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Aggregatzustände des Wassers

Sachanalyse
Alle Lebewesen (Tiere, Menschen, Pflanzen) brauchen regelmäßig Wasser, um leben und wachsen zu können. Wasser ist Lebens- und Überlebensmittel. Zudem wird die Erde auch der blaue Planet genannt, da 70% mit Wasser bedeckt sind. Wasser ist der Stoff, den wir alltäglich in drei verschiedenen Zuständen erfahren: fest, flüssig und gasförmig. Diese drei Zustände bezeichnet man als Zustandsformen oder Aggregatzustände. Man kann die drei Aggregatzustände wie folgt beschreiben [1]:

  • fest
    Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Man kann ihn nur durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verändern. Feste Körper haben Oberflächen, die sie begrenzen.
  • flüssig
    Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gefäßes an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flüssigkeiten bilden Oberflächen aus, die sie begrenzen.
  • gasförmig
    Ein gasförmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Gase bilden keine Oberflächen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt.

Feste und flüssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflächen haben. Gasförmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig.

Beim Wasser nennt man die verschiedenen Aggregatzustände Eis (festes Wasser), Wasser (flüssiges Wasser) und Wasserdampf (gasförmiges Wasser). Auch andere Stoffe kommen in den drei verschiedenen Aggregatzuständen vor. Es gibt aber keinen anderen Stoff, der uns in allen drei Aggregatzuständen so präsent ist.
Weitere Beispiele zu Aggregatzuständen aus dem Alltag:

  • Wachs: das Wachs einer Kerze wird flüssig, wenn man die Kerze anzündet
  • Schokolade: Schokolade wird in der Sonne (zäh)flüssig und im Kochtopf flüssig
  • Blei: beim Blei gießen wird das feste Blei flüssig und beim schlagartigen Abkühlen in Wasser wieder fest
  • Margarine: schmilzt beim Braten

Stoffe ändern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhöht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Kerzenflamme, menschliche Körpertemperatur, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B. Kühl-/ Gefrierschrank, Lufttemperatur etc.). Der Übergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmten Temperaturen und wird durch bestimmte Fachbegriffe bezeichnet (siehe Tabelle 3). Der Stoff selber bleibt bei den Aggregatzustandsänderungen erhalten, sein Zustand ist aber verändert (vgl. bei der Verbrennung von z.B. Holz bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche.).

 
Bezeichnung des Vorgangs bei der Aggregatzustandsänderung
 

Übergang von ...

Beispiel Wasser

Schmelzen

... fest zu flüssig.

Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Schmelztemperatur* bezeichnet.

Eis schmilzt in der Sonne oder im Colaglas, da es Wärme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0°C.

Erstarren

... flüssig zu fest.

Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Erstarrungstemperatur* bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur.

Wasser erstarrt z.B. in Eiswürfelbeuteln in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekühlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0°C.
[Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers dehnt es sich dabei aus (siehe Dichte II)].

Verdampfen

... flüssig zu gasförmig.

Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur*.

Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wärme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Man sagt auch, dass es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100°C. Die Bildung der Wasserdampfblasen am Topfboden kann beobachtet werden. Sie steigen dann nach oben und verlassen das flüssige Wasser.

Verdunsten

Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang flüssiger Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verläuft langsamer als die Verdampfung da dem Stoff weniger Wärme(energie) zugeführt wird.

Wasser verdunstet, wenn durch die Sonne die Luft erwärmt wird: die Wäsche trocknet.

Kondensieren

... gasförmig zu flüssig.

Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*. Sie ist gleich der Siedetemperatur.

Am kühlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkühlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100°C.

Sublimieren

... fest zu gasförmig.

Gefrorene Wäsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.

Resublimieren

... gasförmig zu fest.

Raureifbildung.

Tabelle 3: Übersicht über die Änderungen der Aggregatzustände (nach [1])

*Man findet für die Siede-/Schmelztemperatur usw. oft synonym die Begriffe Siede-/Schmelzpunkt. Die Bezeichnung Siede-/Schmelztemperatur ist vorzuziehen, da Stoffe bei einer bestimmten Temperatur verdampfen/schmelzen. Außerdem schmelzen nicht alle Stoffe an einer bestimmten Temperatur, sondern zeigen einen Schmelzbereich (z.B. Schokolade).

[1]nach Bader, H.J.; Drechsler, B.; Gerlach, S. (1999): Stärkung durch Kompetenz. Naturwissenschaftliche Inhalte im Sachunterricht unterrichten. Institut für Didaktik der Chemie der Johann Wolfgang Goethe- Universität Frankfurt am Main.

