MINT on Tour

20140311_090856Die Universität Siegen hat ein Projekt gestartet, um “junge Menschen für die MINT-Fächer zu begeistern”. Dabei kommen Lehramts-Studenten drei Tage lang an die Schulen und betreuen jeweils 20 Schülerinnen und Schüler der 7. Klasse um mit ihnen zu experimentieren und zu…

…helfen, die physikalischen oder chemischen Hintergründe zu verstehen oder selber zu entdecken.

(Siegener Zeitung)

Der Dekan der Fakultät IV setzt auf eine “multiplizierende Wirkung” des Projekts. Die Schüler sollen ihre Begeisterung aus dem Unterricht mit nach Hause nehmen und dort auch die Eltern und Geschwister “anstecken”.

Das sind hehre Ziele.
Die Wirtschaft lechzt nach ausgebildeten Naturwissenschaftlern, die Berufsaussichten für Chemiker und Physiker sind großartig. Viele Eltern finden solche Aktionen gut. Für die Schule ist es Auszeichnung und Werbung, mit der großen Schwester “Universität” zusammenarbeiten zu dürfen und die Schüler freuen sich immer über Projekttage.

Also alles gut?

Apps für den (NW-)Unterricht

imageVon einem Kollegen wurde ich auf diese Seite aufmerksam gemacht: PHET.
Dort findet man eine Vielzahl an anschaulichen Simulationen, aufgeschlüsselt in die Fachbereiche Physik, Biologie, Chemie, Geowissenschaft und Mathematik.
Zum Starten wird JAVA benötigt, aber im Augenblick laufen Bestrebungen, alle Apps in html5 zu konvertieren – das bedeutet: Über kurz oder lang laufen alle Simulationen direkt im Browser und zukünftig auch auf dem iPad oder Android-Tablets. Sehr schön! Außerdem praktisch: Die Webseite bietet eine komplette Offline Installation. Das bedeutet, ich brauche keine Internetverbindung, um die Simulationen zu sehen oder zu starten. Jeder aktive Lehrer weiß so etwas zu schätzen. Und: Viele der Simulationen sind auf Deutsch übersetzt. Auch das ist – gerade für jüngere Schüler – unbedingt sinnvoll.

Danke für den Hinweis!

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Der Husten des Ammon

Husten. Ab zur Apotheke meines Vertrauens. Wie immer ärgern freuen sich die netten Angestellten über ein aufgedrängtes, intensives Gespräch über die Wirksamkeit von homöopathischen Arzneien und über den Sinn und Zweck von Vitaminpräparaten. Als die wahre Absicht meines Besuchs zum Vorschein kommt, mein Husten, beginnt ein erneutes Gespräch über das Mittel der Wahl. Mucosolvan®, Prospan®, Silomat®, Tonsipret®… Ich entscheide mich für eine Packung Salmiakpastillen für 0,70 € und verlasse die verärgerten glücklichen Apotheker. Doch warum Salmiakpastillen? Continue reading

Nudeln und Eisläufer

“Nils? Auf der Packung steht ich soll die Nudeln in Kochendes Wasser werfen. Ich glaube es kocht. Wie viele Nudeln willst du?”

“Du glaubst das es kocht? Laut Definition muss das Wasser bis zum Übergang in die Gasphase erhitzt werden. Hast du die Druckabhängigkeit und die Erhöhung des Siedepunkts durch gelöste Salze bedacht? Du hast das Wasser doch gesalzen oder nicht? Du weißt doch noch wo das Thermometer liegt, oder nicht?”

“Ja, ja…. Hab ich alles… Blöder Nerd!”

“Was?”

“Nix!”

Viele Mythen der ordinären normalen Menschen ranken sich um das Thema “kochendes Wasser”. Schon die Oma wusste, das sich der Siedepunkt des Wassers durch die Zugabe von Haushaltssalz ändert. Und einige wenige Bergsteiger wagten den Versuch ihr Essen auf 4000 m Höhe zu garen und scheiterten kläglich. Dabei lernt man doch schon in der Schule, dass Wasser bei 100 °C siedet und bei 0 °C gefriert. Doch stimmt das wirklich? Natürlich nicht. (Natürlich stimmt es – aber wir wollen es ja ganz genau wissen!) Spricht man heute im Allgemeinen vom Siedepunkt oder Kochpunkt, so meint man den Punkt an dem eine Flüssigkeit genügend erhitzt wurde um als Dampf mein verwendetes Gefäß zu verlassen. Da dieser Punkt aber keinesfalls nur von der Temperatur abhängig ist, sondern auch vom momentanen Systemdruck ist dieser Punkt nicht fix. Um den Zusammenhang von Druck, Temperatur und Siedepunkt besser abbilden zu können gibt es sogenannte Phasendiagramme.

