Skript - Bauchemie

Einführung

Mit Hilfe dieses Skriptes sollen Sie sich das Thema Bauchemie selbstständig erarbeiten. Selbstständig bedeutet wirklich SELBST und STÄNDIG.

Der Unterricht im klassischen Sinne hat aufgehört. Sie können Ihr eigenes Tempo bestimmen und sich Ihre eigenen Partner suchen. Sollte die Lehrkraft nicht da sein, haben Sie nun immer das Material um selbstständig zu arbeiten.

Die Lehrkraft soll Ihnen dabei als Berater zur Seite stehen. Wenn Sie Fragen haben oder auf Probleme stoßen, die Sie weder allein noch im Team lösen konnten, dann fragen Sie nach!

Für jedes Kapitel dieser Reihe ist angegeben, wie Sie vorgehen sollten. Die Vorüberlegungen sollen Ihnen helfen Wissen zu reaktivieren oder Wissenslücken zu schließen. Wenn Sie sich an die vorgegebenen Vorgehensweisen hallten, sollte es keine Probleme geben.

Vielleicht fragen Sie sich jetzt, warum die Lehrer so faul sein dürfen und Sie jetzt alles allein machen müssen. Der Grund ist recht einfach: die Lehrer haben alles bereits so vorbereitet, dass Sie sich intensiv mit einem Thema beschäftigen können. Dadurch bleibt es besser in Ihrem Gedächtnis. Sie lernen effektiver die Inhalte, verbessern Ihr eigenes Zeitmanagement und analysieren Ihre eigenen Fähig- und Fertigkeiten.

Symbole im Skript

In diesen Texten finden Sie Erklärungen und Hintergründe!
Die Quellen finden Sie in den Fußnoten. Diese Quellen können Ihnen auch als Quizvorbereitung helfen.
Übrigens, nicht alle Quellen sind Wikipedia. Aber es ist eine nützliche und in Chemie akzeptierte Quelle.
Bild: Information by dDara from the Noun Project

An diesen Stellen sollen Sie Ihr Wissen auffrischen!
Sie sollten die entsprechenden Themen schon vorher im (Chemie-)Unterricht behandelt haben.
Falls nicht, arbeiten Sie Ihre Wissenslücken bitte selbstständig auf.
Bild: Arrow by Aleksandr Vector from the Noun Project

Es soll keine Langeweile aufkommen.
Wenn Sie mit den Aufträgen bereits fertig sind, während Ihre Gruppe noch arbeitet, können Sie sich hier noch weiter in das Thema vertiefen.
Bild: thunder by Pascal Heß from the Noun Project

Dieses Symbol weißt immer auf eine Durchführung für ein Experiment hin.
Bild: Chemistry by Eucalyp from the Noun Project

Das Zeitsymbol soll Ihnen zeigen, wie lange Sie für das jeweilige Kapitel brauchen sollten.
Diese Zeitangabe dient aber nur als Orientierung. Am Ende müssen Sie nur die Planung der Lehrkraft und Ihre eigene Zeitplanung beachten.
Bild: clock by Mr. Minuvi from the Noun Project

Bewertung

Die Bewertung im Semester erfolgt anhand von:

Tests
Protokollen
Mitarbeit im Unterricht bei der Sicherung und Diskussion von Inhalten
digitalem Portfolio
ggf. Klausur

Auf Grund unvorhergesehener Umstände (z.B. Pandemie) kann sich diese Liste auch ändern. Bitte halten Sie mit Ihrer Lehrkraft Rücksprache.

Das digitale Portfolio

Das Portfolio ist ein Teil der Arbeit und Bewertung. Zum einen dient es der Sicherung und Sammlung aller Arbeitsergebnisse. Sie können und sollten in diesem Portfolio alles sammeln, was Sie an Materialien und Produkten selbst erarbeitetet haben. Die zweite Funktion des Portfolios ist die Darstellung Ihrer eigenen Entwicklung. Mit Hilfe des Portfolios belegen Sie Ihren Lernfortschritt und reflektieren Ihre Arbeitsergebnisse und Arbeitsweisen. Diese Reflexion sollte sich auf alle Arbeitsprozesse, wie z.B. Recherchen oder Gruppenarbeiten, beziehen. Die Selbstreflexion sollte unabhängig von den Arbeitsaufträgen der Lehrkraft erfolgen.

