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Dichte - Teil II

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Dichte – Teil II

Sachanalyse
Ein und derselbe Stoff kann unterschiedliche Dichten aufweisen. Beim Erwärmen dehnt er sich in der Regel aus und sein Volumen nimmt zu. Da seine Masse gleich bleibt wird seine Dichte geringer. Je höher die Temperatur des Stoffes, desto geringer wird die Dichte. Beim Erkalten ist es umgekehrt: Die Dichte nimmt mit abnehmender Temperatur stetig zu.
Phänomene im Alltag, die ein Hinweis darauf sind:

  • Aluminiumfenster oder –türen schließen manchmal an heißen Tagen schlecht, da sich das Aluminium ausgedehnt hat und das Fenster dann verzogen ist.
  • Brücken haben Dehnungsfugen.

Ein Stoff bildet eine wichtige Ausnahme von dieser Regel: das Wasser. Es hat seine höchste Dichte bei 4°C. Bei weiterem Abkühlen nimmt die Dichte (im Unterschied zu fast allen anderen Flüssigkeiten) wieder ab (siehe Tab. 2), was man die Dichteanomalie des Wassers nennt. Wasser, das kälter als 4°C ist, schwimmt somit über dem 4°C kalten Wasser.

Temperatur in °C

Dichte in g/mL

0 (Eis)

0,9168

4

1,0000

20

0,9982

100

0,9584

Tab. 2: Dichte von Wasser bei verschiedenen Temperaturen


Alltagsphänomene der Dichteanomalie des Wassers:

  • Eiswürfel oder Eisberge schwimmen auf der Wasseroberflächen
  • Eisschicht auf dem See schwimmt auf der Wasseroberfläche
  • 4 °C kaltes Wasser sinkt immer unter kälteres bzw. wärmeres Wasser (beim Schmelzen eines Eiswürfels sind die „Schlieren“ des kalten Wassers zu beobachten, das nach unten sinkt)
  • Wenn Wasser in einer geschlossenen Flasche zu Eis erstarrt, platzt diese.
  • Straßen bekommen im Winter Risse, wenn Wasser in Ritzen läuft und dort erstarrt.
  • Wasserrohre platzen, wenn in ihnen Wasser erstarrt.

Didaktische Anmerkungen:
Aus den Alltagserfahrungen ist die Dichteanomalie des Wassers gar keine Anomalie, sondern die Normalität. Wenn man dies thematisieren möchte, muss die Besonderheit des Wassers deutlich werden. Als Vergleich kann man z.B. festen Wachs in flüssigen Wachs geben, der dann absinkt. Wenn man in der Grundschule einen schwimmenden Eiswürfel beobachtet kann das Thema Dichte wiederholt werden.


Dichte

Eisberge schwimmen

Geräte und Stoffe

  • Aquarium oder große Schale
  • Leitungswasser
  • Eiswürfel
  • (Salz)

Durchführung

In ein Aquarium mit Leitungswasser werden Eiswürfel gegeben.
Alternative: Um das Schwimmen von Eisbergen auf dem Meer realitätsnäher zu gestalten, kann man auch „Meerwasser“ herstellen und den Eiswürfel hineinlegen.

Beobachtung

Der Eiswürfel schwimmt auf dem Wasser (und auf „Meerwasser). Ein Teil von ihm ragt über die Oberfläche hinaus, der größere Teil befindet sich allerdings unter Wasser.

Erklärung

Leitungswasser hat eine Dichte von 1,00 g/mL. Nordseewasser hat aufgrund seines Salzgehaltes eine etwas höhere Dichte. Eis (festes Wasser) hat aufgrund der Dichteanomalie des Wassers eine geringere Dichte (0,92 g/mL) als flüssiges Wasser und schwimmt daher auf Süß- als auch Salzwasser.

Anmerkung

Von einem Eisberg ragen nur ca. 10 % aus dem Wasser heraus. Der größte Teil befindet sich unter der Meeresoberfläche. In kaltem Meerwasser sinkt ein Eisberg etwas weniger tief ein (siehe Versuch „Dichte abschätzen“) als in warmem Wasser, da Salzwasser mit abnehmender Temperatur eine höhere Dichte hat. Dabei zeigt das Meerwasser nicht die Dichteanomalie des Süßwassers, d.h. es hat seine maximale Dichte nicht bei 4°C, sondern kurz vor dem Erstarren. Eisberge können für Schiffe sehr gefährlich sein (siehe Titanic). Sie können riesige Ausmaße annehmen. So wurde 1987 ein Eisberg entdeckt, der 153 km lang und 36 km breit war.

Konzepte

Stoffe haben Eigenschaften (Dichte). (Aggregatzustände)



Quelle:
Bader, H.J.; Drechsler, B.; Gerlach, S. (1999): Stärkung durch Kompetenz – Naturwissenschaftliche Inhalte im Sachunterricht unterrichten. Frankfurt.

Geräte und Stoffe

  • 3 Gläser mit Skalierung
  • Haushaltswaage
  • Salz
  • Leitungswasser

Durchführung

Als erstes wird von jedem Glas die Masse notiert. In einem weiteren Glas wird eine gesät-tigte Salzlösung hergestellt. Dann füllt man in ein Glas genau 200 mL Leitungswasser und in das andere Glas dekantiert man exakt 200 mL gesättigte Kochsalzlösung. Anschließend werden beide Gläser gewogen und die Differenz berechnet.

Beobachtung

200 mL Leitungswasser wiegen 200 g. 200 mL gesättigte Kochsalzlösung wiegen 234 g.

Erklärung

Die Dichte berechnet man aus Masse durch Volumen. Wenn man Masse und Volumen misst, kann man daraus die Dichte berechnen. Am besten führt man diesen Versuch mehrmals z.B. in Gruppen durch, so dass man mehrere Ergebnisse erhält. Die Ergebnisse schwanken je nach Genauigkeit der Durchführung.

Bild

Leitungswasser hat eine Dichte von 1,00 g/mL. Gesättigte Kochsalzlösung hat eine Dichte von 1,18 g/mL.

Anmerkung

Berechnungen können in der Grundschule natürlich nicht durchgeführt werden. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die gesättigte Salzlösung und das Wasser bei gleichem Volumen unterschiedlich viel wiegen. Der Fachbegriff des Volumens sollte je nach Vorkenntnissen benutzt werden, alternativ kann auch von „Größe“ oder „Raum“ geredet werden.

Konzepte

Stoffe haben Eigenschaften (Dichte).

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