Wenn Wasser gefriert

Autoren:
Publikation:	1.1.1999
Lernstufe:	3
Übersicht:	"Wie verwandelt sich Wasser in Eis?" Mit Hilfe einer Kältemischung unter­suchen die Schüler die Temperatur und die Zeit, die notwendig sind, damit das Wasser gefriert (erstarrt). Anschließend stellen sie ihre Ergebnisse in einer Kurve dar.
Ziele:	Folgendes verstanden und behalten haben: Materie bleibt erhalten, auch wenn ein Stoff – in diesem Fall Wasser – seinen Zustand wechselt. Wissen, dass die Erstarrungs- oder Schmelztemperatur des Wassers 0 °C beträgt. Erkennen, dass ein Zustand sich nur allmählich verändert.
Angestrebte Kenntnisse:	Die Zustände ((flüssig, gasförmig, fest) und die Zustandsänderungen des Wassers
Dauer:	2 oder 3 Unterrichtsstunden
Material:	Pro Vierergruppe: 1 Thermometer 1 Glas oder 1 durchsichtiger Plastikbecher 1 Schüssel, in die ein kleines Gefäß gestellt werden kann Für die Klasse: Eine Kältemischung bestehend aus: ca. 500 g Eis, das – in einem Geschirrtuch eingewickelt – mit einem Hammer zerstoßen wurde (Schnee ist ebenfalls sehr gut geeignet) 2-3 Handvoll Salz (Eis und Salz gut mischen)
Herkunft:	La main à la pâte, Paris
Bewertung:	(noch keine Bewertung)

Wissenschaftliche Begriffe

Während der Zustandsänderungen ist ein Teil des Wassers im flüssigen und ein Teil des Wassers im festen Zustand. Die Zustandsänderung beim Gefrieren oder Schmelzen von Wasser geschieht bei einer konstanten Temperatur von 0 °C.

Wissenschaftlicher Wortschatz

• konstante Temperatur
• Kältemischung: das Wort wird nur nebenbei erwähnt, allerdings können es sich die Schüler im Allgemeinen sehr gut merken, da es für ein "außerge­wöhnliches" Phänomen verantwortlich ist (siehe weiter unten).

Angestrebte Fähigkeiten

• Ein Thermometer korrekt ablesen können.
• Eine Zeit-Temperatur-Kurve zeichnen können.

Übersicht über die Unterrichtsstunden

Ablauf	Dauer	Beschreibung
1. Bei welcher Tempera­tur schmilzt Eis?	15 Minuten	Jeder Schüler notiert seine Vorhersage. Eis ist gefrorenes Wasser, es wird bei ... Grad fest. Zusammenlegen und Besprechen der Ergebnisse. Um die Frage endgültig zu beantworten, wird ein Versuch durchge­führt.
2. Wie kann man die Umwandlung von flüs­sigem Wasser zu Eis beobachten?	30 Minuten	Wenn man Wasser in den Gefrierschrank stellt, kann man die Umwandlung nicht beobachten. Daher schlägt der Lehrer vor, eine Kältemischung zu verwenden. Jede Gruppe führt den Versuch mit der Kältemischung durch. Die abgelesenen Messwerte werden ins Versuchsheft notiert.
3. Zeichnen der Kurve und Protokoll	15 Minuten	Jeder Schülern zeichnet ausgehend von den Messdaten die Temperatur-Zeit-Kurve in sein Versuchsheft.

1. Bei welcher Temperatur schmilzt Eis?

Ausgangssituation

Eine Schulklasse hat im Winter bei einem Ausflug Eiszapfen, Schneeflocken, zugefrorene Pfützen, Flüsse und Seen usw. gesehen. Die Begriffe Eis, Schnee und flüssiges Wasser kommen zur Sprache. Die Schüler der 4. bis 6. Klasse wissen zwar im Allgemeinen, dass "Eis gefrorenes Wasser ist", stellen sich aber die Frage: "Bei welcher Temperatur verwandelt sich Wasser in Eis?"

Abb. 1: Eisschollen auf der Spree in Berlin

Formulierung der Vorhersagen

Jeder Schüler schreibt seine Vorhersage in sein Versuchsheft: "Das Eis ist gefrorenes Wasser, es wird bei ... Grad fest."

Zusammenlegen und Besprechen der Ergebnisse

• Die Schüler verkünden ihre Vorhersagen.
• Es wird diskutiert und argumentiert.
• Um zu wissen, wer Recht hat, gibt es nur eine Lösung: Man muss einen Versuch durchführen.

2. Wie kann man die Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis beobachten?

Sofortiger Vorschlag der Kinder

Man muss das Wasser in den Gefrierschrank stellen; aber dabei gibt es ein Pro­blem: "Man sieht nichts". Sollte niemand das Problem erkennen, kann man die Kinder diesen Versuch dennoch durchführen lassen. Irgendwann werden sie realisieren, dass sie ihn anders durchführen sollten.

