DOI: 10.1002/ckon.201410221

Heater Meals – eine experimentelle Lernaufgabe zurKorrosion f�r die Sekundarstufe IIAndreas Bçhm*[a] und Gregor von Borstel*[b]

Zusammenfassung: Heater Meals sind selbst erhitzendeMahlzeiten, zu deren Erw�rmung die stark exotherme Re-aktion von Magnesium in Salzwasser genutzt wird. Die auf-grund der Passivierung eigentlich gehemmt ablaufende Re-aktion wird dadurch beschleunigt, dass dem MagnesiumEisen beigemischt ist und sich so bei Zugabe von Salzwas-ser ein Lokalelement bildet.Eine detaillierte Untersuchung eben dieser Reaktion im In-haltsfeld Elektrochemie mit dem inhaltlichen SchwerpunktKorrosion erfordert die sinnvolle Nutzung und Verkn�p-fung der Begriffe Passivierung, Lokalelement und Opfer-anode zur Erkl�rung eines einzigen Ph�nomens, bei demdie Korrosionsvorg�nge im �brigen nicht wie sonst zu ver-hindern gesucht, sondern im Gegenteil bewusst herbeige-f�hrt werden.Neben der Erweiterung und Festigung des fachlichen Wis-sens werden mit dieser Lernaufgabe durch die entsprechen-de Aufgabenstellung schwerpunktm�ßig Kompetenzen ausdem Bereich Kommunikation und hier vor allem der Re-cherche und der Pr�sentation einge�bt.

Stichworte: Lokalelement · Opferanode · Passivierung

Heater Meals – an experimental learning task for the topicof corrosion for senior classes

Abstract: Learning tasks contain problems and learningmaterial, that encourages students to use their acquiredknowledge. The examination of “Heater Meals” serves asan example to describe a tried and tested learning task thatcan be used to acquire various competences.Heater meals are self-heating ready meals. The heatingprocess relies on a reaction of magnesium and salt water.Normally this reaction is very slow due to passivation, tospeed it up, iron is added to the magnesium, leading to theproduction of a local cell.Examining this reaction as part of the topic area of corrosi-on can be useful to connect the ideas of passivation, localcells and sacrificial anodes. In this context the use of a localcell is slightly uncommon, because as part of corrosion con-trol local cells are normally tried to be prevented.The framework of this learning task aims at improvingcommunication skills which go beyond mere knowledge ac-quisition.

Keywords: local cell · passivation · sacrificial anode

Wie in unserem Artikel „Selbsterw�rmende Body Heater“ (s.auch Infokasten am Ende des Artikels) beispielhaft dargelegt,kann die Gestaltung kompetenzorientierter experimentellerAufgabenstellungen mit Alltagsrelevanz in Form von Lernauf-gaben f�r die Lernenden �ußerst gewinnbringend sein. Im Fol-genden mçchten wir dies an einem Praxisbeispiel aus derElektrochemie in der Sekundarstufe II ausf�hren.Zum Einsatz kommen dabei sog. Heater Meals [1]. Dieseselbst erhitzenden Mahlzeiten verschiedener Geschmacksrich-tungen (Abb. 1) aus dem Outdoor-Bereich sind analog zu denbereits f�r den Einsatz im Chemieunterricht beschriebenen [2]„Meal-ready-to-Eat“ Paketen der US-Army aufgebaut undfunktionieren prinzipiell auch genauso.

Alle Heater Meals enthalten neben dem vakuumverpacktenEssen einen separaten Erhitzerbeutel, in dem eine Magnesi-um-Eisen-Legierung in vier Kammern vorgelegt ist. BeiZugabe des ebenso mitgelieferten Salzwassers bildet sich einLokalelement und Magnesium reagiert in einer stark exother-men Reaktion unter Bildung von Magnesiumhydroxid undWasserstoff ab. Die freiwerdende Reaktionsw�rme wird zumErw�rmen des Essens genutzt.Die genaue Untersuchung eben dieser Reaktion im Rahmeneiner Unterrichtssequenz mit dem inhaltlichen SchwerpunktKorrosion im Inhaltsfeld Elektrochemie kann entweder derFestigung der Begriffe Lokalelement und Opferanode oderauch zu deren Einf�hrung dienen. Dabei verkn�pfen die Sch�-lerinnen und Sch�ler zuvor angeeignetes Wissen �ber die Re-doxreihe der Metalle und wenden es in neuen Zusammenh�n-gen an. Somit sind auch in diesem Fall die Aufgaben auf denhandelnden Umgang mit Wissen hin ausgerichtet [3].Neben der Erweiterung und Festigung des fachlichen Wissens�ber elektrochemische Korrosionsvorg�nge und Maßnahmenzum Korrosionsschutz sollen mit dieser Lernaufgabe dabei

