Arbeitsblatt: Papierchromatographie

Staatliches Studienseminar für das Lehramt an Realschulen Koblenz Alexander Schlich Realschullehreranwärter Unterrichtsentwurf für den vierten Unterrichtsbesuch gemäß § 10 der LVO über die Ausbildung und zweite Staatsprüfung für das Lehramt an Realschulen vom 27.08.1997, in der geltenden Fassung. Fach: Chemie Fachleiter: Herr Weizel Fachlehrer: Herr Schlich Schule: Geschwister-Scholl-Realschule Andernach Klasse: 8c (eigenverantwortlicher Unterricht) Raum: 109 Datum: 05.11.2008 Zeit: 1. Stunde (7:55 – 8:40 Uhr) Thema: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik vorgelegt von: Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik 1 Sachanalyse Papierchromatographie (PC) Bei der PC erfolgt die Strofftrennung überwiegend durch multiplikative Verteilung eines Gemisches zwischen zwei Flüssigkeiten. Dies erscheint zunächst überraschend, da doch das aufzut rennende Stoffgemisch auf eine scheinbar feste Phase, nämlich Cellulose, aufgetragen wird. Cellulose enthält etwa 5 Wasser, somit bildet das Wasser der Cellulose die stationäre Phase. Das Papier ist gleichzeitig Unterlage und Träger der stationären Phase. Die Methode ist anwendbar, wenn eine Substanz auf dem Papier nachgewiesen werden kann. Dies ist für organische Farbstoffe unproblematisch, dagegen greifen einige anorganische Säuren das Papier an. Man unterscheidet die Papierchromatographie in drei verschiedenen Methoden: Aufsteigende bzw. absteigende Chromatographie und Rundfiltermethode (horizontale Papierchromatographie).1 Letztere ist mit geringem Aufwand durchführbar. Zwischen zwei gleichgroße, umgekehrt aufeinander gelegte Pertischalen wird ein etwas größeres Filterpapier gelegt (die obere Petrischale wird nur bei leicht flüchtigen Proben benötigt). In das Filterpapier wird vom Rand bis zur Mitte ein schmaler Streifen geschitten, nach unten gebogen und in das in der unteren Petrischale befindliche Fließmittel getaucht. Die aufzutrennenden Substanzen werden auf einer Kreisline um den Papiermittelpunkt aufgetragen. Abbildung 1 Papierchromatographie Die Entwicklung eines Chromatogramms wird unterbrochen, bevor das Fließmittel die Glaswand der Petrischalen erreicht. Wegen der maschinellen Herstellung der Papiere breiten sich die Fließmittel und auch die Substanzmengen nicht streng kreisförmig sondern elliptisch aus.2 Auf großen Rundfiltern erfolgt die Auftrennung nur langsam, weil über die Papierzunge als Docht das Fließmittel nur in geringer Menge angesaugt wird. Raschere Entwicklung des Papierchromatogramms ist möglich, wenn durch den Papiermittelpunkt ein aus Papier zusammengerollter Docht senkrecht in das Fließmittel gesteckt wird. Abbildung 2 Papierchromatographie mit Docht 1 Natur und Technik; Cornelsen Verlag; Berlin, 1996 Schmidkunz, H., Prof. Dr, Pfeifer, P., Prof. Dr: Naturwissenschaft im Unterricht – Chemie.Chromatographie in Theorie und Unterrichtspraxis; Friedrich Verlag, Seelze 1996 2 2 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik Ein Vorteil dieser Methode sind hohe Trennschärfen und kurze Laufzeiten. Stark hydrophile Substanzen werden hierbei in der stationären Phase (Wasser in den Papierfasern) zurückgehalten, während weniger hydrophile Substanzen sich mit der mobilen Phase vorwärtsbewegen und je nach Löslichkeit Substanzflecken hinterlassen.3 2 Lerngruppenanalyse 2.1 Klassensituation Die Klasse 8c besteht aus 15 Schülerinnen und 9 Schülern, die zweimal in der Woche im Fach Chemie unterrichtet werden. Sie ist mir seit Anfang des Schuljahres durch eigenverantwortlichen Unterricht bekannt. Es handelt sich hier um eine lebhafte und teilweise motivierte Klasse. Einige Jungen und Mädchen allerdings verhalten sich sehr still und beteiligen sich nur durch gezielte Aufträge seitens der Lehrperson aktiv am Unterrichtsgeschehen. 