Didaktische Anmerkungen: Da Wasser in seinen drei Aggregatzuständen im Alltag auftaucht, haben Kinder viel Vorerfahrungen zu den verschiedenen Aggregatzuständen. Allerdings werden die einzelnen Aggregatzustände nicht unbedingt dem einen Stoff Wasser zugeordnet. Sie werden schon in der Sprache getrennt. Man sagt „Eis“ zu festem Wasser, „Wasser“ zu flüssigem Wasser und „Dampf“ zu gasförmigen Wasser. Bei anderen Stoffen hat man diese Trennung in der Sprache nicht z.B. sagt man zu festem Wachs „Wachs“ und für flüssigen Wachs gibt es kein eigenes Wort. Für Kinder ist Eis demnach etwas anderes als Wasser. Zumal auch Speiseeis als „Eis“ bezeichnet wird. Die Versuche zu den Aggregatzuständen des Wassers sollen dazu dienen, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Aggregatzuständen zu erkennen. Es ist der gleiche Stoff Wasser, obwohl er ganz unterschiedlich aussieht. Bei dem Versuch „Eiswürfel schmelzen“ soll deutlich werden, dass das Eis nicht verschwindet, sondern dass nach dem Schmelzen genau so viel Wasser vorhanden ist wie zu Anfang. Wichtig ist auch die Diskussion darüber, dass der Grund für die Aggregatzustandsänderungen in der Temperatur zu suchen ist. Bei einer bestimmten Temperatur liegt Wasser immer in einem bestimmten Aggregatzustand vor. So ist Wasser aufgrund der Temperaturen in unserer Umgebung meist im flüssigen Zustand zu sehen. Zur Strukturierung dieser Überlegungen hilft ein übersichtliches Schema (siehe Abb.) zu den Aggregatzustandsänderungen.

Bild


Abb.: Schema zu den Aggregatzuständen des Wassers

Man kann in diesem Schema anhand der Temperaturachse die steigende bzw. sinkende Temperatur verfolgen und dabei die entsprechenden Aggregatzustände betrachten. Die farbige Markierung der Pfeile unterstützt die gedankliche Linie. Man kann auf der Temperaturachse die Schmelz- und Siedetemperaturen ergänzen. Das Sublimieren und Resublimieren werden in der Grundschule nicht thematisiert. Besonders schwierig ist das Verständnis des gasförmigen Aggregatzustandes, da Gase nicht zu sehen sind. Die Kinder haben die Vorstellung, dass das Wasser beim Verdunsten bzw. Verdampfen zu Luft wird oder verschwindet. Zur Erarbeitung ist es daher von Vorteil, wenn Kinder schon Erfahrungen zum Thema Luft (siehe CHEMOL) gemacht haben und wissen, dass es Gase gibt. Daher sollten die Kinder genau die Vorgänge beim Erhitzen beobachten. Es entstehen Blasen, die aufsteigen und wenn das Wasser siedet erkennt man „Dampf“. Dieser „Dampf“ besteht aus kleinen kondensierten Wassertropfen, die durch die Hitze nach oben getragen werden. Den Wasserdampf kann man hingegen nicht sehen. Es ist nun wichtig, dass der Wasserdampf wieder zu Wasser wird, wenn er abkühlt. Es ist also der gleiche Stoff, der aber ganz anders aussieht. Für die Erarbeitung eignet sich der Versuch „Wetter I“. Der Versuch „Wetter II“ überträgt das Phänomen auf einen größeren Maßstab, wobei die Kinder ihr erlerntes Wissen auf einen anderen Versuchsaufbau anwenden müssen. Es ist hier sinnvoll, eine Reihe vom kleinen, leicht beobachtbaren Versuch über einen größeren Versuchsaufbau hin zum Wetterkreislauf zu diskutieren. Erst wenn die Kinder verstanden haben, dass flüssiges Wasser beim Erwärmen gasförmig wird, kann man die Verdunstung erklären. Bei der Verdunstung ist nämlich nur zu beobachten, dass das Wasser irgendwann weg ist. Man kann nicht sehen, wo es geblieben ist. Mit dem Vorwissen aus den Verdampfungsversuchen können die Kinder einfacher erkennen, dass Wasserdampf in der Luft enthalten sein muss. Dies kann man prüfen, indem man die Luft abkühlt, z.B. indem man Eis in einen Löffel legt oder ein Glas in den Kühlschrank stellt. Dass die Geschwindigkeit des Überganges von flüssig zu gasförmig mit steigender Temperatur zunimmt, kann man mit dem Versuch „verdunsten und verdampfen“ erarbeiten.