[a] A. BçhmPeter-Joerres-Gymnasium AhrweilerUhlandstraße 3053474 Bad Neuenahr-Ahrweiler* E-Mail: Boehm_A@gmx.de

[b] G. von BorstelAlexander-von-Humboldt-Gymnasium BornheimAdenauerallee 5053332 Bornheim* E-Mail: gregorvonborstel@web.de

Abb. 1: Heater Meals: selbst erhitzende Mahlzeiten

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AUS DER SCHULE CHEMKON

durch die entsprechenden Aufgabenstellungen, das Settingund die experimentellen Freir�ume schwerpunktm�ßig Kom-petenzen aus dem Bereich Kommunikation und hier vor allemder Recherche (K2) und der Pr�sentation (K3) einge�btwerden. So sollen die Sch�lerinnen und Sch�ler Gelegenheiterhalten, in vorgegebenen Zusammenh�ngen selbstst�ndigchemische und anwendungsbezogene Fragestellungen mithilfevon Quellen zu bearbeiten und chemische Sachverhalte, Ar-beitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowieformal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvortr�gen oderkurzen Fachtexten darzustellen [4].

Der konkrete Lernprozess im Einzelnen

a) Problemstellung entdecken

Im Demoversuch wird den Sch�lerinnen und Sch�lern dieWirkungsweise eines Beutels vorgef�hrt. Der Versuch hatdurch die Betrachtung des gesamten Essenspaketes einenhohen Aufforderungscharakter. Die Handhabung wird sp�ternoch einmal f�r die Sch�ler in M j3 zusammengefasst.

Versuch 1: Demonstration der Funktionsweise einesErhitzerbeutels

Ger�te und Chemikalien: Becherglas, hohe Form, mind.400 mL, Thermometer, Schere, Erhitzerbeutel eines Heater-packs, ges�ttigte Kochsalz-LçsungDurchf�hrung: Aus dem Beutel werden zun�chst alle vier mitdem Gemisch gef�llten Kammern vorsichtig herausgelçst,ohne den Beutel an der Klebestelle zu zerreißen. EineKammer wird abgeschnitten und wieder in den Beutel gege-ben, die restlichen Kammern werden f�r die Sch�lerexperi-mente zur Seite gelegt.In den Beutel gibt man nun ca. 50 mL ges�ttigte Kochsalz-Lçsung. F�r die Demonstration kann man auf die Zugabe desEssens verzichten.Zu erwartende Beobachtungen: Bereits nach ca. 30 Sekundenbeginnt die mit der Hitzeentwicklung zunehmend heftigerwerdende Reaktion und schon nach ca. 1 Minute sieht manDampf aufsteigen. Eine Temperaturmessung an der Beutelçff-nung ergibt Werte von ca. 1008C.Deutung: Bei Zugabe von Salzwasser zur Substanz im Erhit-zerbeutel kommt es zu einer starken Energiefreisetzung, diemçglicherweise auf einer exothermen chemischen Reaktionberuht. Dies gilt es nun zu pr�fen.Entsorgung: Der noch heiße Beutel wird im großen Becher-glas zum Abreagieren an einen gut bel�fteten Ort (am bestenAbzug) gestellt. Nach dem Abreagieren (zur Pr�fung mit wei-terem Salzwasser �berschichten) ist eine Entsorgung �ber denHausm�ll mçglich.Aus der fiktiven Zuschauerfrage M j1 ergeben sich im Folgen-den Fragen, z.B. nach der Funktionsweise und Besonderheitdes Erhitzers auch auf Teilchenebene. Sie enth�lt bewusstschon zahlreiche Hinweise bez�glich der mçglicherweise ab-laufenden Reaktionen, die es nun zu untersuchen gilt. Zu-gleich regt die Frage aber auch an, �ber bisher Bekanntes(Oxidation von Magnesium) hinaus weiter zu denken, dennder einfache Erkl�rungsansatz tr�gt, wie sich zeigen l�sst,beim Nachbau des Produktes nicht mehr. Dies bildet dieGrundlage f�r den sinnvollen Einsatz neuer Fachbegriffe (Pas-sivierung, Lokalelement).Die Durchf�hrung der Experimente, die Dokumentation undAuswertung auch auf Teilchenebene und die anschließendePr�sentation inklusive der Bereitstellung von Hintergrund-infos geht weitgehend in Sch�lerh�nde �ber.Dies alles kulminiert in der Aufgabenstellung (M j2), die letzt-lich darauf abzielt, die wirkliche Funktionsweise der HeaterMeals adressatengerecht zu erl�utern.

