Umwelterziehung im Chemieunterricht Diskussionsbeitr~ige

Diskussionsbeitr ige

Umwelterziehung im Chemieunterricht - Chemische Schulversuche ohne Entsorgungsprobleme in der Sekundarstufe I

Reinhard Demuth

Institut fiir Chemie und ihre Didaktik, Universit/it Kid, Erziehungswissenschaftliche Fakultiit, Olshausenstrage 75, D-24118 Kiel

Zusammenfassung

FOr den schulischen Chemieunterricht wurde die neue Konzeption fiir einen sonderabfallfreien Experimentalunterricht entwickelt, der ohne methodische Einschr~inkungen realisierbar ist und keine we- sentlichen stofflichen Beschr~inkungen erfordert. Durch die konse- quent praktizierte Handlungsorientierung wird er den Forderungen nach einer effektiven Umwelterziehung in besonderer Weise gerecht.

Schlagw6rter: Umwelterziehung; Chemikalien-Entsorgung; Chemieunterricht

1 Einleitung

Die an sich erfreuliche Tatsache, daf das Umweltbewuft- sein breiter Bev61kerungskreise in den letzten Jahren deut- lich gestiegen ist, korrespondiert mit dem erntichternden Befund, daf nach wie vor die Umsetzung von Wissen in entsprechendes Handeln auf diesem Gebiet gering ist [1].

Fiir die Optimierung dieses Prozesses wurden aus Ergeb- nissen der Lern- und Verhahenspsychologie fi~nf Regeln ab- geleitet [2]. Vor diesem Hintergrund sind fiir den Chemie- unterricht mehrere Vorhaben entwickelt worden (vgl. [3]), welche die Erfahrung beriicksichtigen, daf Einstellungen leichter durch Handeln beeinfluft werden k6nnen als daft sich diese umgekehrt durch Informationen iiber Sachver- halte bilden.

Im folgenden wird tiber die Konzeption der ,,Chemischen Schulversuche ohne Entsorgungsprobleme" berichtet.

2 M e t h o d e n

Fiir eine effektive Umwelterziehung im Chemieunterricht ist der richtige Umgang mit Chemikalien besonders be- deutsam: Daran l~if~t sich nicht nur die aktuelle Abfallthe- matik exemplarisch behandeln, sondern auch tibergeord- nete Gesichtspunkte, wie die Feststellung, daft aus beson- deren Kenntnissen ein besonderes, bewufltes Verhalten er- wachsen muff, lassen sich angemessen verdeutlichen.

In 0bereinstimmung mit Intention und Zielsetzung der TRGS 450, die den Umgang mit Gefahrstoffen im Schulbe- reich regelt, wurde fiir den Bereich der Sekundarstufe I un- tersucht, welche Riickwirkungen sich fiir die Durchfiihrung von chemischen Schulexperimenten ergeben, wenn dabei

keine Sonderabffille entstehen sollen, bzw. entstandene durch schulintern durchzufiihrende, einfache Mafnahmen einer umweltgerechten Entsorgung zugeRihrt werden sol- len.

Die Untersuchung ergab, �9 daf auch unter diesen Gesichtspunkten eine Auswahl

von chemischen Schulexperimenten gefunden werden kann, die ohne methodische Beschr~inkungen auskommt und fast keine stofflichen Einschr/inkungen erfordert [4];

�9 daf~ einfache und auch von Schiilern praktizierbare Auf- arbeitungs- und Entsorgungsmaf~nahmen m6glich sind, die eine umweltgerechte Entsorgung s~mtlicher einge- setzten und erzeugten Chemikalien gew~ihrleisten.

Werden die Versuche wie vorgeschlagen durchgefiihrt, fal- len keine durch Fremdfirmen zu entsorgende Chemikalien a n .

