Diese Unterrichtseinheit dient der Einführung in das Thema Elektropneumatik. Voraussetzung sind Kenntnisse zur Funktion pneumatischer Komponenten. Das Thema wird fortgesetzt mit dem Modul zur Prüfungsvorbereitung für Industriemechaniker, Elektropneumatik II.Pneumatische Steuerungen sind heute Kernelemente der modernen Technik. Pneumatische Zylinder bewegen Werkstücke, nehmen Lasten auf, positionieren Komponenten, verschrauben PKW-Reifen, spannen Bauteile, heben Blechtafel an und so weiter. Im Bereich der Fördertechnik, der Handhabungstechnik, der Fertigungstechnik, der Montage, allgemein in automatisierten Anlagen sind sie überall anzutreffen. In der Ausbildung zur Industriemechanikerin / zum Industriemechaniker hat die Elektropneumatik deshalb einen besondere Stellenwert. Die Unterrichtsmaterialien dienen zur Einführung in das Themengebiet Elektropneumatik. Dazu stehen hier umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit.Die hier vorgestellte Unterrichtssequenz dient der Ausbildung von Industriemechanikerinnen und Industriemechanikern im ersten beziehungsweise zweiten Ausbildungsjahr. Voraussetzung sind Kenntnisse zur Funktion pneumatischer Komponenten. Verwendung finden können die Unterlagen auch in Berufsfachschulen und anderen industriellen und handwerklichen Ausbildungsberufen. Ablauf der Unterrichtssequenz und Arbeitsmaterialien Die Unterrichtsmaterialien dienen zur Einführung in das Themengebiet Elektropneumatik. Dazu stehen hier umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für komplexe elektropneumatische Anlagen entwickeln. elektropneumatische Schaltungen anhand der Lernsituationen entwerfen. schaltungstechnische Unterlagen wie Stromlaufplan, Pneumatikplan, Funktionsdiagramm, Wertetabelle, Funktionsplan nach Grafcet lesen und erstellen. Fehler in Anlagen eingrenzen und beheben. die Eigenschaften wichtiger elektropneumatische Komponenten kennen lernen. elektropneumatische Bauteile auswählen und funktionsgerecht montieren. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Lösungen mit modernen Medien präsentieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen entwickeln und technisch realisieren. Die Aufgaben werden in der Regel in Kleingruppen, bei umfangreicheren Aufgabenstellungen auch in Vierergruppen bearbeitet. Die Funktionskontrolle an den Pneumatikständen sowie der Aufbau der Schaltungen findet in Zweiergruppen statt. Die Aufgaben/Lernsituationen zu den einzelnen Steuerungen werden im Plenum oder in Vierergruppen besprochen. In den ersten Stunden werden die Bedeutung der Elektropneumatik erarbeitet und erste Schaltpläne zur Steuerung von Leuchten und Zylindern entwickelt. Zur Erläuterung der Lernsituationen sind animierte Funktionsabläufe beigefügt. Im Unterricht werden Fragen bearbeitet, Stromlaufpläne und Funktionspläne nach Grafcet erstellt, Funktionsdiagramme entwickelt und Stücklisten erstellt. Die Schaltungen werden jeweils praktisch installiert. Mit der Software FluidSim lassen sich alle vorgestellten Steuerung simulieren. Als Lernsituationen sollen Steuerungen für eine Spannvorrichtung und für den Betrieb eines Werkstückmagazins und die zugehörigen Unterlagen entwickelt werden. Notwendigkeit zur Einführung von Relais, Funktionsweise von Relais, Bezeichnungen Aufgaben zur indirekten Steuerung von Zylindern Oszillierende Bewegungsabläufe Einführung von berührungslosen Sensoren Betriebsverhalten von berührungslosen Sensoren Verknüpfungen von Signalen Klassenarbeit Dominierende Signale Lernsituationen mit Selbsthaltungen UND - ODER - NICHT Funktionspläne, Funktionsdiagramme, Wertetabellen zu den Steuerungen Betriebsverhalten von Relais und Zeitrelais: Versuche Lernsituationen mit Anwendungen Animationen zur Unterstützung der Aufgabenstellungen