b) Vorstellungen entwickeln und c) Lernmaterial bearbeitenund Lernprodukt erstellen

Der Sek. II-Lerngruppe angemessen offener als beim BodyHeater [s. Infokasten] wechseln sich die Entwicklung von Vor-stellung und deren Erweiterung durch die Bearbeitung derLernmaterialien ab.Basierend auf der Kenntnis der Redoxreihe der Metalle undder entsprechenden Nachweisreaktionen sollen im Sch�lerex-periment mit Kleinstmengen zun�chst die entstehenden Pro-dukte gem�ß der Hinweise in M j1 nachgewiesen werden,wobei die Zugabe von Eisen und von Kochsalz auf der Edukt-seite zun�chst vernachl�ssigt werden (M j5):

Mgþ 2 H2O!MgðOHÞ2 þH2 exotherm

Hilfestellungen bez�glich der Planung des Experimentesanalog zu M j4 kçnnen als Unterst�tzung f�r schw�chereGruppen auf dem Weg zur Erweiterung ihrer Experimentier-kompetenz durchaus angebracht sein, st�rkere Sch�lergrup-pen waren im durchgef�hrten Unterricht der Lage, eigenst�n-dig Experimente zu planen.

Versuch 2: Untersuchung der Funktionsweise einesErhitzerbeutels [5]

Achtung: Die Reaktion verl�uft stark exotherm und wird zu-nehmend schneller. Keine Knallgasprobe direkt an der Appa-ratur durchf�hren!Die richtige Menge der Substanz des Erhitzergemisches solltevon der Lehrperson im Teebeutel bereit gestellt werden.

Ger�te und Chemikalien: Schere, 2 Kunststoffspitzen Luer-Lock (10 mL und 50 mL), passender flexibler Schlauch (Ma-gensonde), Dreiwegehahn, pneumatische Wanne, leere Tee-beutel, Reagenzglas, Z�ndquelle (Teelicht), Substanz aus demErhitzerbeutel, ges�ttigte Kochsalz-Lçsung, ggf. Phenolphtha-lein-Lçsung, c(Ph) <1%

Andreas Bçhm ist Oberstudienrat am Peter-Joerres-Gymnasium in Ahrweiler und unter-richtet die F�cher Chemie und Biologie. Seit2012 ist er Lehrbeauftragter an der Universi-t�t Bonn. Er betreut seit 1999 zahlreicheJugend forscht Projekte und ist Gr�ndungs-mitglied der Gruppe Lebensnaher Chemie-unterricht LNCU. Er hat zudem viele Fort-bildungen im Bereich kreatives Experimen-tieren und Sicherheit im Chemieunterrichtdurchgef�hrt.

Gregor von Borstel ist Oberstudienrat amAlexander-von-Humboldt-Gymnasium inBornheim und unterrichtet die F�cherChemie und Geschichte. Seit 2011 ist erFachleiter Chemie am Zentrum f�r Schul-praktische Lehrerausbildung Vettweiß. Erist Gr�ndungsmitglied der Gruppe Lebens-naher Chemieunterricht LNCU (2002).Zudem hat er viele Fortbildungen im Be-reich kreatives Experimentieren und Sicher-heit im Chemieunterricht durchgef�hrt.F�r seine Aktivit�ten erhielt er zahlreichePreise, u.a. 2006 von der der Degussa-Stif-tung, 2009 von der Bayer Science & Educa-tionstiftung und 2012 den Friedrich Stro-meyer-Preis der Fachgruppe Chemieunter-richt der GDCh.

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AUS DER SCHULE Bçhm, von Borstel

Durchf�hrung: Eine Spatelspitze des Erhitzergemisches wirdin einen Teebeutel (verhindert die Verstopfung der Spritzen-çffnung und erleichtert die sp�tere Entsorgung) gef�llt.Dieser Beutel wird in eine 50 mL Spritze (flexibler, zun�chstgasfreier Reaktionsraum) gegeben. Der Stempel wird einge-setzt und die gesamte Restluft herausgedr�ckt. �ber einenDreiwegehahn werden aus einer zweiten Spitze 10 mL Koch-salz-Lçsung angesaugt. Der Hahn kann kurz verschlossenwerden. Ist gen�gend Gas gesammelt, wird es �ber einenSchlauch pneumatisch in ein Reagenzglas umgef�llt und mitder Knallgasprobe getestet.Zu erwartende Beobachtungen: Nach wenigen Sekunden be-ginnt unter Hitzeentwicklung eine Gasentwicklung. BeiZugabe von Phenolphthalein-Lçsung f�rbt sich die Lçsungpink. Die Probe auf Wasserstoff kann lautlos (ohne Restsauer-stoff) oder mit Pfeifen (Restsauerstoff) erfolgen.Deutung: Bei der stark exothermen Reaktion der Substanzaus dem Erhitzerbeutel entsteht aus dem enthaltenen Magne-sium neben einer Lauge auch Wasserstoff.

