Naturwissenschaftliches Arbeiten - SINUS Bayern

Naturwissenschaftliches Arbeiten
SINUS Bayern
Natur und Technik Gymnasium Jgst. 5
Wasser als Lösungsmittel
Ausgehend von der Frage, ob sich beim Auflösen eines Zuckerwürfels in Wasser die Gesamtmasse
ändert, äußern die Schülerinnen und Schüler Vermutungen und überprüfen
diese experimentell. Zur Erklärung des Ergebnisses wird das Teilchenmodell verwendet.
Weitere Versuche, z. B. zum unterschiedlich schnellen Lösen von Farbstoffen aus Früchtetee
in kaltem und heißem Wasser, vertiefen die Modellvorstellung.
Ziele
• V1: Hypothesenbildung, Experimentieren und Protokollieren (Trennen von Beobachtung/Messung
und Auswertung/Erklärung!); Erklärung durch einfaches Teilchenmodell
(vielen Schülerinnen und Schülern schon aus der Grundschule bekannt)
• V2: zusätzlich: Anwenden und Veranschaulichen des Teilchenmodells
• V3: Kennenlernen des Kapillareffekts (als Voraussetzung für das Verständnis der
Saugwirkung von Filterpapier)
• V4: Erkennen, dass schwarze Filzstiftfarbe eine Gemisch aus verschiedenen Farbstoffen
ist. Anwenden des Teilchenmodells zur Erklärung des Trenneffekts: verschiedene
Sorten von Farbstoffteilchen (Farbstoffmolekülen), die unterschiedlich schnell mit den
Wasserteilchen mitgezogen werden
Hinweise zur Durchführung
Zeitaufwand
Im Einführungsunterricht sind 3 bis 4 Unterrichtsstunden
sinnvoll, in knapper Form lässt
sich die Unterrichtseinheit auch in einer Doppelstunde
durchführen.
Erforderliches Vorwissen
Fachlich wird kein Wissen vorausgesetzt, zum
Umgang mit den Messwerten werden Dezimalbrüche
benötigt, die den Schülerinnen und
Schülern aus der Grundschule bekannt sein
sollten. Gegebenenfalls ist eine Hilfestellung
erforderlich.
Abb. 1: Verschwindet der Zucker im Wasser?
Materialliste
V 1: Bechergläser (150 - 300 ml), Zuckerwürfel, Digitalwaagen (Genauigkeit 0,1 g)
V 2: wieder Bechergläser, Teebeutel, kaltes und heißes Wasser (ggf. Wasserkocher)
V 3: wieder Bechergläser, ausgezogene Glaspipetten, Wasser
V 4: Rundfilter; auch einige zur Herstellung der Dochte, Petrischalen, schwarze Filzstifte,
Scheren, spitze Bleistifte,
zum Trocknen der Chromatogramme: Tuch, Klammern, Schnur, Föhn
1/3

Naturwissenschaftliches Arbeiten
SINUS Bayern
Ablauf
Die Unterrichtseinheit ist für einen der ersten Experimentiernachmittage vorgesehen. Deshalb
erhalten die Schüler/innen noch viel Anleitung und Unterstützung durch die Lehrkraft.
Nach einem Lehrervortrag zum methodischen Vorgehen von Naturwissenschaftlern (Einführung
in naturwissenschaftliches Arbeiten: Fragestellung, Vermutung, Versuch/Experiment;
genaues Beschreiben, Trennung von Beobachtung/Messung und Auswertung/Erklärung)
zeigt die Lehrkraft in einem Vorversuch das Auflösen eines Zuckerwürfels in
Wasser. Die Schüler/innen formulieren ihre Beobachtungen, diese werden besprochen
und dann werden die Lernenden aufgefordert, Fragestellungen (noch keine Erklärungen!)
zu dieser Beobachtung zu entwickeln. Entweder aus dieser Diskussion oder durch die
Lehrkraft eingeworfen, stellt sich die Frage: Verringert sich die Gesamtmasse von Wasser
und Zucker, wenn der Zuckerwürfel verschwindet?
Die Schülerinnen und Schüler äußern Vermutungen und schließlich wird ein Experiment
(Versuch 1, Lösen von Zucker) geplant, mit dem die Vermutungen geprüft werden können.
Im Rahmen eines Experimentiernachmittags steht genügend Zeit zur Verfügung, sodass
die Schüler/innen zuerst in Einzel- oder Partnerarbeit eine Versuchsplanung aufstellen
und diese dann gemeinsam besprechen und bewerten können. An dieser Stelle wird
auch die Bedienung der Waagen erklärt.
Mithilfe des Arbeitsblattes (vgl. Anlage) führen die Kinder dann in Partnerarbeit selbständig
ihre Messungen durch und protokollieren die Ergebnisse. Eine gemeinsame Besprechung
der Ergebnisse hat sich als sinnvoll erwiesen.
Im anschließenden Unterrichtsgespräch werden die Beobachtungen ausgewertet. Dabei
wird zur Erklärung das Teilchenmodell eingeführt. Unter www.denken-in-modellen.de finden
sich Animationen zum Lösevorgang, die zur Veranschaulichung dienen können. Alternativ
oder zusätzlich sollten schematische Darstellungen (vgl. M2) sowie räumliche Modelle
eingesetzt werden, um die Bildung einer möglichst klaren und anschaulichen Vorstellung
zu fördern.
Um den Verteilungsvorgang sichtbar zu
machen, wird in Versuch 2 (Lösen von
Farbstoffen) der Farbstoff aus Früchtetee
gelöst. Dabei arbeiten jeweils zwei
Paare zusammen: eine Gruppe stellt im
Becherglas kaltes, die andere heißes
Wasser bereit, dann werden die Teebeutel
gleichzeitig in beide Gläser vorsichtig
eingetaucht und beobachtet. Die
deutlich sichtbaren Unterschiede im
zeitlichen Ablauf der Lösungsvorgänge
werden mit der unterschiedlichen Geschwindigkeit
der Wasserteilchen erklärt.
Abb. 2: Lösungsvorgang in kaltem und warmem Wasser
Versuch 3 (Kapillareffekt) dient als Vorversuch für die Papierchromatographie und soll
nur das Phänomen des Kapillareffekts zeigen. Auf eine ausführliche Erklärung des Effekts
wurde bisher verzichtet.
2/3

