In dieser Unterrichtseinheit aus der Reihe "Feuer und Verbrennung" erfahren die Schülerinnen und Schüler, wie ein Feuer gelöscht werden kann und was dabei beachtet werden muss. Anschließend bauen sie selbst einen Schaumlöscher. In dieser Doppelstunde zum Thema "Feuer löschen" knüpfen die Lernenden an ihr Wissen über die Voraussetzungen eines Feuers an und leiten verschiedene Löschwege daraus ab. Anschließend "bauen" sie mit vorgegebenem Material einen Schaumlöscher und erfahren mehr über die Funktionsweise von üblichen Schaumlöschern. In der folgenden Stunde wird erarbeitet, was beim Löschen verschiedener brennbarer Stoffe beachtet werden muss und wie sich die Lernenden selber im Falle eines Brandes verhalten sollten. Weitere Stundenplanungen und Arbeitsmaterialien für die Unterrichtsreihe "Feuer und Verbrennung" haben wir im Abschnitt "Ergänzende Materialien" für Sie verlinkt. Das Thema "Feuer löschen" im Unterricht Brände sind eine reale Gefahr für die Lernenden, die nicht unterschätzt werden sollte. Im Chemie-Unterricht ist das Thema durch die Sicherheitsunterweisungen und Versuche mit Gasbrennern und Kerzen von Anfang an gegenwärtig. Feuervermeidung und Feuerlöschen wurden auch schon vor der entsprechenden Unterrichtseinheit thematisiert. Jetzt können die Lernenden ihre Alltagserfahrungen, Warnungen der Lehrkräfte und die neu gewonnenen Kenntnisse über chemische Vorgänge bei der Verbrennung verknüpfen. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen die Voraussetzungen für eine Verbrennung . Sie wissen, dass Verbrennungen chemische Reaktionen sind, bei denen Sauerstoff aufgenommen wird. Didaktische Analyse Feuer ist allen Lernenden bekannt und für sie auch interessant. Mit dem Löschen von Feuer haben alle bereits Erfahrungen unterschiedlichster Art gemacht, zum Beispiel beim Schauen von Serien im Fernsehen, bei der Jugendfeuerwehr oder bei eigenen Löschversuchen zuhause. In dieser Unterrichtseinheit werden ihre Kenntnisse und Vorerfahrungen aufgegriffen und genauer erklärt, was beim Löschen eines Feuers passiert. Methodische Analyse Anhand des selbst hergestellten Feuerlöschers verfolgen die Lernenden den Löschvorgang und finden heraus, was das Feuer eigentlich gelöscht hat. Durch die Filmsequenz wird das Interesse für die unterschiedlichen Löscharten bei unterschiedlichen Brennstoffen geweckt. Die Besprechung in Partnerarbeit gibt den Lernenden Sicherheit, damit sie sich bei der Besprechung im Plenum selbstbewusst beteiligen können. Umgang mit Fachwissen Die Schülerinnen und Schüler können die Bedingungen für einen Verbrennungsvorgang beschreiben. können auf dieser Basis Brandschutzmaßnahmen erläutern. Kommunikation Die Schülerinnen und Schüler können Verfahren des Feuerlöschens mit Modellversuchen demonstrieren. können Texte mit chemierelevanten Inhalten sinnentnehmend lesen. Bewertung Die Schülerinnen und Schüler können die Brennbarkeit von Stoffen bewerten. können Sicherheitsregeln im Umgang mit brennbaren Stoffen und offenem Feuer begründen.

Feuer – das ist für Kinder Gefahr und Faszination zugleich. Diese Begeisterung für das Element Feuer lässt sich im Unterricht nutzen, um Kindern den vorsichtigen Umgang damit nahezubringen. Unterrichtsmaterialien zum Thema Brandschutz bietet das DGUV Schulportal "Lernen und Gesundheit".Das Experimentieren mit Feuer ist für Kinder meist verboten. Durch die fehlende Erfahrung kommt es immer wieder zu Unfällen: Häufig sind es Kinder, die Brände verursachen, weil sie heimlich "kokeln" und nicht gelernt haben, mit gefährlichen Situationen umzugehen. Deshalb ist es besonders wichtig, Kinder darüber aufzuklären, welche Gefahren von einem Feuer ausgehen können. Im Rahmen dieser Unterrichtsmaterialien lernen die Kinder, Sicherheitsvorschriften im Umgang mit Feuer einzuhalten.Die Unterrichtsmaterialien sind besonders im Rahmen des Sachkundeunterrichts zum Thema Feuer in der dritten und vierten Klasse geeignet. Einzelne Module bieten sich für einen fächerübergreifenden Einsatz im Deutschunterricht an. Die Schülerinnen und Schüler sammeln Erfahrungen im Umgang mit Zündmitteln und Feuer, lernen die Aufgaben der Feuerwehr und das richtige Verhalten im Brandfall kennen. Zusätzlich werden Anregungen für Experimente und Spiele, Hintergrundinformationen und Arbeitsmaterialien rund um die Themen Feuer, Feuerwehr und Brandschutz gegeben. Für den DaF-/DaZ-Unterricht der Klassen 3 bis 6 finden Sie im kostenfreien Lingo MINT-Magazin "Feuer auf der Erde" Anregungen für ein integriertes Fremdsprachen- und Sachfachlernen nach dem CLIL-Ansatz.Die Schülerinnen und Schüler lernen, ein Streichholz und ein Feuerzeug zu benutzen. unterscheiden brennbare und nicht brennbare Stoffe. lernen die Aufgabenvielfalt der Feuerwehr kennen (retten – löschen – bergen – schützen). lernen, sich bei Feueralarm besonnen und regelgerecht zu verhalten und Ruhe zu bewahren. lernen die Methode des Experimentierens kennen. bereiten selbstständig Interviewfragen für den Besuch bei der Feuerwehr vor.

