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„Experimentelle Zugänge zu schulrelevanten Themen der anorganischen, orga- nischen und physikalischen Chemie“ SS 2022 Name des Versuchs : LED-Leuchtstoff
1. Gefährdungsbeurteilung Name (ggf. Konzentration) SuFo Masse/ Volumen GHS-Pikto- gramme [1] H- und P-Sätze [2] Aluminiumnitrat- nonahydrat Al(NO 3 ) 3 * 9 H 2 O 3,46 g Gefahr
H
P280, P305, P351,
P338, P
Cer(III)-nitrathe- xahydrat Ce(NO 3 ) 3 * 6 H 2 O 0,02 g Gefahr
H272, H318, H
P210, P273, P280,
P305, P351, P338,
P310, P370, P378,
P 501
Yttrium(III)-nit- rathexahydrat
Y(NO 3 ) 3 *
6 H 2 O
0,81 g Gefahr
H272, H315,
H319, H
P210, P220, P305,
P351, P338, P405,
P
Harnstoff CO(NO 2 ) 2 2,20 g - - Gefährdung : Schutzkittel und Schutzbrille sollten getragen werden. Bei Kontakt mit Haut und Augen gründlich ab-/ausspülen. Mit der Mikrowelle im Abzug arbeiten. Entsorgung : Schwermetallabfall
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**2. Reaktionsgleichung [3]
- Durchführung [4]**
- In einem Becherglas werden in 1 mL Wasser o 0,81 g Yttrium(III)-nitrathexahydrat o 3,46 g Aluminium(III)-nitratnonahydrat und o 0,02 g Cer(III)-nitrathexahydrat gelöst und daraufhin 2,20 g Harnstoff bei 60 °C hinzugegeben.
- Hotspots mit hoher Energiedichte werden ausfindig gemacht (mit Thermopa- pier)
- 0,75 mL der hergestellten Lösung wird in einem vorgewärmten Porzellantiegel gefüllt und auf die Kristallisierschale in den Sand gestellt (auf den ausfindig gemachten Hotspot) → Mikrowelle einschalten
- Reaktion ist beendet, wenn ein gelb-grünes Leuchten beobachtet werden konnte
- Tiegel wird herausgenommen und nach dem Abkühlen in einem Mörser zer- kleinert → gemörserter Feststoff wird mit Klebstoff vermischt und auf eine von zwei blauen LEDs aufgetragen 4. Beobachtung In der Mikrowelle fand eine Reaktion mit grellem grün-gelben Leuchten statt, bei der es zu einer großen Dampfbildung kam. Der hergestellte Leuchtstoff wurde auf eine blaue LED aufgebracht, die dann weiß leuchtete.
dotierte Halbleiter aus dem Physikunterricht sein. Die Konvertierung der Wellenlänge von Licht aus der Absorption und nachfolgender Emission wäre hier also die Sachstruktur. Fehlerquellen Bei der Herstellung der Lösung sind die verschiedenen Mengenangaben hinsichtlich des Dotierens relevant für die Qualität des Leuchtstoffs, weshalb genaues Abwiegen sehr wichtig ist. Außerdem kann es passieren, dass zu viel Wasser aus der Aus- gangslösung verdampft. Eine weitere Fehlerquelle kann die Mikrowelle darstellen, die nur in Intervallen Mikro- wellen abgibt und keine permanente Energiezufuhr erzielt. Im letzten Schritt kann ein zu dickes Auftragen der Leuchtschicht dazu führen, dass zu wenig Licht emittiert wird. Fachdidaktische Analyse [6] Kurs Überthema Unterpunkt zweistündig 3.3.4 Elektrische Energie und Chemie 3.3.4.4 Redoxreaktionen vierstündig 3.4.7 Elektrochemie 3.4.7.1 Oxidation, Reduktion, Redoxpaare 3.4.8 Chemie in Wissenschaft, For- schung und Anwen- dung 3.4.8.2 anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung am Beispiel einer ausge- wählten Stoffgruppe aus wissenschaftshistori- scher, aktueller und zukunftsorientierter Per- spektive erläutern Mit dem Versuch können Redox-Reaktionen eingeführt werden, die in der Oberstufe in beiden Kursen im Bildungsplan vorgesehen sind. Damit die Schülerinnen und Schüler die genauen Vorgänge verstehen (können), müssen sie die Grundkenntnisse von Redox-Reaktionen erklären können und die jeweiligen Teilchengleichungen auf- stellen können. Da die Redoxgleichungen durchaus sehr umfangreich sind, sollten Lehrerinnen und Lehrer den Schülerinnen und Schüler Hilfestellung geben. Der Ver- such bietet zusätzlich eine nachhaltige und innovative Komponente, weshalb er auch für Wissenschaft, Forschung und Anwendung geeignet ist.
Fachdidaktische Reflexion Chemie spielt bei erneuerbaren Energien und Nachhaltigkeit eine große Rolle. Dieser Versuch kann durchaus ein Einstieg in Redoxreaktionen sein, er eignet sich aber auch gut für nachhaltige Themenbereiche aller Naturwissenschaften, da die Chemi- kalien kostengünstig und ergiebig sind und keine besonderen Messinstrumente be- nötigt werden. Es müssen auch keine großen Apparaturen aufgebaut werden und es ist auch schon möglich, die Lösung während der Unterrichtsvorbereitung anzusetzen. Die einfache Durchführung und die deutlich erkennbaren und sichtbaren Ergebnisse sprechen also für die Verwendung des Versuchs. Sensibilisierung von Themen wie der Abbau von seltenen Erden und deren Recycling ist ein wichtiger Baustein eines fortschrittlichen und zukunftsweisenden Chemieunterrichts. Die Herstellung eines Leuchtstoffs und im weiteren Sinne auch die Herstellung neuer Leuchtmethoden (LEDs) im Hinblick auf ökologische und ökonomische Faktoren spielt somit auch in Chemie eine wichtige Rolle. Literatur [1] GHS-Piktogramme https://www.reach-compliance.ch/ghsclp/neuegefahrenpikto- gramme/ (aufgerufen am 16 .05.2022) [2] H- und P-Sätze https://gestis.dguv.de/ (aufgerufen am 16 .05.2022) [3] ChemDraw Professional https://uni-tuebingen.de/einrichtungen/zentrum-fuer-da- tenverarbeitung/dienstleistungen/clientdienste/software/chemdraw-professional/ (auf- gerufen am 30.05.2022) [4] Diekemper, D., Schnick, W. and Schwarzer, S. (2021), Aus blau wird weiß - Bei- trag der Chemie zu einer nachhaltigen Beleuchtung am Beispiel eines LED-Leucht- stoffs. CHEMKOM. https://doi.org/10.1002/ckon.202000033. (aufgerufen am 30 .05.2022) [5] Duit, R. (2004). Didaktische Rekonstruktion. http://hans-otto.carme- sin.org/images/script1/PikoBrief2didRekDuit.pdf (aufgerufen am 30.05.2022) Vorlesung „Fachdidaktik 1/Didaktik der Chemie“ SS 2022, Sitzung 3 (Didaktische Re- konstruktion und Didaktische Reduktion, Prof. Dr. Stefan Schwarzer, Folie 8 - 10 [6] Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg (2016). Bildungs- plan des Gymnasiums Chemie.
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