Walter Wagner
Vortrag im Rahmen des Seminars "Sachunterricht in der Grundschule - chemischer
Aspekt"
28.06.1999
Gliederung: |
Anleitung zur HTML-Form des Skripts |
Für Lehrer: In der Wassercharta des Europarates heißt es:
| Zitat: | |
| Artikel I | Ohne Wasser gibt es kein Leben, Wasser ist ein kostbares, für den Menschen unentbehrliches Gut. |
| Artikel V | Verwendetes Wasser ist den Gewässern in einem Zustand zurückzuführen, der Ihre weitere Nutzung für den Öffentlichen wie für den privaten Gebrauch nicht beeinträchtigt. |
Für Schüler: siehe "Unterrichtliche Umsetzung".
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Folie: Entsorgung bundesweit |
Zur Interpretation: bis 1986 machen sich die zusätzlichen Investitionen in Klärwerke bemerkbar. Dann kamen die Ost-Bundesländer dazu. Hier hatten zuvor die VolksEigenen Betriebe und ihre Werktätigen keine Abfälle produziert ;-) und somit Abwasserklärung nicht nötig. Nach der Wiedervereinigung produzierten die nun kapitalistischen Betriebe und die Arbeiter plötzlich Abfälle - wodurch die prozentuale Reinigung abnahm. Es ist davon auszugehen, daß in ca. 10 Jahren wieder um die 90% erreicht werden, wenn genügend Klärwerke gebaut werden.
A: Was kommt ins Abwasser?
 | Haushalt:
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| Betriebe: Fett (Metzger), Mehl (Bäcker), Molke (Milchhof), Maischenreste (Brauerei), Reinigungsmittel (alle). | ||||||
| Oberfläche: Zeitungspapier, Zigarettenstummel, Kunststofffolien (Verpackungen), Sand, Laub, kleine Holzstücke, Streusalz. |
A: Was soll aus dem Abwasser werden?
| Trinkwasser. |
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Folie:
Klassifizierung (90k) |
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| Folie: Mechanische Reinigung I, FCI 13 Nr. 17 (gif 335k) |
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| Folie: Mechanische Reinigung II, FCI 13 Nr. 18 (gif 365k) |
Der chemischen Sauerstoffbedarf ist eine Kennzahl für die Gesamtmenge an organischen (oxidierbaren) Stoffen: Der biologische Sauerstoffbedarf ist eine Kennzahl für die Menge an organischen Stoffen, die von Sauerstoff (innerhalb von 5 Tagen, dann BSB5) oxidiert (abgebaut) werden kann:
Die chemische Reinigungsstufe:
Sie haben jetzt sicher fürchterliche Angst, daß es jetzt richtig formelchemisch wird. Ich möchte Sie nicht enttäuschen.
Die Phosphatfällung funktioniert so:
Die Schreibweise ist in dreierlei Hinsicht nicht ganz richtig:
die gelösten Stoffe liegen in Ionenform vor; wegen der Lesbarkeit habe ich aber Summenformelgleichungen formuliert;
aus den Waschmittel gelangen eigentlich höhere Phosphate (siehe Triphosphat unten beim Versuch) in die Gewässer; passieren tut allerdings das gleiche.
Eisen wird in der Praxis als Eisen(II)-sulfat (Grünsalz) eingesetzt. Kommentar dazu siehe unten.
Kürzestmögliche Form als Ionengleichung zum merken:
"Grünsalz" wird nur deshalb eingesetzt, weil es in großen Mengen bei der Titandioxid-Produktion (Pigment für weiße Wandfarbe) als Abfall anfällt und deshalb für die Klärwerke zu einem sehr günstigen Preis zu beziehen ist. Im Wasser werden die Eisen(II)-Kationen durch den Sauerstoff der eingeblasenen Luft zu Eisen(III)-Kationen oxidiert:
| Oxidations-Teilgleichung: |  |
| Reduktions-Teilgleichung: |  |
| Redox-Gleichung: |  |
Ein Sauerstoffmolekül vermag somit vier Eisen(II)-Kationen zu Eisen(III)-Kationen zu oxidieren.
Demonstrationsversuch 1: Triphosphatfällung durch Fe(III)-Kationen.