Dieser Grundlagenkurs befasst sich mit den grundlegenden Bedingungen der pneumatischen Steuerungstechnik. Es werden die einzelnen Komponenten und deren Verhalten, das Medium Druckluft, die Erzeugung der Druckluft und die besonderen Verhaltensmerkmale im pneumatischen System betrachtet.In diesem Zusammenhang werden die notwendigen schaltungstechnischen Unterlagen für pneumatische Steuerungen der Pneumatikschaltplan, das Funktionsdiagramm, die notwendigen Wertetabellen, der Funktionsplan nach Grafcet (PAL-Nähe), Stückliste und Funktionsbeschreibung in der Regel für die Steuerung eines Zylinders erstellt. Bearbeitet werden zudem verschiedene Verknüpfungsarten, beispielsweise "ODER" und "UND", verschiedenen Steuerungsarten wie Sicherheitssteuerung, zeitabhängige Steuerung, Einzelbetrieb, Dauerbetrieb, Verriegelung von Signalen, und vieles mehr. Zudem werden verschiedene Sensoren vorgestellt und getestet.Lehrkräfte können diesen Grundlagenkurs im Rahmen der Ausbildung in metallischen Ausbildungsberufen des Handwerks und der Industrie gezielt einsetzen. Er wurde entwickelt für die Ausbildung von Industriemechanikern im 1. Ausbildungsjahr als Grundlage für die Vorbereitung auf die Abschlussprüfung Teil 1. Die Unterlagen können aber auch in Berufsfachschulen und anderen industriellen und handwerklichen Ausbildungsberufen verwendet werden. Ablauf der Unterrichtssequenz und Arbeitsmaterialien Die Unterrichtsmaterialien dienen zur Einführung in das Themengebiet pneumatische Steuerungstechnik. Dazu stehen umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die pneumatischen Anlagen und Komponenten entwickeln. pneumatische Schaltungen anhand der Lernsituationen entwerfen können. schaltungstechnische Unterlagen wie Pneumatikschaltplan, Funktionsdiagramm, Wertetabelle und Funktionsplan nach Grafcet erstellen können. Fehler in Anlagen eingrenzen und beheben können. die Eigenschaften wichtiger pneumatischer Komponenten kennen lernen. pneumatische Bauteile auswählen und funktionsgerecht montieren können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Lösungen mit modernen Medien präsentieren können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen entwickeln und technisch realisieren können. Zum Einstieg in das Thema werden verschiedene Beispiele für das Handling pneumatischer Aktoren vorgestellt. Anlagen mit pneumatischen Komponenten sind im Film der Firma Festo und in verschieden Videos aus dem Internet zu sehen. Hinzu kommt die Vorstellung pneumatischer Aktoren aus der eigenen Sammlung der Schule (reale Komponenten). Die Ausbildungsbetriebe sind uns in diesem Zusammenhang immer gerne behilflich gewesen. Komponenten Themen dieser beiden Stunden sind die Aufgabe und Funktion der Komponenten einer pneumatischen Anlage (Darstellungen in vielen Fachbüchern. Beispiel: "Bildliche Darstellung und Schaltplan einer Pneumatikanlagen" in Fachkunde Metall, Europa-Lehrmittel, 55. Auflage, Seite 470, Bild 1). Dazu kann das Arbeitsblatt des Verlags (CD mit Abbildungen wird mitgeliefert) genutzt werden. Aus Urheberschutzgründen werden Verlagsarbeitsblätter hier nicht veröffentlicht. Die Komponentenbeschreibung ist im genannten Fachbuch recht ausführlich. Inhalte können beispielweise mit der Methode Expertengespräch aufgearbeitet werden. Erstellung einer ersten Steuerung Auf Grundlage der zuvor betrachteten Steuerung werden die abgebildeten Bauteile von den Auszubildenden an ihren Arbeitsplätzen montiert. Zuvor werden Sicherheitshinweise für die Arbeit an den Schülerarbeitsplätzen gegeben. Die Lehrkraft zeigt den Schülerinnen und Schülern die Bauteile und weist sie auf die Unfallgefahr hin, wenn die Schläuche nicht richtig fixiert werden. Vorschlag Bauteile Verwendung eines 4/3-Wegeventils mit Handhebel und Raste zur Steuerung eines doppeltwirkenden Zylinders (DWZ). Es wird eine erste Schaltung montiert (Motivationssteigerung) und die Schülerinnen und Schüler werden an die Notwendigkeit der Kenntnis der Anschlussbezeichnungen herangeführt. Ergänzungsaufgabe Montage einer Schaltung mit einem 3/2-Wegeventil und einem einfachwirkender Zylinder (EWZ) Dieser Exkurs, der circa zwei bis vier zusätzliche Unterrichtsstunden in Anspruch nimmt, kann auch zu einem späteren Zeitpunkt bearbeitet werden. Als Methode werden Quergruppen/Gruppenpuzzle (Stammgruppe - Expertengruppe) eingesetzt. Bei der Aufarbeitung der Themen mit PowerPoint sind zwei weitere Stunden vorgesehen. Pneumatische Schaltpläne - Anschlussbezeichnungen Zur Einstimmung kann auf die installierte Schaltung der vergangenen