Mgþ 2 H2O!MgðOHÞ2 þH2 exotherm

Um auf das Lokalelement hinzuarbeiten, sollte der Versuchzudem gem�ß der Anfrage aus M j1 mit reinem Magnesium-pulver und Salzwasser unter Zugabe von Phenolphthalein-Lçsung durchgef�hrt werden.

Versuch 3: Versuch des Nachbaus mit reinem Magnesium

Ger�te und Chemikalien: analog wie in Vers. 2, anstelle derSubstanz des Erhitzerbeutels eines Heaterpacks Magnesium-pulverDurchf�hrung: analog wie in Vers. 2Zu erwartende Beobachtungen: Bei dem Versuch mit reinemMagnesium beobachtet man nur eine schwache bis m�ßigeReaktion.Deutung: Die Ergebnisse best�tigen die Zuschauerfrage undzeigen, dass es sich bei der Substanz im Erhitzerbeutel nichtum reines Magnesium handeln kann, wenngleich dieses auchan der Reaktion beteiligt sein wird.Der erste Versuch best�tigt also die Aussagen der fiktiven An-frage und versetzt die Lernenden in die Lage, die entstehen-den Produkte fachlich richtig zu beschreiben, der sich an-schließende Versuch, mit dem dann auf das Lokalelement hin-gearbeitet wird, zeigt aber, dass der Ablauf nicht so einfachwie in der obigen Reaktionsgleichung beschrieben sein kann.Dies kçnnen die Sch�lerinnen und Sch�ler sp�ter auch alsPassivierung gem�ß M j6 deuten.Letztlich ergibt sich daraus die Frage, wie der Hersteller si-cherstellt, dass die Reaktion schnell und heftig abl�uft. Hierhelfen die Beschreibung im Patent M j7 (s. auch [6]) und dieInformationen zum Lokalelement M j8.Bei der Bearbeitung des umfangreichen Lernmaterials entwi-ckeln die Sch�lerinnen und Sch�ler also zun�chst erste Vor-stellungen �ber die Funktionsweise, die sie sp�ter dann tiefer-gehend erweitern. In starken Lerngruppen nicht zwingend er-forderlich, kann es in schw�cheren Lerngruppen hilfreich sein,nach den Versuchen zur Ermittlung der Produkte und zumNachbau des Heater Meals gemeinsam die Zwischenergebnis-se zu sichern und auszuwerten, damit erneut alle Sch�lerinnenund Sch�ler die gleiche Ausgangslage f�r die Anwendung desBisherigen auf das Lokalelement haben.Die Sch�lerinnen und Sch�ler dokumentieren nicht nur dieExperimente und werten sie aus, sondern sie haben im Folgen-den die Aufgabe, die Aspekte im Sinne eines Spannungsbo-gens f�r eine Sendung zu bewerten, zusammenzustellen undum weiteres Material (Trickfilmskizze auf Teilchenebene, çko-logische und çkonomische Bewertung etc.) zu erweitern.

d) Lernprodukt diskutieren

Die Pr�sentation und Diskussion findet in einer ca. einst�ndi-gen abschließenden Sitzung statt, in der jede Gruppe inner-halb eines Zeitrahmens ihr Konzept vorstellt. Es hat sich be-w�hrt, als Lehrperson die Rolle des sp�teren Fernsehmodera-tors einzunehmen, um gegebenenfalls R�ckfragen stellen zukçnnen. Die Sch�lerinnen und Sch�ler haben dieses Rollen-spiel in den beobachteten Unterrichtssituationen als sehr am�-sant empfunden, zugleich aber auch die Situation ernst ge-nommen, um jeweils ihr Konzept vorzustellen, dieses oderandere zu hinterfragen und auch zu verbessern

