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Auftrieb von Seifenblasen in CO2

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Auftrieb von Seifenblasen in CO2
Versuchsaufbau mit Materialien

Versuchsaufbau mit Materialien

Kurzbeschreibung
Seifenblasen schweben in einem Aquarium auf einer CO2 Schicht. Das Experiment verdeutlicht den Auftrieb in Gasen und die entsprechende Abhängigkeit des Auftriebs von der Dichte des Mediums.
Kategorien
Mechanik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: SEK I
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 2
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Martin Häffner
Kontakt: Martin Haeffner@rub.de
Uni: Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in: Dr. Rainer Wackermann
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Dieses qualitative Experiment zeigt den Auftrieb in Kohlenstoffdioxid (C02). Jeder Gegenstand, der von einem Gas oder einer Flüssigkeit umgeben ist, erfährt durch diese eine Auftriebskraft. Im Alltag erlebt man das Phänomen des Auftriebs z.B. wenn man einen Stein aus dem Wasser hebt und dieser in der Luft scheinbar schwerer wird, sichtbar wird es auch bei der Fahrt eines Heißluftballons usw..
Erklärung: Das umgebende Gas oder Fluid drückt von allen Seiten auf den Gegenstand. Da der Druck mit der Tiefe zunimmt ist der Druck von der Unterseite größer als von der Oberseite. Die Druckdifferenz führt zur Auftriebskraft. In Gasen nimmt der Druck mit der Tiefe exponentiell zu. In Flüssigkeiten geschieht die Druckabnahme-bzw. Druckzunahme linear mit der Tiefe.
Das Phänomen ist auch als das archimedische Prinzip bekannt: "Die Auftriebskraft eines Körpers ist gleich der Gewichtskraft des durch den Körper verdrängten Fluids."[1]


Didaktischer Teil

Das physikalische Phänomen des Auftriebs erleben die SuS jeden Tag. Z.B. wird ihnen der Auftrieb bewusst, wenn sie einen schweren Stein aus dem Wasser heben und der Stein scheinbar schwerer wird, wenn er sich nicht mehr im Wasser befindet. Auch im Schwimmbad wird der Auftrieb bewusster erlebt als in anderen Fluiden. Wahrscheinlich wird einigen SuS auch ein Wissen darüber vorliegen, dass Auftrieb auch in anderen Gasen und Flüssigkeiten stattfindet. So können einige SuS z.B. erklären warum ein Schiff nicht untergeht. Gleichzeitig lässt sich vermuten, dass ihnen das Konzept des Auftriebs in vielen Aspekten mehr theoretisch bewusst ist, als dass ein richtiges Bewusstsein für dieses Phänomen vorliegt. Z.B. wird vielen SuS ein Verständnis dafür fehlen, dass der eigene Körper in der Luft einen Auftrieb erfährt. Daher greift das Experiment dieses Problem auf und versucht ein allgemeineres Verständnis des Auftriebs zu schaffen und zu helfen zu verstehen, dass es Auftrieb in allen lüssigkeiten und Gasen gibt. Die SuS werden damit konfrontiert, dass die Seifenblasen in einem nicht sichtbaren Fluid Auftrieb erfahren. Dadurch wird die Grenze, die aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen den Gasen besteht, sichtbar gemacht. Des Weiteren kann das Verstehen des Auftriebs den SuS helfen den Begriff der "scheinbaren Gewichtskraft" zu verstehen. Den SuS kann das Experiment im Rahmen einer Unterrichtseinheit demonstriert werden, in der zunächst der Aspekt des Auftriebs thematisiert und durch vorangegangene Experimenten zum Druck, zur Dichte und zum Auftrieb nähergebracht wurde.

Versuchsanleitung

Aufbau

Inventar

Geräteliste

  • leeres Aquarium
  • gasförmiges CO2 oder Trockeneis
  • Schlauch
  • Seifenblasen
  • große Styroporplatte o.ä.

Ein großes Aquarium ist empfehlenswert, da so mehr Seifenblasen in das Aquarium passen. Das gasförmige CO2 befindet sich in einem Druckbehälter. Für die Flasche wird ein entsprechendes Druckventil benötigt, durch das das Gas mithilfe des Schlauchs in das leere Aquarium gefüllt werden kann. Alternativ ist es möglich Trockeneis in das Aquarium zu legen, das dort dort sublimiert und direkt in den gasförmigen Zustand-ohne der flüssigen Phase- übergeht. Die Sicherheitshinweise zum Umgang mit Druckbehältern und mit CO2 sind zu beachten. Die Styroporplatte dient zur Abdeckung und kann durch jede andere Abdeckung ersetzt werden, die das Aquarium von oben schließt.

Durchführung

Da die Dichte des Kohlenstoffdioxids(1,9769 kg·m-3(0 °C, 1013 hPa)) nicht viel höher als die der Luft(1,293 kg·m-3(0 °C, 1013 hPa))[2] ist, kann das CO2 beim Einfüllen in das Aquarium an den Seiten wieder austreten. Deshalb wird das Aquarium mit der Styroporplatte so abgedeckt, dass nur noch eine kleine Öffnung für den Schlauch der CO2-Flasche offen bleibt. Auf die Flasche mit dem CO2 wird das Druckventil geschraubt. Nachdem das Ventil an der CO 2-Flasche geöffnet ist, kann das CO2 über den Schlauch in das Aquarium gelassen werden. Abhängig von der Größe des Aquariums und der Ventilöffnung der CO 2-Flasche sollte das Aquarium nach ca.60 Sekunden ausreichend mit CO2 gefüllt sein. Das Geräusch des einströmenden Gases verändert sich mit dem Füllstand, sodass dies auch als Indikator für den Füllstand genommen werden kann. Die Styroporplatte kann vorsichtig weggenommen und zur Seite gelegt werden. Jetzt können vorsichtig die Seifenblasen in das Aquarium gepustet werden. Dabei ist darauf zu achten, die Seifenblasen von der Seite und einer geringfügig höheren Position in Richtung des Aquariums zu pusten, sodass die Seifenblasen sanft auf dem CO2 landen können und das Gas nicht wegepustet wird.