11 Schüler der Klasse belegen seit dem siebten Schuljahr das Fach MN. Dies macht sich bei manchen durch eine positive Mitarbeit bemerkbar, da diese Schüler ein scheinbar höheres naturwissenschaftliche Interesse haben. Als besonders leistungststark in der Mitarbeit erweisen sich Kevin L, Niclas, und Lena. Vereinzelte Phasen geringerer Konzentrationsfähigkeit sind altersspezifisch bedingt. Ein besonderes Augenmerk gilt den Schülern Stephanie U., Nicole und Sevgi, sowie Laura, Aylin und Sarah P. Sie neigen gelegentlich dazu, ihrem Redebedürfnis unaufgefordert nachzukommen. 2.2 Lernvorraussetzungen Die Schüler haben sich im Vorfeld mit der genauen Definition von Forensik und Kriminalistik beschäftigt. Es wurde anhand der Serie CSI-Miami das Aufgabengebiet der forensischen Wissenschaft geklärt. Außerdem wurden Fallbeispiele für Straftaten besprochen, die mit Hilfe der forensischen Wissenschaft aufgeklärt werden konnten. In der letzten Stunde wurde über das Trennverfahren der Chromatographie gesprochen. Die Begriffe Retentionszeit, mobile Phase, stationäre Phase, als auch die Wechselwirkung zwischen den beiden Phasen an der Phasengrenze wurde besprochen. 3 Didaktische Analyse 3.1 Lehrplanbezug Das Thema „Trennverfahren ist im Lehrplan unter Punkt 8.1. „Stoffe und ihre Eigenschaften anzutreffen mit einem Zeitrichtwert von 10 Stunden versehen. Die Schüler sollen ihre Kenntnisse aus der Orientierungsstufe aufarbeiten und vertiefen. Insbesondere sollen die 3 Konkrete Fachdidaktik Chemie; verfasst u.a. von P.Pfeifer: Oldenbourg Verlag GmbH, München, 1997 3 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik Schüler Experimente zunehmend selbstständig durchführen. Die Unterrichtsstunde gliedert sich wie folgt in die Unterrichtsreihe ein: Stunde Inhalt 1. Was ist forensische Wissenschaft? 2. Notwendigkeit der Chromatographie in der Kriminalistik 3. Die Papierchromatographie in der Kriminalistik 4. Wirkung von Koffein und die Nachweismethode GC 5. Nachweis von Koffein mit GC 6. Modell der Chromatographie 3.2 Alltagsbezug und Legitimation des Themas Ein Themengebiet, was sich gerade bei jüngeren Schülern großer Beliebtheit erfreut, ist die Kriminalistik. „Detektiv spielen, mit Hilfsgeräten Spuren auffinden und auswerten. „Puzzleteile zu einem großen Ganzen zusammensetzen regen die Fantasie der Schüler an. Mit der hier vorgestellten Methode der Chromatographie wird in abgewandelter Form auch in der modernen Kriminalistik sowie der Medizin gearbeitet. Begriffe wie „genetischer Fingerabdruck bzw. DNA-Analyse haben sogar die Aufnahme in Comic-Hefte gefunden und sind fast täglich in Kriminalfilmen, wie z.B. Der Kriminalist oder Navy-CSI zu sehen. Diese Begriffe werden von den Schülern jedoch meist nur zur Kenntnis genommen. Die Papierchromatographie soll den Schülern die Möglichkeit bieten, den oben genannten Begriffen mehr Aufmerksamkeit zu widmen und sie ansatzweise zu verstehen. 