Darüber hinaus können Sie dieses Portfolio auch als Teil Ihrer zukünftigen Bewerbungsmappen nutzen. Ihr zukünftiger Arbeitgeber erlangt dadurch ein umfassenderes Bild von Ihnen. Sehen Sie das Portfolio also nicht nur als weiteren Schulhefter sondern auch als Selbstdarstellungsmöglichkeit.

Die Bewertung des Portfolios erfolgt zum Ende des jeweiligen Semesters und erfolgt mit Hilfe des gegebenen Bewertungsrasters.

Hilfreiche Fragen für die Reflexion

Falls Sie anfangs bei der Reflexion Probleme haben, können Sie sich erst einmal an diesen Fragen orientieren. Die Reflexion sollten Sie regelmäßig durchführen und als Fließtext ausformulieren.

Habe ich die Zeit effektiv genutzt?
Habe ich alle Aufträge gelöst?
Habe ich alles verstanden?
Habe ich gut allein gearbeitet?
Habe ich gut in der Gruppe gearbeitet?
Was kann ich in der nächsten Stunde besser machen?

Netzdiagramm zur Schnellreflexion

In Ihrem digitalen Portfolio sollen Sie Ihren Arbeits- und Lernprozess sinnvoll reflektieren um Verbesserungsmöglichkeiten zu finden und dann umzusetzen. Dazu sollten Sie regelmäßig, also beispielsweise nach jedem Kapitel, eine Reflexion durchführen.

Dieses Netzdiagramm soll Ihnen dabei helfen. Sie können den Code für das Diagramm an die jeweilige Stelle in ihrem digitalen Portfolio kopieren und dort anpassen. Dadurch visualisieren Sie für sich ihren Fortschritt. Am Ende sollte das Netzdiagramm komplett gefüllt sein.

Zusätzlich sollten Sie die Reflexion in einem Fließtext ausformulieren. Das könnten Seite auch unterhalb des Diagramms in Ihrem Portfolio machen.

Bewertung des digitalen Portfolios

Umsetzung digitales Portfolio (Gewicht: 1)
1BE	2BE
HTML	schönes HTML
3BE	4BE
HTML,CSS	schönes HTML, schönes CSS (JavaScript)

Dokumentation (Gewicht: 2)
1BE	2BE
Weniger als zur Hälfte erfüllt	Mehr als zur Hälfte erfüllt
3BE	4BE
Weitgehend erfüllt	Vollständig erfüllt

Reflexion (Gewicht: 3)
1BE	2BE
Kaum Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Kurzreflexionen wurden selten genutzt oder das Semester wurde abschließend reflektiert oder die Reflexion wurde während des Semsters manchmal vorgenommen.	Reflexionsfähigkeit zum Teil erkennbar. Die Kurzreflexionen wurden selten genutzt. Das Semester wurde abschließend reflektiert oder die Reflexion wurde während des Semsters manchmal vorgenommen.
3BE	4BE
Gute Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Reflexion wurde mehrfach während des Semsters vorgenommen. Die Kurzreflexionen wurden genutzt. Das Semester wurde abschließend ergänzend reflektiert.	Sehr gute Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Reflexion wurde mehrfach während des Semsters vorgenommen. Die Kurzreflexionen wurden sinnvoll genutzt. Das Semester wurde abschließend ausführlich ergänzend und glaubhaft reflektiert.

Die Dokumentation der Arbeit enthält z.B. die Lösungen zu den Arbeitsaufträgen, weitere (digitalisierte) Mitschriften, Quellen, Recherchen, gezeichnete oder ausgedruckte Bilder, Mind-Maps sowie verlinkte Videos und Webseiten. Dabei ist darauf zu achten, dass eine Sammlung von abfotografierten Heftseiten keine digitale Dokumentation im Sinne des digitalen Portfolios darstellt. Die durchgängige Reflexion beinhaltet die Arbeit in der Klasse, in der Gruppe, Einzelarbeit, die Reflexion des Erkenntnisstands etc. Die Lehrkraft kann in den Kategorien Dokumentation und Reflexion jeweils 1 bzw. 2BE von der Bewertung individuell abziehen.