Geräte und Stoffe

  • Glas und Stift (oder Glas mit Skalierung z.B. Messbecher)
  • Eiswürfel
  • Leitungswasser

Durchführung

Das Glas wird halbvoll mit Wasser gefüllt. Ein (oder auch mehrere) Eiswürfel werden in das Glas gegeben. Dann wird der Wasserstand mit dem Stift markiert oder der Wert auf der Skala notiert. Nun lässt man solange stehen bis die Eiswürfel geschmolzen sind.
Variante:
Man gibt einen möglichst großen Eiswürfel in ein Glas. Anschließend füllt man so viel Wasser in das Glas, dass es gerade nicht überläuft.

Beobachtung

Der Eiswürfel schwimmt an der Wasseroberfläche. Er schmilzt im Wasser und man kann beim genauen Hinsehen erkennen, dass das kältere Wasser in Schlieren zum Boden des Glases fällt. Der Wasserstand hat sich nicht verändert, nachdem das gesamte Eis geschmolzen ist.

Erklärung

Der Eiswürfel schwimmt auf der Wasseroberfläche, da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat. Eis ist Wasser in fester Form. Ab einer Temperatur von 0°C schmilzt es und wird zu flüssigem Wasser. Der Aggregatzustand ändert sich also von fest zu flüssig. Der Teil des Eises, der sich unter Wasser befindet, verdrängt etwas Wasser (Daher steigt der Wasserspiegel an, wenn man den Eiswürfel in das Wasser gibt). Deshalb und da die Dichte des Wassers höher ist als die des Eises, kommt es im Gefäß nicht zu einer Volumenzunahme.

Anmerkung

Bei starker Erwärmung der Erdatmosphäre z.B. durch den Treibhauseffet würde das Eis an den beiden Polen schmelzen. Aktuell war z.B. dieses Frühjahr in Spitzbergen in der Arktis bis zu 13°C zu warm.
Das Eis des Nordpols schwimmt im Wasser. Wenn es schmilzt, steigt der Meeresspiegel nicht an, da das Eis schon Wasser verdrängt hat. Hingegen kommt es beim Schmelzen des Südpoleises zu einem Anstieg der Weltmeeresspiegel, da es sich auf Land befindet und somit kein Wasser verdrängt.

Konzepte

Aggregatzustände (Dichte).


Quelle:
Aktionskonferenz Nordsee (Hrsg. 2001): Nordsee macht Schule. Unterrichtsbegleitmaterial zur CD-ROM "Die Nordsee - eine interaktive Reise rund um das Meer".

Geräte und Stoffe

  • Metalldeckel vom Sektflaschenverschluss
  • Glasstab o.ä. (z.B. Grogrührer)
  • Gefrierschrank/-fach
  • Glas
  • Leitungswasser

Durchführung

Mit dem Glasstab wird ein Tropfen Wasser auf den Sektflaschenverschluss gebracht und in den Gefrierschrank gestellt. Man lässt ihn für ca. zehn Minuten im Gefrierschrank stehen (je nach Wassermenge und Gefrierschranktemperatur). Nach dem Herausnehmen beobachtet man den erstarrten Wassertropfen (Eis).

Beobachtung

Der Wassertropfen wird im Gefrierschrank fest. Nach dem Herausnehmen wird der Eistropfen wieder flüssig. Wenn man genau beobachtet, werden auch andere Bereiche des Sektflaschenverschlusses feucht.

Erklärung

Flüssiges Wasser erstarrt bei 0°C und tieferen Temperaturen zu festem Wasser (Eis). Eis schmilzt ab einer Temperatur von 0°C und höheren Temperaturen zu flüssigem Wasser. Die Temperatur, bei der der Feststoff schmilzt bzw. der flüssige Stoff erstarrt, nennt man Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur.

Anmerkung

Wenn man den Deckel mit den flüssigen Wassertropfen ca. eine Stunde (je nach Raumtemperatur und Wassermenge) an der Luft stehen lässt, ist das Wasser verdunstet. Flüssiges Wasser wird zu gasförmigen Wasser (Wasserdampf). Wenn man Leitungswasser verwendet, erkennt man nach dem Verdunsten des Wassers Rückstände auf dem Deckel. Dies sind Salze, die im Leitungswasser gelöst waren und nun zurückbleiben. Man kann diesen Effekt verhindern, indem man destilliertes Wasser verwendet (z.B. Bügeleisenwasser), da dies reines Wasser ohne gelöste Salze ist.