3.3 Didaktische Reduktion Die erste didaktische Reduktion besteht darin, dass heutzutage in der Kriminalistik die Papierchromatographie von moderneren Ermittlungstechniken überholt ist. Dennoch wird die Papierchromatographie als Nachweistechnik für Dokumentenfälschungen im Unterricht eingeführt, weil sie zum einen ein relativ günstiges Nachweisverfahren darstellt. Zum anderen ist sie für die Schüler ein sehr anschauliches Verfahren, deren Ergebnis sie in ihr Heft einkleben können und somit ein Resultat der Stunde mit nach Hause nehmen können. Eine weitere Reduktion findet im Bereich der Hinführung statt. Hierbei wird nicht genau auf die einzelnen Bestandteile der Farbe scharz eingegangen. Es wird lediglich erwähnt, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, die Farbe schwarz herzustellen. Die genaue Herstellung spielt für den weiteren Stundenablauf keine tragende Rolle. Beim Zusammentragen der Beobachtungen wird die Form des Chromatogramms als kreisförmig beschrieben. Dies ist jedoch nicht ganz der Fall. Wegen der maschinellen Herstellung der Papiere breiten sich die Fließmittel und auch die Substanzmengen nicht 4 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik streng kreisförmig sondern elliptisch aus. Diese Betrachtung ist für die Schüler jedoch unrelevant, da für sie aufgrund der gleichmäßigen Ausbreitung des Wassers eine kreisförmige Ausbreitung als sinnvolle Lösung erscheint. Bei der Erklärung der Papierchromatographie, wird insoweit reduziert, dass die Schüler das Filterpapier als stationäre Phase erkennen, nicht jedoch das Wasser der Cellulose. Dass das Filterpapier gleichzeitig Unterlage und Träger der stationären Phase ist spielt im weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe keine Rolle und würde die Schüler überfordern. 3.4 Schwierigkeitsanalyse Erste Schwierigkeiten könnten in der Hinführung auftreten. Hier könnten die Schüler nicht sofort erkennen, dass es sich um zwei verschiedene Farbzusammensetzungen der Farbe schwarz handelt. Sollte dieser Fall eintreten, wird die Lehrperson weitere Impulse, wie z.B. „ Es wurde ja mit einem schwarzen Filzstift unterschrieben. Sind denn alle schwarzen Filzstifte gleich? Wodurch könnten sie sich unterscheiden? geben. Sollten die Schüler nicht wissen, dass die Farbe schwarz ein Stoffgemisch ist, fordert die Lehrperson die Schüler dazu auf, nochmals über die Grundfarben, welche im Fach Kunst erlernt wurden, nachzudenken und zu überlegen, ob schwarz auch zu diesen gehört. Sollten widererwartend Fehler beim Versuchsaufbau auftreten, z.B. dass ein viel zu großes Loch für den Dochtgeschnitten wird, so wird die Lehrperson der Gruppe ein neues Filterpapier austeilen. Die nächsten Schwierigkeiten könnten beim Zusammentragen der Beobachtungen auftreten. Hierbei ist es wichtig, dass die chronologische Reihenfolge der Beobachtungen eingehalten wird. 4 Lernziele Groblernziel: Die Schüler führen eine Papierchromatographie durch und interpretieren deren Ergebnis. Feinlernziele: Die Schüler sollen Vermutungen und Lösungsideen formulieren. die Papierchromatographie selbstständig mit entsprechenden Materialien durchführen, beobachten und dokumentieren. erkennen, dass es sich bei den homogen erscheinenden schwarzen Farbstoffen um Farbstoffgemische handelt. Chromatogramme erstellen und abgleichen. erklären und begründen, warum die Farbstoffe unterschiedlich weit getragen werden. 5 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik die Chromatographie auf Alltagssituationen – Kriminalistik – übertragen können. 