Baumaterialien

Ohne Chemie würde es keine Gebäude geben. Am Anfang dieser neuen Einheit sollen Sie erarbeiten, welche Bestandteile für den Gebäudebau wichtig sind.

Übersicht Baumaterialien

Auftrag: Erarbeiten Sie sich mit Hilfe der Quelle eine Übersicht der Baumaterialien. Üebn Sie dabei die Erstellung des digitalen Portfolios.

Besprechen Sie mit der Lehrkraft, wie man mit dem digitalen Portfolio beginnt.

Ändern Sie den title ihres HTML-Dokuments entsprechend Ihrer Ideen.
Erstellen Sie eine ersten Überschrift (Größe: h1) mit dem Namen "Bauchemie" (oder ähnlichem).
Erstellen Sie eine kleinere Zwischenüberschrift (Größe: h2) mit dem Titel "Baumaterialien".

Lesen Sie den Auszug aus Alan Weismanns Buch The World without us.
Erstellen Sie eine Überischt über alle verwendeten Materialien. Unterscheiden Sie in organische und anorganische Baustoffe. Erstellen Sie ihn Ihrem digitalen Portfolio dazu eine Tabelle.

Lehm, Ton, Kalk, Beton

Auftrag: Erarbeiten Sie sich mit Hilfe der Quellen eine Übersicht der anorganischen Baumaterialien.

Lesen Sie die Auszüge aus Lewis Datrnells Buch The Knowledge.
Erstellen Sie eine Überischt über alle verwendeten Materialien. Erstellen Sie ihn Ihrem digitalen Portfolio dazu eine Tabelle.
Erklären Sie die Zusammenhänge von Lehm und Ton, sowie Kalk und Beton. Schreiben Sie dazu einen kleinen Absatz in ihr Portfolio.

Kalkkreislauf

Unter Maurern gibt es den Spruch „Ein Stein, ein Kalk, ein Bier“. Wie man Steine (Ziegel) herstellt, haben Sie theoretisch bereits erarbeitet, wie man Alkohol herstellt auch bzw. werden Sie in Q3 die Feinheiten des Bierbrauens erlernen. Bleibt also der Kalk; und damit meinen wir nicht den Kalk, der den Teekessel bedeckt. Oder doch?

Experiment zum Kalkkreislauf

Auftrag: Erarbeiten Sie sich den Kalkkreislauf!

Führen Sie die gegebenen Experimente durch.
Notieren Sie Ihre Beobachtungen für ein ausführliches Protokoll!
Erklären Sie (zusätzlich) als Teil der Auswertung den technischen/baurelevanten Kalkkreislauf! Erläutern Sie wie Kalk als Baumittel bzw. Kalkmörtel genutzt wird?

0. Kalkwasser herstellen: Lösen Sie unter ständigem Rühren 1g Calciumoxid in 500ml warmem Wasser. Filtrieren Sie die Flüssigkeit mindestens zwei mal. Geben Sie einige Tropfen Phenolphthalein zu Ihrer Lösung.
1. Kalkbrennen und -löschen (Marmor): Füllen Sie zwei mittlere Bechergläser jeweils zur Hälfte mit Wasser. Geben Sie in beide Bechergläser einige Tropfen Phenolphthalein. Geben Sie in ein Becherglas ein Stück Marmor. Erhitzen Sie ein zweites Stück Marmor einige Minuten lang in der rauschenden Brennerflamme. Geben Sie das Marmorstück in das zweite Becherglas. Beobachten Sie.
2. Kalkbrennen und -löschen (Calciumcarbonat): Füllen Sie zwei kleine Bechergläser jeweils zur Hälfte mit Wasser. Geben Sie in beide Bechergläser einige Tropfen Phenolphthalein. Geben Sie in ein Becherglas zwei Spatelspitzen Calciumcarbonat. Erhitzen Sie in der rauschenden Flamme auf einer Magnesiarinne zwei Spatelspitzen Calciumcarbonat für einige Minuten. Geben Sie den Stoff in das zweite Becherglas. Beobachten Sie.
3. Kalkbrennen – Gasuntersuchung: Erhitzen Sie in einem Reagenzglas Natriumcarbonat und leiten Sie das entstehende Gas in das frisch hergestellt Kalkwasser. Beobachten Sie!