Konzepte

Geräte und Stoffe

  • Glas
  • Kühlschrank oder Gefriertruhe

Durchführung

Ein Glas wird in den Kühlschrank oder in die Gefriertruhe gestellt. Dann nimmt man es heraus und beobachtet an der Luft.

Beobachtung

Das Glas „beschlägt“ an der Luft. Wenn man mit dem Finger über das Glas streicht, ist es feucht. Nach kurzer Zeit ist das Glas wieder trocken und nicht mehr „beschlagen“.

Erklärung

Das Glas wird im Kühlschrank abgekühlt. In der Luft ist Wasserdampf enthalten. An der kalten Oberfläche des Glases kondensiert daher Wasserdampf aus der Luft und wird zu flüssigem Wasser: das Glas „beschlägt“. Wenn das Glas länger an der Luft steht, wird es erwärmt und das flüssige Wasser verdunstet wieder zu Wasserdampf.

Anmerkung

Das Kondensieren von Wasserdampf aus der Luft an kalten Gegenständen kann man auch beim „Versuch Wassertropfen erstarren“ beobachten. Im Alltag ist dieses Phänomen vielfältig zu beobachten, z.B. „beschlagen“ im Winter Brillen, wenn man aus dem Kalten in warme Räume geht. Im Badezimmer „beschlägt“ der Spiegel, wenn man warm duscht. An der Unterseite eines Kochtopfdeckels kondensiert der Wasserdampf, der beim Kochen entsteht. Wenn man Tiefgekühltes aus der Gefriertruhe holt, wird die Außenseite der Packung nass.

Konzepte

Geräte und Stoffe

  • 2 x Metalldeckel eines Sektfaschenverschlusses
  • Grillzange oder Pinzette
  • Glasstab
  • Kerze
  • Streichhölzer
  • destilliertes Wasser (z.B. für Dampfbügeleisen)

Durchführung

Mit dem Glasstab gibt man einen Tropfen destilliertes Wasser auf je einen Metalldeckel. Einen lässt man liegen. Den anderen erwärmt man vorsichtig über eine Kerzenflamme. Der Deckel wird dabei mit einer Grillzange festgehalten.

Beobachtung

Man kann beobachten, wie das Wasser im zweiten Teil des Versuchs wesentlich schneller verschwunden ist. Bei dem anderen Versuch dauert es mindestens eine Stunde bis das Wasser verschwunden ist.

Erklärung

Im ersten Teil dieses Versuchs kann man beobachten, wie das Wasser langsam verdunstet. Der Übergang von flüssig zu gasförmig geschieht bei Temperaturen weit unterhalb der Siedetemperatur. Der zweite Teil des Versuchs zeigt, dass die Energiezufuhr den Übergang von flüssig zu gasförmig beschleunigt. Man spricht dann von Verdampfen

Anmerkung

Wenn man Leitungswasser verwendet, findet man nach dem Verdunsten bzw. Verdampfen Rückstände. Dies sind in Wasser gelöste Salze, die zurück bleiben.

Konzepte

Aggregatzustände


Geräte und Stoffe

  • Esslöffel
  • Teelicht
  • leere Teelichtschale
  • Drahtgestell eines Sektverschlusses
  • Leitungswasser
  • Eiswürfel

DurchführungBild

In eine leere Teelichtschale wird etwas Leitungswasser gegeben. Diese stellt man auf das Drahtgestell eines Sektverschlusses. Unter das Gestell wird ein Teelicht gestellt und entzündet (siehe Abb) [1]. Dann wird das Wasser in der Teelichtschale beobachtet. Wenn „Dampf“ aufsteigt wird ein Eiswürfel auf den Esslöffel gegeben. Dann hält man den Löffel in den „Dampf“. Man kann auch einfach den Löffel ohne Eis über die Teelichtschale halten.

Beobachtung

Nach ca. 2 Minuten (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen. Mit der Zeit werden es immer mehr und nach ca. 6 Minuten steigt „Dampf“ auf. Wenn man einen Eiswürfel in den Esslöffel legt, „beschlägt“ er von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten) ohne ihn in den „Dampf“ zu halten. Wenn man ihn in den „Dampf“ hält, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.
Auch ohne Eis im Löffel bildet sich Flüssigkeit unter dem Löffel, die heruntertropft, wenn man ihn schräg hält. Mit Eis bildet sich aber mehr Flüssigkeit.