Stunde Bezug genommen werden. Vorgestellt werden die wichtigsten Ventile (Steuerglieder) zur Darstellung der Systematik der Anschlussbezeichnungen (Zahlen und Buchstaben nennen). Die Erläuterung der Systematik der Ventilbezeichnungen (3/2, 4/3 und so weiter) erfolgt anhand der Angaben im Tabellenbuch. Aufbau und Funktion Wegeventile / Zylinder Mithilfe von Plexiglasmodellen wird die Funktion einzelner pneumatischer Bauteile verdeutlicht (Minifluidsystem). Zunächst werden vorhandenen Wegeventile (4/2-Wegeventil) und der Arbeitszylinder betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler können den Weg des Öls über den Tageslichtprojektor betrachten. Gegebenenfalls ist hier auch eine Funktionsbeschreibung des Vorgangs sinnvoll. Es sollte der Zylinder betrachtet und unter anderem der Unterschied zwischen doppeltwirkendem und einfachwirkendem Zylinder unterschieden werden (gegebenenfalls Abbildungen der Verlags-CD für Arbeitsblatt nutzen). Der Zylinder mit Endlagendämpfung wird später behandelt. Es bietet sich hier das Themengebiet "Berechnungen zur Pneumatik" an (Druck am Zylinder und so weiter). Vergleiche: Technische Mathematik Metall, Höllger, Bildungsverlag EINS, 27. Auflage, Seite 195. Das Drosselrückschlagventil Das Ergebnis an dem realen Modell soll sein, dass das Werkstück ohne Drossel bei Betätigung der Steuerung durch die Gegend fliegt. Darüber wird die Notwendigkeit der Drosselung abgeleitet. Die Entwicklung der Thematik erfolgt im Unterrichtsgespräch (gegebenenfalls Hinweis auf abgeknickten Gartenschlauch: weniger Wasser kommt heraus). Es sollte zunächst nur ein Drosselrückschlagventil eingeführt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, für welche Bewegung das Drosselrückschlagventil Wirkung zeigt (Ein- oder Ausfahrbewegung). Später sollten aber schon zwei Drosselrückschlagventile Verwendung finden. Drücke beim Ein- und Ausfahren Der Aufbau der Drosselrückschlagventile kann den Fachbüchern entnommen werden. Besonders eignen sich auch die Klarsichtmodelle für den Tageslichtprojektor (Minifluid-System). Im zweiten Teil der Stunde sollen die Drücke beim Ein- und Ausfahren ermittelt und dokumentiert werden. Achtung: Es ist ein leichter Handdruck als Gegenkraft beim Aus- und Einfahren des Zylinders notwendig. Unfallgefahr! Es empfiehlt sich, den Zylinder daher vorab zunächst mehrmals langsam aus- und einfahren zu lassen. Stick-Slip-Effekt Ziel der Stunde soll sein, den Auszubildenden die Vorzüge der Abluftdrosselung gegenüber der Zuluftdrosselung zu vermitteln. Meist stehen den Schulen jedoch keine geeigneten Versuchseinrichtungen zur Verfügung, die unter anderem die Darstellung des Stick-Slip-Effektes erlauben. Ich habe zumindest noch keinen Aufbau ohne Klemmer gefunden. Daher beschränke ich mich bei der Demonstration auf eine Belastung der Zylinder durch eine Handkraft mit wechselnder Last. Versuchsaufbau mit Drosselrückschlagventil Dabei ist bei der Ausfahrbewegung des Zylinders mit Abluftdrosselung ein deutlich gleichmäßigeres Ausfahren zu beobachten. Im Unterrichtsgespräch wird mithilfe verschiedener Versuche dafür eine Begründung gesucht (Zylinder im Luftpolster eingespannt) und entschieden, welche Drosselungsart zukünftig genutzt werden soll. Zunächst sollte auch hier ein Versuchsaufbau mit nur einem Drosselrückschlagventil gewählt werden, um die Wirkung des Bauteils stärker zu verdeutlichen. Um die Bedienung einer Fertigungsanlage zu vereinfachen, werden die Bedienungselemente für die pneumatischen Steuerungen auf einem Pult zusammengefasst. Der Abstand zu den Schaltzylindern kann so mehrere Meter betragen. Dadurch kann sich das Schaltverhalten der Steuerungen verändern. Funktion mit Umschaltventil (Federrückstellung und Impulsventil) Lernsituation Werkstückmagazin Einführung von Grenztastern Oszillierende Bewegung Funktionstest und Anwendung (Spannvorrrichtung) Funktionsdiagramm, Wertetabelle Klassenarbeit Lernsituation Türsteuerung Nicht-Funktion Lernsituation Türsteuerung Lernsituation Bustür Dominierende Signale Türsteuerung (mit Umschaltventil) Lernsituation Steuerung: Schieber Schüttgutbehälter Steuerung einer Trocknerstecke Wiederholung - Vertiefung Klassenarbeit