Stöchiometrie

Bei der Herstellung von Stoffen achtet man auf effiziente und kostengünstige Prozesse. Es ist daher von Vorteil, dass man die Massen bei chemische Reaktionen so genau berechnen kann.

Am Ende dieses Kapitel sollen Sie ... :

die chemischen Hintergründe des chemischen Rechnens erläutern können.
Massen bei chemischen Reaktionen berechnen können.

Vorgehensweise:

Besprechen Sie mit Ihrer Lehrkraft, wie man chemische Berechnungen durchführt.

clock by Mr. Minuvi from the Noun Project

135min

An diesen Stellen sollen Sie Ihr Wissen auffrischen!

Laden Sie sich die Anleitung herunter.
Erarbeiten Sie zusammen mit Ihrer Lehrkraft, wie man stöchiometrische Berechnungen durchführt.
Üben Sie hier und hier.

Das chemische Rechnen

1. Auftrag: Berechnen Sie die Stoffmenge Magnesiumoxid, die in 20g Magnesiumoxid sind.

2. Auftrag: Berechnen Sie die Masse an Sauerstoff, die Sie benötigen, wenn 25kg Wasserstoff verbrennen.

3. Auftrag: Berechnen Sie die Masse an CaO, die man beim Kalkbrennen produziert, wenn man 1500g Calciumcarbonat herstellen will.

Zementherstellung

Nachdem wir uns den Kalkkreislauf zur Herstellung für Kalk angeschaut haben, ist es Zeit sich mit den moderneren Baustoffen zu beschäftigen: z.B. Zement. Er ist aus unserer modernen Welt und Architektur nicht mehr wegzudenken und gleichzeitig war er schon bei den alten Römern "modern". In letzter Zeit ist aber die schlechte Umweltbilanz ins Blickfeld geraten.

Chemisches Rechnen: Zementherstellung

Auftrag: Ermitteln Sie die Kohlenstoffdioxid-Bilanz der Zementherstellung.

Erläutern Sie die Herstellung von Zement mit Hilfe eines Fließschemas.
Berechnen Sie Masse an CO₂, die bei der Produktion von 32 Millionen Tonnen Zement entsteht. Recherchieren Sie dazu, wie viel Kalk prozentual bei der Herstellung gebraucht wird. Eine hilfreiche Quelle finden Sie hier.

Bei der Produktion des wichtigen Baustoffs Zement entstehen gewaltige Mengen des Klimagases Kohlendioxid. Jüngsten Schätzungen zufolge verursacht die Zementherstellung acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen. [...] Rund 45 Prozent der Zement-Emissionen entstehen, weil man Hitze und Strom braucht. Würde man dabei fossile durch erneuerbare Energien ersetzen, wäre noch nicht genug gewonnen. Denn der größere Teil der Emissionen – 55 Prozent – sind sogenannte Prozess-Emissionen. Wenn in Zementöfen Kalkstein zu Zementklinker umgewandelt wird, ist dies eine chemische Reaktion, und dabei wird Kohlendioxid freigesetzt. Quelle[2023-Feb-02]

Zementklinker (Portlandzementklinker, kurz: Klinker) ist der gebrannte Bestandteil des Zements, der für die Aushärtung unter Beimengung von Wasser zuständig ist. [...] Als Ausgangsprodukte werden im Wesentlichen Tonminerale und Kalk eingesetzt. Meist in Form ton- und kalkhaltiger Gesteine wie Kalkstein oder Mergel. Die Rohstoffe werden gemahlen und anschließend bei etwa 1.450 °C erhitzt, bis sie teilweise miteinander verschmelzen (Sintern). Das nun kugelförmige Material wird abgekühlt und erneut gemahlen, um Zement zu erhalten. Quelle[2023-Feb-02]

Saurer Regen

Saurer Regen ist in Deutschland weniger ein Problem. Das war einmal anders. In manchen Teilen der Welt ist es aber immer noch ein Problem, das nicht nur für Gebäude problematisch ist. Auch Mensch und Natur leiden darunter, wenn es, im wahrsten Sinnde des Wortes, Säure regnet.