Erklärung

Das Wasser wird durch die Kerzenflamme erwärmt. In Wasser sind verschiedene Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff) gelöst, die sich auch in der Luft befinden. Durch Erwärmen werden diese Gase ausgetrieben, so dass die ersten Blasen aus in Wasser gelösten

Gasen

bestehen. Dieses Phänomen der gelösten Gase sollte an dieser Stelle didaktisch reduziert werden. Wird das Wasser weiter erwärmt, sind die Gase ausgetrieben und das flüssige Wasser wird gasförmig. Dies ist ebenfalls in Form von Blasen zu beobachten, die nun aber aus

Wasserdampf

bestehen. Allerdings siedet das Wasser anfangs noch nicht. Erst wenn eine Temperatur von 100°C erreicht ist, fängt es an zu sieden, was gut bei einer kleinen Wassermenge zu beobachten ist. Das flüssige Wasser verdampft zu Wasserdampf. Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf“, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf“ eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht. An der Löffelunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da am Löffel viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen“.

Anmerkung

Man kann diesen Versuch mit dem Wetter vergleichen. In der Natur wird das Wasser allerdings nicht bis zum Sieden erwärmt, sondern es verdunstet. Dieser Unterschied zwischen Versuch und Natur sollte diskutiert werden. Wenn Wasserdampf im Freien aufsteigt, kühlt er sich mit zunehmender Höhe immer mehr ab (Faustregel: 1°C Abkühlung pro 100 m Höhenunterschied). Das Eis im Löffel deutet dieses Phänomen modellhaft an.
Man kann bei diesem Versuch während der Erwärmungszeit die Feuchtigkeitsbildung an der Unterseite des Löffels thematisieren, die sich nach dem Auflegen des Eises bildet. Dies ist für die Kinder schwer zu deuten, wenn dies ein Einstiegsversuch ist. Wenn andere Versuche zu den Aggregatzuständen vorher durchgeführt wurden, kann hier Erlerntes wiederholt werden.
Wenn die Kinder behaupten, dass das Wasser des schmelzenden Eiswürfels über den Rand des Esslöffels läuft und das Wasser an der Löffelunterseite daher stammt, kann man diesen Einwand aufgreifen und eine größere Schale (z.B. Marmeladenglasdeckel) verwenden, die mehr Wasser aufnehmen kann.

Konzepte

Aggregatzustände Zyklische Abläufe der Natur. [1] Nach einer Idee nach Obendrauf, V. (2005): Peroxide is suicide bomber’s weapon of choice... In: Chemie & Schule 20/2005/3, S. 3.


Geräte und Stoffe

  • Heizplatte
  • Kochtopf
  • gewölbte Metallschale (z.B. Deckel von einer Keksdose)
  • Paketband
  • Dosenstecher
  • Deckenhalter/Kartenhalter
  • Leitungswasser
  • Eiswürfel

Durchführung

Wenn man keine gewölbte Metallschale zur Verfügung hat, kann man sie aus einem Keksdosendeckel herstellen: Man legt sie auf Sand und klopft mit einem runden Gegenstand (z.B. einem runden Stein) eine runde Wölbung hinein. Mit einem Dosenstecher sticht man Löcher in den Rand des Deckels und befestigt das Paketband daran, so dass man den Deckel aufhängen kann.
Das Leitungswasser wird in den Kochtopf gefüllt und mit der Heizplatte erhitzt. Die Metallschale wird mit den Bändern an einen Deckenhaken oder einen Kartenhalter gehängt. Wenn Dampf aufsteigt, werden Eiswürfel in die Metallschale gelegt.

Beobachtung

Nach einiger Zeit (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen. Mit der Zeit werden es immer mehr und es steigt Dampf auf. Wenn man Eiswürfel in die Metallschale legt, „beschlägt“ sie von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten). Wenn man sie in den Dampf hängt, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden. Es „regnet“.

Erklärung

Das Wasser wird durch die Heizplatte erwärmt. Die Erklärung ist identisch wie beim Versuch „Wetter I“. Der Wasserdampf steigt auf und ist zu beobachten. An der Metallschale kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Es fängt an zu „regnen“.