Um der zentralen For&rung einer effektiven Umweltbil- dung [2] Rechnung zu tragen und ,,richtiges Handeln fiir jeden m6glich zu machen", mufte fiir diese Konzeption ein m6glichst einfaches Sicherheits- und Entsorgungsprinzip gefunden werden, welches alle Schiller verstehen und um- setzen k6nnen. Dies gew/ihrleisten zwei Instrumente:

1. S~imtliche beschriebenen Versuche werden mit einer ein- heitlichen Entsorgungskonzeption erfaft (-9 Abb. 1).

Chemische

Schulexperimente

Ilii N R1 R2 ~

Saure und alkalische Kupfersalze Silbersalze Koh ten - ~rom-Kohlen- LSsungen I I wasser- wasserstoffe

r ] sloffe ~-Zerstorung I I Neutra~isati~ [ Elektrolyse,zink oder MagnesiumRedukti~ mit ( A b z u g ) mitdurChNatrReaktiOnum

! ' ' i Cu, CuSO, Ag, AgNO~

AUSGUSS

Abb. l: Entsorgungskonzeption des Sonderabfallfreien Chemie- unterrichts

2 1 2 UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 7 (4) 212-214 (1995) �9 ecomed verlagsgesellschaf~ AG & Co.KG Landsberg

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Fi~r Chemikalien sind nur drei getrennte SammelgefZ~e erforderlich: - saure und alkalische L6sungen: Gef~ifl N - Kupfersalz-L6sungen: Geffi~ R1 - Silbersalz-L6sungen: GefZ~ R2

Die gesammelten sauren und alkalischen L6sungen wer- den neutralisiert - sofern nicht schon durch das gemein- same Sammeln erreicht - und k6nnen wie Haushaltsab- wfisser in den Ausguf~ gegeben werden. Kupfer- und Sil- bersalze werden elektrolytisch oder dutch Umsetzung mit Zink oder Magnesium zum Metall aufgearbeitet und ggfs. weiter zu Kupfersulfat bzw. Silbernitrat umgesetzt. Organische L6sungsmittel werden in kleinen Mengen im Abzug verbrannt. Bromkohlenwasserstoffverbindungen, die bei den Versu- chen als einzige halogenorganische Verbindungen ent-

.

stehen, k 6 n n e n durch die Reaktion mit metallischem Natr ium unschfidlich gemacht werden.

Mit Hilfe einer Kopfleiste (-9 Abb. 2) wurde allen Ver- suchsbeschreibungen eine einheitliche Struktur unter- legt. Die Leiste informiert tiber Gefahren, die bei der Durchfi~hrung des Versuches auftreten k6nnen bzw. von eingesetzten oder entstehenden Substanzen ausgehen, gibt Hinweise auf Sicherheitsmaf~nahmen und benennt fiir alle Chemikal ien die geeignete Entsorgungsmaf~- nahme. Damit ist gewfihrleistet, dat~ Lehrer und Schiiler jederzeit iiber die besonderen Gef~hrdungen informiert sind, die beim Umgang mit bestimmten Chemikalien ge- geben sind, gleichzeitig aber die Maf~nahmen kennen, die ergriffen werden mi~ssen, um solche Gef~ihrdungen fi~r Mensch und Umwelt zu minimieren. Ein Beispiel fiir eine Versuchsvorschrift ist in Abbildung 3 gegeben.

Abb. 2: Kopfleiste der Versuchsvorschriften

Erl~iuterungen der Symbole

Nach dem Feld mit dem Hinweis, ob Schfilerversuche m6glich sind (Sch) oder nicht (~ti), erfolgen in den niichsten drei Feldern Hinweise auf die Gefahrensymbole der im Versuch verwendeten Chemikalien. Die niichsten drei Felder geben Auskunft fiber die erforderlichen Schutzmaflnahmen. Die letzten drei Felder geben Hinweise auf die sachgerechte Beseitigung der anfallenden Abfallstoffe. In allen F~illen, in denen das Symbol fi~r Abfluf~ bzw. Abfalleimer gew~ihlt wurde, kSnnen die verwendeten Stoffe in den im Versuch angegebenen Men- gen unbedenklich in den Ausgut~ bzw. in den Abfall gegeben werden.

In allen anderen Fallen kann auf eine ganz kleine Anzahl yon einfa- chen Aufarbeitungs- oder Beseitigungsverfahren zurfickgegriffen wer- den, die mit

Q, ~ , @ , Q u n d Q

gekennzeichnet sind. Das Symbol ( ~ weist darauf hin, dat~ die im Versuche verwendeten Stoffe ohne besondere Aufarbeitungsmaflnah- men erneut ffir den gleichen Versuch eingesetzt werden k6nnen.