Am Ende dieses Kapitel sollen Sie ... :

...die Entstehung von saurem Regen erläutern können.
...die Entstehung von saurem Regen experimentell nachvollziehen können.
...die Wirkung von saurem Regen auf Kalk experimentell nachvollziehen und erläutern können.

Vorgehensweise:

Recherchieren Sie die Grundlagen allein.
Führen Sie das Experiment als Gruppe und nach Absprache mit der Lehrkraft durch.

135min

Die Entstehung von saurem Regen

Auftrag: Untersuchen Sie mit Hilfe des Experiments, wie saurer Regen entsteht.

Recherchieren Sie den Begriff saurer Regen.
Führen Sie die Experimente durch. Protokollieren Sie kurz.
Erläutern Sie mit Hilfe einer Reaktionsgleichung, wie aus Schwefeloxiden (SO₂) und (SO₃) saurer Regen bzw. saure Lösungen entstehen können.
Nennen Sie die allgemeine Wortgleichung für die Bildung von Säuren aus Nicht-Metalloxiden. Vergleichen Sie die Reaktion mit der Reaktion von Metalloxiden mit Wasser.

Führen Sie je nach Absprache mit der Lehrkraft eines der Experimente in deren Beisein durch:
Schwefelverbrennung: Füllen Sie in einen großen Erlenmeyerkolben zwei Daumenbreit Wasser und geben Sie einige Tropfen Unitest dazu. Eine Spatelportion Schwefel wird in einen Verbrennungslöffel mit passendem Stopfen gegeben und (im Abzug) über dem Gasbrenner entzündet. Anschließend wird der brennende Schwefel in den Erlenmeyerkolben gehalten und durch den Stopfen verschlossen. Beobachten Sie. Eine Durchführung sehen Sie auch hier.
Reaktion von CO₂ mit Wasser: Leiten Sie CO₂ in Unitest. Sie können dafür beispielsweise eine Luer-Lock-Spritze nutzen.

Die Wirkung von saurem Regen

Auftrag: Untersuchen Sie mit Hilfe des Experiments, wie saurer Regen wirkt.

Führen Sie die Experimente durch. Protokollieren Sie kurz.
Erläutern Sie mit Hilfe einer Reaktionsgleichung, was passiert wenn Schwefelsäure mit Kalk reagiert. Erklären Sie, warum das nicht gut für ein Gebäude sein kann.
Nennen Sie die allgemeine Wortgleichung oder die Regel für die Reaktion von (starken) Säuren mit Salzen schwacher Säuren.

Kalk und Säuren: Füllen Sie in ein Reagenzglas eine Spatelspitze Kalk. Geben Sie verd. Salzsäure dazu. Wiederholen Sie den Versuch mit verd. Schwefelsäure und Essigsäure.
Untersuchung des entstehenden Gases: Wiederholen Sie den obigen Versuch in einem verschlossen Reagenzglas mit seitlichem Ansatz. Leiten Sie das entstehende Gas in ein kleines Becherglas in dem eine brennende Kerze steht. Wiederholen Sie den Versuch und leiten Sie das entstehende Gas in \(\ce{Ba(OH)2}\) oder \(\ce{Ca(OH)2}\)

Titration

Wenn man mit Beton baut, dann ist es wichtig, dass bestimmte pH-Werte im Beton vorliegen. Den pH-Wert kann man grob mit einem Indikator abschätzen oder bei einer Lösung mit einer Titration genau bestimmen.

Am Ende dieses Kapitel sollen Sie ... :

...den Begriff pH-Wert erläutern können.
...den pH-Wert berechnen können.
...die Bedeutung des pH-Werts für Stahlbeton erklären können.
...eine Titration planen und durchführen können.
...mit Hilfe einer Titration den ph-Wert experimentell bestimmen können.

Vorgehensweise:

Recherchieren Sie die Grundlagen allein.
Führen Sie das Experiment als Gruppe und nach Absprache mit der Lehrkraft durch.