5 Methodische Planung Zu Beginn der Stunde berichtet die Lehrperson von einer Betrugsgeschichte, bei der die Schüler das Polizeilabor unterstützen sollen. Anschließend wird der Polizeibericht von drei Schülern vorgelesen. Eine Problemfrage wird von den Schülern genannt, welche von der Lehrperson an der Tafel notiert wird. Ich habe diesen Einstieg gewählt, weil er Motivation und Anknüpfung an einen alltäglichen Sachverhalt bietet. Wie ich bereits in den letzten Stunden beobachten konnte, sind die Schüler sehr interessiert an kriminalistischen Untersuchungen. Der Polizeibericht soll die Schüler veranlassen, aufgrund des Betruges eine Problemfrage zu stellen. In der Hinführung zum Stundenthema zeigt der Lehrer die gefälschte Rechnung auf Folie und fordert die Schüler auf zu überlegen, wie man den Betrug aufdecken könnte. Wenn die Schüler anschließend ihre Vermutungen geäußert haben und diese an der Tafel fixiert sind, berichtet die Lehrperson, dass die Polizei je einen Stift bei Frau Scheuerbesen und beim Auslieferer der Firma Elektro-Schäfer sichergestellt hat. Nun lässt der Lehrer die Schüler vermuten, ob die Farbe schwarz eine reine Farbe oder ein Farbgemisch ist. Nachdem geklärt ist, dass die Farbe schwarz ein Farbgemisch ist, werden zur Verdeutlichung verschiedenfarbige Folienstücke aufeinander gelegt, woraus immer eine schwarze Farbe resultiert. Die Schüler sollen in dieser Phase nachvollziehen können, auf welche Weise der Betrug aufgedeckt werden kann. Diese alltagsbezogene Hinführung habe ich gewählt, weil die Schüler ihre Erfahrungen mit Farben schildern können. Die Thematisierung der Farbzusammensetzung bietet die Möglichkeit, fächerübergreifend tätig zu werden. Zu Beginn der Erarbeitungsphase wird von der Lehrperson erklärt, dass schon eine Probe der letzten Null auf der Rechnung untersucht wurde und die Schüler mit Hilfe der Papierchromatographie jetzt den Stift herausfinden sollen, mit dem die letzte Null nachträglich eingetragen wurde. Bevor die Schüler mit dem Versuch beginnen, erklärt die Lehrperson den Aufbau der Papierchromatographie. Nun sollen die Schüler ihren Beitrag zur Aufklärung mit einbringen, indem sie in Partnerarbeit die Papierchromatographie durchführen und protokollieren. Um die Spannung aufrecht zu erhalten, wird das Chromatogramm der letzten Null erst nach dem Versuch und dessen Besprechung der Beobachtung gezeigt. Die Form der Partnerarbeit bietet gegenüber der Gruppenarbeit die Möglichkeit, dass jeder einzelne Schüler eine Chromatographie durchführen kann. Die Partner wechseln sich in der Durchführung ab, haben aber gleichwohl die Möglichkeit, zwei verschiedene Papierchromatographien zu beobachten und zu besprechen. 6 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik Eine Einzelarbeit kann dies nicht bieten und würde zusätzlich einen größeren organisatorischen Aufwand bedeuten. Innerhalb der Partnerarbeit kann dennoch jeder Schüler ein eigenes Chromatogramm entwickeln, und in sein Heft einkleben. Nachdem der Lehrer den gelben Kreis an die Tafel befestigt hat, räumen die Schüler ihre verwendeten Materialien weg und die Sicherungsphase setzt ein. Hier werden die Beobachtungen in einem Unterrichtsgespräch zusammengetragen. Diese Beobachtungen werden oft wiederholt, damit jeder Schüler die Möglichkeit hat, vergessene Beobachtungspunkte zu ergänzen. Wenn die Beobachtungspunkte geklärt sind, greift die Lehrperson nochmal die Auswertung einer Probe der letzten Null auf, welche schon vom Polizeilabor untersucht wurde. Das Chromatogramm wird gezeigt und die Schüler sollen den Betrüger nennen. (Mögliche Zäsur) Anschließend wird der Lehrer näher auf die einzelnen Chromatogramme eingehen und die Schüler erklären lassen, warum bestimmte Farben weiter transportiert werden als andere. Ein Ergebnis wird gemeinsam formuliert, welches von den Schülern übernommen wird. Abschließend wird die Hausaufgabe ausgeteilt. 