SV mit Lernaufgabe

Kontext

In Outdoor-Läden werden für Trekking-Touren spezielle Heizbeutel angeboten, um Essen einfach ohne Kocher unterwegs zu erwärmen. Dabei gibt es verschiedene Ausführungen. In dem vorliegenden Heizbeutel wird Wärme bei Korrosionsvorgängen freigesetzt.

Aufgaben

1. Planen Sie ein Experiment, um die Frage von Johann zu klären (M1 und M2). Erstellen Sie eine Versuchsskizze für Ihren geplanten Versuch. Besprechen Sie Ihre Versuchsidee vor der praktischen Durchführung mit Ihrer Lehrkraft hinsichtlich der Gefahrenquellen und Sicherheitsbestimmungen. Beantworten Sie mit Hilfe Ihrer Versuchsbeobachtungen die Frage von Johann.

2. M3 enthält Informationen über die Füllung des Heizbeutels. Ergänzen Sie die Felder in der Abbildung, um die durch die Wasserzugabe ausgelöste chemische Reaktion zu veranschaulichen.

   

   Reaktionen an der Magnesium-Eisen-Legierung

   Begründen Sie, dass es sich bei der Reaktion um eine Redoxreaktion handelt. Kennzeichnen Sie in der Abbildung Anode und Kathode. Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die an Anode und Kathode stattfindenden Teilreaktionen. Ordnen Sie die Begriffe Oxidation, Reduktion zu.

3. Die Funktionsweise des Heizbeutels soll genauer untersucht werden. Führen Sie hierzu folgende Experimente durch:

   • Weisen Sie die Chlorid-Ionen in der Pulver-Mischung aus dem Heizbeutel nach (M 4).
   • Zeigen Sie, dass im Heizbeutel zwar Eisen vorhanden ist, dieses aber bei der Reaktion im Heizbeutel nicht korrodiert. Gleichwohl korrodiert Eisen in Salzwasser (M 4 und M 5).
   • Geben Sie in eine Petrischale mit Wasser ein Stück abgeschmirgeltes Magnesiumband und einige Tropfen Phenolphthalein. Beobachten Sie. Berühren Sie nun das Magnesiumband mit einem Eisennagel und beobachten Sie erneut. Geben Sie eine Spatelspitze Kochsalz in das Wasser und beobachten Sie weiter (M 4 und M 6)
   

   Beschreiben Sie unter Verwendung von Fachbegriffen die Rollen des Eisens und des Kochsalzes im Heizbeutel

M 1 Ausschnitt aus einem Trekking-Forum, Beitrag von Johann

Ich habe mir für meinen Trekking-Urlaub in Norwegen selbst erhitzende Mahlzeiten gekauft. Dazu muss ich das verpackte Essen einfach in die Tüte des Heizbeutels stecken und 50 mL Wasser hinzufügen. Nach 12 Minuten ist mein Essen warm. So kann ich bequem ohne Campingkocher wandern und brauche auch kein gefährliches Feuer mehr entfachen. Doch nun habe ich gehört, dass beim Erwärmen der Mahlzeit im Heizbeutel auch ein explosives Gas und eine Lauge entstehen. Stimmt das?

M 2 Schülerexperiment

Materialien

• 2 kleine Reagenzgläser
• Pipette
• Teelicht
• Feuerzeug
• Spatel
• Reagenzglasständer

Chemikalien

• Phenolphthalein-Lösung (<1%)
• dest. Wasser
• Pulver aus dem Heizbeutel

M 3 Produktbeschreibung

Im US Patent 3942511 von 1976 findet sich eine Illustration der im Heizbeutel verwendeten Magnesium-Eisen-Legierung mit folgender Beschreibung:

When magnesium and iron are fastened together in intimate contact and immersed in seawater, a galvanic couple is formed. Under such conditions, the magnesium corrodes at a greatly acceletared rate. The reaction is exothermic.

Each pocket is filled with a powder mixture of Mg-Fe alloy, NaCl, antifoaming agents, and an inert filler. This powder mixture reacts exothermically in the presence of water.

Bild und Text: Black, S A; Jenkins, J F; "Powdered metal source for production of heat and hydrogen gas." (US 3942511) via osti.gov

M 4 Nachweisreaktionen

Materialien

• 2 Reagenzgläser
• kleines Becherglas
• zweigeteilte Petrischale
• Petrischale
• Pipette
• Spatel
• Reagenzglasständer
• Magnet

Chemikalien

• Silbernitrat-Lösung
• dest. Wasser
• Pulver aus dem Heizbeutel
• Eisenpulver
• Eisennagel
• Magnesiumband, geschmirgelt
• Kochsalz
• Kaliumhexacyanidoferrat(III)

Zu einer Lösung des Pulvers aus dem Heizbeutel gibt man einige Tropfen Silbernitrat-Lösung. Ein weißer, käsiger Niederschlag deutet auf die Anwesenheit von Chlorid-Ionen.

M 5 Nachweis von Eisen(II)-Ionen

Kaliumhexacyanidoferrat(III) wird zum Nachweis von Eisen(II)-Ionen verwendet. Die Blaufärbung einer Lösung aus Kaliumhexacyanidoferrat(III) ist ein Nachweis für Eisen(II)-Ionen.

M 6 Passivierung

Passivierung bezeichnet das Entstehen von reaktionsträgen Oberflächen auf normalerweise reaktionsfreudigen Metallen. Magnesium müsste entsprechend seines Standardpotenzials (E⁰ = –1,26 V) von Wasser leicht oxidiert werden. Allerdings bildet Magnesium in Wasser eine schützende Schicht aus schwer löslichem Magnesiumhydroxid aus, das sich als weiße Substanz an der Oberfläche des Magnesiums ablagert und somit das Magnesium vor Korrosion schützt (Passivierung).