In dieser Unterrichtssequenz zum Themenbereich "Feuer und Verbrennung" lernen die Schülerinnen und Schüler die Voraussetzungen für eine Verbrennung kennen und trainieren das sichere Experimentieren im Chemie-Unterricht. Der Themenbereich "Feuer und Verbrennung" ist eines der ersten Themen im Chemie-Unterricht der Sekundarstufe I, in dem es tatsächlich um chemische Reaktionen mit ihren Stoff- und Energieumsätzen geht. In diesem Kontext werden Grundlagen für das Verständnis von Oxidation und Reduktion und Atombau geschaffen. Die Versuche, die im Unterricht gemacht werden, werden sowohl in der Durchführung als auch im "Gehalt" anspruchsvoller. Die Lernenden werden durch den vorliegenden Einstieg in das Unterrichtsthema "Feuer und Verbrennung" auf die Unterrichtsreihe eingestimmt. Beobachtungen aus dem Alltag werden in Versuchen im Chemie-Labor wiederholt und erklärt. Dabei kommt es vor allem auf das genaue Beobachten während des Versuchs an. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen einfache Trennverfahren. Sie wissen, dass bei chemischen Reaktionen neue Stoffe entstehen, die nicht durch einfache Trennverfahren in die Ausgangsstoffe umgewandelt werden können. Sicherer Umgang mit dem Gasbrenner und Kenntnis der Sicherheitsregeln im Chemieraum werden vorausgesetzt. Didaktische Analyse Feuer ist allen Lernenden bekannt und für sie auch interessant, besonders wenn es um spektakuläre Explosionen oder bunte Flammenfärbung geht. Viele Kinder beziehungsweise Jugendliche haben im privaten Umfeld bereits Feuer gemacht (Grill, Lagerfeuer). In dieser Unterrichtseinheit werden ihre Kenntnisse und Erfahrungen aufgegriffen und alltägliche Beobachtungen erklärt. Methodische Analyse Der Einstieg in die Unterrichtseinheit "Feuer und Verbrennung" erfolgt über die Planung einer Grillparty. Dies motiviert die Lernenden dadurch, dass sie alle etwas dazu beitragen können und selbst schon Erfahrungen zu diesem Thema gemacht haben. Die Lehrperson kann währenddessen einschätzen, welche unterschiedlichen Vorstellungen und Vorkenntnisse zum Thema Verbrennung bei den Schülerinnen und Schülern bestehen. Zu jeder Voraussetzung der Verbrennung leitet ein unkomplizierter Versuch, in dem Beobachten und daraus Schlüsse zu ziehen trainiert werden. Zudem wird ein routinierter, sicherer Versuchsablauf im Hinblick auf spätere Versuche mit dem Gasbrenner unterstützt. Umgang mit Fachwissen Die Schülerinnen und Schüler können die Bedingungen für einen Verbrennungsvorgang beschreiben. Erkenntnisgewinnung Die Schülerinnen und Schüler können Glut- oder Flammenerscheinungen nach vorgegebenen Kriterien beobachten und beschreiben. Bewertung Die Schülerinnen und Schüler bewerten die Brennbarkeit von Stoffen. begründen Sicherheitsregeln im Umgang mit brennbaren Stoffen und offenem Feuer.

In dieser Unterrichtseinheit gestaltet jede Schülerin und jeder Schüler einen Karton als Sammelbox, in welchen jede Familie einer Schülerin oder eines Schülers kleinteiligen E-Schrott sammeln kann. Auch Ben aus der Bildergeschichte "Hilfe, die Mülltonne brennt" lernt das sorgsame Trennen und Sammeln von Akkus und Batterien, nachdem er anfänglich durch die unsachgemäße Entsorgung seines ferngesteuerten Polizeiautos einen Brand verursacht hat. Zunächst gestalten die Schülerinnen und Schüler mit verschiedenen Bastelmaterialien einen Karton, der zuhause als Sammelbox für kleinteiligen E-Schrott benutzt werden soll. Im weiteren Verlauf lernen sie, dass sich bestimmte Materialien bei unsachgemäßer Entsorgung entzünden und einen Brand verursachen können. Dies gilt insbesondere für den Rohstoff Lithium, der ein wichtiger Bestandteil von Batterien und Akkus ist. Eine kindgerechte Bildergeschichte, die von den Kindern zu Ende erzählt werden kann, veranschaulicht diese Gefahr. Bereits in der vorangegangenen Unterrichtseinheit waren die Schülerinnen und Schüler von ihrer Lehrkraft angeregt worden, zu überlegen, was alle Kinder der Klasse/AG tun können, um E-Schrott richtig zu entsorgen und den E-Schrott-Müllberg kleiner zu halten. Sie haben zudem einen Einblick in das Leben und Arbeiten von Kindern auf der E-Schrott-Müllhalde Agbogbloshie bei Accra (Ghana) erhalten, die an den giftigen Dämpfen erkranken. Außerdem kennen die Schülerinnen und Schüler nun aus den vorangegangenen Unterrichtseinheiten die Inhaltsstoffe und Metalle von E-Schrott. Sie wissen, wie wertvoll diese sind, aber auch wie giftig und gesundheitsschädlich. In dieser Unterrichtseinheit erfahren sie zudem anhand einer leicht verständlichen und kindgerechten Bildergeschichte, dass die unsachgemäße Entsorgung von Elektroschrott, z.B. im Hausmüll, eine Brandgefahr darstellen kann. Um vorsorgen zu können, dass solche Brände bei ihnen zuhause nicht entstehen, können die Schülerinnen und Schüler Verantwortung übernehmen, in dem sie selbst etwas tun. Sie erhalten in dieser