Phasendiagramm WasserEin Phasendiagramm zeigt die Aggregatzustände einer Substanz und deren Auftreten bei gegebenem Druck und Temperatur, spezielle Punkte (Trippelpunkt, Kritischer Punkt), und die Phasengrenzlinien. Im gezeigten Diagramm erkennt man die drei Phasen des Wassers: Eis, Wasser und Wasserdampf. Entlang der Phasengrenzlinien findet der Übergang einer Phase in eine andere statt. Unter normalen Bedingungen ( 1 bar Druck) sollte Wasser, wie gezeigt bei 100 °C sieden und somit zu Wasserdampf werden. Sinkt der Druck, sinkt die benötigte Siedetemperatur ebenfalls. Infolge dessen kocht Wasser auf dem Mount Everest schon bei ca. 70 °C. Erniedrigt man den Druck noch mehr, kann Wasser sogar bei Raumtemperatur sieden. Diesen Effekt kann man beobachten, wenn man große Apotheken-Spritzen mit etwas Wasser füllt, oben zuhält und dann aufzieht: Das Wasser fängt an zu “blubbern”.
Und was ist mit dem Schmelzen? Na klar. Schaut man sich das Diagramm an erkennt man, das Eis bei erhöhtem Druck schneller schmilzt. Dieser Effekt ermöglicht der Menschheit alle Wintersportarten, die auf Kufen stattfinden. Betritt eine Eisläuferin das Eis schmilzt es aufgrund des Drucks, den die Läuferin durch ihr Körpergewicht auf die Eisfläche ausübt. Sie läuft nicht auf dem Eis, sondern sie gleitet über eine Wasserschicht, die sie unter ihren Kufen selbst erzeugt. Des weiteren gibt es eine Abhängigkeit der Siedetemperatur von den im Wassers gelösten Salzen (Erzähl ich euch ein anderes Mal).

Wasser kocht also nicht immer bei 100 °C, Eisläufer sind in Wirklichkeit Wasserläufer und die Nudeln waren super.

Newtons Kaffee

“Das Gold der Dichter und Denker”, sagte Goethe schon über den Kaffee, doch Generationen von Kaffeetrinkern haben sich schon die Köpfe eingeschlagen, wenn es um die Frage ging wann die Milch in den Kaffee kommt um den Kaffee möglichst lange heiß zu halten. Direkt nachdem man den Kaffee in die Tasse gegeben oder nachdem man ihn ein wenig abkühlen gelassen hat. Fragt man die uninteressierten netten, freundlichen Studenten in der Uni-Cafeteria, wissen die meisten die Antwort auf anhieb, können aber kaum erklären warum. Andererseits gab es Studenten die fest davon überzeugt waren, dass ihrer falschen Meinung absolut richtig sei, da sie es selbst getestet hätten. Da ich es anscheinend immer wieder nötig habe meine studentischen Artgenossen mit Fragen des Alltags zu penetrieren, bin ich ihnen nun eine anständige Antwort schuldig.

Isaac Newton untersuchte das Abkühlungsverhalten verschiedener Flüssigkeiten und Feststoffen und konnte nach einigen erfolgreichen Experimenten und Messungen eine Formel für die Abkühlung verfassen. Nach einigem Umstellen und Integrieren kann man sein Abkühlungsgesetz in eine Form bringen, die uns eine Lösung für unser Problem liefert

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Diese Formel beschreibt die Abkühlung unseres Kaffees sehr genau. Dabei ist a die Temperatur des Raums, indem sich unser Kaffee befindet und T0 die Temperatur des Kaffees zum Zeitpunkt des Eingießens. t ist die Zeit und k ist der sogenannte Abkühlungskoeffizient, der die stärke der Abkühlung flüssigkeitsspezifisch beschreibt. Man erkennt, dass der Kaffee nie kälter wird als Raumtemperatur a.

Fall 1: Wir geben die Milch direkt zum Kaffee. Der Kaffee Kühlt am Anfang ein wenig ab. Seine Temperatur sinkt jedoch gleichmäßig und nähert sich langsam der Raumtemperatur an.

