Arbeitsblatt: Aggregatzustände des Wassers Werkstatt

Material-Details

Postenbeschriebe Aggregatzustände des Wassers
Chemie
Aggregatzustände
4. Schuljahr
15 Seiten

Statistik

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25.11.2014

Autor/in

Marina Candrian
Land: Schweiz
Registriert vor 2006

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Textauszüge aus dem Inhalt:

Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Eis „verdrückt sich Material: Eiswürfel 1 hohes Glas Bindfaden zwei Tassen mit Henkel oder andere Gewichte Auftrag: Drehe das Glas um und lege den Eiswürfel auf die Unterseite des Glases. Binde die Enden des Bindfadens an die Henkel der beiden Tassen (oder an deine Gewichte) Lege den Bindfaden so über den Eiswürfel, dass die beiden Tassen als Gewicht links und rechts herunter hängen. Warum? Wenn du Schlittschuh fährst, so übt das Gewicht deines Körpers einen Druck auf das Eis aus. Und wie du nun weisst, schmilzt das Eis unter Druck. Auf dem Hierdurch entstehenden Wasserfilm gleitest du über das Eis. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Rohrbruch Material: 1 kleine Glasflasche, randvoll gefüllt mit Wasser Auftrag: Stelle die Flasche bei Minustemperaturen in eine Gartenecke (oder ins Gefrierfach) und lasse sie dort über Nacht stehen. Warum? Normalerweise dehnen sich Stoffe aus, sobald sie erwärmt werden, und ziehen sich bei Abkühlung wieder zusammen. Mit anderen Worten: Je wärmer, desto niedriger die Dichte. Nicht so das Wasser – es tanzt frech aus der Reihe: Bei 4C ist dem Wasser vollkommen gleichgültig, ob es erwärmt oder abgekühlt wird, es dehnt sich erst einmal aus! Und wenn es gefriert, ist die Ausdehnung derart stark (ca. 10%), dass die Kraft des Eises sogar die Glasflasche sprengt. Deshalb sollte man im Winter, wenn die Temperatur unter 0C fällt, niemals die Heizung ausstellen, da es ansonsten zu einem Rohrbruch kommen kann. Kannst du dir vorstellen, was geschieht, wenn im Winter tagsüber Wasser in die Ritzen des Strassenasphaltes läuft und es nachts friert? Klar, das Wasser gefriert zu Eis, dehnt sich aus und sprengt regelrecht den Asphalt auf. Dies wird auch als Frostsprengung bezeichnet. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Gefahr für die Schifffahrt – Eisberge Material: warmes Wasser 1 Tintenpatrone 1 durchsichtige leere Wasserflasche aus Plastik (ohne Etikett) 1 Schere 1 Eiswürfelbehälter 1 Gefrierfach Auftrag: Schneide das obere Drittel der Flasche mit einer Schere ab! Giesse Wasser in den Eiswürfelbehälter, färbe es mit Tinte aus einer Tintenpatrone ein und lasse es über Nacht gefrieren! Giesse das warme Wasser in die Flasche! Gebe einen gefärbten Eiswürfel in das warme Wasser! Warum? Die Dichte von Eis ist geringer als die von Wasser. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser, wobei Eisberge mit ihrer Spitze aus dem Wasser herausragen. Der grösste Teil des Eisberges jedoch befindet sich unterhalb des Wasserspiegels und stellt somit ein gefährliches Hindernis für die Schiffe dar. Meerwasser enthält durchschnittlich 3.5% Salz. Aus diesem Grund gefriert es erst bei tieferen Temperaturen (-1.8Grad Celsius) zu Eis. Zudem frieren Polarmeere nicht einfach wie Seen auf dem Festland zu; das ist schon ein wenig komplizierter. Zunächst bilden sich in der Nähe der Wasseroberfläche kleine Eiskristalle. Da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, steigen diese Eiskristalle auf und sammeln sich an der Oberfläche. Wo sie zu Körncheneis bzw. „Eisbrei verklumpen. Wind und Wellen schieben die Eisklümpchen ständig gegeneinander, sodass sich das Eis verdichtet. Es bilden sich tellerartige, dünne