~ Neutralisation Sfiuren und Laugen reagieren miteinander unter Bildung yon Salzen und Wasser. Die in dieser Versuchezusammenstellung verwendeten S~iuren und Laugen enthalten Kationen und Anionen, die sich zu Sal- zen vereinigen, deren gew~isserbelastende Wirkung als gering bzw. nicht vorhanden einzusch~itzen ist. Daher kann mit sauren und alkali- schen L6sungen wie folgt verfahren werden:

1. Die bei den Versuchen anfallenden sauren und alkalischen L6sun- gen gibt man zusammen in einen 10 i-PE-Behfilter, in dem sich sich gegenseitig weitgehend neutralisieren.

2. Der Beh~ilter wird grunds~itzlich nur bis zur 7 l-Marke geffillt. 3. Ist diese Marke erreicht, wird der pH-Wert bestimmt und Salzs~iure

bzw. Natronlauge bis zum Neutralpunkt zugegeben. 4. Die neutralisierte L6sung kann dann ins Abwasser gegeben wer-

den.

( • Entsorgung von Kohlenwasserstoff-Abf~illen Kohlenwasserstoffe fallen in den beschriebenen Versuchen in jeweils sehr geringen Mengen an und werden sofort nach Beendigung der Versuche nach drei Verfahren sachgerecht beseitigt:

a) Liegen rein organische Gemische vor, z.B. Hexan und Butanol, so besteht die ad~iquate Beseitigungsmaf~nahme darin, diese Mischung im Abzug zu verbrennen. Dazu gibt man die Mischung in eine Porzellanschale und entzfindet sie mit dem Brenner.

b) Sind die organischen Fliissigkeiten mit Wasser vermischt, bilden je- doch zwei Phasen, wird die w~issrige Phase abgetrennt und in den Ausgut~ gegeben, die organische Phase wie in a) beschrieben ver- brannt.

c) Sind die organischen Flfissigkeiten mit Wasser vermischt, bilden je- doch nut eine Phase, so l~it~t man die Mischung im Abzug verdun- sten.

Hinweis: Das Verbrennen von Kohlenwasserstoffen in Abzug, die ffei yon Halogenen sind, ist als genauso unbedenklich anzusehen wie das Verbrennen einer Kerze!

@ Entsorgung von Halogenkohlenwasserstoff-AbfiiUen

Da in unserer Zusammenstellung yon Versuchen nur Halogenkohlen- wasserstoffe in geringen Mengen bei der radikalischen Reaktion yon Brom und Heptan entstehen, k6nnen diese geringen Mengen an Bromkohlenwasserstoffen dirkt nach Beendigung des Versuches in einfacher Weise wieder zerst6rt werden.

Umsetzung mit Natrium 1. Dem Kohlenwasserstoffgemisch setzt man in einem K61bchen

kleine Sttickchen Natrium zu, und 1Zgt unter gelegentlichem Schiit- teln etwa 2 Tage stehen.

2. Die Natrium-Reste werden durch Zugabe von Ethanol zerst6rt. 3. Man setzt etwa 20 ml Wasser zu, schfittet die L6sung krS.ftig und

trennt die Phasen. 4. Die w~issrige Phase kann in den Abflut~ gegeben werden, die orga-

nische Phase wird im Abzug verbrannt.

UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 7 (4) 1995 213

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~~. Heptan und Brom

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Versuch 5: R e a k t i o n yon H e p t a n mit Brom

Materialien: Becherglas mit Abdeckung (z.B. Petrischale), 2 kleine Bechergl/iser, Kol- benprober, Overhead-Projektor, Heptan, Brom, l.ackmus-L6sung, Sibernitrat-L6- sung.

Durchfiihrung: 1. Geben Sie im Abzug in ein Becherglas ca. 1 cm hoch tteptan. 2. Tropfen Sie unter Umschwenken so lange fliissiges Brom dazu, bis eine dunkel-

braune L6sung entsteht. 3. Decken Sie das Becherglas mit einer Petrischale ab. 4. Nehmen Sie das abgedeckte Becherglas aus dem Abzug und stellen es auf den

Overhead-Projektor. 5. Schalten Sic den Overhead-Projektor an und belichtern Sie die L6sung. 6. Nach der Entf/irbung stellen Sie das Becherglas in den Abzug zur~ick. 7. Saugen Sie mit einem trockenen Kolbenprober das (}as oberhalb des bromier-

ten Heptans ab. Arbeiten Sie dann auf dem Experimentiertisch welter. 8. Geben Sie in eines der kleinen Bechergl~iser Silbernitrat-L6sung und in das an-

dere Lackmus-L6sung. 9. Leiten Sie langsam eine Hfilfte des Gases in die Silbernitrat-L6sung ein.

