Flüssiger Sauerstoff mit einfachen Mitteln

Ein lehrerfreundliches Freihandexperiment mit flüssigem Stickstoff

Viktor Obendrauf

Hands-On-Experimente im Aufwind

"Die Versuche müssen also einfach sein, frei von allem Beiwerk und das, worauf es ankommt, bestimmt und deutlich erkennen lassen.

Je leichter sie anzustellen sind, je weniger die dabei nötige Vorrichtung die Aufmerksamkeit des Schülers erregt, je mehr jedoch die hervorgerufene Erscheinung den jugendlichen Geist fesselt, desto besser."

Konrad Kraus, Experimentierkunde, Verlag A.Pichlers Witew&Sohn, Wien 1906

Schwerpunkte in der Physik

Die Vorteile des Experimentierens mit einfachen Mitteln sind seit langem bekannt. Vor allem im Physikunterricht haben sogenannte "Freihandversuche" eine lange Tradtition. Bereits seit dem 19. Jahrhundert werden als (physikalische) Freihandversuche unterrichtliche Experimente definiert, die mit Gegenständen des täglichen Gebrauchs, oder mit Vorrichtungen, die leicht selbst herstellbar sind, durchgeführt werden können.

Charakteristisch für viele (physikalische) Freihand-Versuche ist neben dem "Low-Cost"-Aspekt und dem improvisatorischen Element weiters, daß die die eigentliche Durchführung des Experimentes meist nur wenig Zeit in Anspruch nimmt.

Aussagekräftige Freihand-Experimente werden in der Physik gerade von erfahrenen Praktikern sehr geschätzt, weil die Gerätschaften oft direkt aus der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler stammen und die Versuche ohne apparativen Ballast durch eine methodisch-didaktische Reduktion auf das Wesentliche sehr einprägsam gestaltet werden können.

Gerade diese Art des Experimentierens bildet in der physikalischen Ausbildung einen willkommenen Kontrast zu jenen quantifizierenden Experimenten, bei denen nicht selten nur die teuren Meßgeräte selbst und nicht die naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten den nachhaltigsten Eindruck hinterlassen.

In der physikalisch-fachdidaktischen Literatur gibt es eine Fülle von Beispielen, wie physikalische Gesetzmäßigkeiten mit Freihand-Versuchen verdeutlicht werden können, wobei die "Hands-on-Experimente" in den englischsprachigen Ländern einen ganz besonderen Stellenwert haben. In den USA wurden beispielsweise in der jüngsten repräsentativen NAEP-Studie zur Einschätzung des naturwissenschaftlichen Sachverstandes der Studenten unter anderem auch einfache "Hands-on-Experimente" eingesetzt.

Potentiale für die Chemie

Ganz im Gegensatz zur Physik hat sich in der chemischen Ausbildung und in der klassischen fachdidaktischen Literatur der Begriff "Freihand-Experiment" bis heute überhaupt nicht durchgesetzt, obwohl das chemische Experimentieren mit einfachen Mitteln als Anregung zur naturwissenschaftlichen Selbsttätigkeit auch außerhalb des schulischen Lernens prinzipiell nicht neu ist.

In den bekanntesten deutschsprachigen Büchern zur Chemiedidaktik werden die Experimente nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten charakterisiert. Wenn es nach dem Material- und Gerätebedarf geht, wird nach Makro-, Halbmikro- und Mikromethoden unterschieden. Der Begriff des "Freihandexperimentes" wird aber ausgespart.

Allerdings gibt es seit einigen Jahren vermehrt Ansätze, auch chemische Sachverhalte mit Mitteln des Alltags zu illustrieren. Durch die gezielte Verwendung von leicht zugänglichen "household chemicals" in den Versuchsbeschreibungen sollen vor allem jüngere SchülerInnen zur Selbsttätigkeit motiviert werden. Gleichzeitig läßt sich der sachgerechte Umgang mit Haushaltschemikalien vermitteln.

Gerade das Experimentieren mit Gebrauchschemikalien aus der Erfahrungswelt der Lernenden würde der Forderung nach Lebensnähe sehr entgegenkommen. Die Praxisbezüge wären authentischer, als mit einer bloßen "Chemie der Chemikalien", deren akademische Bedeutung besonders im schulischen Bereich heute eher nachrangig erscheint.

Tatsächlich steht heute eine beträchtliche Anzahl von "Reagenzien" und Gerätschaften z.B. aus Apotheke, Drogerie, Supermarkt, Baumarkt etc. zur Verfügung, die als "Substanzen und Materialien des täglichen Gebrauchs" die zitierte Definition eines Freihandexperimentes erfüllen. Seit Jahren versucht der Autor dieses Beitrags, diese neuen Möglichkeiten einer "alltagsbezogenen Chemie" zu sondieren und aufzuzeigen.

Fachspezifische Grenzen

Der Verwendung von "Gegenständen des täglichen Gebrauchs" im Sinne eines Freihandexperimentes zur Durchführung chemischer Reaktionen sind vor allem aus Gründen der Sicherheit Grenzen gesetzt. Klassische chemische Experimente laufen sehr oft in flüssiger Phase oder in der Gasphase ab. Gemäß der zitierten Definition für Freihandexperimente können jedoch für derartige Reaktionen "leicht beschaffbare und auch kostengünstige" Gefäße nur bedingt aus der Alltagswelt der Lernenden stammen. Chemikalien haben nun einmal z. B. in Behältnissen für Lebensmittel nichts zu suchen.