Eisplatten, die als Pfannkucheneis bezeichnet werden. Ohne Seegang würde sich eine geschlossene Eisdecke bilden. Wachsen die Eisplatten zusammen, entstehen Eisschollen, die einen Durchmesser von mehreren Metern erreichen können. Auch sie werden durch Wind und Wellen übereinander geschoben und können sich zu Packeis auftürmen. Packeis ist die am häufigsten vorkommende Art von Meereis. Da beim Gefrieren von Meerwasser nur die Wasser- und nicht die Salzmoleküle zu Eis erstarren, bilden sich im Eis kleine Kanäle (Salzlaugenkanäle), in denen sich das Salzwasser sammelt. Und dieses Salzwasser hat einen viel höheren Salzgehalt als das ursprüngliche Meerwasser. Meereis darf man sich also nicht als massive Eisdecke, sondern eher als einen porösen Schwamm vorstellen. Erst, wenn die Eisschicht eine bestimmte Dicke erreicht hat, friert sie auch auf der Unterseite an. Es bildet sich das sogenannte Säuleneis, das in Form von säulenförmigen Kristallen nach unten wächst. Da das salzhaltige Wasser schwerer ist, sinkt es nach unten ab. Das Eis selbst wird nach und nach „süsser, sein Salzgehalt sinkt, während der Salzgehalt in den Salzwasserkanälen steigt. Das Laugenkanalsystem des Meereises ist der grundlegende Unterschied zum Süsswassereis. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Eis macht sich breit Material: Wasser 1 Förmchen 1 Gefrierfach Auftrag: Fülle das Förmchen randvoll mit Wasser. Stelle das Förmchen ins Gefrierfach und schaue es dir am nächsten Tag an. Warum? Gefriert Wasser zu Eis, dehnt es sich aus und beansprucht circa 10% mehr Platz. Ursache hierfür sind die Moleküle, die in gefrorenem Eis mehr Raum einnehmen als in flüssigem Wasser. Die Wassermoleküle, die sich in flüssigem Aggregatzustand vollkommen frei bewegen können, bilden in gefrorenem Zustand ein sechseckiges, mit Hohlräumen durchsetztes Gitter. Während das Wasser abkühlt, nimmt zwar zunächst die Dichte wie bei anderen Stoffen zu, doch bei 4 Grad Celsius weicht Wasser vom normalen Verhalten ab! Es erreicht hier seine maximale Dichte und beansprucht dementsprechend den geringsten Platz. Wenn das Wasser gefriert, so nimmt die Dichte wieder ab, das heisst Wasser in Form von Eis dehnt sich weiter aus und braucht dementsprechend auch mehr Platz: Eis hat eine geringere Dichte als Wasser! Dieses ungewöhnliche Verhalten des Wassers, sich 1) beim Gefrieren auszudehnen und 2) bei 4 Grad Celsius seine grösste Dichte zu erreichen, wird als Dichteanomalie des Wassers bezeichnet. Die Konsequenzen, die diese Dichteanomalie für unser tägliches Leben hat, sind nicht zu unterschätzen. Diesem anomalen Verhalten des Wassers ist es zu verdanken, dass Fische im Winter in zugefrorenen Teichen überleben können. Eisberge an der Wasseroberfläche schwimmen, Wasserflaschen im Eisfach zerspringen und im Winter der Asphalt auf den Strassen aufreisst. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Tanzende Wassertropfen Material: Wasser 1 Schüssel heisse Herdplatte Auftrag: Fülle Wasser in eine Schüssel und stelle sie neben den Herd! Schalte die Herdplatte ein und warte bis sie heiss ist! Tauche deine Hand ins Wasser und schüttle einige Wassertropfen auf die heisse Herdplatte! Warum? Wasser siedet bzw. kocht bei 100Grad Celsius und geht dabei in Wasserdampf über. Diese Temperatur bezeichnet man auch als Siedepunkt. Fällt ein kalter Wassertropfen auf eine heisse Herdplatte, so erreicht er an der Stelle, mit der er die Herdplatte berührt, sofort den Siedepunkt – ein Teil des Wassertropfens verdampft. Dieser Dampf hebt den Tropfen regelrecht in die Höhe, wodurch er auf der Herdplatte hin und her tanzt. Steigt der Dampf auf, sinkt der Tropfen wiederum