Anmerkung

Dieser Versuch ist eine „Vergrößerung“ des Versuches Wetter I. Die Schüler müssen so das erlernte Wissen aus dem ersten Versuch auf einen neuen Versuchsaufbau übertragen. Diese gedankliche Verknüpfung kann anschließend auf den Wetterkreislauf in der Realität erweitert werden. Auch der umgekehrte Lernweg vom Wetterkreislauf zu den Versuchen ist möglich. Eine Erklärung ausgehend von den Versuchsbeobachtungen entspricht allerdings eher dem Prinzip vom realen, direkt beobachtbaren Phänomen zur Erklärung.

Konzepte

Aggregatzustände
Zyklische Abläufe der Natur.

Geräte und Stoffe

  • Kunststoffflasche
  • 2 Kartons (z.B. kann man bei Schuhkartons auch Unterseite und Deckel verwenden)
  • Metallschale (z.B. Butterbrotdose oder Kuchenbackform)
  • Schere oder Pricknadel
  • Farben, Kleber, Tonpapier etc.
  • Draht
  • heißes Leitungswasser
  • Eiswürfel

Durchführung

Mit einer Schere trennt man den Flaschenhals ab und schneidet die Flasche der Länge nach durch (kleine ½ L Kunststoffflaschen lassen sich leichter schneiden, da sie dünnere Wände haben) [1]. Die Schachtel wird so zurechtgeschnitten oder ausgeprickt, dass man vorne eine Landschaft hat. Man kann die Schachtel auch bemalen oder bekleben. Die zweite Schachtel wird hinter die erste gestellt. Aus Draht werden zwei Halterungen gebogen. Die zwei Halterungen werden in zwei Einschnitte in der Rückwand gehängt und evtl. mit Klebeband befestigt. In die „Landschaftsschachtel“ stellt man nun die Metallform und füllt sie mit heißem Wasser. Die aufgeschnittene Flasche wird in die Halterungen gehängt und mit Eiswürfeln befüllt.

Beobachtung

„Dampf“ steigt vom heißen Wasser auf. An der Unterseite der halben Flasche bildet sich Flüssigkeitstropfen. Mit der Zeit tropfen einige Tropfen herunter: Es „regnet“.

Erklärung

Das flüssige Wasser verdunstet zu Wasserdampf. Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf“, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf“ eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht. An der Flaschenunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da an der Flasche viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen“.
An der Unterseite der Flasche kann schon Wasser zu beobachten wenn Eis im Löffel liegt, da in der Luft schon Wasserdampf enthalten ist. Dieser kühlt an der kalten Unterseite ab und kondensiert

Anmerkung

Dieses Modell veranschaulicht den Wasserkreislauf und führt somit den Gedankengang der Versuche zum Wetter I + II weiter und das Fachkonzept der Aggregatzustände wird nochmals wiederholt. Die Kinder können selber basteln und müssen sich dabei Gedanken über die Gestaltung machen, z.B. wie soll die Landschaft aussehen? Wo befindet sich das Wasser, wo befindet sich z.B. das Watt, die Berge usw.? Man sollte auf jeden Fall das Modell mit der Realität vergleichen. Den einzelnen Bestandteilen des Modells und den Beobachtungen sollten entsprechend die Aspekte des Wasserkreislaufs gegenübergestellt werden (siehe Tab. 1). Man kann z.B. diskutieren, wo das Wasser verdunstet und sich „Wolken“ bilden und wo es dann (am meisten) regnet. Es sollte klar herausgestellt werden, dass im Himmel keine Plastikflasche hängt, in der Eiswürfel liegen.

Modell

Realität

Wasser in der Metallschale

Seen, Nordsee (Wattenmeer), allgemein Meere

Flasche mit Eis

kühle Luft in oberen Luftschichten

Verschiedene Landschaftsbereiche

Berge, Marsch etc.

Kondenstropfen an der Flasche

Wolkenbildung

herabfallende Wassertropfen

Regen

Tab. 1: Beispiel für ein Vergleich von Modell und Realität
Ein zusätzlich gemaltes Bild des Wasserkreislauf fördert nochmals den Vergleich von Realität und Modell.

Konzepte

Aggregatzustände Zyklische Abläufe der Natur. [1] Die Schere wird beim Schneiden der Plastikflasche schnell stumpf. Man kann alternativ auch einen Draht oder ein Messer z.B. über einer Kerze heiß machen und die Flasche durchschneiden. Quelle:

Aktionskonferenz Nordsee e.V. (Hrsg. 2001): Nordsee macht Schule. Unterrichtsbegleitmaterial zur CD-ROM "Die Nordsee - eine interaktive Reise rund um das Meer". ISBN 3-980 67 41-2-6