Fall 2: Wir lassen den Kaffee erst einmal 5 Minuten abkühlen und geben anschließend die selbe Menge Milch, mit der selben Temperatur in den Kaffee. Der Kaffee hat sich schon 5 Minuten lang abgekühlt und bei der Zugabe der Milch sinkt die Temperatur stärker als bei Fall 1.image

Tragen wir die Temperatur gegen die Zeit auf erhalten wir ein Diagramm, dass diesen Vorgang beschreibt. Erkennbar wird, dass der Kaffee aus Fall 1 länger warm bleibt. Der Kaffee aus Fall 2 ist nur solange wärmer, bis die Milch hinzugegeben wird. Anschließend verläuft die Kurve unterhalb der des ersten Falls.

Zusammenfassend können wir feststellen, dass es besser ist die Milch direkt in den Kaffee zu geben und nicht erst nach einigen Minuten Wartezeit.

Für alle die an der ausführlichen Berechnung interessiert sind bin ich gerne jederzeit per eMail erreichbar.

Suppe pusten

Am Mittagstisch mit meinen Kollegen bemerkte ich die riesige Anzahl an Studenten, die äußerst intensiv in bzw. auf die brühend heiße Mensa-Vorspeisensuppe pusteten. Einige Löffel später entschied ich mich ein paar Studenten zu befragen, ob sie überhaupt wüssten, was sie da täten. Nach einer äußerst erfolgreichen Umfrage konnte ich mit Sicherheit sagen, dass es keinen fast alle Studenten in der Mensa sehr interessiert hat. “Die Luft die man in die Suppe pustet ist kälter als die Suppe und kühlt diese ab”, war die häufigste falsche Antwort auf meine Frage neben der Antwort: “Verschwinde du Nerd”.

Unsere heiße Suppe besteht aus Wasser und einigen geschmackgebenden gelösten und ungelösten Substanzen. Betrachten wir diese Suppe im molekularen Maßstab können wir erkennen, dass sich die Wassermoleküle in der Suppe bewegen. Je schneller sich die Wassermoleküle bewegen, desto heißer empfinden wir die Suppe. Da die Moleküle ziellos und mit unterschiedlichsten Geschwindigkeiten durch die Suppe hüpfen Suppekann es passieren, dass sich ein Wassermolekül in Richtung der Wasseroberfläche bewegt. Reicht die Energie seiner Bewegung aus, um die Anziehungskräfte zwischen ihm und den anderen Molekülen zu überwinden springt es sozusagen aus der Suppe raus. Da es nur die schnellen und damit Energiereichen Moleküle schaffen aus der Suppe zu hüpfen, bewegen sich die Moleküle in der Suppe im Durchschnitt langsamer, die Suppe wird kälter. Beim Pusten auf die Suppe werden Wassermoleküle von der Oberfläche weggeblasen, jedes Wassermolekül, das die Suppe verlässt entzieht der Suppe also Energie und damit Wärme. Das Prinzip der Verdunstung kommt auch bei der Thermoregulation unseres Körpers zum Einsatz, wir schwitzen.

Wenn also das nächste mal eine Suppe auf den Tisch kommt, fleißig pusten!!

Über meine neue Umfrage über das Thema “Warum der Kaffee länger warm bleibt, wenn man die Milch direkt zugibt” berichte ich ein anderes mal.

Tim und Struppi

Freitags ist bei uns zu Hause Kino-Tag.
Da gibt es Popcorn und Cola und irgendeinen spannenden Film. Neulich sahen Carolina und ich “Tim und Struppi – Das Geheimnis der Einhorn”. Ein spannender, schön animierter Film mit zahlreichen Schauplätzen. An einer Stelle jedoch bin ich aus der Geschichte gefallen.

In der MItte des Films – und ohne zuviel verraten zu wollen – erzählt Kapitän Haddock Tim von der Geschichte der Einhorn und berichtet von einem heißblütigen Kampf zwischen seinem Vorfahren und einem fremden Piratenkapitän. Ziel des Piraten war natürlich ein Goldschatz auf der Einhorn. Der Kampf wird sehr eindrucksvoll in Szene gesetzt und schließlich findet der Pirat unter Deck den Schatz: Vom Bug bis zum Heck ist alles voller Goldmünzen und Schmuck und Kapitän Haddock raunt zu den Bildern geheimnisvoll, dass die Einhorn vier Zentner Gold geladen habe.

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Moment mal. Vier Zentner? Das sind zweihundert Kilogramm.

Auf den Bildern aber ist das Schiff so voll wie Dagobert Ducks Geldspeicher. Ich hatte mich schon auf einen tollen Blogeintrag gefreut – eine prima Umsetzung im Unterricht, bei der ich die Schüler mit der Dichte und Masse von Gold hantieren und rechnen müssten.
Aber schlußendlich hat mir eine Google-Bildersuche den Spaß verdorben – denn im Goldmuseum Jinguashi in Taipei (Taiwan) war (zumindest bis 2005) der größte Goldbarren der Welt ausgestellt. Immerhin 220 kg brachte er auf die Waage:

Irgendwie nicht so dolle… Smiley

Das Kohlensäure-Problem

Vor einigen Tagen stellte Jan folgendes Problem vor: Verringert die aufsteigende Kohlensäure in einem Glas Sprudel das Volumen?