Außerdem haben die Chemie-LehrerInnen im Zuge ihrer Ausbildung konkrete Vorstellungen davon entwickelt, wie die Versuchsaufbauten für bestimmte chemische Experimente auszusehen haben. Diese Vorstellungen sind vor allem geprägt von jenen traditionellen Laborgeräten, die sich im Zuge der chemiespezifischen Ausbildung der Lehrer in den verschiedenen Praktika bewährt haben. Selbstverständlich lassen sich viele dieser Geräte auch in einem Schullabor sinnvoll verwenden.

Standard-Laborgeräte bleiben nicht der schulischen Verwendung vorbehalten und sind deshalb als Massenware auch kostengünstiger, als eigens für die chemische Ausbildung angefertigte Unterrichtsmittel. Für die Lernenden sind Standard-Laborgeräte normalerweise keine Gegenstände des täglichen Bedarfs. Ihr Einsatz kann somit nur als Teil des (schulischen) Lernens von chemischen Sachverhalten verstanden werden. Die SchülerInnen lernen jedoch dabei zumindest in Ansätzen authentische Situationen aus der Arbeitswelt der der Chemieberufe kennen. Gerätschaften, die ausschließlich für den schulischen Gebrauch hergestellt wurden, stellen für die Lernenden ebenfalls keine Gegenstände des täglichen Bedarfs dar.

Diese L e h r-Mittel vermitteln bestenfalls einen Eindruck von der Arbeitswelt eines Chemielehrers und sollten eigentlich nur (Hilfs-)Mittel zum Zweck des anschaulichen Erwerbs chemischer Sachverhalte sein. Nicht selten bereitet jedoch allein das Kennen-l e r n e n und die sachlich fundierte Zuordnung der Funktion dieser Geräte auch bei relativ einfachen Versuchen beträchtliche Schwierigkeiten.

Komplexere Versuchsaufbauten müssen beispielsweise unter anderem nach bestimmten Gesetzen der Wahrnehmung gestaltet sein, damit die Geräte nicht allzu sehr vom eigentlichen chemischen Geschehen ablenken. Bei Experimenten, die der klassischen Definition eines Freihandexperimentes sehr nahe kommen, besteht diese Gefahr primär nicht.

Beispielhaft für die Bemühungen des Autors dieses Beitrags, wie man klassische Experimente in Zukunft (bei Bedarf oder Notwendigkeit) auch einfacher, kostengünstiger, umweltfreundlicher, rascher, einprägsamer, mit einem Wort "lehrerfreundlicher" gestalten kann, sei die Kondensation von flüssigem Sauerstoff mit Hilfe von flüssigem Stickstoff und Mitteln des Alltags beschrieben.

Eine apparativ verhältnismäßig aufwendige Möglichkeit, flüssigen (und hellblau erscheinenden) Sauerstoff mittels selbstgebastelter Kupferrohr-Kühlfalle durch Kondensation des Gases aus der Stahlflasche in präparativen Mengen zu gewinnen, ist in "Chemical Demonstrations" von B. Shakhashiri (Wisconsin Press) nachzulesen. Der Autor dieses Beitrags hat einige spektakuläre Möglichkeiten, mit diesem flüssigem Sauerstoff zu experimentieren, in dieser Zeitschrift vor etlichen Jahren bereits skizziert (Das blau-rote Element, Chemie und Schule Nr. 1/92).

Wie das Titelbild dieser Zeitschrift zeigt, läßt sich die Kondensation von Sauerstoff auch einfacher gestalten.

Versuchsdurchführung:

Material: Flüssiger Stickstoff, Haushaltstypische Stahlschüssel (z. B. für das Garen von Speisen im Wasserbad in der Küche, möglichst dünnwandig, möglichst groß, flacher Boden), Zigarette, Schutzbrille, Wärmeschutzhandschuh.

Man füllt in die flache Stahlschüssel flüssigen Stickstoff (Siedetemp. -196°C) und wartet, bis der Stickstoff nur mehr schwach siedet. Nun hebt man die Schüssel hoch und hält sie leicht schräg. Dabei ist selbstverständlich zu beachten, daß man weder mit tiefgekühlten Bereichen der Schüssel noch mit flüssigem Stickstoff in Kontakt kommt. An der Unterseite kondensiert Luftsauerstoff (Siedetemp. -183°C), sodaß immer wieder Frischluft an den flachen Schüsselboden herantreten kann.

Der flüssige Sauerstoff benetzt das Gefäß von außen und sammelt sich in Tropfenform an der tiefsten Stelle der Schüssel. Er tropft nach kurzer Zeit auch ab. Größere Mengen an flüssigem Sauerstoff sind auf diese Weise aber nicht leicht gewinnbar. Die Tropfen können jedoch in einem Becherglas, das in flüssigem Stickstoff ständig gekühlt ist, gesammelt werden. Die hellblaue Farbe von flüssigem Stickstoff wird jedoch nur sichtbar, wenn man den Sauerstoff in klassischer Weise (siehe Chemie u. Schule Nr. 1/92) kondensiert.

Daß die abtropfende Flüssigkeit aus fast reinem Sauerstoff besteht, läßt sich rasch und ganz im Sinne eines Freihandexperimentes zeigen. Hält man eine glimmende Zigarette an einen hängenden Tropfen, so brennt die Zigarette mit heller Flamme auf. Nach Meinung des Autors dieses Beitrags scheint diese Vorgangsweise die beste Methode überhaupt zu sein, Zigaretten generell einer geordneten Verbrennung zuzuführen.

zurück zur Chemie und Schule, zurück zur Leitseite