SV mit Lernaufgaben, Selbsterhitzendes Heißgetränk

Bildungsplanbezug

Inhaltsbezogene Kompetenzen

3.3.1 Chemische Energetik

(1) chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten (exotherm, endotherm, Brennwert, Heizwert) erläutern

Prozessbezogene Kompetenzen

2.1 Erkenntnisgewinnung (5)

qualitative und quantitative Experimente unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durchführen, beschreiben, protokollieren und auswerten

2.2 Kommunikation (4)

chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und gegebenenfalls mithilfe von Modellen und Darstellungen beschreiben, veranschaulichen oder erklären

2.3 Bewertung (4)

Die Richtigkeit naturwissenschaftlicher Aussagen einschätzen

Informationen für die Lehrkraft

Ausgehend vom Kontext „Selbsterhitzendes Heißgetränk“ wird das Themenfeld „Energieänderungen beim Lösen von Salzen“ motiviert und erschlossen. In den gebräuchlichen selbsterhitzenden Systemen (selfheating cans) werden Salze, wie z.B. Calciumoxid die sich unter Erwärmung in Wasser lösen, verwendet. Die freiwerdende Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung über eine Trennwand an das Getränk abgegeben. Zur Klärung des Aufbaus einer solchen selfheating can kann das Foto der aufgesägten Dose oder das Originalobjekt dienen. Ausgehend vom Praktikumsexperiment wird aus den Messwerten die Wärmemenge Q und daraus die Reaktionsenthalpie bei der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser bestimmt. Die Wärmekapazität des Pappbechers wird vernachlässigt und es kann vereinfacht mit Q = c_Wasser* m_Wasser* ΔΤ gerechnet werden. Für die in der Anleitung angegebenen Mengen der Stoffe wäre theoretisch eine Temperaturerhöhung von 13,2 K erwartbar. In den Vorversuchen wurden Werte um 8,5K erhalten. Dies liegt daran, dass Calciumoxid hygroskopisch ist und im Vorratsgefäß teilweise als Calciumhydroxid vorliegt. Um genauere Werte zu erhalten wird empfohlen, das Calciumoxid vor dem Versuch solange zu erhitzen bis kein Wasserdampf mehr austritt. Danach auf Zimmertemperatur abkühlen. Dies kann auch bei der kritischen Betrachtung des Messergebnisses mit der Lerngruppe aufgegriffen werden. Die weiterführenden Aufgaben 1, 2 und 3 können zur Vertiefung, Differenzierung und/oder im Leistungsfach eingesetzt werden: Mit Aufgabe 1 kann die Folgefragestellung geklärt werden, ob der vom Hersteller angegebene Temperaturanstieg in der Größenordnung von 42 Grad realistisch ist. In Aufgabe 2 werden die Prozesse beim Lösen von Salzen hinsichtlich Gitterenthalpie und Hydratationsenthalpie betrachtet sowie der Begriff Lösungsenthalpie thematisiert. Dieser wird im Experiment und in Aufgabe 1 bewusst nicht verwendet, da die Reaktion von Calciumoxid mit Wasser über eine Protolysereaktion erklärt wird und nicht über die Hydratisierung von Ionen. Aufgabe 3 setzt sich kritisch mit einem „Fachtext“ der künstlichen Intelligenz ChatGPT zum Thema auseinander. Erwartungshorizonte für die Aufgaben sind enthalten.

Wie funktioniert ein selbsterhitzendes Heißgetränk? (selfheating can)

Energieänderungen bei chemischen Reaktionen und Lösungsvorgängen von Salzen sind mit Temperaturänderungen verbunden. Die freiwerdende Energie kann dabei in selbst-erhitzenden Systemen (selfheating cans) genutzt werden, um Mahlzeiten oder Getränke zu erwärmen. In der abgebildeten selfheating can wird das Salz Calciumoxid zusammen mit Wasser eingesetzt, da beide Stoffe miteinander unter Erwärmung zu Calciumhydroxid reagieren. Die freiwerdende Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung über eine Trennwand an das Getränk abgegeben. In dem abgebildeten Produkt werden damit laut Hersteller Temperaturerhöhungen von 42 Grad im Getränk erreicht.

Materialien

• Thermometer
• Messzylinder 50mL
• Papp- oder Kunststoffbecher
• Waage, Spatel

Chemikalien

• Calciumoxid

Durchführung

1. Wiegen Sie 2,5g des Salzes ab.
2. Füllen Sie 50mL Wasser in den Pappbecher.
3. Bestimmen und notieren Sie die Ausgangstemperatur des Wassers.
4. Lösen Sie die komplette Stoffportion des Salzes zügig unter Rühren im Wasser.
5. Bestimmen und notieren Sie die Endtemperatur.

Ergebnisse-Beobachtungen

Ausgangstemperatur des Wassers: ... °C

Endtemperatur der Lösung: ... °C

Auswertung

1. Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Calciumoxid mit Wasser auf.
2. Berechnen Sie aus den Messergebnissen die Wärmemenge Q und daraus die Reaktionsenthalpie der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser.

Hinweis

Die Wärmekapazität des Pappbechers kann vernachlässigt werden. Als Dichte der Lösung kann näherungsweise die Dichte von Wasser angenommen werden.

Literaturwert

Δ_rH⁰m = - 65 KJ/mol