Am 1. März besuchte wir (der kleine, aber feine Chemie-Vorleistungskurs der E-Phase) zusammen mit unserem Chemielehrer Herr Bönicke das Goethe-Schülerlabor der Goethe Universität Frankfurt zum Themenbereich der Mikrowellenchemie. Hier wollen wir nun von dem Ablauf, den Eindrücken, den interessanten Informationen und dem neu dazugewonnen Wissen berichten.

Wir trafen uns um 8:45 Uhr vor dem Otto-Stern-Zentrum in Frankfurt auf dem Campus Riedberg und betraten gemeinsam das Institut der Chemiedidaktik, wo wir unsere Betreuer kennenlernten.

Nach einer kurzen Sicherheitsbelehrung im Schülerlabor bekamen wir alle ein Skript, in welchem alle unsere Experimente aufgeführt und mit Aufgaben ausgestattet waren. Danach konnten wir uns in Zweier-Gruppen frei aussuchen, mit welchem der acht Experimente wir uns zuerst beschäftigen wollen.

Für jedes der Experimente war ein Mikrowellenofen (umgangssprachlich Mikrowelle) notwendig. Dafür wurden uns drei 700W-Haushaltsmikrowellen zur Verfügung gestellt. Wir lernten nun die Funktion bzw. Wirkungsweise der Mikrowellen, wie zum Beispiel die sogenannten hot spots kennen. Danach durften wir auch mit Metallen in der Mikrowelle arbeiten, wobei viele Funken flogen.

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Zusatzinformation – hot spots

(Experiement: Imhomogenität des Mikrowellenfeldes)

Durch Reflexion der Mikrowellenstrahlung an den Innenwänden des Mikrowellenofens kommt es zur Überlagerung der Mikrowellenstrahlung im Mikrowellenfeld und damit zu unterschiedlich starken Strahlungsbereichen. Infolgedessen entstehen sogenannten hot spots (die schwarzen Flecken auf dem Bild). Eine Erwärmung in der Mikrowelle würde daher nur in diesen Bereichen stattfinden. Der Drehteller in der Mikrowelle sorgt jedoch für die gleichmäßige Erwärmung.

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Zusätzlich dazu wurde uns das AST-Element (Aktivkohle Suszeptor Tiegel) vorgestellt, mit welchem es möglich ist, in einem Haushaltsmikrowellenofen Temperaturen von bis zu 1300°C zu erreichen. Diese Temperatur ist für die Experimente nötig, um u.a. chemische Bindungen zu spalten. Das ist mit der bloßen Mikrowelle sonst nicht möglich, da die Energie eines Mikrowellenquants dazu nicht ausreicht.

Das AST-Element besteht aus einem Tontopf, der mit Mörtel ausgekleidet ist. Hinein wird dann Aktiv-kohle gegeben. Ein Porzellantiegel wird darin platziert und mit weiterer Aktivkohle ummantelt.

Die Erwärmung in der Mikrowelle beruht auf der Möglichkeit der Anregung von Elektronen und Dipol-Molekülen (wie bspw. Wasser-Moleküle). Diese Anregbarkeit wird Suszeptoreigenschaft genannt. Wird also Essen in der Mikrowelle erwärmt, so wird die Molekülschwingung von Dipol-Molekülen und Molekülen mit freien Elektronen im Essen angeregt. Zwischen den Molekülen entsteht eine Reibung, wodurch Energie im Hochfrequenzbereich absorbiert wird. Diese wird in Wärmeenergie umgewandelt, sodass das Essen dann warm wird. Auch die Aktivkohle bzw. Kohlenstoff im Allgemeinen hat eine solche Suszeptoreigenschaft. Freie Elektronen in der Aktivkohle werden durch die Mikrowellenstrahlung angeregt. Es kommt zur Absorption von Hochfrequenzenergie und infolgedessen zur Umwandlung dieser in Wärmeenergie.^[1] So werden mit der Aktivkohle die hohen Temperaturen in der Mikrowelle (bis ca. 1300°C) erreicht.

Das AST-Element und den dadurch gewonnen Vorteil, hohe Temperaturen erreichen zu können, nutzten wir dann, um farbiges Glas, Glockenbronze, Gelbmessing und elementares Kupfer aus Kupfer(II)oxid herzustellen. Dabei konnten wir u.a. unser Wissen im Bereich der Redoxreaktionen an-wenden. Metalle, die noch verschmutzt waren, konnten wir dann mithilfe der partiellen Oxidation in Ethanol selbstständig aufreinigen. Dadurch wurde uns bereits ein kleiner Vorgeschmack auf Themen der Q-Phase im nächsten Schuljahr gegeben.

Alle selbsterstellten Produkte aus den Experimenten durften wir mitnehmen.

Kupfer (links), Gelbmessing (mittig), Glockenbronze (rechts)

Die Betreuer fütterten uns, während wir experimentierten, außerdem noch mit Zusatzinformationen und „Fun facts“. Wussten Sie zum Beispiel, dass der Unterschied zwischen einer CD und einer Blu-Ray der Laser ist, der die Daten „ausliest“? Und wussten Sie, dass es neben Gasen, Feststoffen und Flüssigkeiten noch das Plasma (vierter Aggregatzustand) gibt? Uns wurde sogar gezeigt, wie man dieses schnell und einfach, natürlich in einer Mikrowelle, selbst erzeugen kann. Es braucht nur die richtigen Bedingungen.

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Zusatzinformation – Blu-Ray-CD

Der Unterschied ist die Art, wie sie „gelesen“ werden und somit, wie dicht sie die Daten komprimiert speichern können. Während die CD mit einem roten Laser (Wellenlänge: 800nm) gelesen wird, wird die Blu-Ray mit einem blauen Laser (Wellenlänge: 400nm) gelesen.

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Darüber hinaus lernten wir nicht nur die Mikrowelle, das AST-Element oder andere chemische Prozesse näher kennen, sondern konnten uns auch über ein Studium informieren. So konnten wir z.B. mit einer Betreuerin über das Studium der Biologie und ein Studium im Generellen, aber auch an der Goethe Universität in Frankfurt sprechen.

Nach unserer Abschluss- und Feedbackrunde ging der gesamte Chemie-Vorleistungskurs noch in die Mensa des Otto-Stern-Zentrums. Dort aßen wir zusammen Mittag. Dabei tauschten wir uns ergiebig über die Schule, und auch darüber, was noch auf uns zu kommt, aus.Der Tag hat uns allen sehr viel Spaß gemacht und wir kommen gerne wieder!

Der Chemie-Vorleistungskurs der E-Phase

v.l.n.r.: Herr Bönicke (Chemielehrer), Kilian Lindt, Emily Diefenbach, Duy Tran-Quoc, Aaron Franzmann

Quelle:

¹ Lühken, Arnim (2005). Ultraschall und Mikrowellenstrahlung im Chemieunterricht Entwicklung und Erprobung einfacher Experimente zum nichtklassischen Energieeintrag. S. 41.