10. Saugen Sic Lackmus-L6sung in den Kolbenprober und schiitteln Sie.

Auswertung: 1. Die L6sung ist auf dem Overhead-Projektor innerhalb weniger Minuten entf~irbt. 2. Brom reagiert mit Heptan unter Freisetzung von Bromwasserstoff.

Durch Lichteinwirkung wird eine Spaltung von Brommolek~ilen ausgel6st: Br 2 hv ) 2 Br Die Bromradikale reagieren mit dem Alkan unter Substitution eines Wasserstoff- atoms. 2 Br + C7H16 ) C7HIsBr +HBr

3. Mit Silbernitrat-L6sung erhfilt man eine hellgelbe F/illung yon Silberbromid. 4. Die Rotfiirbung der Lackmus-L6sung zeigt Bromwasserstoff an.

Abb. 3: Reaktion yon Heptan mit Brom [4]

3 Diskussion

Die beschriebene Unterrichtskonzeption wird seit einem Jahr in der Sekundarstufe I erprobt. Nach ersten Riickmel- dungen ist sie praktikabel und wird von Lehrern und Schiilern angenommen. Die Erfahrung, dag der bewutgte Umgang mit Chemikalien die Akzeptanz der Chemie f6r- deft und das Interesse am Unterricht verst~irkt, konnte in einer empirischen Untersuchung, welche die Erprobung be- gleitet, bestfitigt werden.

Die neue Unterrichtskonzeption lfif~t sich auch auf die Gymnasiale Oberstufe iibertragen: Auf Gebieten wie Farb- stoff- oder Komplexchemie kann die Produktion von Son- derabf/illen v611ig vermieden werden [5, 6]. Wenn Sonder- abf~ille entstehen, k6nnen sie mit bew/ihrten, einfachen Verfahren schulintern aufgearbeitet werden.

Vor dem Hintergrund, datg Lehrer meist entsprechend ihren eigenen Erfahrungen unterrichten, wurden die Grundele- mente der beschriebenen Unterrichtskonzeption fiir die Einfiihrungspraktika der Chemielehrerausbildung in der Hochschule iibernommen, was (in 0bereinstimmung mit anderen Autoren, vgl. [7]) durchweg positive Resonanz

fand. Dieses Vorgehen f6rderte nicht ,,diffuse _A.ngste vor der Chemie" oder ,,Hyperreaktionen", sondern eine bewuf~te, positive Einstellung zur Naturwissenschaft Che- mie.

4 Literatur

[1] LUCAS, A.M.: Science and Environmental Education: Pious Hopes, Self Praise and Disciplinary Chauvinism. Studies in Science Educa- tion 7 (1980) 1-26

[2] DEMtrnl, R.: Fiinf Regeln fiir eine effektive Umweltbildung und -erziehung. ECOINFORMA 3 (1993) 5-11

[3] DEMUTH, R.: Chemie und Umweltbelastung - Lehrerhandbuch. Diesterweg, Frankfurt (1993)

[4] ASSELBORN, W.; DEMtrH i, R.: Chemieunterricht ohne Entsorgungs- probleme. 8chroedel, Hannover (1992)

[5] DEMb-nl, R.: Experimentelle Schulchemie ohne Entsorgungspro- bleme - die Behandlung der Komplexverbindungen. Praxis (Che- mie) 42 (4) (1993) 37

[6] DEMUTH, R.; SCIIENZER, M.: Experimentelle Schulchemie ohne Entsorgungsprobleme - die Behandlung der Farbstoffe. Praxis (Chemie), im Druck

[7] FISCHER, H.: Ausbildungsintegrierter Umweltschutz durch Chemie - Wege zur Sonderabfallreduktion in einem Chemieanf/ingerprak- tikum. Chiuz 25 (1991) 249

214 UWSF- Z. Umweltchem. Okotox. 7 (4) 1995