Im Rahmen des Lernfeldes "Sicherstellen der Betriebsfähigkeit von automatisierten Anlagen" für Industriemechanikerinnen und -mechaniker sollen die Auszubildenden einen Einblick in die BUS-Technik und deren Vorzüge erhalten und die Grundlagen der SPS-Programmierung an einer realen Anlage kennen lernen. Nach dem ersten Teil der Abschlussprüfung für Industriemechanikerinnen und -mechaniker hat die Elektropneumatik nicht mehr den Stellenwert wie in den Jahren davor. Vorrangig sind Inhalte aus der betrieblichen Praxis. Nach der Verdrahtungsprogrammierung steht in Niedersachsen die praxisnahe SPS-Programmierung auf dem Stoffverteilungsplan. Aufgrund der sachlichen Voraussetzungen an unserer Schule wird zunächst die als veraltet geltende Programmierung mit der SPS PR3 von Klöckner-Möller ausprobiert. Im zweiten Schritt kommt dann die Programmierung mit CoDeSys als neues System zur Anwendung. Den Schülerinnen und Schülern wird hier besonders die Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes deutlich. Damit einher geht die Minimierung der Fehlermöglichkeiten. Hier wird eine Makroeinheit zum Thema SPS-Technik vorgestellt. Als Grundlage wird die Programmierung mit dem AS-i-BUS-System und der Software CoDeSys genutzt. Ablauf der Unterrichtssequenz Den Ablauf der Unterrichtssequenz sowie alle benötigten Materialien einzeln zum Download haben wir hier für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die Softwareprogrammierung von pneumatischen Anlagen entwickeln. die Programmierung von einfachen Programmen mittels Funktionsplantechnik beherrschen. technische Systeme durch AS-i-BUS-Technik optimieren. Lernsituation Die Sequenz beginnt mit der Vorstellung der elektropneumatischen Anlage als eine Teilkomponente eines komplexen Systems. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Funktionsablauf am realen Objekt erläutern. Funktionsbeschreibung Die Lernenden sollen einen Funktionsplan oder ein Funktionsdiagramm erstellen. In diesem Zusammenhang wird ein pneumatischer Schaltplan der realen Anlage erstellt. Lernsituation Die Schülerinnen und Schüler erhalten den Auftrag, die Einzelkomponenten der Entnahmestation so zu programmieren, dass Werkstücke aus dem Magazin entnommen und auf dem Übergabefeld abgelegt werden. Dafür sollen sie verschiedene vorbereitende Programmierungen durchführen: die gewünschte Funktion mit FUP (Funktionsplanprogrammierung) programmieren, den Vorgang am Rechner simulieren und die Funktionskontrolle an der Anlage (Funktionsmodell Entnahmevorrichtung) durchführen. 1. Auftrag Nach Betätigung von Taster 8 (grün) und Taster 6 (grün) soll die rote Lampe an Taster 8 leuchten. 2. Auftrag Die Programmierung der ersten Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Nach Betätigung von Taster 6 (grün) soll zusätzlich die rote Lampe an Taster 4 leuchten. 3. Auftrag Die Programmierung der vorherigen Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Nach Betätigung von Taster 4 (grün) oder Taster 2 (grün) soll die rote Lampe an Taster 2 leuchten. 4. Auftrag Die Programmierung der vorherigen Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Die rote Lampe an Taster 2 soll nur leuchten, wenn die Taster 8 (grün) oder Taster 6 (grün) nicht betätigt werden. 5. Auftrag Die Lernenden sollen die Entnahmestation entsprechend der Aufgabenstellung der Lernsituation programmieren. Nach einem Startsignal durch Taster 2 (grün) und Taster 4 (grün) soll der Entnahmezyklus solange ablaufen, bis ein Stoppsignal von Taster 2 (rot) oder Taster 4 (rot) erfolgt. Bei der Betätigung der Taster soll die zugehörige Tasterleuchte leuchten. Das Greifen des Greifers soll durch ein Leuchten an der roten Leuchte von Taster 8 angezeigt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen dafür einen Ablaufplan nach Grafcet erstellen. Einführung in CoDeSys Im zweiten Teil der Stunde wird in der Software CoDeSys eingeführt. Das Programm wird mit einer AND-Funktion nach Anleitung realisiert. UND-ODER-Bausteine Nun wird eine Sequenz wie etwa das Greifen des Greifers aus dem Bewegungsablauf extrahiert. Dafür werden verschiedenen Bausteine (UND, ODER) erläutert