e) Lernzugewinn definieren

Es lohnt sich, den Lernzugewinn in den verschiedenen Kom-petenzbereichen gemeinsam mit den Sch�lerinnen und Sch�-lern zu definieren. Im Kompetenzbereich Umgang mit Fach-wissen zeigt der einfache Vergleich von bisher bekannten Re-doxreaktionen mit den in einem Lokalelement ablaufendenReaktionen, dass die Sch�lerinnen und Sch�ler in der Lagesind, elektrochemische Korrosionsvorg�nge unter Verwen-dung der Fachbegriffe Passivierung und Lokalelement zu er-l�utern und dieses Wissen im Folgenden auf Maßnahmen zumKorrosionsschutz (Opferanode) zu �bertragen.Daneben offenbart die gemeinsame Reflexion mit der Lern-gruppe, dass der schwerpunktm�ßig angestrebte Kompetenzzu-wachs im Bereich Kommunikation, hier vor allem Rechercheund Pr�sentation (K2, K3), von den Sch�lerinnen und Sch�lernklar benannt und damit deutlich wahrgenommen wurde.

f ) Vernetzen und transferieren / Sicher werden und �ben

Lokalelemente findet man auch in anderen Zusammenh�n-gen, vor allem unter dem Aspekt der Korrosion. Auch dieseAnwendung kann man f�r eine Vernetzung nutzen, in demman sie mit den erw�nschten Abl�ufen im Heater Meal ver-gleicht.Ein Petrischalen-Experiment kann dazu dienen, noch einmalalle neuen Begriffe inklusive der Opferanode zu dekontextu-alisieren. In einem Projektionsversuch l�sst sich zeigen, dasseine heftige Reaktion mit der Substanz aus dem Heater Mealstattfindet (Lokalelement), aber nur eine m�ßige Reaktionmit reinem Magnesium (Passivierung). Außerdem bildetEisen in Salzwasser schnell Eisen-Ionen, die sich nachweisenlassen. Bei der Reaktion im Heater Meal lassen sich aberkeine Eisen-Ionen nachweisen (Korrosionsschutz durch Op-feranode).

Versuch 4: Demonstration der Funktionsweise inProjektionsversuchen

Ger�te und Chemikalien: viergeteilte Petrischale (alternativ 2zweigeteilte Petrischalen), Spatel, Substanz aus dem Erhitzer-beutel eines Heaterpacks, ges�ttigte NaCl-Lçsung, Phenol-phthalein-Lçsung (<1%), rotes Blutlaugensalz K3[Fe(CN)6]Durchf�hrung: In eine viergeteilte Petrischale wird in alle vierKammern eine ges�ttigte Kochsalzlçsung gegeben (Abb. 2):– die in Kammer Nr. 1 und Nr. 2 zus�tzlich mit einem Trop-

fen Phenolphtalein-Lçsung und– die in Kammer Nr. 3 und Nr. 4 zus�tzlich mit einer Spatel-

spitze rotem Blutlaugensalz versetzt ist.Zu den Lçsungen gibt man in jeweils eine Kammer nun jeeine Spatelspitze1. Pulver aus dem Erhitzerbeutel eines Heater Meals (ca.

95% Mg und 5% Fe)2. Magnesiumpulver3. Pulver aus dem Erhitzerbeutel eines Heater Meals (ca.

95% Mg und 5% Fe)4. Eisenpulver

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Heater Meals CHEMKON

Beobachtungen und Deutungen: Man beobachtet f�r insge-samt ca. 15 Minuten:Direkt nach der Zugabe der Feststoffe erkennt man inKammer Nr. 1 und Nr. 3 (Abb. 3) eine heftige Gasentwicklung(in Vers. 1 als Wasserstoff identifiziert). Das Gemisch aus demHeater-Meal reagiert also auch mit kaltem Salzwasser heftig.Die Pinkf�rbung in Kammer Nr. 1 l�sst darauf schließen, dassbei der Reaktion eine Lauge entsteht, die ausbleibende Blau-f�rbung hingegen deutet darauf hin, dass keine Eisen-Ionenentstehen.

Auch in Kammer Nr. 2 ist eine sehr schwache Pinkf�rbungund eine sehr schwache Gasentwicklung zu erkennen. Magne-sium reagiert also auch mit kaltem Salzwasser zu einer Lauge,jedoch nur in geringem Maße (Passivierung). Die heftige Re-aktion in (1) bzw. (3) ist also auf die Bildung des Lokalele-ments zur�ckzuf�hren.

Nach ca. 1 Minute … (Abb. 4) best�tigen sich die ersten Beob-achtungen. Zudem erkennt man in Kammer Nr. 4 den Beginneiner Blauf�rbung, die darauf schließen l�sst, dass hier Eisen-Ionen entstehen. In Kammer Nr. 3 ist weiterhin keine Blauf�r-bung zu erkennen.Nach ca. 15 Minuten … (Abb. 5) ist eine Vertiefung der Blau-f�rbung deutlich wahrnehmbar. Die Gasentwicklung l�sstnach, aber immer noch erkennt man in Kammer Nr. 3 keineBlauf�rbung.