Kohlensäure, wie der Laie sagt, liegt in Wasser immer als gelöstes Teilchen (Ion) vor. In dem
Mineralwasser wird während der Herstellung gasförmiges CO2 zugeführt, welches mit dem Wasser
sofort zu gelöstem CO2 (Hydrogencarbonat-Ion) reagiert

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Unter hohem Druck und in einem geschlossenen System ist das Hydrogencarbonat-Ion nicht in der
Lage wieder aus der Lösung zu entweichen. Durch das öffnen der Flasche kommt es zu einer
schlagartigen Druckänderung und das Hydrogencarbonat fängt an zu „Sprudeln“. Dabei reagiert das
Hydrogencarbonat wie in Gleichung (1) gezeigt mit einem positiv geladenen Wasserstoff-Ion unter
Bildung von CO2 und Wasser. Da sich außerhalb der Flasche weniger CO2 als in der Flasche befindet
(Konzentrationsgradient) blubbert das CO2 so lange aus der Flasche, bis ein
Konzentrationsgleichgewicht mit der Umgebungsluft entstanden ist. Da die Menge an CO2 in einer
Wasserflasche nicht ausreicht um die Umgebungsluft zu sättigen blubbert fast das gesamte CO2 aus
der Flasche.

Nun zur Berechnung:

In einem durchschnittlichen Mineralwasser sind ca. 1000 mg/l CO2 gelöst. Theoretisch würde das
Wasserglas also um 1g leichter werden, wenn das gesamte CO2 aus der Lösung entweicht ist. Wie zu
erwarten war ist es in der Realität ein wenig komplizierter. Auch bei der Zugabe von 1g Haushaltssalz
zu einem Glas Wasser wir das Wasserglas nach dem Lösungsvorgang keinesfalls um 1g schwerer das selbe Volumen größer.
Da sich die Wassermoleküle beim Lösungsvorgang um die neu gebildeten Ionen anordnen kommt es
zu einer Änderung der Dichte der Flüssigkeit.
Die Dichte einer Flüssigkeit (p) ist definiert als der Quotient der Masse der Flüssigkeit (m) in kg und
dem Volumen (V) in m³.

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Da die Dichte einer Flüssigkeit Temperaturabhängig ist gehen wir einfach davon aus, dass unser
Wasser eine absolute Temperatur von 21 °C hat diese Temperatur während der Rechnung konstant
bleibt, woraus sich eine Dichte von 998 kg/m³ ergibt. Außerdem muss davon ausgegangen werden,
dass das Wasser während dem Versuch nicht in die Gasphase übergeht (verdampft). Um ein
aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, werde ich berechnen wie sich die Massen von 1000g Wasser
bei der Zugabe von 1g CO2 ändert, woraus der umgekehrte Fall ebenfalls erklärbar wird.
Nach den Gesetzen von François Marie Raoult lässt sich die Änderung der Dichte des Wassers bei der
Zugabe von 1g CO2 wie folgt berechnen:

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[Wer Interesse am vollständigen Rechenweg hat kann mich gerne kontaktieren☺]
Nach dem Lösen des CO2 im Wasser besitzt die Flüssigkeit eine Dichte von 998,543969 kg/m³. Das
entspricht einer Dichte von 0,99854397 g/ml.

Aus der Formel für die Dichte (2) lässt sich nun eine Formel für das neue Volumen des Wassers
formen und mit dem Alten Volumen Vergleichen:

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Daraus folgt:

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Somit ändert sich das Volumen von 1l Wassers bei der Zugabe von 1g CO2 um 0,4556 ml oder anders
ausgedrückt:

Wenn man eine 1l Wasserflasche offen stehen lässt verliert das Wasser mit dem Verlust der
Kohlensäure 455,6 μl an Volumen.

Physikalische Frage der Woche…

verliert das Wasser an Volumen, wenn die Kohlensäure verschwindet

Hin und wieder stolpere ich über physikalische Fragen, auf die ich zunächst keine Antwort weiß.

Neulich zum Beispiel.

Ein Freund gießt sich mit dem letzten Rest Sprudel sein Glas so voll ein, dass das Wasser einen Millimeter über den Rand steht.
”Viel Erfolg beim Trinken”, wünscht seine Frau. Doch mein Freund wiegelt ab. “Wenn sich die Kohlensäure erst einmal ausgeblubbert hat, sinkt ja der Wasserspiegel.”