  • Durchführung des Versuchs(Schnellvorlauf):
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Beobachtung

Zu beobachten ist, dass die Seifenblasen, die in das Aquarium fallen auf einer nicht sichtbaren Schicht schweben und nicht auf den Boden des Aquariums fallen. Viele Seifenblasen zerplatzen an dem Rand des Aquariums oder fallen neben das Aquarium.

Auswertung

Die Seifenblasen schweben auf dem durchsichtigen Kohlenstoffdioxid, da die mittlere Dichte der Seifenblasen geringer als die des Kohlenstoffdioxids ist. Die Seifenblasen, die neben dem Aquarium absinken, fallen auf den Boden des Raums. Sie erfahren auch eine Auftriebskraft, die allerdings geringer als ihre Gewichtskraft ist, da ihre mittlere Dichte größer als die der umgebenden Luft ist.

Sicherheitshinweise

Besonders ist zu beachten:

  • Aquarium
  • Gasflasche
  • CO2

Das Aquarium selbst darf keine Gefahrenquelle darstellen. Daher sollte es nicht im Bereich der Fluchtwege stehen und nach dem Experiment weggeräumt werden. Es besteht die Gefahr von Schnittwunden, wenn das Glas zerbricht. Des Weiteren wird das CO2 in einer Gasflasche(bis zu 300bar) aufbewahrt, für die folgende Kennzeichnungselemente gelten:

Gefahrenpiktogramme: GHS04 Gasflasche

Gefahrenpiktogramm CO2 Flasche

Signalwort: Achtung Gefahrenhinweise: H280 Enthält Gas unter Druck, kann bei Erwärmung explodieren. EIGAAs Erstickend in hohen Konzentrationen. Sicherheitshinweise: P403 An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.

Die Gasflasche sollte daher vorsichtig und in einem geeigneten Behälter transportiert werden. Wenn das Druckventil auf die Gasflasche geschraubt ist, ist besonders darauf zu achten, dass das Ventil nicht abbricht.

Kohlenstoffdioxid ist ein unsichtbares und geruchsneutrales Gas. Es besteht Erstickungsgefahr, wenn das Gas in zu hoher Konzentration eingeatmet wird. Beim Umgang mit CO2 ist deshalb darauf zu achten, dass der Raum gut gelüftet wird und dass das Ventil der Flasche zu jeder Zeit -außer bei der Befüllung des Aquariums-geschlossen.

Folgende Erste Hilfe Maßnahmen sind zu treffen: Betroffenen unter Selbstschutz auf dem sichersten Weg aus der Gefahrenzone bergen, an die frische Luft bringen, hinlegen, ruhig und warm halten. Durchgaste Kleidung vorsichtig entfernen. Bei Gefahr der Bewusstlosigkeit Lagerung und Transport in stabiler Seitenlage. Bei Atemstillstand Atemspende/künstliche Beatmung. Bei Atem-und Kreislaufstillstand Herz-Lungen-Wiederbelebung. Notarzt zum Unfallort rufen.
Einatmen: Frischluft, Atemwege freihalten, bei Atemnot Sauerstoff inhalieren lassen. Ärztliche Weiterbehandlung.
Haut- und Augenkontakt: Bei Erfrierung Erwärmung durch Körperwärme, nicht reiben. Blasen nicht öffnen, Wunden keimfrei abdecken. Augen bei vorsichtig geöffnetem Lidspalt (Lidkrampf!) von innen nach außen mit handwarmen Wasser oder physiologisch er Kochsalzlösung spülen. Lockerer keimfreier Verband. Sofortige augenärztliche Weiterbehandlung.
Verschlucken: Entfällt.[3]

Hinweis

Das Experiment wurde mit Kohlenstoffdioxid durchgeführt. Alternativ kann das Experiment mit anderen Gasen durchgeführt werden. Z.B. ist Schwefelhexafluorid sechsmal schwerer als Luft. In verschiedenen Youtube Video wird gezeigt, wie Aluminiumschiffchen auf Schwefelhexafluorid schwimmt.
Sie können die Videos finden, wenn Sie "Schwefelhexafluorid" bei Youtube eingeben.


Versuchsdurchführung Echtzeit

Hier ist einmal die Version des Videos der Versuchsdurchführung in Echtzeit gezeigt.


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Literatur

  1. Giancoli, D.-C.(2010): Physik - Lehr-und Übungsbuch, 3.Auflage; Pearson, Hallbergmoos
  2. (vgl./siehe [1] Wikibooks.org Tabellensammlung Chemie)[04.03.2015])
  3. (vgl./siehe [2] Praxair: Sicherheitsdatenblatt Kohlendioxid)[04.03.2015])

Siehe auch

Hier können Sie auf andere Artikel im Wiki verweisen, die entweder Ihren Versuch anders darstellen oder thematisch sehr dicht an Ihren Artikel liegen. Fügen Sie dazu einfach einen internen Link ein.