An diesem Beispiel lassen sich sowohl die Begriffe Lokalele-ment als auch Opferanode erl�utern.Entsorgung: Nach dem Abreagieren Fl�ssigkeit aus den Kam-mern absaugen und in den S�ure/Base Beh�lter geben, Fest-stoffe werden �ber den Hausm�ll entsorgt.

Res�meeDie Durchf�hrung der Lernaufgabe ist nach unserer Erfah-rung sowohl hinsichtlich ihrer breiten Kompetenzorientierungals auch aufgrund der f�r Sch�lergruppen motivierenden Ge-staltung besonders gewinnbringend. Sie stellte entgegen ersterBef�rchtungen keine �berforderung der Sch�lerinnen undSch�ler dar.Interessanterweise konnten sich die meisten Sch�lerinnen undSch�ler eines Leistungskurses Chemie �ber ein Jahr sp�ternicht nur an die Fachinhalte erinnern, sondern einige vonihnen stellten die f�nf Unterrichtstunden r�ckblickend als ein-zigartig heraus.

Materialien

M j1 Hintergrund zur Lernaufgabe

Sie arbeiten im Team der Redaktion der Fernsehsendung„Wissen macht AH!“ als Wissenschaftliche/r Assistent/in. DieRedaktion erh�lt h�ufig Zuschaueranfragen, denen man danngegebenenfalls in einer Sendung auf den Grund geht.

Abb. 2: Die viergeteilte Petri-schale

Abb. 3: Die Petrischale direktnach Zugabe der Feststoffe

Abb. 4: Die Petrischale nach ca.1 Minuten

Abb. 5: Die Petrischale nach ca.15 Minuten

Abb. 6: Das Etikett „Heater Meal“

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AUS DER SCHULE Bçhm, von Borstel

Eine Zuschaueranfrage lautet: „Im Internet stieß ich auf be-sondere selbsterhitzende Mahlzeiten (Heater Meals), Abb. 6.Das Essen wird zum Erhitzen in einen Extra-Beutel gepackt,der mit Magnesium gef�llte Kammern enth�lt. Kippt man Salz-wasser in diesen Beutel, bl�ht er sich nach kurzer Zeit auf, esdampft und das Essen kann darin erhitzt werden. Angeblichentstehen bei der Reaktion im Beutel ein gef�hrliches Gas undeine „Lauge“. Kçnnt ihr mir sagen, ob das wirklich stimmt?Ich habe auch versucht, so einen „Erhitzerbeutel“ zu Hausenachzubauen, in dem ich Salzwasser auf Magnesium gekippthabe. Das funktioniert nicht so richtig. Was habe ich falsch ge-macht oder was macht der Hersteller gegebenenfalls anders?“Beim Redaktionstreffen nimmt man sich dieser Frage an.

M j2 Aufgabenstellung:

Als Wissenschaftlicher Mitarbeiter/in sollen Sie Hintergr�nderecherchieren, Experimente erproben und den Moderatorenein Kurzskript f�r eine mçgliche Sendung liefern, in der diesedas Thema Heater Meals – ausgehend von der Zuschaueran-frage – vorstellen.Es ist Ihre Aufgabe, ein Manuskript f�r die Sendung zu erstel-len, in dem die Fragen und Vermutungen des Zuschauers be-handelt werden. Die Sendung soll sowohl experimentelle Teilebeinhalten als auch einfache Erkl�rungen auf Teilchenebenein einem Trickfilm (gerne in wenigen Bildern skizziert).Bereiten Sie sich darauf vor, in einer simulierten Redaktions-sitzung Ihr Konzept dem Plenum zu erl�utern. Dabei werdenSie Fachinhalte und Fachbegriffe zum Thema Korrosion undKorrosionsschutz lernen, die Sie zur Beantwortung der Zu-schauerfrage brauchen.