M.: |
-Standzylinder 500mL |
-Triphosphat-Lösung r *(P)=1000mg/L |
D: |
Zu 350mL Triphosphat-Lösung werden 150mL Eisen(III)-Lösung zugeben. |
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B: |
Es
entsteht eine gelbliche Trübung, die langsam zu Boden sinkt. Später bilden sich Flocken. ACHTUNG: 1000mg/L ist um den Faktor 100-1000x höher als in Abwasser (1-10mg/L). |
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I: |
 |
|
Nitrifizierung:
Denitrifizierung:
| Frage: | Wer ist der Meinung, daß dieses "Dinitrid" in die Luft entweichen darf? |
| Ergebnis: | Niemand meldet sich. |
| Dozent: | Ähäm. |
Es handelt sich dabei um "Luftstickstoff", ein Gas, das sowieso zu über 70% in der Luft enthalten ist. Bisher jedenfalls war es unschädlich.
Die Methode ist deshalb sehr elegant, weil die belastenden Stickstoffverbindungen (Ammonium-Kationen, Amine)
in ein völlig unschädliches Produkt überführt werden,
dafür keine weiteren Chemikalien benötigt werden und
das Produkt nicht eigens entsorgt, nicht einmal transportiert werden muß.
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| Folie:Wirkung der Kläranlage Bayreuth |
Wesentlich treffender für Grundschulkinder kann die Wirkung an der Gegenüberstellung von jeweils 500mL Wasser in klaren Glasflaschen erfolgen: einmal aus dem Zulauf, dann aus dem Ablauf der Kläranlage.
Hinweis: mit dem Zulaufwasser darf nur der Lehrer umgehen. Weitergehende Experimente sollten damit nicht unternommen werden, da Infektionsgefahr besteht.
Demonstration: Zulauf- und Ablaufwasser
Auf Gewässergütekarten kann der Erfolg des breite Einsatzes der Klärtechnik verfolgt werden:
Vorerfahrungen der Schüler: keine.
Lehrplanbezüge Ab-/Trinkwasser:| Themenbereich | Lehrziel und -inhalt | Empfehlungen (Auszug / sinngemäß) |
| Jgst. 1: 6. Kind und Gesundheit: | 6.1. Körperpflege | Hände waschen mit und ohne Seife |
| Jgst. 2: 7. Kind und Natur: | 7.7. Erfahrungen mit Wasser | Vermischen von Wasser mit Erde, Mehl, Salz... |
| Jgst. 3: 5. Warenherstellung, Dienstleistungen: 7. Kind und Natur: |
5.3. Wasserversorgung der Gemeinde / Bedeutung des Wassers 7.4. Leben in und an einem Gewässer |
Wasserbedarf im Haushalt Wasserversorgung früher und heute Unterrichtsgang zum Wasserwerk (oder zur Kläranlage) Gewässerschutz |
| Jgst. 4: 7. Kind und Natur: | 7.2. Natürlicher Wasserkreislauf | Weg des Regenwassers |
Welche Fragen gehen Kindern durch den Kopf, wenn sie mit dem Thema Abwasser konfrontiert werden?