Unterrichtseinheit deshalb den Auftrag, dass jedes Kind für seine Familie aus einem (Schuh-)Karton eine kleine Sammelstelle für unbrauchbare Batterien, Akkus, Handy und elektronische Klein-Geräte gestaltet. Durch den kreativen Auftrag und das „Tun mit den Händen“ entsteht eine emotionale Verbindung zu dem sachlichen Thema. Den Höhepunkt stellt ein Ausflug zu einer sehr großen Sammelstelle – einem Wertstoffhof/Recyclinghof – dar. Weitere Sachinformation für Lehrkräfte: Lithium und dessen Brandgefahr Lithium ist ein silberweißes, weiches Leichtmetall und ein wichtiger Bestandteil vieler Akkus. Akkus sind Batterien, die sich aufladen lassen. Es sind also Energiespeicher, die elektrische Geräte mit Strom versorgen. Weil sich Lithium entzünden kann, sind Batterien, Akkus und andere elektronische Gegenstände eine große Brandgefahr, wenn sie falsch entsorgt werden. Selbst kleine Batterien und Akkus von Spielzeug können sich in der heimischen Abfalltonne oder im Müllfahrzeug entzünden und dort einen Brand auslösen. Diese Art der Brände nimmt in Deutschland zu. Lithiumhaltige Batterien und Akkus haben im Vergleich zu Batterien und Akkus der älteren Generation viele Vorteile. Sie zeichnen sich besonders durch hohe Energiedichten (hohe Zellspannungen und Kapazitäten), eine kaum wahrnehmbare Selbstentladung bei normalen Raumtemperaturen und lange Lebensdauern aus. Nachteilig ist die Brandgefahr, die bei unsachgemäßer Entsorgung am Ende ihrer Lebensdauer von ihnen ausgehen kann. Lithiumhaltige Batterien und Akkus befinden sich regelmäßig in Laptops und Tablets, Smartphones und Handys, Kameras, in Fernsteuerungen und -bedienungen, kabellosen (in-ear-)Kopfhörern sowie oft auch deren Lade-Case, im Modellbau, in Spielzeug, in Werkzeugen, Drohnen, Haushalts- und Gartengeräten, E-Zigaretten sowie in medizinischen Geräten. Zudem sind sie in der Regel die Hauptenergiequelle der Elektromobilität bei E-Autos, E-Bikes, Pedelecs oder E-Scootern. Enthält das Produkt bereits einen integrierten Akku, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Lithium-Ionen-Akku. Lithiumhaltige Batterien und Akkus sind oftmals an der freiwilligen Kennzeichnung „Li“ oder „Li-Ion“ für Lithium zu erkennen. Brände durch Lithium lassen sich schwer löschen. So entsteht ein Brand: Lithium-Ionen-Akkus können beim Laden hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Wenn es dabei zu Schäden in der Schichtstruktur der eingesetzten Metalloxide kommt, kann es zu einer thermischen Reaktion kommen. Dabei werden hohe Energiemengen freigesetzt und es bildet sich elementarer Sauerstoff. Mit dem hohen Wärmeeintrag verdampft die Elektrolytflüs sigkeit und es bilden sich leicht brennbare Gase. Sobald sich diese Gase entzünden, brennt die Lithium-Ionen Zelle. Der Brand der ersten Zelle löst dabei einen sich selbst verstärkenden Prozess aus, der nur schwer zu stoppen ist. Da die Gehäuse der Batterien meist thermisch isoliert sind, erreicht Löschwasser den Brandherd häufig nicht. Fächerübergreifend lernen Die vorliegende Unterrichtseinheit mit der Gestaltung von Kartons als Sammelstellen für kleinteiligen Elektroschrott eignet sich auch gut, um in einer klassenübergreifenden Aktion verschiedene Unterrichtsfelder zu integrieren. Gerade in der Kooperation mit Lehrkräften für den Unterrichtsbereich Kunst gibt es kaum eine Grenze, um aus den mitgebrachten Kartons der Kinder mehrdimensionale Kunstwerke zu zaubern, die auch über das Bemalen und Bekleben der Boxen hinausgehen (können). Darüber hinaus bietet sich das inzwischen angeeignete Sachwissen über das Thema E-Schrott an, Fachgebiete wie z. B. Physik (Thema Feuer) oder Chemie (entzündliche Stoffe) sowie Heimatkunde (Wo befinden sich Wertstoffhöfe oder Rückgabestellen im Handel? Welche Geschäfte halten Sammelstellen für Batterien bereit?) einzubinden. Im Fach Philosophie/Ethik/Religion kann anhand der Bildergeschichte (Ben wirft sein kaputtes ferngesteuertes Auto in den Müll) das übergeordnete Thema „Wegwerfgesellschaft/Konsumgesellschaft“ aufgegriffen und mit den UN-Zielen/Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) verknüpft werden. Fachliche und methodische Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler • greifen auf ihr vorhandenes Wissen zurück und erweitern es. • lernen Fachworte und neue Themenwelten kennen. • entwickeln einen konkreten Ansatz für eigenes umweltgerechtes Verhalten. • handeln und denken proaktiv. • erfassen einen komplexen Sachverhalt und geben ihn mit eigenen Worten wieder. • verbinden einen komplexen Sachverhalt mit kreativem Tun. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler • reflektieren ihre Ideen und kommunizieren sie. • sind fähig, einander zuzuhören. • entwickeln Begeisterungsfähigkeit und Eigeninitiative. • üben sich in gruppenspezifischen Interaktionen. • üben sich in der Rückmeldung anhand von Feedback-Regeln.