M j3 Produktbeschreibung

Die Zubereitung: (laut Vertreiber, siehe www.dauerbrot.de,letzter Zugriff 01.09.2013), siehe Abb. 7: Verpackung çffnen –Inhalt entnehmen, Alu-Beutel mit der Mahlzeit ungeçffnet inden „Erhitzerbeutel“-Beutel stecken, beigef�gten Beutel mitFl�ssigkeit (Salzwasser – kein Trinkwasser) zugießen, „Erhit-zerbeutel“ soweit wie mçglich einknicken und mit einem bei-liegendem Klebestreifen fixieren. Jetzt entwickelt sich Hitze!10 bis 12 Minuten warten – dann steht eine warme Mahlzeitzur Verf�gung.Vorsicht: Die Mahlzeit vorsichtig entnehmen. „Erhitzerbeu-tel“, eingef�llte Fl�ssigkeit und Mahlzeit sind heiß! Nicht ver-brennen; Fl�ssigkeit wegsch�tten; „Erhitzerbeutel“ nach demAbk�hlen mit dem Hausm�ll entsorgen; Karton recyceln.

M j4a) Hinweise zu Experimenten [eine Anleitung liegt alsHilfe bereit]

Die entsprechenden Experimente kçnnen in Kunststoffsprit-zen durchgef�hrt werden. Die zu untersuchenden Feststoffewerden dazu in Kleinstmengen in einem Teebeutel (wird vonder Lehrperson bereitgestellt) in die Spritze gegeben.Stark exotherme Reaktionen kçnnen zunehmend schnellerverlaufen!Keine Knallgasprobe direkt an der Apparatur durchf�hren!

4b) Hilfen zum Versuchsaufbau in Form von Abbildungen(Abb. 8)

M j5 Tipps zur Beschreibung der ablaufenden Reaktionen

Bei der Reaktionsgleichung ist das „Salz“ im Salzwasser zu-n�chst vernachl�ssigbar.�berlegen Sie erst ganz zum Schluss, warum man statt Wasserbesser Salzwasser nimmt!

M j6 Erl�uterung zu Passivierung

Passivierung bezeichnet das Entstehen von reaktionstr�genOberfl�chen auf normalerweise reaktionsfreudigen Metallen.Dadurch kann das darunterliegende Metall nur schwer korro-dieren. Passivierung tritt bei vielen unedlen Metallen wie Ma-gnesium oder Aluminium auf. Sie wird dadurch hervorgeru-fen, dass sich auf der Oberfl�che der Metalle eine undurchl�s-sige, fest haftende Schicht aus Oxiden oder Hydroxiden des je-weiligen Metalls ausbildet. Metalle mit einer solchen sch�tzen-den Passivschicht verhalten sich �hnlich wie Edelmetalle, d.h.sie sind gegen�ber Chemikalien, von denen sie im normalen(aktiven) Zustand angegriffen werden, best�ndig.Ver�ndert nach www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/p/pa/passivierung.glos.html

M j7 Zusatzinformation

Hinweise zur tats�chlichen Zusammensetzung der Gemischefinden Sie unter dem United States Patent 5,611,329, welchesonline einzusehen ist.

M j8 Erl�uterungen zum Lokalelement

Ber�hren sich zwei verschieden edle Metalle und tauchen inWasser oder S�ure ein, so korrodiert stets das weniger edleMetall sehr viel schneller als ohne einen derartigen Kontakt.Grund daf�r ist die Tatsache, dass in solchen „Lokalelemen-ten“ Oxidation und Reduktion r�umlich getrennt ablaufen.

Abb. 7: Anleitung zur Zubereitung derMahlzeit

Abb. 8: Reagierenden Feststoff im Tee-beutel in die große Spritze geben, Salz-wasser �ber Dreiwegehahn aus zweiterSpritze hinzugeben, entstehendes Gasauffangen und pneumatisch f�r dieProbe umf�llen.

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Heater Meals CHEMKON

Beispielsweise bildet Magnesium in Kontakt mit einem edle-ren Metall in Wasser Magnesium-Kationen Mg2+. Die dabeifreiwerdenden Elektronen fließen durch das edlere Metall indas Wasser ab und lassen damit an einer anderen Stelle Was-serstoff H2 sowie Hydroxid-Ionen OH� entstehen. Damitkann sich nicht direkt ein „Schutz“ aus Magnesiumhydroxidauf dem Magnesium bilden, es findet keine Passivierung statt.Dies findet auch in Heater Meals Anwendung: man kann miteinem starken Magneten zeigen, dass im Originalproduktneben Magnesium auch Eisen enthalten ist.

Literatur[1] Der Bezug ist z.B. unter www.dauerbrot.de mçglich (letzter Zugriff:

01.09.2013). Eine Mahlzeit kostete 2013 ca. 6 E plus Versand. Damitl�sst sich das gesamte Unterrichtsvorhaben durchf�hren.

[2] Schwab, M. (2002). Der „Heater“, Ein neues Unterrichtsprojekt.NiU-Ch 69, 43–44.