7 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik 6 Tabellarischer Verlaufsplan Zeit Phase Geplantes Lehrerverhalten Erwartetes Schülerverhalten Arbeits- und Sozialform Medien Einstieg L. berichtet von einer Betrugsgeschichte, bei deren Aufklärung die S. das Polizeilabor unterstützen sollen S. lesen zu dritt das Polizeiprotokoll vor Unterrichtsgespräch Polizeiprotokoll L. fordert die S. auf, das Problem zu erläutern und die Problemfrage zu stellen S. erklären, dass eine Null nachträglich in die Rechnung eingetragen wurde und formulieren z.B.: Wie kann man beweisen, dass die letzte Null gefälscht wurde? Wie kann man den Täter ermitteln? L. zeigt die Rechnung und fordet die S. auf nach Lösungsideen zu suchen L. notiert die Vermutungen an der Tafel S. vermuten z. B.: Die Nullen sind verschieden Die Farben sind verschieden 7:55 – 8:00 Hinführung Tafel UG OHP, Rechnung (Folie) Tafel L. erzählt, dass beim Auslieferer des Kundendienstes und bei der Haushaltshilfe je ein schwarzer Filzstift sichergestellt wurde. 8:00 – 8:10 L. leitet über auf Reinstoff und Stoffgemisch L. fragt welche reinen Farben bzw. Farbgemische die Schüler aus dem Fach Kunst bereits kennen L. konfrontiert Schüler mit der Farbe „schwarz 2 Filzstifte S. schildern ihre Erfahrungen und äußern sich S. stellen Vermutungen an, ob die Farbe „scharz eine reine Farbe oder ein Stoffgemisch ist OHP Farbfolienstücke L. legt verschieden farbige Folienstücke aufeinander schwarze Farbe 8:10 – 8:30 Erarbeitung L. erklärt den Versuch Versuchsdurchführung und weist auf das Chromatogramm als Ergebnis der Papierchromatographie hin S. holen sich die Arbeitsmaterialien, führen den Versuch durch und notieren sich sowohl die Beobachtung als auch Partnerarbeit Chromatogramm der „letzten Null 8 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik das Ergebnis des Versuchs. AB1 S. beobachten die Trennung der schwarzen Farbe in reine Farbstoffe. Versuchsmaterialien L. geht von Gruppe zu Gruppe. Tafel Sicherung 8:30 – 8:40 L. fordert auf, die Versuchsbeobachtungen zu beschreiben L zeigt Chromatogramm der letzten Null S. präsentieren ihre Beobachtungen und ziehen Rückschlüsse darauf, wer der Täter ist. Folie (mögliche Zäsur) AB2 L. geht näher auf die Erklärung des Ergebnisses ein. S. beschreiben die Wechselwirkung zwischen dem Farbstoff und dem Filterpapier. L. teilt Hausaufgabe (Lückentext) aus. 9 7 Tafelbild Wie kann man beweisen, dass die letzte Null gefälscht wurde? Vermutungen: Die Nullen sind verschieden Die Farben sind verschieden Die Farbe schwarz 05.11.08 reine Farbe? Farbgemisch? Nachweis mit Papierchromatographie Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik 8 Anhang Polizeibericht Kriminalpolizei Koblenz, 3.11.2008 Betreff: Betrug durch Fälschung einer Rechnung der Firma Elektro-Schäfer Zu den Personen: Frau Besserverdienerin: 46 Jahre, ledig, Immobilienkauffrau Frau Scheuerbesen: 57 