und dargestellt. BUS-Technologie Die Bedeutung der BUS-Technologie wird erläutert (siehe Material 9). Programm AND Das Programm AND wird aufgerufen und nach der Anleitung simuliert. Die Funktionskontrolle erfolgt auch an dem Funktionsmodell. Unterstützend können die Schülerinnen und Schüler auf die Materialien 3 und 6 zurückgreifen. In weiteren Aufgabenstellungen werden weitere Verknüpfungsarten bearbeitet, erstellt, simuliert und gegebenenfalls an der Anlage in Betrieb genommen. In den nächsten vier Unterrichtsstunden beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit folgenden Aspekten: Theorie: AS-i in der automatisierten Fertigung Funktionsablauf der Anlage: Darstellung im FUP und in einem Ablaufplan Erste Schritte: Steuerung des Funktionsmodells, Simulation, Transfer an das Funktionsmodell (gegebenenfalls Einführung Schrittkette, Merkerprogrammierung) Programmierübungen (siehe Material 10 und 11). Einführung Schrittkette, Merkerprogrammierung, Programmierung des Systems bis zum Ablegen des Werkstücks (siehe Material 12). Vergleiche auch Anleitungen für die Programmierung der einzelnen Komponenten (siene Material 6). Nun erfolgt die Rest-Programmierung des Systems sowie die Dokumentation, Präsentation und Bewertung der Ergebnisse. Benötigt werden erneut die Materialien 10, 11 und 12. Den Abschluss der Sequenz bildet eine zweistündige Klassenarbeit zu den Themen SPS-Programme, CoDeSys und AS-i (siehe Material 13).

In dieser Unterrichtseinheit wird die Löslichkeit von Gasen in Wasser mithilfe einfacher medizinischer Spritzentechnik untersucht und durch die kritische Hinterfragung von Werbeaussagen zu einem sauerstoffhaltigen "Powergetränk" kontextnah erarbeitet.Ausgehend von der Werbung für ein sauerstoffhaltiges Getränk wie ?Active O2? wird in der Sekundarstufe I untersucht, wie viel Sauerstoff sich in Wasser lösen kann. In der Oberstufe kann man anhand der Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser das Prinzip von Le Chatelier einführen und dieses dann auf das sauerstoffhaltige Getränk übertragen. Sämtliche Experimente lassen sich kostengünstig, sicher und unkompliziert mit medizintechnischen Geräten durchführen. Die Verknüpfung mit der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler ermöglicht neben einer Einführung der Löslichkeit von Gasen auch Berechnungen zu den Gasgesetzen oder zum Massenwirkungsgesetz. Dabei liefert der motivierende Aufhänger des Modegetränks ?Active O2? die Gelegenheit zur kritischen Auseinandersetzung mit Werbeaussagen. Klasse 9 und 10: Was ist dran am "Powergetränk"? Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die in einem Getränk gelösten Gase, bestimmen die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser und hinterfragen die Werbeversprechen zum "Powergetränk". Jahrgangsstufe 11: Le Chatelier und die Kohlensäure Ausgehend vom Kontext "Kohlensäure in Getränkeflaschen" werden die Möglichkeiten zur Beeinflussung der chemischen Gleichgewichts untersucht, bevor das sauerstoffhaltige "Powergetränk" kritisch bewertet wird. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Bildungsstandards (PDF-Download) im Kompetenzbereich "Fachwissen" die Löslichkeit von Gasen in Abhängigkeit verschiedener Parameter kennen lernen und diese beeinflussen (F3). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" Versuche eigenständig entwickeln, durchführen und gegebenenfalls optimieren (E1-E5 und E8). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Kommunikation" im Team Versuche durchführen, dokumentieren und fachsprachlich korrekt präsentieren (K3, K5 und K6). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Bewertung" erkennen, dass wissenschaftlich anmutende Behauptungen in der Werbung häufig suggestiv wirken und zu bewerten sind. gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Bewertung" in die Lage versetzt werden, ihr Konsumverhalten kritisch zu hinterfragen (B3-6). Thema Das Prinzip von Le Chatielier - einmal anders Autor Gregor von Borstel Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9 und 10, Jahrgangsstufe 11 Zeitraum Klasse 9 und 10 (Löslichkeit von Sauerstoff): 1 Stunde Jahrgangsstufe 11 (Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff): 2 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Abspielmöglichkeit für Videoclips, Kunststoffspritzen und Zubehör Planung Tabellarischer Verlaufsplan für Das Prinzip von Le Chatelier - einmal anders (Klasse 9 und 10 ) sowie Das Prinzip von Le Chatelier - einmal anders (Jahrgangsstufe 11) Gregor von Borstel und Andreas Böhm Le Chatelier einmal anders, Gleichgewichtsverschiebungen am Kontext Sprudelwasser, Naturwissenschaft im Unterricht Chemie, Heft 96, Sicher Experimentieren, 6/2006, S. 34-37 Gregor von Borstel und Andreas Böhm "Active O2" - Powerstoff mit Sauerstoff, kontextorientierte Prüfung von Werbeaussagen, MnU 59/7 (15.10.2006), S. 413-415 Seit 2001 ist "Active O2" auf dem Markt. Es handelt sich um ein "Sauerstoffwassergetränk", das, verglichen mit einem konventionellen Mineralwasser, mit der 15-fachen Menge an Sauerstoff angereichert ist. Nach den Angaben des Herstellers wird der Sauerstoff unter Veränderung der physikalischen Parameter Druck und Temperatur und unter starker Verwirbelung in das Wasser eingebracht. Der Sauerstoff ist dann physikalisch im Wasser gelöst. Nach dem Öffnen der Flasche dauert es überraschend lange, bis er langsam entweicht und sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt. "Active O2" ist gegenwärtig in der Sport- und Outdoor-Szene als "Powerstoff zum Auftanken" sehr gut positioniert und somit vielen Schülerinnen und Schülern bekannt. Ausgehend von der Werbung für das Getränk wird die Frage aufgeworfen, warum es so beliebt ist und was sich konkret hinter der Werbeaussage verbirgt, es enthalte 15-mal mehr Sauerstoff als herkömmliches Mineralwasser. Damit ist der Anreiz gegeben, das Getränk einmal genauer zu untersuchen. Active-O2-Homepage Auf der Webseite wirbt der Hersteller für die Vorzüge des Produktes. Partner- oder Gruppenarbeit Experimentell können die Schülerinnen und Schüler die Werbeaussage mit sehr einfachen medizintechnischen Plastikgeräten in Partner- oder Gruppenarbeit untersuchen: Welches Gas ist im Getränk gelöst? Alles Gas wird durch Auskochen aus dem Getränk ausgetrieben und aufgefangen. Das gewonnene Gas untersucht man durch einfache Nachweisreaktionen darauf, ob es sich im Wesentlichen um Sauerstoff handelt. Lösen von Sauerstoff in Wasser Einen etwas anderen Weg beschreitet man, wenn die Schülerinnen und Schüler untersuchen lässt, wie viel Sauerstoff sich tatsächlich bei Raumtemperatur und Normaldruck in Wasser löst. Austreibung und Nachweis gelöster Gase Das Gas kann direkt aus einer Getränkeflasche ausgetrieben werden. Will man die Flasche nicht öffnen, stülpt man über den Flaschenverschluss ein Stück eines abgequetschten, alten Fahrrad- oder Silikonschlauchs zur Abdichtung und durchbohrt Schlauch und Verschluss mit der Kanüle. Die Kanüle verbindet man gasdicht mit mehreren leicht laufenden Luer-Lock Spritzen zum Auffangen des Gases. Die Flasche wird dann im Wasserbad erwärmt. Um zu überprüfen, ob man neben Sauerstoff auch Kohlenstoffdioxid freisetzt, leitet man etwas Gas pneumatisch in ein Reagenzglas um und führt die Glimmspanprobe durch. Dann spritzt man den Rest des aufgefangenen Gases mithilfe einer flexiblen Kunststoffkanüle durch wenige Milliliter Kalkwasser. Prinzipiell kann man durch Überleiten über heißes Kupfer oder Eisen den freigesetzten Sauerstoff auch quantitativ erfassen. Wie viel Sauerstoff löst sich in Wasser? Sehr leicht kann man auch ohne Glasgeräte herausfinden, wie viel Sauerstoff sich bei Raumtemperatur und Normaldruck in einer vorgegebenen Menge Wasser löst. Dazu werden zwei Spritzen gasdicht miteinander verbunden. In die eine füllt man 40 Milliliter abgekochtes und auf Zimmertemperatur abgekühltes Wasser, in die andere im Überschuss Sauerstoff. Das Gas wird solange durch das Wasser gedrückt, bis sich kein weiteres löst. Verblüfft stellen die Schülerinnen und Schüler fest, dass dies in der Regel nur ein Milliliter ist. Damit wird die Aussage, dass in der Flasche 15-mal mehr Sauerstoff als in normalem Wasser enthalten sind, zugleich begreifbar und hinterfragt. Die Ergebnisse werden vorgestellt und festgehalten. Um