135min

ph-Wert und Beton

Auftrag: Erklären Sie, warum der pH-Wert für den Betonbau so wichtig ist.

Erläutern Sie den Begriff pH-Wert.
Erklären Sie, warum man beim Bauen mit Stahlbeton auf den pH-Wert achten muss und wie man ihn misst. Recherchieren Sie hier und hier.

Die Titration

Auftrag: Bestimmen Sie mit Hilfe der Titration den pH-Wert einer unbekannten Säure-Lösung oder Lauge.

Planen und beschreiben Sie die Durchführung einer Titration zur Bestimmung des pH-Wertes.
Erläutern Sie, wie man den pH-Wert der unbekannten Lösung ermittelt.
Führen Sie das Experiment nach Absprache mit Ihrer Lehrkraft durch.

Stahl und Eisen

Am Ende dieses Kapitel sollen Sie ... :

...den Unterschied zwischen Stahl und Eisen erklären können.
...den Hochofenprozess beschreiben können.
...die Metallbindung erläutern können.
...die Eigenschaften der Metalle mit Hilfe der Metallbindung erklären können.
...unterschiedliche Möglichkeiten der Stahlherstellung vergleichen und bewerten können.

Vorgehensweise:

Recherchieren Sie die Grundlagen allein.
Führen Sie die Diskussion am Ende in Gruppen nach Absprache mit der Lehrkraft durch.

180min

Eisen- und Stahlherstellung

Auftrag: Erklären Sie, wie man Eisen und Stahl herstellt.

Recherchieren und erklären Sie den Zusammenhang von Stahl und Eisen.
Recherchieren und erläutern Sie, wie Roheisen aus Erzen gewonnen wird!

Beziehen Sie sich dabei auf die groß-industriellen, chemischen Prozesse!
Erklären Sie dazu auch, warum man dazu Kohle benötigt.
Erläutern Sie dabei auch den Begriff Redox-Reaktion noch einmal!

Die Metallbindung

Auftrag: Erläutern Sie, die Eigenschaften der Metalle mit Hilfe der Metallbindung.

Recherchieren und erläutern Sie am Beispiel des Eisens die Metallbindung und vergleichen Sie sie mit der kovalenten und ionischen Bindung!. Gehen Sie auch das Elektronengas-Modell ein.
Erläutern Sie, mit Hilfe der Metallbindung die Biegbarkeit und Leitfähigkeit der Metalle.

Grüne Stahlherstellung

In Zusammenhang mit dem Ukraine-Krieg und der Klimakrise wird in Deutschland (und Europa) über die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen gesprochen. Immer wieder werden die Begriffe grauer, blauer und grüner Wasserstoff genannt. Auch in der Stahlherstellung!

Auftrag: Vergleichen und bewerten Sie, die verschiedenen Möglichkeiten Stahl herzustellen!

Recherchieren und erläutern Sie, wie Stahl/Eisen mit Hilfe von Wasserstoff hergestellt werden kann.
Bunter Wasserstoff? Recherchieren und erklären Sie die Farbenlehre beim Wasserstoff.
Nennen Sie in Ihrem Vergleich Vor- und Nachteile der jeweiligen Herstellungsart.
In Zusammenhang mit dem Ukraine-Krieg und der Klimakrise wird über die Transformation der Industrie gesprochen. Viel Geld soll verteilt werden. Gleichzeitig soll der Wirtschaftsstandort Deutschland gefördert werden.

Gruppe 1: Sie vertreten die klassische Stahlindustrie. Erklären und argumentieren Sie, warum Deutschland weiterhin auf Kohleimporte und Kohleabbau setzen sollte. Gehen Sie auch auf mögliche Probleme bei der Nutzung von Wasserstoff ein.
Gruppe 2: Sie vertreten die Grüne Stahlindustrie. Erklären und argumentieren Sie, warum Deutschland auf Wasserstoff in der Stahlindustrie setzen sollte. Gehen Sie auch auf mögliche Probleme bei der Nutzung von Kohle ein.
Diskussion: Überzeugen Sie die Referent:innen des Wirtschaftsministeriums. Diskutieren Sie wie Deutschland in Zukunft Stahl produzieren soll.