Das Mativationsproblem, angelehnt an das Entfaltungsmodell:
Problem bzw. Vorerfahrung |
Antwort bzw. Lernziel |
| Die Ebene
der persönlichen Erfahrung: sehr grundschulrelevant. Warum soll ICH mich um Abwasser kümmern? Muß Abwasser überhaupt gereinigt werden? Es fließt doch WEG! |
Weil DU Verursacher bist und jeder sich zunächst SELBST um seine Wirkung in der Umwelt kümmern sollte. Abwasser ist nicht einfach WEG, wenn es das Waschbecken verläßt. |
Die Ebene der vermittelten Erfahrung: weniger grundschulrelevant. Wie macht man das? |
In dreistufigen Kläranlan.....(elementarisiert). |
Die Ebene der umfassenden Fachstruktur: nicht grundschulrelevant. Wie funktioniert eine Kläranlage (genau)? Wie hängen die verschiedenen Recyclingsysteme zusammen? |
Physik, Biologie, Chemie: Mikroorganismen, Stoffwechsel, physikalische Effekte, Fällungsreaktionen... +Kybernetik, Soziogeographie: Mineralische (anorganische) Anteile, organische Anteile, Wasser, Chemikalien, Kunststoffe, Problemmüll (hochkonzentrierte Verbrennungsrückstände), Transport, soziale Auswirkungen, Kosten... |
Problemorientierte UE: WER soll also WIE sauber machen? |
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| Natürlich bleibt immer alles an den Kleinen hängen. |
Das Problem: Hände waschen und was noch so ins Wasser `reinkommt:
Der Weg des Abwassers, beispielhaft aus Sicht der Studenten:
Bild:
| Vor der Vorlesung in Ihrem Hauptfach am Montag um 9 Uhr c.t. besuchen Sie das "Örtchen" in der Nähe des Hörsaales auf dem Campus; danach spülen Sie (wie es sich gehört) und Ihre "Produkte" machen sich mit etwa 0.5m/s auf den Weg zur Kläranlage. Sie könnten auch ein Schiffchen mitspülen, wenn Ihnen die Vorstellung besser gefällt. |
| Wenn die Vorlesung um 10 Uhr aus ist, vergnügt sich das "Schiffchen" gerade in der bayreuther Innenstadt, passiert das Wasserwirtschaftsamt, die LVA und das Richard-Wagner-Gymnasium. |
| Wenn Sie dann 11.15 Uhr in der Cafeteria sitzen, erreicht das "Schiffchen" die Kläranlage. Spätestens jetzt würden die "Originale" (gelöste oder feinverteilte organische Stoffe) und das Schiffchen (festes Papier) in der mechanischen Stufe verschiedene Wege gehen. |
| Die gereinigten flüssigen Produkte erreichen den Rotmain jedenfalls erst am Mittwoch, wenn Sie wieder in der Vorlesung sitzen. Daran sollten Sie stets denken (besonders in langweiligen Vorlesungen, wenn es die denn geben sollte)! |
Für alle Einwohner des Stadtgebietes Bayreuth zusammen fallen täglich 16t "Schmutzfracht" an. Nach der Klärung fließen noch 170kg in den Rotmain (Vorfluter).
Also: Was passiert nun in der Kläranlage?
Im Sachunterricht soll experimentiert werden. Didaktiker fordern die "Begegnung mit der Sache", hier also dem Abwasser... Damit wir nicht hinter der Kloschüssel abzapfen müssen, gibt es den Trick mit dem Modellversuch:
Modellversuch 2: Stofftrennung aus dem Abwasser
M.: |
-(Becher)glas ca. 1000mL |
-Trinkhalme |
V: |
Modell-Abwasser aus ca. 500mL Trinkwasser, 1 EL Kochsalz und je einer Handvoll Sand und groben Holzspänen... |
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A1: |
Woher weiß man, was drin ist? |
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E1: |
Beobachtung. |
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D2: |
Sägespäne u.ä. mit der Gabel herausfischen. Wasser in das andere (Becher)glas abdekantieren. |
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B2: |
Fraktionen: nasse Späne und Kunststofffolie, nasser Sand und trübes Wasser. |
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I2: |
Mechanische Reinigungsstufe; Modell ist sehr nahe an der Wirklichkeit. |
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D3: |
Trübes Wasser filtrieren. |
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B3: |
Klares Wasser als Filtrat. |
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I3: |
Analogie-Modell für die Biologische Stufe; weit entfernt von der Wirklichkeit, Effekt aber sehr ähnlich. |
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A4: |
Ist das Wasser nun sauber? Woher weiß man das? |
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V4: |
1. In einem Trinkglas mit Wasser 1 gestrichenen EL Kochsalz auflösen. 2. In einem Trinkglas mit Wasser 2 EL Citronensäure auflösen. |
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D4: |
Geschmackstest über Trinkhalme. |
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B4: |
Salziger bzw. saurer Geschmack. |
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I4: |
Es müssen "unsichtbare" (gelöste) Stoffe enthalten sein. |
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A5: |
Wie könnte man die Ergebnisse aus 4 ohne Geschmackstest beweisen? |
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D5: |
Vom Filtrat werden einige Tropfen in den EL gegeben; die Flüssigkeit wird über dem Teelicht verdampft. |
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B5: |
Es bleibt ein "weißer" Rückstand zurück. Ggf.: schmeckt salzig. |
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I5: |
Wie I4. |
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Legende: V=Vorbereitung, A=Aufgabe, D=Durchführung, E=Ergebnis, B=Beobachtung, I=Interpretation.
