern wird. Sie versuchen die Vermutungen zu begründen. Alternativ dazu könnte eine Kerze auf eine digitale Waage mit der Messgenauigkeit 0,001g gestellt werden.
 
 
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Wie verändert sich die Waage? Lösung: 2x klicken
 
 
Beim Verbrennen wird die Kerze leichter, dies entspricht in der Regel auch den genannten Erwartungen. Was aber wird aus der fehlenden Masse? Haben die Schüler bei den (früheren) Experimenten mit der Kerze genau aufgepasst, dann äußern sie die Vermutung, dass beim Verbrennen von Wachsdampf zunächst Ruß entsteht, der in der leuchtenden Zone zu Kohlenstoffdioxid verbrennt.
 
 
 
 
Dieses Gas kann durch das Absaugen mit einem Trichter und einer Wasserstrahlpumpe in eine Gaswaschflasche mit Kalkwasser geleitet werden, wobei eine Trübung auftritt. Doch wo kommt das Kohlenstoffdioxid normalerweise vor? Die Lehrkraft bläst durch ein Glasröhrchen ausgeatmete Luft aus der Lunge in Kalkwasser, das sich ebenfalls trübt. Beim Arbeiten mit Kalkwasser müssen Schutzbrillen und Schutzhandschuhe getragen werden!
 
Im Anschluss daran wird gezeigt, dass das Verbrennungsgas der Kerze eine feststellbare Masse besitzt. Man füllt Seifenblasen mit Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche und lässt diese an den Boden fallen. Mit etwas Fingerspitzengefühl gelingt eine weitere, wunderschöne Demonstration: Ein großer Behälter aus Glas oder aus Plexiglas, beispielsweise ein kleineres Aquarium, wird mit einer Glasplatte abgedeckt. Dann füllt man mit einem Schlauch vorsichtig Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche in den Behälter bis er ganz voll gefüllt ist. Nun zieht man die Glasplatte vorsichtig ab und stellt Seifenblasen aus Luft her, die in den Behälter "gelegt" werden. Die Seifenblasen schwimmen wie von Zauberhand abgebremst auf dem unsichtbaren (schwereren) Kohlenstoffdioxid. Der Versuch gelingt, wenn im Raum keine großen Luftbewegungen vorhanden sind (Türen und Fenster schließen, Raumlüftung ausschalten!). Die Demonstration verdeutlicht, dass das Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist und eine Masse besitzt.
 
 
 
 
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Taucht man eine Kerze in den Behälter, geht sie aus. Der gleiche Effekt kann auch dadurch verdeutlicht werden, in dem man mehrere Kerzen auf unterschiedlich hohen Treppenstufen in den mit Luft gefüllten Behälter stellt und danach das Kohlenstoffdioxid einleitet.
 
 
 
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Wir fassen zusammen: Beim Verbrennen von Kerzenwachs entsteht als Verbrennungsgas Kohlenstoffdioxid, das eine feststellbare Masse besitzt und die Verbrennung nicht mehr unterhält. Wir vermuten, dass der Großteil der beim Verbrennen der Kerze "verlorenen" Masse in dem Kohlenstoffdioxid vorhanden ist.

Variation: Bei Versuchen mit dem Vakuum müssen alle Beteiligten eine Schutzbrille tragen. Bei einer Implosion besteht Splittergefahr! Hat man eine Gaswägekugel (100ml) zur Verfügung, kann man diese mit einer Pumpe evakuieren und dann leer auf 0,01g genau wägen. Dann füllt man die Kugel mit Luft, in dem die Hähne geöffnet werden. Bei der erneuten Wägung ergibt sich die Masse von 100ml Luft. Auf diese Art und Weise lässt sich auch die Masse (und Dichte) des Kohlenstoffdioxids einigermaßen genau wägen, wenn in die evakuierte Kugel Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche eingelassen wird.
 
 
Demonstration 2  Streichhölzer verbrennen in offenem und geschlossenem System
 
Achtung: Diese Demonstration darf nur mit Reagenzgläsern aus Quarzglas und mit Schutzbrille durchgeführt werden. In einem bekannten Fall verlor eine Lehrerin ihr Augenlicht, weil das Reagenzglas platzte! Der Ballon wird vor der Durchführung des Versuchs zur Dehnung mehrmals aufgeblasen und wieder entspannt. Für exaktere Ergebnisse verwendet man zwei ineinander gestülpte Ballons.
 
 
 
 
Stülpt man den Luftballon über ein Reagenzglas, in dem sich drei Streichhölzer befinden, dann lassen sich die Verbrennungsgase beim Abbrennen der Streichhölzer auffangen und mit einer Präzisionswaage wiegen. Der Versuch wird zuerst ohne Ballon vorgeführt. Man wiegt das Reagenzglas mit den Streichhölzern vor und nach dem Abrennen der Streichhölzer. Mit einem Brenner erhitzt man das Reagenzglas, bis die Streichhölzer zünden.
 
Dann wird der Ballon auf das Reagenzglas gestülpt, so dass es dicht verschlossen ist. Wieder äußern die Schüler Vermutungen, was passieren wird, wenn jetzt Wägungen erfolgen. Wie ändert sich die Masse, wenn die Streichhölzer im Reagenzglas ohne Ballon gezündet werden und wie mit Ballon?
 
Die Ergebnisse werden diskutiert und auf mögliche Fehlerquellen untersucht. Auch wenn das geschlossene System mit Ballon nach der chemischen Reaktion seine Masse deutlich besser erhält, als das System ohne Ballon, kann es sein, dass die Waage trotz des scheinbar geschlossenen Systems immer noch eine geringere Masse anzeigt. Wo liegen die möglichen Fehler?
  • Der Ballon ist eventuell nicht hundertprozentig dicht, Gase können durch Kunststoffe diffundieren.
  • Das entstehende Gas ist sehr warm und könnte einen Auftrieb durch Wärme erzeugen.
  • Ist das Reagenzglas vorher fettig oder feucht, verdampft durch das Erhitzen die Feuchtigkeit oder das Fett. Dies führt ebenfalls zu einer Massenabnahme.
 
Ausblick: Die genauen Vorgänge bei einer Verbrennung erschließen sich erst beim Thema Oxidation. Die Fragestellung, was mit der Masse passiert, wird dort nochmals aufgegriffen. Führt man das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse (Proust) und das Volumengesetz von Gay-Lussac mit Hilfe von Knallgasreaktionen in Eudiometern ein, dann sollte das Gesetz der Massenerhaltung auf jeden Fall bekannt sein.
 
 
Copyright: T. Seilnacht