Verwendung einer Kältemischung.

• Die Kältemischung in eine Schüssel geben.
• Etwas Wasser in einen kleinen Becher geben.
• Diesen in die Schüssel stellen.
• Die Kältemischung ist keine "Zauberei", sie "funktioniert" nach dem glei­chen Prinzip wie ein Gefrierschrank.

Anmerkungen

Wie kann man die Umwandlung von Wasser in Eis beobachten?

• Zunächst einmal muss sie sichtbar sein.
• Außerdem braucht man, um die Temperaturänderungen zu messen, ein Messinstrument: ein Thermometer.

Versuchsdurchführung

• Jede Gruppe holt sich ihr Material.
• Die Schüler führen den Versuch durch.
• Jeder Schüler notiert die Versuchsanordnung in sein Versuchsheft.

Aufgabenverteilung

• Ein Schüler gibt alle zwei Minuten das Kommando, während ein anderer die Temperatur am Thermometer abliest.
• All das wird von den beiden anderen Schülern der Gruppe notiert.
• Derjenige, der die Temperatur am Thermometer abliest, sagt auch den Zeit­punkt an, bei dem das Wasser anfängt fest zu werden, und denje­nigen, bei dem es vollständig gefroren ist.
• Die ermittelten Werte werden ins Versuchsheft notiert.

3. Zeichnen der Kurve und Protokoll

Ablauf

• Jeder Schüler zeichnet ausgehend von den Messdaten die Temperatur-Zeit-Kurve in sein Versuchsheft.
• Anschließend kommt man auf die Vorhersagen der Schüler zurück.

Anmerkungen

• Je nach Niveau der Klasse oder der verschiedenen Gruppen kann es rat­sam sein, den Schülern die Struktur der auszufüllenden Tabelle und/oder das Koordinatensystem vorzugeben, damit sie die Kurve leichter zeichnen können.
• Zum Schluss wird eine kleine Debatte organisiert, um gemeinsam zu erör­tern, was aus diesem Versuch gelernt werden konnte.

Ergänzungen

• "Kennt ihr andere Zustände des Wassers?"
• Es taucht der Begriff Dampf auf. Es können dann Versuche zur Verdamp­fung von Wasser gemacht werden.

Kommentar des Lehrers

Durchführung des Versuchs

• Man sollte die Untersuchungen zum Gefrieren von Wasser im Winter durch­führen.
• Man sollte kein zu großes Thermometer benutzen, auch keins, bei dem der Glaskolben mit der Thermometerflüssigkeit zu hoch liegt, da ansonsten der Wasserstand höher sein muss. Das wiederum bedeutet, dass man mehr von der Kältemischung braucht und dass es länger dauert, bis das Wasser gefriert. Das gleiche Problem stellt sich, wenn man zu große Gefäße benutzt.
• Es handelt sich um eine relativ einfache Unterrichtsstunde, die leicht durch­zuführen ist, sofern man das geeignete Material benutzt. Ist dies nicht der Fall – und das habe ich bei einem ersten Versuch erfahren dürfen – kann sich das Ganze schnell in einen Alptraum verwandeln (endlose Zeit bis zum Gefrieren usw.).

Pädagogische Probleme

Es kann passieren, dass das eigentliche Ziel dieses Versuchs, die Untersu­chung von gefrierendem Wasser, durch den "faszinierenden" Aspekt der Käl­temischung in den Hintergrund tritt.

Die Auswertung der Versuchshefte zeigt Folgendes:

• Dass Wasser bei 0°C gefriert, scheinen 23 von 24 Drittklässlern verstan­den zu haben.
• Dass die Zustandsänderung bei konstanter Temperatur erfolgt, haben nur 5 von 24 Schüler begriffen. Für die anderen nimmt die Temperatur ab. Die Phase der Zustandsänderung wird bei vielen mit der Gesamtdauer des Versuchs gleichgesetzt.
• Die Verwendung der Kältemischung hat eine gewisse Neugier und viel Spaß am Experimentieren entfacht.
• Außerdem werden methodische Kompetenzen wie das Lesen von Tabellen mit zwei Spalten oder die Verwendung eines Thermometers entwickelt.

Interdisziplinarität

Auch wenn diese Aktivität alles andere als außergewöhnlich ist, kann sie eine interessante Grundlage für den Deutschunterricht darstellen, insbesondere wenn die durchgeführten Versuche an Dritte vermittelt werden (Beispiel: Rubrik "Naturwissenschaftliches" in der Schulzeitung, Ausstellungen usw.).

Die Qualität der von den Schülern verfassten Protokolle lässt oft zu wünschen übrig – eine wunderbare Gelegenheit, um das Verfassen dieser Art von Texten zu üben.

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