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Homepage > Aktivitäten > Meteorologie > Klima > Das Klima, mein Planet und ich! > 3: Was sind die Ursachen des Klimawandels? > Treibhausgas CO2

Unterrichtsstunde 6: Wie kann man zeigen, dass CO2 ein Treibhausgas ist?

Autor/inn/en:
Publikation: 15.12.2008
Lernstufe: 3
Ziele:
  • Zeigen, dass Kohlendioxid ein Treibhausgas ist.
Angestrebte Kenntnisse:
  • Praktischer Umgang mit dem selbständigen Erkunden: etwas hinterfragen, beobachten, eine mögliche Erklärung formulieren und diese überprüfen können.
  • Daten (Zahlen) ordnen und darstellen können.
  • Diagramme lesen, erklären und zeichnen können.
Dauer: 1 Stunde + 15 Minuten Vorbereitung am Vorabend
Material: Für die ganze Klasse:
Variante 1:
  • zwei Literflaschen Coca-Cola (oder ein anderes dunkles, kohlensäurehaltiges Getränk)
  • zwei leere Zwei-Liter-Plastikflaschen
  • zwei identische und genaue Thermometer, die anfangs die gleiche Temperatur anzeigen
  • eine Bürolampe (mit einer relativ starken Glühlampe: 100 oder 150 W)
Variante 2:
  • zwei Halbliterflaschen Coca-Cola (oder ein anderes dunkles, kohlensäurehaltiges Getränk)
  • zwei Flaschen aus Weißglas (Inhalt 0,75 l) mit einem dichten Korken, den man jedoch leicht wieder in die Flasche stecken kann (Korken von Sherryflaschen zum Beispiel)
  • zwei identische Thermometer (Wein- oder Fleischthermometer), die die gleiche Anfangstemperatur anzeigen
  • eine Bürolampe (mit einer relativ starken Glühlampe: 100 oder 150 W)
Herkunft: La main à la pâte, Paris

Vorab eine Anmerkung von Sonnentaler

Im Folgenden soll gezeigt werden, dass CO2 ein Treibhausgas ist. Dazu vergleicht man den Temperaturverlauf in zwei Flaschen, die beide (zu ca. einem Drittel) mit Coca-Cola oder einem anderen dunklen kohlensäurehaltigen Getränk gefüllt sind. In der einen Flasche befindet sich noch Kohlensäure (= CO2), weil sie kurz vor dem Experiment geöffnet wurde. Die andere Flasche dagegen wurde bereits am Vortag geöffnet, um die Kohlensäure ent­weichen zu lassen. Beide Flaschen werden mit einer starken Lampe beschienen und das Ergebnis ist, bzw. sollte sein, dass in der Flasche mit dem frischen kohlensäurehaltigen Getränk (in der sich über der Flüssigkeit also CO2 befindet) die Temperatur schneller ansteigt als in der anderen (siehe Abb. 3).

Der (didaktische) Vorteil dieses Experiments ist sein einfach zu durchschauender Modell­charakter: Das dunkle Getränk entspricht dem dunklen Erdboden, die Lampe stellt die Sonne dar, und die Flasche plus die über dem Getränk befindliche Luft (bzw. die mit CO2 angereicherte Luft) unsere Atmosphäre.

Leider tauchen bei diesem Experiment oft Schwierigkeiten auf, die dazu führen, dass es nicht "funktioniert".

Die Schwierigkeit rührt im Wesentlichen daher, dass die Flüssigkeit in den Flaschen an den Gefäßwänden kondensiert, sobald man die Lampe einschaltet. Dadurch wird das von der Lampe kommende Licht zum Teil "abgeschirmt". Oftmals ist die Verteilung der kleinen Tröpfchen an den Gefäßwänden nicht in beiden Gefäßen gleich, so dass nicht sicherge­stellt ist, dass in beide Gefäße gleiche Wärmemengen gelangen. Dies kann leicht zu falschen Messergebnissen führen.

Dieses Problem kann man mit einer "trockenen" Variante des CO2-Experiments umgehen, bei der sich in den von der Lampe beschienenen Gefäßen keine Flüssigkeit befindet. Der Modellcharakter ist dann zwar nicht mehr ganz so evident, aber das ohnehin schon sehr "empfindliche" Experiment ist leichter durchzuführen.