Die hier vorgestellten spielerischen Versuche zur Auftrennung gängiger Faserstift-Farben und die folgende wissenschaftlich exakte Identifizierung von Inhaltsstoffen gängiger Schmerztabletten mithilfe von Referenzsubstanzen sind der Garant für eine hohe Motivation der Lernenden. Modellierungen mit Excel veranschaulichen den Begriff des multiplikativen Gleichgewichts bei der Chromatographie.Die Experimente zur Chromatographie verdeutlichen die Bedeutung der Trennmethode und geben Denkanstöße zu anderen Themenbereichen - bis hin zur DNA-Analyse oder dem Nachweis von toxischen Verunreinigungen oder Fremdsubstanzen in Modedrogen. Vor den praktischen Übungen werden mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (hier Excel) die Verteilungsvorgänge bei der Dünnschichtchromatographie (Austauschvorgänge zwischen mobiler und fester Phase) mathematisch modelliert und grafisch dargestellt. Die Lernenden verstehen die Verteilungsvorgänge mithilfe des Computers als ?Zeichen- und Rechenknecht?. In der Unterrichtseinheit verbinden sich somit am Computer entwickelte Modellvorstellungen mit greifbaren Versuchsergebnissen. 1. Stunde: Chromatographie - eine revolutionäre Technik Allgemeine Hinweise zur Dünnschichtchromatographie 2. Stunde: Mathematische Simulation der multiplikativen Verteilung Mit Excel-Dateien wird die multiplikative Verteilung von zwei zu trennenden Stoffen berechnet und in Diagrammform dargestellt. 3. Stunde: Chromatographie von Farbstoffgemischen Einstieg in die Chromatographie-Praxis: Hier finden Sie Hinweise zur Durchführung, Ergebnisbeispiele und eine ausführliche Versuchsanleitung für die Lernenden. 4. Stunde: Chromatographie von Schmerzmitteln Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Bestandteile eines Schmerzmittels und nutzen das Internet, um die Medikamenten-Marke zu bestimmen. Weitere Versuchsvorschläge und Anregungen Experimente zur Trennung von Pflanzenfarbstoffen Die Schülerinnen und Schüler sollen die Verteilung von Farbstoffen mithilfe einer vorgegebenen Excel-Datei bei unterschiedlichen Verteilungskoeffizienten simulieren und die Auswirkungen an der Excel-Grafik ablesen. an einigen Beispielen die zugrunde liegende Excel-Rechenanweisungen zur Konzentrationsberechnung nachvollziehen. experimentell sauber arbeiten und Versuchsprotokolle führen können. in einem Versuch zur Trennung von Farbstoffgemischen erleben, dass die Dünnschichtchromatographie überraschende Ergebnisse liefert. in einem Versuch zur Trennung von Schmerzmitteln die Komponenten einer Schmerztablette identifizieren und mithilfe von Internetrecherchen einem Markennamen zuordnen oder die Auswahl der in Frage kommenden Produkte eingrenzen. weitere Versuche durchführen (Trennung von Paprika-, Curry- und Blattfarbstoffen). Das Wort "Chromatographie" (aus dem Griechischen) bedeutet "mit Farbe schreiben" (chroma = Farbe, graphein = schreiben). In der Chemie fasst man unter diesem Begriff keine Maltechnik, sondern eine Reihe von Techniken zur analytischen Trennung von Stoffen zusammen: Papier-, Dünnschicht-, Gaschromatographie und noch weitere moderne Methoden. Die Chromatographie war und ist für die Naturstoff- und Biochemie von sehr großer Bedeutung, da man mit ihr Stoffgemische sehr leicht trennen und die Bestandteile identifizieren kann. Erwin Chargaff hat zum Beispiel mithilfe chromatographischer Techniken einen wesentlichen Beitrag zur Strukturaufklärung der DNA geleistet. In modernen Labors werden Chromatographien automatisiert durchgeführt und per Computer ausgewertet. Feste Phase Bei der Dünnschicht-Chromatographie benutzt man eine feste Phase auf einem Trägermaterial (Alufolie, Plastikfolie oder Glasplatte), an der die zu untersuchenden Stoffe getrennt werden. Die feste Phase kann zum Beispiel Cellulose, Aluminiumoxid oder Kieselgel sein. Sie ist sehr fein und gleichmäßig auf dem Trägermaterial verteilt. Mobile Phase: Das Laufmittel Die flüssige Phase bewegt sich durch Kapillarkräfte durch die feste Phase und transportiert dabei die Stoffe des Substanzgemisches. Auftragung der Substanzproben Auf die Dünnschichtchromatographie-Folie trägt man mithilfe einer Kapillare die Proben punktförmig entlang einer Startlinie auf und lässt sie eintrocknen. Nach dem Auftragen der Proben stellt man die Folie aufrecht in einen Chromatographie-Tank, der gerade soviel von der mobilen (flüssigen) Phase enthält, dass die Startlinie mit den aufgetragenen Proben einen halben Zentimeter oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt. Durch Kapillarkräfte beginnt die mobile Phase durch die feste Phase zu wandern und zieht dabei die Substanzproben mit sich. Während der Chromatographie stellt sich entlang der Laufstrecke ständig ein neues Gleichgewicht ein zwischen