Rückgriff Folie: Kreisläufe (s.o.), Aufbaufolie a+b
A: Worin bestehen die Schwachpunkte der Grafik? Ziel: Abfälle "verschwinden"; die Physiker behaupten aber, daß Materie nicht verschwinden kann!Rückgriff Folie: Kreisläufe (s.o.), Aufbaufolie a+b+c
Zusammenfassung:
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| Folie: Das elementarisierte Klärwerk |
Neben der für die 3. Jgst. elementarisierten Form (oben) sind unten Abstraktionsstufen dargestellt, wie sie in Informationsbroschüren angeboten werden:
| Stufe 1: von der realen 3D-Situation zum 2D-Bild |
| Stufe 2: vom Bild zur schematischen Aufsicht (ohne Beziehungen der Strukturen zuenander) |
| Stufe 3: Schematisierter Querschnitt mit Beziehungen der Strukturen zuenander. |
Rückgriff: Folie "Kreisläufe".
A: Wo schließt das Klärwerk noch mehr Kreisläufe?
| Verbrennung organischer Stoffe (nur dieser) zu CO2 und H2O unter Ausnutzung der Energie |
| Faulprozesse für den Schlamm mit Nutzung der Energie aus den Faulgasen |
| Schlamm als Dünger. |
Das Kind hat gelernt:
1. Methoden der Chemie als Naturwissenschaft (wichtig):
Operation |
Frage |
Anforderung |
Beobachten |
Was kommt herein? |
Unmittelbare Erfahrung machen. |
Übersichtlichkeit herstellen |
Aufgliedern in "Was kommt herein?" und "Was kommt heraus?" |
Denkleistung. |
Hypothesen bilden |
Was könnte es sein? |
Innere Vorstellung entwickeln. |
Klassifizieren |
Inwieweit ähneln sich Stoffe, die drin sind? |
Eigenes Wissen einsetzen. |
Messen |
Wieviel ist drin? |
Vermittelte Erfahrungen (siehe auch 2.) |
Informieren |
Welche Eigenschaften der Stoffe kennt man? |
Vorhandenes Wissen aneignen. |
Beschreiben |
Was ist das, was drin ist? |
Wissen zusammenfassen und anwenden. |
Analysieren |
Welche Eigenschaften haben die Stoffe? |
Neues Wissen erwerben. |
Schlüsse ziehen |
Wenn..., dann... |
Zusammenhänge erkennen. |
Handeln |
Dann wollen wir `mal! |
Wissen anwenden |
2. Chemiespezifische Arbeitsweisen (auch wichtig):
| Eigenschaften der Stoffe können zur Trennung ausgenutzt werden (z.B. Gleichbehandlung von Öl und Holz, da beide leichter als Wasser sind). |
| Im Abwasser sind Stoffe enthalten, die man nicht sieht (Säuren, Laugen, Salze); Notwendigkeit, den Meldungsbereich unserer Sinnesorgane durch Geräte zu ergänzen und auszuweiten. |
3. Beitrag zur Lebenswelterschließung (sehr wichtig):
| Es ist nötig, unser Abwasser wieder sauber zu machen. |
| Auch wenn die Abfälle (aus dem Wasser) herausgeholt sind, sind sie noch nicht "weg" (Notwendigkeit von Recycling, Deponie, Verbrennung bleibt). |
| Vermeiden (produktionsintegrierter Umweltschutz) ist besser als später wieder trennen. |
Video: mittendrin, Zusammenfassung
Pfeifer, P.; Pfeifer, G.: Unterricht Chemie Bd. 2 Wasser, Aulis-Verlag, Köln 1992. An der UBT vorhanden.
FCI: Folienserie Nr. 13 Umweltbereich Wasser, FCI, Frankfurt 1990. Für Schulen kostenlos zu beziehen. In der Didaktik der Chemie vorhanden.
Video "mittendrin: Folge Nr. 4 Abwasser", ZDF ca. 1992. In der Stadtbildstelle Bayreuth und der Landesbildstelle Nord (Bayreuth) vorhande
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