wieder auf das Eingangsproblem zurückzukommen ("Wie ist die Werbeaussage zum ?Powergetränk' zu bewerten?"), kann man zum Vergleich ausrechnen, wie viel Sauerstoff man mit einem tiefen Atemzug aufnehmen kann. Vereinfachend geht man von einem maximalen Lungenvolumen von fünf Litern und einem Sauerstoffanteil in der Atemluft von 20 Prozent aus. Basierend darauf kann der mögliche Wirkungsgrad des Powergetränks bezüglich der Sauerstoffversorgung des Organismus über den Verdauungstrakt eingeschätzt, und auf die Frage hingelenkt werden, ob sich der Kauf des Getränkes aufgrund des versprochenen Sauerstoffgehaltes überhaupt "auszahlen" kann. Um den Slogan "Der Powerstoff mit Sauerstoff" weiter zu hinterfragen bietet es sich auch an, im Internet die Informationen des Getränkeanbieters mit seriösen Aussagen zu vergleichen (im Unterricht oder als Hausaufgabe). Zum Abschluss kann den Schülerinnen und Schülern die Frage gestellt werden, welche Auswirkungen die gefundenen Ergebnisse auf ihr Verbraucherverhaltens haben werden. Bei der Herleitung des für viele Sachverhalte grundlegenden Prinzips von Le Chatelier steht zunächst die Frage im Mittelpunkt, welche Parameter die Lage eines dynamischen Gleichgewichts beeinflussen. Herkömmlicherweise greift man in der Schule auf Versuche mit Stickstoffdioxid oder Kobaltchlorid zurück, die aufgrund der toxischen beziehungsweise kanzerogenen Eigenschaften nicht von den Schülerinnen und Schülern durchzuführen sind. In dieser Unterrichtseinheit werden die Möglichkeiten zur Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts am Kontext Kohlensäure eingeführt. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten dabei die meisten Versuche mit einfachen Plastikmaterialien aus der Medizintechnik völlig eigenständig (unter der Voraussetzung, dass sie mit dem Einsatz medizinischer Spritzentechnik im Chemieunterricht vertraut sind). Im Rahmen dieser als "Egg Race" bezeichneten Unterrichtsform können die Lernenden Experimente selbstständig entwickeln und so eigene Wege finden. Egg Races und Robinsonaden - kreatives Experimentieren Allgemeine Informationen und verschiedene Egg-Race-Ideen für den Chemieunterricht auf der Website des Autors. Spritzentechnik "ChemZ" Unterrichtsideen und Informationen zu der hier eingesetzten Spritzentechnik auf der Website des Autors. Filme zur Spritzentechnik und zum Kohlenstoffdioxid Videos zum Umgang mit medizinischer Spritzentechnik für Ungeübte (Lehrkräfte, Schülerinnen und Schüler) auf der Website des Autors. 1. Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid unter Normalbedingungen Der Einfluss von Druck und Temperatur auf die Löslichkeit von Gasen ist den meisten Schülerinnen und Schülern prinzipiell vertraut - zum Beispiel über Sodastreamer oder aufgewärmte Sprudelflaschen im Sommer. Was noch fehlt, ist eine quantitative Erfassung dieser Faktoren. Ausgehend vom Sprudelwasser wird die Frage aufgeworfen, wie viel Kohlenstoffdioxid sich in Wasser lösen kann. Mithilfe eines einfachen Versuchs untersuchen die Schülerinnen und Schüler dies zunächst unter Standardbedingungen (CO2_le_chatelier.pdf, Versuch 1). Die in den Schülerversuchen ermittelten Ergebnisse liegen in der Regel bei 20 bis 22 Milliliter gelöstem Kohlenstoffdioxid pro 25 Milliliter Wasser und damit nahe am Literaturwert. Die Ergebnissicherung beinhaltet zugleich die Frage, was beim Lösen passiert. Wenn man dazu die entsprechenden Reaktionsgleichungen festhält, lässt sich im Anschluss diskutieren, welche Parameter das Gleichgewicht beeinflussen könnten. Aufbauend auf Alltagserfahrungen mündet die Hypothesenbildung (Temperatur, Druck, pH-Wert) in weitere Versuche, die mit medizinischer Spritzentechnik durchgeführt werden können (CO2_le_chatelier.pdf, Versuche 2 bis 5). 2. Einfluss der Temperatur Die Schülerinnen und Schüler erstellen mit dem aus dem ersten Experiment bekannten Versuchsaufbau eine Messreihe mit abgekochtem Wasser unterschiedlicher Temperatur. Heißes Wasser wird in einer Thermoskanne bereitgestellt und mit bereits erkaltetem gemischt, um die gewünschten Wassertemperaturen zu erhalten. Aus Sicherheitsgründen sollte das verwendete Wasser nicht heißer als 50 Grad Celsius sein! Heizungsrohrisolierungen aus dem Baumarkt, die über die Spritzen gezogen werden können, gewährleisten, dass die Wassertemperatur während des Versuchs nur um wenige Grad abnimmt. 