der Lösung des Stoffes (in der mobilen Phase) und der Adsorption des Stoffes (an die stationäre Phase). Nimmt man die Folie aus dem Gefäß und trocknet sie, so befindet sich der "Fleck" jeder Komponente der Probe auf einer ganz bestimmten Höhe des Chromatogramms (wobei sich die Farbstoffmengen der mobilen und der stationären Phase nach der Trocknung der Folie an jedem Ort jeweils addieren). Die Trennung kommt dadurch zustande, dass sich die Substanzen verschieden gut in der mobilen Phase lösen und weitertransportiert werden. verschieden fest an die feste Phase angelagern (Adsorption). Der Rf-Wert Je besser sich eine Substanz im wandernden Lösungsmittel löst und je kleiner ihre Affinität zum Trägermaterial ist, desto schneller und weiter wird sie mit dem Lösungsmittel wandern. Daraus ergibt sich als eine charakteristische Größe der Rf-Wert ("Ratio of front") der Substanz (Wanderungsstrecke der Substanz / gesamte Wanderungsstrecke des Lösungsmittels). Der maximale Rf-Wert beträgt somit 1, meist liegt er deutlich darunter. Er hängt von der chemischen Struktur der Substanz, vom Trägermaterial und vom Lösungsmittelgemisch ab (Kammmersättigung und konstante Versuchstemperatur werden vorausgesetzt). Jonas Hostettler vom Departement Chemie der Universität Basel hat ein kleines Simulationsprogramm entwickelt und für die Veröffentlichung zur Verfügung gestellt. Es eignet sich sehr gut als Ergänzung zu den eher trockenen Erklärungen der Vorgänge bei der multiplen Verteilung (Beamerpräsentation, Nutzung am heimischen Rechner oder im Computerraum). In dem ZIP-Ordner "dc_simulation_verteilung" (siehe unten) finden Sie die Datei "Verteilung.htm", mit der Sie das Programm per Mausklick starten (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Weisen Sie Ihre Schülerinnen und Schülern darauf hin, dass in den Reagenzgläsern die untere (grüne) Phase der stationären Phase, die obere (blaugrüne) Phase der mobilen Phase, also dem Fließ- oder Laufmittel, entspricht. Um die Simulation starten zu können, müssen für die beiden zu trennenden Stoffe Verteilungskoeffizienten (v) Werte eintragen werden. Mit dem Wert für "i" geben Sie die Zahl der im ersten Schritt zu simulierenden Trennschritte vor. Durch den Klick auf "Rechne!" wird dann das multiplikative Gleichgewicht für eine entsprechende Zahl von Reagenzgläsern berechnet. Die Konzentrationen der Stoffe werden als Balkendiagramme dargestellt. Dabei werden leider nur die Konzentrationen in der mobilen Phase (grün) berücksichtigt. Durch Klick auf "i+1" wird jeweils ein weiterer Trennschritt berechnet. (Aus programmiertechnischen Gründen startet die Software bei i-Werten, die größer sind als eins, jeweils beim "letzten" Trennschritt.) Die Excel-Dateien können zur Unterstützung des Unterrichtsgespräches eingesetzt werden. Dazu sind lediglich ein Präsentationsrechner und ein Beamer erforderlich. Machen Sie sich mit den Simulationen vor der Verwendung im Unterricht vertraut. Verwenden Sie am besten die Verteilungskoeffizienten 0,5 für den roten und blauen Farbstoff - hier werden die Zahlenreihen am verständlichsten. Die Funktionen und Eigenschaften der beiden Excel-Simulationen werden in den folgenden Abschnitten dargestellt. Darstellung der multiplikativen Verteilung Mit der Datei "1_multiplikative_verteilung_5_schritte.xls" (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) wird eine Stofftrennung (rechnerisch) mit nur fünf Trennschritten simuliert: Die Konzentrationen eines roten und eines blauen Farbstoffs in der mobilen und der stationären Phase werden rechnerisch und grafisch dargestellt. Die Konzentrationen und die Verteilungskoeffizienten der Stoffe (rote Zahlen = roter Farbstoff, blaue Zahlen = blauer Farbstoff) lassen sich ändern. Die Ergebnisse werden jeweils in einer Grafik ("Multiple Verteilung - stationäre und mobile Phase") dargestellt, die sich den eingegeben Werten automatisch anpasst. In der Spalte B steht "GG" für die Einstellung des Gleichgewichtes, der nach rechts gerichtete Pfeil für das "Vorrücken" der Fließmittelfront. Variation der Verteilungskoeffizienten In den Feldern L2 und L4 (siehe Abb. 3) können die Verteilungskoeffizienten geändert werden (Werte zwischen 0 und 1). Experimentieren Sie mit verschiedenen Werten. Diese Felder geben an, zu welchen Anteilen die beiden Stoffe in die mobile Phase übergehen: In Feld D6 steht dann der Anteil roten Farbstoffs, der in die mobile Phase übergeht (0,25 entspricht 25 Prozent), im Feld G6 der Anteil roten Farbstoffs, den die stationäre Phase in dem jeweiligen Schritt absorbiert (1 - 0,25 = 0,75; also 75 Prozent). Um den Inhalt der Felder D6 und G6 brauchen Sie sich nicht zu kümmern - ihre Werte richten sich nach der Eingabe in L2 und L4 (Vorgabe der