Jahre, verheiratet, Haushaltshilfe Am 3.11.2008 um 1515 Uhr betraten Frau Besserverdiener und Frau Scheuerbesen das Polizeirevier und erstatten Bericht zum oben angegebenen Tathergang: Frau Besserverdiener: Als ich heute um 1430 Uhr vom Frisör kam, musste ich feststellen, dass 1000 € aus der Haushaltskasse fehlten. Ich habe sofort meine Haushaltshilfe zur Rede gestellt. Frau Scheuerbesen erklärte dazu: Um 1330 Uhr kam der Kundendienst der Firma Elektro-Schäfer. Der Herr hat die teure Stereoanlage zurückgebracht und eine Rechnung von 1000 € vorgelegt. Da ich sofort zahlen musste, habe ich das Geld aus der Haushaltskasse genommen. Frau Besserverdiener: Soweit wäre ja alles in Ordnung, allerdings ist die Rechnung viel zu hoch. Ich habe mich direkt mit der Firma Elektro-Schäfer in Verbindung gesetzt und vom Chef der Firma erfahren, dass die Rechnung nur auf 100 € ausgestellt war. Ich bin also betrogen worden. Rechnung Frau Besserverdiener Weender Str. 12 56072 Koblenz Liefertermin: 3.11.2008 Rechnung: Nr.: 1312 Reparatur einer Stereoanlage: Firmenstempel: Nicht doch. Wir reparieren es! Firma Elektro-Schäfer Im Stuhl 3 56072 Koblenz 11 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik Farbfolienstücke Arbeitsblatt Kriminalistische Untersuchung Fall: Besserverdiener Material: 1 Petrischale; 2 große Filterpapiere; 2 kleine halbe Filterpapiere; 2 schwarze Stifte Durchführung: 1. Nimm das größere der beiden „Docht Filterpapier mit Farbprobe Filterpapiere und falte es auf seiner Größe. Schneide nun in die Spitze des gefalteten Filterpapiers so ab, dass du in der Mitte Petrischale mit Wasser ein kleines Loch von ca. 0,5 cm Durchmesser hast. 2. Male nun mit dem zu bestimmenden Stift einen Kreis um das Loch. 3. Rolle das kleine halbe Filterpapier zu einem Docht, welchen du in das Loch des großen Filterpapiers steckst. 4. Lege das Filterpapier mit dem Docht nun so auf eine mit Wasser gefüllte Petrischale, dass der Docht ins Wasser eintaucht. 5. Stoppe den Versuch bevor das Wasser auf dem Filterpapier den Rand der Petrischale erreicht. Beobachtung: Probe von Probe von Ergebnis: 12 Vierter Unterrichtsbesuch: Die Papierchromatographie in der Kriminalistik Hausaufgabe Das Verfahren der Papierchromatographie Arbeitsanweisung: Versuche die unter stehenden Begriffein den Lückentext einzufügen und mit Hilfe der bei den Begriffen stehenden Buchstaben, den gesuchten Begriff herauszubekommen! Die (1) ist ein Verfahren zur Trennung von farbigen (2) in die (3). Bei diesem Verfahren dient z.B. Wasser als sogenanntes (4). Dieses steigt zunächst den Docht hinauf und breitet sich sich auf dem Filterpapier von der Mitte her nach allen Seiten fast (5) aus. Die einzelnen (6) des schwarzen (7) werden gelöst und vom Fließmittel unterschiedlich weit transportiert. Dadurch entstehen einzelne Farbringe. Farbstoffe die am Filterpapier, der sogenannten (8), stark haften bilden einen (9) in der Nähe des Dochtes. Haftet ein Farbstoff weniger stark am Filterpapier, d.h. wird er von der (10) weit transportiert, so entsteht ein Farbring weiter vom (11) entfernt. Das (12) an einer Oberfläche wird auch als (13) bezeichnet; daher sagt man, dass ein Stoff an einer Oberfläche adsorbiert wird. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Begriffe: stationären Phase Gemischen mobilen Phase Adsorption Farbring kreisförmig Papierchromatographie Reinstoffe Gemisches Farbstoffe Fließmittel Docht Haften 13