3. Einfluss von Druck Zur Untersuchung des Einflusses von Druck gibt man etwas Sprudelwasser in eine Spritze, verschließt diese und erzeugt durch Ziehen des Stempels einen Unterdruck. Etwas weiter geht die Variante mit Indikator (Unisol 113 für pH 1 bis 13, steht in den meisten Schullaboren zur Verfügung). Dazu wird eine Spritze wie folgt präpariert: Man zieht den Stempel maximal heraus und durchbohrt ihn mit einem erhitzten Nagel. Später wird der Nagel dann als "Riegel" benutzt, um den Stempel bei Unterdruck zu fixieren (siehe Grafik im Arbeitsblatt CO2_le_chatelier.pdf). Danach zieht man in diese Spritze zehn Milliliter abgekochtes Wasser mit Indikator (wenig) und sprudelt Kohlenstoffdioxid durch das Wasser, bis die Farbe gerade nach gelb umschlägt (etwa fünf Milliliter). Überschüssiges Kohlenstoffdioxid wird verworfen, und die Flüssigkeit auf zwei Spritzen verteilt. Beide Spritzen werden verschlossen. Eine dient später dem Farbvergleich. Der Stempel der präparierten Spritze wird maximal herausgezogen (Erzeugung eines Unterdrucks) und fixiert. Die Lösung wird geschüttelt. Zu beobachten ist das Ausperlen von Gas sowie ein deutlicher Farbwechsel, der auf eine Erhöhung des pH-Wertes von etwa 3 auf 5 zurückgeführt werden kann. Die Schülerinnen und Schüler schlagen bei der Untersuchung des Einflusses von Druck in der Regel zunächst vor, per Überdruck eine größere Löslichkeit des Gases zu erreichen. Die damit einhergehende pH-Wert Erniedrigung solle über einen Indikator sichtbar gemacht werden. Dies lässt sich in der Praxis jedoch nicht umsetzen, so dass man den hier beschriebenen, umgekehrten Weg der Druckerniedrigung und der Beobachtung von ausperlendem Gas wählen sollte. 4. Einfluss des pH-Wertes Auch in dieser Versuchsreihe wird mit abgekochtem Wasser gearbeitet, das durch Zugabe von Natronlauge/Salzsäure leicht sauer/alkalisch gemacht wurde. Man kann 0,1 bis 1-molare Lösungen verwenden. In 1-molarer Natronlauge löst sich mehr als zweieinhalb Mal soviel Kohlenstoffdioxid wie in abgekochtem Wasser. Auch wenn die Gefahr der Verätzung bei 0,1-molaren Lösungen auch sehr gering ist, müssen - wie bei allen Versuchen - die Sicherheitsvorschriften beachtet werden. Sollten Sie sich für den Einsatz höher konzentrierter Lösungen mit deutlicheren Ergebnissen entscheiden, müssen die Schülerinnen und Schüler insbesondere bei der Verwendung der Natronlauge auf die Verätzungsgefahr hingewiesen werden. 5. Gelöste Stoffe Wenn die Zeit reicht, können die Schülerinnen und Schüler auch noch den Einfluss gelöster Stoffe auf die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser untersuchen. Dabei bietet es sich an, eine Messreihe mit verschieden konzentrierten Kochsalzlösungen durchzuführen. Wenn die Schülerinnen und Schüler im Umgang mit medizinischer Spritzentechnik noch nicht geübt und der Egg-Race-Unterrichtsform noch nicht verraut sind, können sie "klassisch" mit Versuchsanleitungen versorgt oder unterstützt werden. Im Anschluss an die Sicherung der Ergebnisse erfolgt eine Verallgemeinerung. Anknüpfungspunkte bietet der Kalkkreislauf in Natur und Technik, der außerdem als Klausuraufgabe denkbar wäre. Zudem kann auch auf den Einfluss der Weltmeere auf den natürlichen Kohlenstoffdioxidkreislauf und den Treibhauseffekt eingegangen werden. Einen bewährten Schlusspunkt des Themas stellt die Untersuchung des vielen Schülerinnen und Schülern bekannten "Powergetränks Active O2" dar. Wie in den Ausführungen zur Bearbeitung des Themas in Klasse 9 und 10: Was ist dran am "Powergetränk"? beschrieben, können die Lernenden auch hier mithilfe medizinischer Spritzentechnik völlig eigenständig ermitteln, wie viel Gas in einer Getränkeflasche gelöst ist und wie viel Sauerstoff sich unter Normalbedingungen in Wasser löst. Die im Chemieunterricht sich selten bietende Gelegenheit des Transfers von Vorwissen zur kritischen Hinterfragung von Werbeaussagen sollte auf jeden Fall genutzt werden.