Verteilungskoeffizienten). Stoffmengen In den Feldern E2 und E4 (Abb. 3) können die Stoffmengen variiert werden. Werte unter zehn liefern im Graphen zu flache Kurven und werden nicht angenommen. Wie werden die Berechnungen durchgeführt? Die gelb unterlegten Felder (siehe Abb. 4 und Abb. 5) enthalten die Stoffmengen der mobilen Phase, die blau unterlegten enthalten die absorbierten Anteile der stationären Phase. Vor dem Weiterwandern der mobilen Phase, also hinter der Fließmittelfront, findet eine Gleichgewichtseinstellung statt (Abb. 4). Nach der Gleichgewichtseinstellung wandert die mobile Phase weiter - zunächst ohne erneute Gleichgewichtseinstellung (Abb. 5). Danach findet wieder eine Gleichgewichtseinstellung statt und das Fließmittel wandert wieder eine Zelle weiter - und so geht es weiter, bis fünf Trennschritte simuliert sind. Ganz unten in der Tabelle (Zeile 48 und 49, siehe Abb. 2) werden die Stoffmengen der stationären und der mobilen Phase für jeden Farbstoff und jede Zelle addiert. Diese Werte erscheinen in der Grafik. Natürlich sind fünf Trennschritte noch zu wenig, um eine scharfe Trennung der Farbstoffe zu simulieren. Dies ist mit der zweiten Excel-Datei möglich (2_multiplikative_verteilung_stat _mobil_10_schritte.xls), die zehn Trennschritte simuliert (Abb. 6, Platzhalter bitte anklicken). Dabei werden die Verteilungen in der stationären und mobilen Phase - im Unterschied zur ersten Simulation - zusammengefasst. Dies ist im Vergleich zur ersten Simulation ein Vorteil: dort müssen bei der Betrachtung der Trennschritte die Stoffmengen der mobilen und der stationären Phase jeweils addiert werden. Wieder gilt: Rote Zahlen gelten für den roten, blaue für den blauen Farbstoff. Wie funktioniert diese "Zusammenfassung" der Stoffmengen in der stationären und mobilen Phase? Betrachten wir in Abb. 7 das oval markierte Feld E14. Wir wollen gerade die Teilchenmengen berechnen, die im dritten Trennschritt anfallen. E14 wird mit zwei Teilchenmengen "versorgt": Von der Zelle davor kommt der Anteil an Substanz hinzu, der in ihr in die mobile Phase übergegangen ist ("C12*D6", also das Produkt der Werte aus den Zellen C12 und D6) und weitertransportiert wird (grüner Pfeil). Zusätzlich kommt der Inhalt der Zelle hinzu, der von der stationären Phase festgehalten (E12*G6) und nicht weiter transportiert wird (roter Pfeil). Für eine detaillierte und mehr schrittweise Betrachtung der Einzelvorgänge ist die Excel-Datei mit den fünf Schritten geeigneter - besonders für jüngere Lernende. Erfahrungsgemäß verstehen Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums (ab Klasse 10) die gekoppelten Vorgänge in der Excel-Simulation mit zehn Schritten gut - zumal das zweite Excel-Arbeitblatt auch noch eine Grafik zeigt, die nur fünf Trennschritte darstellt (in Abb. 6 nicht dargestellt): man erkennt im Vergleich mit dem oberen Diagramm (zehn Trennschritte) deutlich den Unterschied, der sich mit der steigenden Zahl der Trennschritte einstellt. Hier noch zwei wichtige Hinweise: Sie können sich bei geöffneter Excel-Datei die verwendeten Formeln anzeigen lassen. Klicken Sie auf "Extras", "Formelüberwachung", "Formelüberwachungsmodus". Der "Klick-Rückweg" führt zur normalen Tabellendarstellung zurück. Beim Schließen der Excel-Datei sollten die vorgenommenen Änderungen nicht gespeichert werden (Abb. 8). So bleibt der Originalzustand der Simulationen erhalten. Im Rahmen einer Projektarbeit können die Schülerinnen und Schüler - je nach Interesse und Fähigkeiten - in selbständiger Arbeit das mathematische Modell zur multiplikativen Verteilung mit einer objekt-orientierten Programmiersprache wir zum Beispiel Visual Basic "automatisieren". So lassen sich über Hundert Trennschritte in einer "Schleife" berechnen. Die Diagramme der Auftrennung werden so erheblich klarer und aussagekräftiger. Mit der Dünnschichtchromatographie kann man Farbstoffgemische auftrennen und zeigen, dass eine scheinbar einfarbige Lösung oder die Farbe eines Faserschreibers oft aus vielen Einzelkomponenten unterschiedlicher Farbe besteht. Die Auftrennung verschiedenfarbiger Faserschreiber liefert - abhängig von der Herstellerfirma und der Farbe - optisch eindrucksvolle Resultate. Dabei kann zum Beispiel untersucht werden, welcher Herstellerfirma ein Faserschreiber zuzuordnen ist. Abb. 9 zeigt einige Ergebnisse aus Schülerversuchen. Die Betrachtung der getrockneten Chromatogramme unter langwelligem UV-Licht (UV-Lampe nicht auf die Augen richten beziehungsweise in die Lampe hineinsehen, im Idealfall Schutzbrillen verwenden!) zeigt - je nach Fabrikat und Farbe - schwach fluoreszierende Zusatzstoffe, die im Tageslicht die Brillanz der Farben erhöhen. Bereitgestellt werden müssen die Dünnschichtchromatographie-Folien (siehe "dc_versuch_1_farbstoffe.pdf"), Trennkammern mit Deckeln, eine Flasche mit vorbereitetem Fließmittel, ein Trichter, weiche Bleistifte (zur Markierung der Folien) und eventuell eine UV-Lampe mit umschaltbarem Wellenlängenbereich. Das verwendete Laufmittel enthält Acetonitril (siehe "dc_versuch_1_farbstoffe.pdf"). Es liefert in kurzer Zeit sehr gute Trennerfolge und ist für Schülerversuche noch zugelassen. Führen Sie den Versuch nur in einem gut ziehenden Abzug durch. Nach der Chromatographie wird Fließmittel aus den Gefäßen durch einen Trichter ins Vorratsgefäß zurückgegeben. Die Filter werden seitlich an die Gefäße gestellt und unter dem Abzug getrocknet. Achten Sie bei längerer Lagerung des Laufmittels auf den pH-Wert - er sollte bei etwa 7,0 liegen. Farbstifte bringen die Schülerinnen und Schüler mit. Achten Sie jedoch darauf, dass keine Permanentstifte verwendet werden. Als Lehrkräfte müssen wir bei den weiteren Versuchen dieser Unterrichtseinheit immer wieder auf die exakten Vorbereitungen zurückgreifen und uns darauf verlassen können, dass die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Folien vorbereiten, die Stoffe auftragen und die Trennung sorgfältig durchführen können. Achten Sie bei diesem ersten Versuch daher besonders auf folgende Punkte: Sind alle Folien ordnungsgemäß vorbereitet? Sind auf den Folien Farbe und Fabrikat der Farbstifte vermerkt? Sind die Folien mit dem Namen der Arbeitsgruppe beschriftet? Weiß jede Arbeitsgruppe, welches Gefäß und welche Folie zu ihr gehört? Werden die Farbtupfer nicht zu dick aufgebracht? Zu viel Farbstoff führt zu verschmierten Flecken, daher gilt: Weniger ist mehr! Beim Auftragen der Proben lieber mehrmals tüpfeln - Proben dabei zwischendurch trocknen lassen. Lassen die Schülerinnen und Schüler die Folie einfach in die Chromatographiekammer fallen? Tauchen die Farbtupfer nicht in das Fließmittel ein? Vergleichen die Lernenden die Trennergebnisse mit anderen Arbeitsgruppen? Nach dem spielerischen Einsteig wird nun eine anspruchsvollere Aufgabe wissenschaftlich exakt bearbeitet. Die Datei "dc_versuch 2_schmerzmittel.pdf" (siehe unten) liefert neben einer Liste mit den benötigten Materialien eine genaue Versuchsvorschrift - von der Vorbereitung der Folie bis hin zur Auswertung der Ergebnisse unter UV-Licht (Abb. 10). Zeigen Sie den Schülerinnen und Schülern vor Versuchsbeginn die weißen Substanzen in Reinform (Acetylsalicylsäure, Coffein, Paracetamol; Sie benötigen diese Stoffe bei der Chromatoghraphie auch als Referenzsubstanzen). Sie werden gleich die Problematik erkennen, dass weiße (oder farblose) Stoffe auf dem weißen Folienbelag bei Tageslicht nicht sichtbar sind. Bei der Frage nach Möglichkeiten zum Nachweis "unsichtbarer" Substanzen können die Schülerinnen und Schüler - spätestens nach dem Hinweis auf die Geldscheinprüfung - die Begriffe UV-Licht oder Fluoreszenz ins Spiel bringen. Bitte halten Sie die vorgegebenen Stoff- und Lösungsmittelmengen ein - sie sind erprobt (siehe "dc_versuch 2_schmerzmittel.pdf"). Aspirin (Acetylsalicylsäure) in methanolischer Lösung sollte nicht zu lange aufbewahrt werden oder gar mit Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommen. Es findet eine langsame Hydrolyse beziehungsweise Umesterung statt. Die entstehende Salicylsäure erzeugt im Chromatogramm oberhalb des Aspirins einen diffusen, blau fluoreszierenden Fleck, der sehr störend ist. Verwenden Sie daher nur frisch zubereitete Aspirinlösungen. Verwenden Sie als Analysenprobe möglichst Schmerztabletten, die entweder alle drei Vergleichssubstanzen oder mindestens zwei davon enthalten. Führen Sie den Versuch nur unter einem gut ziehenden Abzug durch und beachten Sie die Brennbarkeit der Lösungsmittel! Die Markierung der Lösungsmittelfront muss sofort nach der Entnahme der Folie aus dem Chromatographiegefäß erfolgen, sonst ist sie nicht mehr eindeutig erkennbar. Betrachten Sie nur völlig trockene Folien unter UV-Licht. Richten Sie die Lampe nie auf Augen. Weisen Sie die Schülerinnen und Schüler dauf hin, nie in die Lampe zu blicken (im Idealfall Schutzbrillen verwenden). Bei der Betrachtung der Folien unter UV-Licht (254 nm) fluoresziert die weiße Trägersubstanz durch ihren Fluoreszensfarbstoff grünlich. Farblose Substanzen, die nicht fluoreszieren, schwächen die Fluoreszens des Trägermaterials und machen sich als "dunkle Flecken" bemerkbar. Die Schülerinnen und Schüler umfahren diese Flecken der aufgetrennten Substanzen vorsichtig mit einem weichen Bleistift. Besonders intensive Flecke werden schraffiert. Dabei ist darauf zu achten, dass die weiße Schicht der Folie nicht beschädigt wird. Achten Sie auch darauf, dass die Gruppen ihre Markierungen bei Tageslicht kontrollieren und noch einmal