auf die heisse Herdplatte und der „Tanz beginnt von vorne. Wasser ist flüssig, doch wenn es gefriert, wird es zu festem Eis. Sollte es jedoch verdampfen, so wie in unserem Versuch oben, wird es zu gasförmigem Wasserdampf. Diese drei möglichen Formen des Wassers bezeichnet man als Aggregatzustände. Zwar hat jeder Stoff auf dieser Welt einen Aggregatzustand, doch ist Wasser der Einzige, der auf der Erde in allen drei Formen auftaucht. Wichtige Begriffe in diesem Zusammenhang sind neben dem Siedepunkt auch der Gefrierpunkt, dass heisst der Punkt, bei dem Wasser zu Eis gefriert (0Grad Celsius) sowie die Verdunstung, wobei das flüssige Wasser in gasförmigen Zustand (Wasserdampf) übergeht. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Unsichtbares Wasser Material: Trinkglas, halb gefüllt mit Wasser Eiswürfel (Lupe) Auftrag: Lasse einige Eiswürfel in das Glas fallen und achte auf die Aussenwand! Beobachte einige Minuten! Warum? Luft enthält fast immer unsichtbaren Wasserdampf. An kalten Stellen (z.B. an der kühlen Glaswand) verdichtet er sich zu kleinen Tröpfchen und schlägt sich nieder: Der Wasserdampf kondensiert. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Pegelstand Material: Plastikbecher Filzschreiber Eiswürfel Auftrag: Fülle deinen Becher halb voll mit Wasser! Füge 1 bis 2 Eiswürfel dazu und bezeichne den Pegelstand des Wassers! Warte bis das Eis schmilzt! Wie verändert sich der Pegelstand? Hat es mehr Wasser drin oder weniger? Nebenbeobachtung, wie liegt der Eiswürfel im Wasser? Wie viel ist unter Wasser wie viel ist drüber? Weshalb? Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Wasser auf der Rundreise Material: 1 Topf, mit Wasser gefüllt Kochplatte 1 Topfdeckel 2 Topflappen Auftrag: Nimm eine Pfanne und erhitze wenig Wasser bis es beginnt zu verdampft. Lege den (kalten) Pfannendeckel auf die Pfanne! Beobachte die Innenseite des Deckels! Warum? Das Wasser verdampft in der Pfanne bei 100C, der Wasserdampf steigt auf. Am Pfannendeckel kühlt sich der Dampf wieder ab und kondensiert. Es bilden sich Tröpfchen welche in die Pfanne fallen und dort erneut verdampfen. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Pfützentest Material: 1 tiefe, zugefrorene Pfütze 1 kleiner Hammer Auftrag: Schlage mit dem Hammer ein Loch in eine zugefrorene Pfütze. Warum? Wie du nun bereits weisst, erreicht Wasser seine grösste Dichte bei 4C, wird beim Gefrieren leichter und beansprucht mehr Platz. Dies bewirkt, dass das noch flüssige Wasser nach unten in Richtung Gewässergrund sinkt, während das zu Eis gefrorene Wasser an der Oberfläche bleibt. Am Gewässergrund sorgt die Wärme des Bodens dafür, das das Wasser nicht weiter abkühlt und gefriert. Gewässer frieren demnach von oben nach unten zu. Nur wenn das Gewässer sehr flach ist, gefriert das Wasser bis zum Grund. Merke: Nur dank der Wasseranomalie können Pflanzen, Fische und andere Wassertiere im Winter überleben! Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Eisberge sind „süss Material: Leitungswasser 1 Teelöffel Kochsalz 2 Becher 1 Filzstift Auftrag: Beschrifte einen der beiden Becher mit der Aufschrift „Salz! Fülle beide Becher zur Hälfte mit Wasser. Rühre in den mit „Salz beschrifteten Becher das Salz ein, bis es sich im Wasser aufgelöst hat. Stelle beide Becher in das Tiefkühlfach und lasse sie dort über Nacht stehen. Schaue das erste Mal nach vier Stunden nach, ob das Wasser schon gefroren ist, das zweite Mal nach 24 Stunden. Warum? Ist Wasser salzhaltig, gefriert es erst bei einer tieferen Temperatur. Deshalb bleibt das salzhaltige Meerwasser auch bei Temperaturen unter 0C noch eisfrei. Dies wird als Absenkung des Gefrierpunktes bezeichnet. In den Meeren rund um den Nord. Und Südpol (Arktis und Antarktis) schwimmen riesige Eisberge, die aus gefrorenem Süsswasser bestehen. Sie brechen von den gewaltigen Gletschern ab („kalbende Gletscher), die sich am Südpol, aber auch im nördlichen Polarkreis (Grönland, Alaska) bilden, und stürzen ins Wasser. Zwar gibt es auch Eisberge aus sich auftürmendem Packeis, doch enthalten diese nur sehr wenig Meersalz. Die polaren Eiskappen sind die grössten Süsswasserreservoirs der Erde. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Schmelzbefehl Material: 2 Eiswürfel Teelöffel Sand Teelöffel Salz 2 Untertassen 1 Kühlschrank Auftrag: Lege auf die beiden Untertassen jeweils einen Eiswürfel! Streue auf den einen Eiswürfel Sand, auf den anderen Eiswürfel Salz! Beobachte was mit den beiden Eiswürfeln geschieht. Warum? Sand ist nicht wasserlöslich und kann deshalb das Eis nicht zum Schmelzen bringen. Das aufgestreute Salz hingegen beschleunigt den Schmelzprozess erheblich. Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto niedriger ist der Gefrierpunkt. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Streusalz gegen Glatteis Material: 1 Plastikteller, gefüllt mit Schnee Streusalz Auftrag: Drücke draussen den Schnee auf dem Teller fest und lasse ihn bei Temperaturen weit unter 0C über Nacht draussen stehen. Gebe Streusalz auf den gefrorenen Schnee! Warum? Die Erklärung des Phänomens, wieso Salz Glatteis verhindert, ist nicht ganz so leicht. Salzwasser gefriert nicht bei 0C, vielmehr senkt es den Gefrierpunkt von Wasser herab. Steht Eis unter Druck, schmilzt es. Auch das Eis auf den Strassen wird einem Druck ausgesetzt, dem Luftdruck! Hierdurch befindet sich auf dem Eis stets ein feiner Wasserfilm. Das Salz löst sich in diesem dünnen Wasserfilm auf. Es verhindert, dass sich die Wassermoleküle in einem festen Gitter ausrichten, Kristalle bilden und zu Eis gefrieren. Jedes Mal, wenn Salz in Wasser gelöst wird, entzieht dies dem Wasser Wärme, also Energie. Und da der Luftdruck weiterhin besteht, wird ein Prozess in Gang gesetzt, bei dem permanent Eis schmilzt und sich das Salz in diesem Wasser löst: Das Glatteis verschwindet. Bei minus 21,6 Grad Celsius ist jedoch eine Grenze erreicht. Unterhalb dieser Temperatur hilft auch das Salz nicht mehr gegen Glatteis. Die Aggregatszustände des Wassers Experimente Versuch: Wer baut den höchsten Turm? Material: Eiswürfel Salz 1 Teller Auftrag: Nimm einen Eiswürfel, lege ihn auf den Teller und streue etwas Salz darüber! Drücke den zweiten Eiswürfel darauf, bestreue auch diesen mit Salz! Verfahre so weiter mit den anderen Eiswürfeln Warum? Das Salz bringt die Eiswürfel zunächst zum Schmelzen. Doch das entstandene „Schmelzwasser erstarrt nach kurzer Zeit wieder zu Eis, wodurch die zwei übereinander liegenden Eiswürfel fest verbunden werden. Die Aggregatszustände des Wassers Versuch: Experimente Material: Auftrag: Warum? Die Aggregatszustände des Wassers Versuch: Auftrag: Warum? Material: Experimente Versuch Wasserschichten Material: -Wasser, -zwei verschiedenfarbige Lebensmittelfarben -zerkleinerte Eiswürfel, -durchsichtige Wanne, -zwei Flaschen Hypothese (Was wird geschehen?): . . . Versuchsskizze: Versuchsbeschreibung (Was ist passiert?): Erklärung (Wieso ist es passiert?): . . . . . Ergänzungen: . Warum? Die Dichte des Wassers ist nicht immer gleich, unter anderem hängt sie von der Temperatur des Wassers ab. Das blaue, kalte Wasser ist dichter, als das rote, warme Wasser welches weniger dicht als das ungefärbte Wasser in der Wanne ist. Deshalb schwebt das rote Wasser nach oben, während das blaue nach unten sinkt. . .