[3] Leisen, J. (2011). Aufgabenstellungen und Lernmaterialien ma-chen�s. Unterschiede zwischen kompetenzorientiertem und traditio-nellem Unterricht. Unterricht Physik 123/124, 11–17.

[4] Kernlehrplan f�r die Sekundarstufe II Gymnasium/Gesamtschule inNordrhein-Westfalen, Chemie, MfSW NRW (Hrsg.) (2013). 1. Aufl.D�sseldorf, S. 28, 40 f.

[5] Versuchsvarianten und Vorschl�ge f�r Gef�hrdungsbeurteilungenfindet man unter www.lncu.de (letzter Zugriff: 01.09.2013).

[6] Die Funktionsweise des Lokalelements mit dem US Patent wirdz.B. erl�utert unter http://www.on-line-foods.com/tech_paper/AKS-hah.pdf, letzter Zugriff 30.03.2014).

Eingegangen am 14. M�rz 2014Angenommen am 2. April 2014Online verçffentlicht am 16. April 2014

Selbsterw�rmende Body Heater – Beispiel einerkompetenzorientierten experimentellen Aufgabenstellungmit Alltagsrelevanz in der SIHinf�hrung zum Oxidationsbegriff am Beispiel der Reaktionvon Eisen mit dem Sauerstoff der Luft

Wer schon einmal leidvolle Erfahrungen mit R�ckenschmer-zen hatte oder im Winter nicht frieren wollte, der kennt sievielleicht: selbsterw�rmende P�ckchen oder Kissen wie Ther-maCare�, BodyWarmer, Hand- oder Fußw�rmer (Abb. 9).

Die Funktionsweise ist leicht erkl�rt: Die Kissen sind luftdichtverpackt und enthalten neben Aktivkohle vor allem fein ver-teiltes Eisen. Beim �ffnen der Kunststoffverpackung tritt Luftdurch die Membran ein und es kommt – beg�nstigt durcheine w�ssrige Salz-Lçsung – schnell zu einer exothermen Re-aktion zwischen Eisen und Luftsauerstoff, bei der letztlichRost entsteht.

Diese Reaktion l�sst sich an verschiedenen Stellen im Unter-richt gewinnbringend einsetzen, u.a. bei der Einf�hrung desOxidationsbegriffs als Reaktion mit Sauerstoff.Daneben kann man an diesem Kontext mit Hilfe einer Lern-aufgabe prozessbezogene Kompetenzen vor allem aus den Be-reichen der Erkenntnisgewinnung, aber auch der Kommunika-tion entwickeln. Ausgehend von einem fiktiven LeserbriefM j1 und unterst�tzt durch den online verf�gbaren Werbespotuntersuchen Sch�lerinnen und Sch�ler materialgest�tzt dieFunktionsweise eines „Bodyw�rmers“. Experimentierboxenmit Kunststoffspritzen f�llt dabei eine wesentliche Rolle zu.Entscheidend ist die einfache Handhabbarkeit und der damitverbundene hohe Aufforderungscharakter zur Entwicklung ei-gener Lçsungen. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass dieSpritzen bei der Reaktion mit Gasen nicht nur einen flexiblenReaktionsraum, sondern gleichzeitig auch ein Messger�t dar-stellen. Das Verschwinden des Gases wird damit sichtbar unddie Volumen�nderung zugleich quantifizierbar – bei gleichzei-tiger Messung der Energieabgabe und abschließender Beob-achtung der Entstehung eines neuen Stoffes (Rost), Abb. 10.

M j1 Leserbrief aus der Apothekenrundschau

Aufgrund meines Berufs habe ich h�ufig mit schmerzhaftenVerspannungen im Nackenbereich zu tun. Aus der Werbunghabe ich von der lindernden Wirkung selbsterw�rmenderPflaster erfahren, die mich interessierten. Nachdem ich dieseerprobt habe, bin ich ganz angetan, w�rde aber nun gerne er-fahren, wie sie eigentlich genau funktionieren und wie es mitder Wiederverwertung oder Entsorgung aussieht. W�ren Sieso freundlich mir weiter zu helfen?Schon einmal herzlichen Dank.Susanne Musterfrau, KçlnHinweis: Die ausf�hrliche Beschreibung der Lernaufgabe dieses Info-kastenswurde in NiU-Ch zur Verçffentlichung angenommen.

Abb. 9: Produktpalette

Abb. 10: Reagierender Feststoffin Papier eingewickelt, Gas �berDreiwegehahn aus zweiter Sprit-ze hinzugeben, mit Isolierungummanteln und Temperaturmessen.

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AUS DER SCHULE Bçhm, von Borstel