Naturwissenschaftliches Arbeiten
SINUS Bayern
Abb. 3: Der Kapillareffekt (hier mit Tinte verdeutlicht)
Abb. 4: Auftrennung der Bestandteile der Filzstiftfarbe
Versuch 4 (Untersuchung der Zusammensetzung von schwarzer Filzstiftfarbe) ist
durch das Auftreten der farbigen Ringe für die Schülerinnen und Schüler sehr motivierend
und es empfiehlt sich, genügend Papierfilter bereit zu halten. Die getrockneten Papierchromatogramme
können auf das Arbeitsblatt geklebt oder fotografiert werden. Bei der
Besprechung der Ergebnisse wird das Teilchenmodell erneut aufgegriffen und angewendet,
ohne auf Details der chromatographischen Trennung genauer einzugehen.
Anmerkungen und Erfahrungen
Es hat sich gezeigt, dass die größte Schwierigkeit das Formulieren von Beobachtungen
und Schlussfolgerungen darstellt. Hier sind Hilfestellungen erforderlich. Dies kann im
Rahmen einer Besprechung im Plenum erfolgen oder auch, indem gelungene Schülerlösungen
zu Beginn der Folgestunde auf Folie vorgestellt und besprochen werden. Das Teilchenmodell
wurde im allgemeinen gut aufgenommen, viele Lernende nannten von sich
aus bereits die Bezeichnungen „Molekül“ oder „Atom“. Als Variante können zu Beginn des
Schuljahres nur die ersten beiden Versuche durchgeführt und besprochen werden und die
Papierchromatographie später im Schuljahr zur Wiederholung, Anwendung und Vertiefung
des Teilchenmodells eingesetzt werden.
Zusammengestellt von Harald Haidl, Klenze-Gymnasium München (SINUS Bayern)
Bildnachweis: Zeichnung und Fotos H. Haidl
Anlage: Arbeitsblatt
3/3

Klasse 5....., Naturwissenschaftliches Arbeiten Name: .................................... Datum: .....................
Vorversuch:
Wasser als Lösungsmittel
Ein Zuckerwürfel wird in ein Gefäß mit Wasser gegeben.
Beobachtung: ......................................................................................................................
Versuch 1: Lösen von Zucker
Ein Zuckerwürfel (Masse: ...... g) wird in ein Gefäß mit Wasser (Masse: ...... g) gegeben.
Ändert sich dabei die Gesamtmasse? Wenn ja, um wie viel? Schreibe deine Vermutung auf:
..............................................................................................................................................
Überprüfe deine Vermutung und notiere das Ergebnis.
Beobachtungen/Messwerte: ................................................................................................
..............................................................................................................................................
Auswertung: ........................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
Versuch 2: Lösen von Farbstoffen aus Früchtetee
Früchtetee enthält farbige Stoffe, die sich in Wasser lösen. Dadurch kannst du den Lösungsvorgang
besser beobachten. Vergleicht in Gruppen das Lösungsverhalten von kaltem und
warmem Wasser. Schreibe deine Beobachtungen auf. Versuche dann, den Unterschied zu
erklären.
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
1/2

Klasse 5....., Naturwissenschaftliches Arbeiten Name: .................................... Datum: .....................
Versuch 3: Kapillareffekt
Tauche ein dünnes Glasröhrchen (eine Glaskapillare) vorsichtig einige Zentimeter tief in
Wasser. Was kannst du beobachten?
..............................................................................................................................................
Man nennt diese Erscheinung den Kapillareffekt.
Auch in Papier, besonders in Löschpapier oder in Filterpapier, befinden sich ganz kleine
Hohlräume, die zu einem Kapillareffekt führen. Deshalb saugt Papier Wasser auch nach
oben.
Versuch 4: Untersuchung der Zusammensetzung von schwarzer Filzstiftfarbe
Bohre ein Loch in die Mitte eines Rundfilters und male mit einem schwarzen Filzstift einen
Kreis um das Loch. Falte dann einen Docht aus Filterpapier, stecke ihn in das Loch des
Rundfilters und lege den Rundfilter auf die einen Zentimeter hoch mit Wasser gefüllte Petrischale.
Wenn das Wasser den äußeren Bereich des Rundfilters erreicht hat, wird der Filter
entnommen und getrocknet.
Beobachtung:
Erklärung:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2/2