Hm.

Ist das so?
Nimmt die Kohlensäure überhaupt Volumen ein? Wird Zeit, dass ich mal wieder forsche einem Schüler eine Sonderaufgabe zukommen lasse.

Mentos & Cola–Fontäne

“Mein Bruder arbeitet in der Notaufnahme im Krankenhaus und hat neulich einen skurrilen Fall gehabt: Ein Student ist von einer Party eingeliefert worden, bei der er erst Unmengen an Cola getrunken und anschließend ein Mentos-Kaugummi verschluckt hat.
Durch die Reaktion miteinander ist ihm der Magen geplatzt und mein Bruder….”

Entsetzte Blicke bei den einen, lässiges Abwinken bei den anderen.

“Erstens”, meldet sich Lena1 aus der ersten Reihe, “haben wir Sie gegoogelt. Ihr Bruder arbeitet gar nicht in der Notaufnahme und zweitens habe ich das schon bei den MythBusters gesehen.”
Ein ernster Blick von mir und eine hochgezogene Augenbraue reichen.
”…Andererseits: Wer weiß was die in Amerika für Cola haben? Lassen Sie es uns ausprobieren!”

Worum gehts?
Wenn man in eine Flasche Cola einige Mentos hineinwirft, dann führt die rauhe Oberfläche der Kaugummis  zu einer vermehrten Blasenbildung – die Cola schäumt über und – wenn man den Deckel geschickt präpariert -  zu einer gewaltigen Fontäne.

Video: Cola-Mentos Fontäne
 
Tatsächlich funktioniert das Experiment sehr gut.

Vier Kaugummis hatte ich durchbohrt und mit einem Draht unter dem, ebenfalls durchbohrten, Deckel befestigt. Eine Schülerin drückte Draht in die Flasche, die Bonbons sanken ein und eine gut vier Meter hohe klebrige Fontäne ergoss sich auf den Schulhof [das ‘echte’ Video auf meiner Facebook- und meiner Google+-Wand, liebe Freunde].
Laut diversen Internetquellen eignet sich die zwei Liter-Flasche CocaCola Light ganz besonders gut. Ich kann nichts anderes behaupten.

IMAG0158Blieb der zweite Teil. Und der ist für den Unterricht meines Erachtens sehr spannend: Kann ein Magen platzen, wenn man Cola und Mentos zusammen runterschluckt? Dehnt er sich? Passiert überhaupt irgendwas?

Zu einem Schülerexperiment war dann doch niemand bereit – wer weiß, ob man Lena vertrauen kann? Und Thomas seine Schwester ihr Kuseng hat mal vom Vorstopper im Fußballverein sone ähnliche Geschichte gehört. Aber da ging es um Mayonaise und eigentlich auch um was völlig anderes.

Also habe ich mir aus einem Gummi-Putzhandschuh einen feinen Magen gebaut. Mit einem Stück Gartenschlauch die Speiseröhre immitiert und ab ging die Post. Zunächst ordentlich Cola hineingeschüttet und anschließend die Mentos hinein.

Und… nix. Wie zu erwarten.
”Aber mit Mayonaise vielleicht…”.
Ein Blick von mir bringt Thomas zum Schweigen.

Was bleibt ist ein hübscher Versuch für eine “Abschlussstunde”. Die Schülerinnen und Schüler konnten sich mit einem (einigermaßen) spektakulären Experiment noch einmal amüsieren und haben vielleicht was gelernt.
Ich konnte mit sehr geringem Aufwand und Materialkosten mal einen Versuch starten, der mir schon lange auf den Nägeln brannte.
Natürlich ist das ganze drumherum im Fach Chemie viel besser aufgehoben. Meine Erklärungen waren sicher dürftig und laienhaft trotzdem professionell und korrekt.

Wer ebenfalls auf der Suche nach schönen (und vielleicht sinnvolleren) Abschlussstunden vor den Ferien ist, dem sei eine unterrichtliche Version von “Wer wird Millionär” ans Herz gelegt, die man hier findet. Sehr schön zum lockeren Wiederholen von Inhalten.

1: Dieser Blog ist stellenweise fiktional. Die genannten Charaktere, Zwischenfälle und Orte sind erfunden und jede Ähnlichkeit oder Identifikation mit Orten, Zwischenfällen, Schülern, Lehrern oder anderen lebenden oder toten oder scheintoten Personen ist vollkommen zufällig und nur ein kleines bisschen ungewollt.