Im Folgenden geht es weiter mit dem Coca-Cola-Experiment, die "trockene" Variante wird in der Unterrichtsstunde 6a beschrieben.

Pädagogische Anmerkung

Das Experiment in dieser Unterrichtsstunde ist etwas "empfindlich" und kann leicht daneben gehen, wenn das Experimentierprotokoll nicht strikt eingehalten wird. Es wird empfohlen, dass die/der Lehrende es ein paar Tage vorher einmal für sich selbst durchführt.

Am Vortag – Vorbereitung des Experiments![1]

Variante 1

Die/der Lehrende hat folgenden experimentellen Aufbau vorbereitet:

Die/der Lehrende und die Klasse kommen auf die Schlussfolgerungen der vorhergegangenen Unterrichtsstunden zurück. Diese Wiederholung wird selbstverständlich etwas unterschiedlich ausfallen, je nachdem, ob die fakultativen Unterrichtsstunden (Untersuchung und Bau eines Treibhauses) durchgeführt wurden oder nicht.

"In der Atmosphäre gibt es ein Gas, das genauso wirkt wie das Fenster von unserem Treibhaus. Das Gas heißt "Kohlendioxid". Morgen werden wir es mit Hilfe eines Experiments erkunden. Darum habe ich diese Flaschen mitgebracht. Wisst ihr, was da drin ist?"

Die Kinder erkennen natürlich das kohlensäurehaltige Getränk und die/der Lehrende fragt weiter: "Was ist das Besondere an diesem Getränk?" Die Diskussion konzentriert sich darauf, dass es sich um ein "sprudeliges" Getränk handelt, dass es Gasblasen entwickelt, die aus der Flüssigkeit entweichen. Und dieses Gas (bestätigt der/die Lehrer/in) ist Kohlendioxid.

"Für das morgige Experiment brauche ich zwei Flaschen mit dem gleichen Getränk, eine mit Gas, die andere ohne. Wie machen wir das?" Falls die Schüler/innen nicht von selbst auf die Antwort kommen, kann man etwa diesen Hinweis geben: "Was hört ihr, wenn ihr eine Cola-Flasche aufmacht? Was stellt ihr fest? Was geschieht, wenn man die Flasche über Nacht offen stehen lässt oder durch Umgießen die Kohlensäure entweichen lässt?" Antwort: "Die Blasen verschwinden" (also ist kein Gas mehr drin).

Gesagt, getan. Die/der Lehrende öffnet eine der beiden Flaschen und gießt den Inhalt in eine der beiden Zwei-Liter-Flaschen (aber nur bis zum Strich), damit das Gas über Nacht entweichen kann. Sie/er kann den Vorgang beschleunigen, indem sie/er die Flüssigkeit umrührt oder ein wenig Salz oder Zucker hinzugibt. Die andere Flasche bleibt verschlossen. Alle Flaschen werden auf Raumtemperatur gehalten.

Variante 2

Die/der Lehrende hat den folgenden experimentellen Aufbau vorbereitet.

"In der Atmosphäre gibt es ein Gas, das genauso wirkt wie das Fenster unseres Treibhauses. Das ist das Kohlendioxid. Morgen werden wir dieser Analogie mit Hilfe eines Experiments weiter auf den Grund gehen. Dafür habe ich zwei Flaschen mitgebracht. Was ist in diesen Flaschen drin?" Die Kinder erkennen natürlich das dunkle Getränk und die/der Lehrende fragt: "Was ist an diesem Getränk besonders?" Die Diskussion geht dahin, dass es sich um ein Getränk handelt, in dem sich ein Gas befindet – es entweichen Blasen aus der Flüssigkeit – und dieses Gas ist Kohlendioxid (Erklärung der/des Lehrenden).