mit dem Erscheinungsbild unter UV-Licht vergleichen, bevor sie die Lampe verlassen: Wurde auch kein Fleck vergessen? Wurden besonders intensive Flecken schraffiert? Dies sind die Voraussetzung für klare Aussagen: Was sind die Rf-Werte für die Referenzsubstanzen Aspirin, Coffein und Paracetamol? Welche "Flecke" mit gleichem Rf-Wert sieht man bei der Schmerzmittelprobe? Abb. 11 zeigt das Ergebnis der Auswertung eines Schülerversuchs (a: Ergebnis unter UV-Licht; b: beschriftete Originalfolie). Die Schülerinnen und Schüler zeigen sich überrascht, wenn zum Beispiel bei einer Gruppe ein "Fleck" auftaucht, der keiner Referenzsubstanz zugeordnet werden kann. Eine "heimliche" Zugabe von 100 mg Ibuprofen zur Lösung der Analysenprobe liefert einen solchen "Rätselfleck", der zu weiterführenden Überlegungen anregen und die Bedeutung der Chromatographie als einfache Methode zum Aufspüren von Verunreinigungen verdeutlichen soll: Um welchen Stoff (welche Verunreinigung) kann es sich handeln? Welche wirksamen (rezeptfreien) Substanzen zur Schmerzbekämpfung gibt es sonst noch? Wie könnte man die unbekannte Substanz identifizieren? Die Schülerinnen und Schüler können die Aufgabe erhalten, die Zusammensetzung gängiger Schmerztabletten im Internet zu recherchieren und zumindest eine Auswahl der für die Zuordnung ihrer Probe in Frage kommenden Präparate zu erstellen. Erfahrungsgemäß erweisen sie sich dabei als sehr findig! Die Schülerinnen und Schüler sollen nun auf der Basis ihrer experimentellen Erfahrungen die benötigten Geräte selbst zusammenstellen (Hilfestellung durch die Lehrkraft), die Chemikalien und Proben besorgen und den Versuch eigenverantwortlich durchführen und auswerten. Die Anleitungen zu den folgenden drei Experimenten (Trennung von Paprika-, Curry- und Blattfarbstoffen) sind daher nicht mehr so ausführlich. Gegebenenfalls können die Lernenden auch noch weitere Anleitungen recherchieren und Experimente durchführen. Beachten Sie bei den hier vorgeschlagenen Pflanzenfarbstoff-Chromatographien folgende Punkte: Frische Ausgangsmaterialien Besonders beim Paprikapulver ist darauf zu achten, dass es frisch ist und nicht längere Zeit Luft und Licht ausgesetzt wurde. Feuergefährliches Fließmittel Besondere Vorsicht ist bei der Entwicklung der Chromatogramme geboten. Dies sollte nur im gut ziehenden Abzug erfolgen. Verwenden Sie hier keine offenen Flammen, keine heißen Gegenstände und keine Handys (Fotoblitz)! Um die Entzündung feuergefährlicher Lösungsmittel auszuschließen, fotografieren Sie die Chromatogramme nie unter dem Abzug. Lichtempfindliche Substanzen Die Entwicklung der Chromatogramme findet sowieso im Abzug statt - daher dürfte Licht- oder gar Sonneneinstrahlung dabei kein Thema sein. Nach dem Trocknen sollten die Chromatogramme lichtgeschützt aufbewahrt werden. Paprikafarbstoffe Abb. 12 zeigt ein Chromatogramm von Paprika-Farbstoffen. Je nach Paprikasorte können auch weniger Banden erzielt werden. Die hier verwendeten Paprika-Früchte stammten aus Ungarn. Curry- beziehungsweise Curcuma-Farbstoffe Bei der chromatographischen Analyse von Curcuma sollten sich fünf Flecke ergeben: drei gelbe (Rf-Werte 0,17, 0,29 und 0,46) und zwei blau fluoreszierende (Rf-Werte 0,25 und 0,54). Bei Currypulver erhält man mindestens einen intensiv orangefarbigen Fleck und drei gelbe Flecke mit kleineren Rf-Werten. Die aufgetrennten Blattfarbstoffe (Abb. 13) unterscheiden sich farblich teilweise nur durch Nuancen: Carotine (goldgelb) Phaeophytin (olivgrün) Chlorophyll a (blaugrün) Chlorophyll b (gelbgrün) Lutein (graugelb) Violaxanthin (gelb) Neoxanthin (gelb) Im Unterricht kann die Dünnschichtchromatographie auch als Möglichkeit zum Nachweis von Verunreinigungen beziehungsweise Fremdsubstanzen bei illegalen Modedrogen wie Exstacy oder Speed thematisiert werden - mit dem ausdrücklichen Hinweis, dass diese toxischen Fremdsubstanzen oft einen beträchtlichen Anteil der Droge ausmachen, teils absichtlich zugegeben werden und andere bei der Herstellung unvermeidbar als Nebenprodukte entstehen, die weder bekannt noch toxikologisch geprüft sind. Die Abnehmerinnen und Konsumenten der Drogen sind daher Versuchskaninchen, um deren Gesundheit und die Spätfolgen (Krebs, cerebrale Effekte, persönlichkeitsverändernde Wirkungen) sich niemand kümmert. Die Vermeidung oder Beseitigung gesundheitsschädlicher Nebenprodukte hätte Zeit-, Substanz- und damit Einnahmeverluste der "Produzenten", Dealerinnen und Dealer zur Folge. "Cash" ist deren Maxime, das erhebliche gesundheitliche und psychische "Restrisiko" tragen allein die Abnehmer und Konsumentinnen. Dieser Aspekt ist als Übergang oder Anknüpfungspunkt zu einer fachübergreifenden Unterrichtseinheit zum Thema "Suchtstoffe und Drogen" gut geeignet.