"Morgen möchte ich für das Experiment zwei mit Coca-Cola gefüllte Flaschen haben, eine mit Gas und eine ohne Gas in der Flüssigkeit. Wie könnte ich das anstellen?" Wenn die Schüler/innen nicht auf die Antwort kommen, kann man sie folgendermaßen in die richtige Richtung lenken: "Was hört ihr, wenn ihr eine Coca-Cola-Flasche öffnet? Was stellt ihr fest? Was passiert, wenn man die Flasche die ganze Nacht lang offen lässt oder wenn man sie schüttelt und dann öffnet?" Antwort: "Dann sind keine Blasen mehr drin" (also kein Gas mehr). Nachdem dies feststeht, öffnet die/der Lehrende eine der beiden Coca-Cola-Flaschen und gießt den Inhalt in eine der beiden Glasflaschen. Die Flasche bleibt offen, so dass das Kohlendioxid über Nacht aus dem Getränk entweichen kann. Durch Umrühren mit einem Löffel kann man den Prozess noch etwas beschleunigen. Die andere Coca-Cola-Flasche bleibt geschlossen. Alle Flaschen bleiben im Raum – haben also alle Raumtemperatur.

Am nächsten Tag – das Experiment

Variante 1

Die/der Lehrende vervollständigt den experimentellen Aufbau, indem sie/er das nicht entgaste Getränk bis zum Strich in die andere Zwei-Liter-Flasche füllt. Man sollte die Flasche neigen und die Flüssigkeit vorsichtig an der Wand entlang fließen lassen, damit sie möglichst wenig Gas "verliert". Die beiden Zwei-Liter-Flaschen, die eine mit entgastem, die andere mit dem frischen Getränk, werden unter die Lampe gestellt (die noch ausgeschaltet ist). Die beiden Thermometer liegen auf dem Tisch.

Während des ganzen Experiments sollen die Schüler/innen immer wieder in ihren Versuchsheften aufschreiben, was sie beobachten.

Der/die Lehrerin fordert jetzt die Schüler/innen auf, das Prinzip des Experiments zu erklären: Es geht darum, den Temperaturverlauf in jeder der beiden Flaschen zu beobachten und zu sehen, ob das aus dem Getränk entweichende Gas einen Einfluss auf die Temperatur hat oder nicht.

Dreißig Minuten genügen, dann ist das Gas aus dem nicht bereits am Vortag entgasten Getränk entwichen. Ein Großteil des Gases befindet sich jetzt über der Flüssigkeit in der Flasche.

Wissenschaftliche Anmerkung

Weil das CO2 eine höhere Dichte hat als Luft, bleibt es eine Weile in der Flasche. Wenn man jedoch zu lange wartet, diffundiert es in den Raum.

Während der dreißig Minuten Wartezeit bereiten die Schüler/innen schon einmal den Bericht in ihrem Versuchsheft vor. Sie fertigen eine erste schematische Zeichnung an.

Schema der zwei Flaschen

Abb. 1: Die beiden Flaschen

Der/die Lehrer/in achtet darauf, dass jeder den Sinn der Anordnung – d.h. die Analogie mit der Atmosphäre – versteht. Die mit den aus dem Getränk entweichenden Blasen (= CO2) angereicherte Luft stellt die Atmosphäre mit den Treibhausgasen dar. Das Getränk selbst soll die Erde oder der Ozean sein, die Lampe die Sonne.

Nach 30 Minuten ist also die Luft in der einen Flasche mit CO2 angereichert, die in der anderen Flasche nicht. Die beiden Thermometer werden nun in die dafür vorgesehenen Löcher gesteckt und die Lampe wird eingeschaltet.

Schema  und Foto der zwei Flaschen mit Thermometern und Lampe

Abb. 2: Die zwei Flaschen mit Thermometern und Lampe

In beiden Behältern wird jede Minute – zehn Minuten lang – die Temperatur gemessen. Die Messwerte werden zunächst in eine Tabelle eingetragen und anschließend in einem Diagramm dargestellt. Die Temperatur in der Flasche mit der mit CO2 angereicherten "Atmosphäre" ist höher als diejenige in der anderen Flasche (die zu erwartende Differenz liegt zwischen 1 und 3°C).

Diagramm mit den Messwerten

Abb. 3: Diagramm mit den Messwerten

 

Zeit in Minuten 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Temperatur in °C
ohne CO2 26 27 28,5 30 30,5 31,5 32 32,5 33 33 33,5 34
mit CO2 26 27 28,5 30 31 32 32,5 33,5 34 34,5 35 35,5

Wissenschaftliche Anmerkungen

  • Die Thermometer müssen möglichst "schön senkrecht" zur Skala abgelesen werden, um Ablesefehler (Parallaxe) klein zu halten. Die Thermometer sollten sehr präzise sein, denn der zu messende Temperaturunterschied ist gering (siehe die pädagogische Anmerkung weiter oben).
  • Es ist wichtig, 30 Minuten abzuwarten, bevor man die Thermometer einführt, weil sonst Spritzer (von den zerplatzenden Blasen) die Messung verfälschen könnten. Während der Entgasung des Getränks kann man die Flasche mit einer Klarsichtfolie abdecken (damit verhindert man die Diffusion des Kohlendioxids in den Raum). Selbstverständlich muss man die Klarsichtfolie wieder entfernen, bevor man die Lampe einschaltet.
  • Warum sollte man die Temperaturmessungen nach 10 Minuten einstellen? Weil das CO2 sich im Lampenlicht erwärmt, aufsteigt und die Flasche verlässt. Nach etwa 10 Minuten zeigt das Thermometer eine Differenz von ca. 1,5°C an. Wenn man die Messung fortsetzt, wird die Differenz nach und nach wegen des aus der Flasche entweichenden CO2 abnehmen.
  • Aus dem gleichen Grund sollte man die Flasche während der Entgasung nicht berühren (Stöße können Turbulenzen verursachen und die Diffusion des CO2 aus der Flasche hinaus beschleunigen).
Foto der beiden Thermometer

Abb. 4: Die beiden Thermometer

Variante 2

Foto der Flasche mit Fleischthermometer

Bei der zweiten Variante geht man ähnlich vor, nur dass die Thermometer durch die Flaschendeckel ge­steckt werden. Dazu muss natürlich jeweils ein Loch in den Deckel gebohrt werden, das Loch sollte allerdings nur so groß sein, dass nach Einführen des Thermome­ters die Flasche dicht verschlossen ist.

Anschließend wird die zweite Coca-Cola-Flasche geöffnet und deren Inhalt in die zweite Glasflasche gegossen. Beide Glasflaschen werden verschlossen (die Thermometer stecken in den Deckeln) und unter die Bürolampe gestellt. Nach 10 bis 20 Minuten – je nach Leistung der Lampe – liegt die Temperaturdif­ferenz zwischen beiden Flaschen bei 2 bis 3°C.

Wenn die Anordnung schön dicht ist, bleibt das CO2 in der Flasche und das Experiment kann über mehrere Stunden fortgeführt werden. Dann ist der Tempera­turunterschied auch noch deutlicher. Dieses Experi­ment ist leichter durchzuführen als die erste Variante, weil das CO2 nicht aus der Flasche entweichen kann.

Gemeinsame Schlussfolgerung

Aufgrund der Temperaturmessungen stellt die Klasse fest, dass die mit CO2 angereicherte Luft sich stärker erwärmt als die CO2-"arme". Nun kann der Analogieschluss zur Atmosphäre gezogen werden: Je mehr CO2 die Atmosphäre enthält, umso mehr erwärmt sie sich. Kohlendioxid ist also ein Treibhausgas.

Diese Schlussfolgerung wird ins Versuchsheft eingetragen zusammen mit einer schematischen Zeichnung. In der nächsten Unterrichtsstunde wird diese Schlussfolgerung noch einmal bestätigt und vervollständigt: Die Schüler/innen werden – für die letzten tausend Jahre – den Zusammenhang zwischen der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und der mittleren Temperatur auf der Erde erkunden.

Variante 3

Diese Unterrichtsstunde kann auch "umgekehrt" aufgebaut werden: Anstatt die Schüler/innen zu fragen, worin das Experiment besteht, kann der/die Lehrer/in das Experiment erst durchführen, zusammen mit den Kindern die Temperaturdifferenz feststellen und sie anschließend auffordern, das Ergebnis zu interpretieren: "Wodurch unterscheiden sich die beiden Flaschen? Was ändert sich, wenn das Getränk entgast ist?" Das Ziel ist es, zu der folgenden Schlussfolgerung zu kommen: Je mehr CO2 vorhanden ist, desto mehr erhöht sich die Temperatur.


Fußnote

1: Für dieses Experiment haben wir uns durch folgendes Lehrerhandbuch inspirieren lassen: Global Warming: Understanding the Forecast, Teachers Resource Manual, Carl M. Raab and Jane E. S. Sokolow, New York, American Museum of Natural History, Education Department, 1992

Letzte Aktualisierung: 11.2.2014

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