4. Farbreihe und Papierchromatographie

Diese Doppelstunde findet nach den Weihnachtsferien statt. Zuerst erzählen die Kinder über Erlebnisse von Silvester, die dann in Verbindung mit Chemie gebracht werden.
Anschließend werden die Sicherheitsregeln wiederholt und entsprechende Maßnahmen für das folgende Lehrerexperiment –die Farbreihe– und die Schülerversuche –die Papierchromatographie- getroffen.
Bevor die Vorführung des Lehrerexperimentes beginnt, werden die benötigten Materialien vorgezeigt und beschrieben.
Dieser Lehrerversuch stellt das Phänomen der Farbentwicklung in farblosen Flüssigkeiten vor. Eine Reihe nahezu farbloser Flüssigkeiten wird durch Umgießen in bunte Flüssigkeiten umgewandelt.
In Form von Schülerexperimenten können die Schüler anschließend durch eine Papierchromatographie die subtraktive Farbmischung ihrer Filzstifte untersuchen.

4.1 Klassengespräch und Lehrerexperimen "Farbreihe "
4.1.1 Grundüberlegungen zur Didaktik des Gespräches und des Lehrerexperimentes
Die didaktischen Grundüberlegungen zu der Methode des Gespräches, des Vorzeigens und des Lehrerexperimentes sind bereits in dem Kapitel III: "2. Einführung des Themas "Chemie" in der ersten Klasse" aufgezeigt worden und haben ebenfalls für diese Stunde ihre Gültigkeit.
Das Gespräch zeigt, dass viele Kinder sich in den vorangegangenen Weihnachtsferien mit chemischen Inhalten beschäftigt haben.
Die Schüler scheinen für die Chemie im Alltag sensibilisiert worden zu sein. Die Schülerexperimente zur Kerzenverbrennung und den Flammenfärbungsversuch haben viele Kinder in der Weihnachtszeit und an Silvester in ihrer eignen Lebenswirklichkeit wiederentdecken können. Die in der Schule entwickelten Erkenntnisse zu chemischen Phänomenen können sie folglich auf ihre außerschulischen Erfahrungen, z. B. an Silvester, übertragen.
Das folgende Lehrerexperiment soll den Auslöser für die Beschäftigung mit einem weiteren Phänomen der Chemie sein. Nach den chemischen Phänomenen zum "Feuer" erfolgen in dieser Doppelstunde Phänomene zum Themenbereich "Farbe".

4.1.2 Voraussetzungen und Vorbereitungen der Farbreihe
Das Experiment zur Farbreihe wird mit Säuren und Laugen durchgeführt. Dies ist ein Grund dafür, dass dieser Versuch in einer ersten Klasse nur in Form eines Lehrerexperimentes stattfinden kann. Die benötigten Säuren und Laugen sind für den Kontakt mit den Schülern zu gefährlich. Auch die Lehrperson sollte auf jeden Fall eine Schutzbrille tragen.
Für das Gelingen des Experimentes ist eine sorgfältige Vorbereitung bezüglich der Chemikalienkonzentrationen erforderlich, damit eine schöne und effektvolle Farbreihe entstehen kann. Die genaue Verdünnung der einzelnen Substanzen muss vorher im Labor oder im Vorbereitungsraum getestet und abgefüllt werden.
Es muss darauf geachtet werden, dass die Schüler auch während der Versuchsdurchführung nicht mit den Chemikalien in Berührung kommen können.

4.1.3 Materialliste für die Farbreihe
Werkzeuge aus dem Labor:

Chemikalien aus dem Labor:

4.1.4 Didaktischer Kommentar zu dem Lehrerexperiment "Farbreihe"
Bunte Farben begeistern Kinder schon vor Eintritt in die Schule. In der Natur werden besonders die Pflanzen und Tiere bewundert, deren Aussehen aus intensiven und bunten Farben besteht.
Überall und zu jederzeit begegnen dem Kind in seinem Leben Farben allerart. Das heißt: Jede Umgebung bietet zahlreiche Reize, um dieses Thema aufzugreifen.
Schon im frühen Kindesalter werden Lieblingsfarben herausgebildet. Sie stellen einen individuellen Ausdruck für die Kinder dar. Das abstrakte Thema der Farben hat folglich ebenfalls eine sehr emotionale Seite. Farben entscheiden darüber, ob etwas als häßlich oder schön empfunden wird. (Vgl. KAISER 1996b, 21.)
Durch die reichhaltigen Farberscheinungen in der Natur entwickeln die Kinder schon früh eine besondere Verbindung und Bewunderung für das Thema Farben.
Farben sind für die Menschen aber auch Merkmale, durch die Dinge dieser Welt unterschieden, geordnet und benannt werden können.
Die Entstehung ausdrucksstarker Farben aus vorher farblosen Flüssigkeiten soll die Schüler begeistern und dazu führen, dass die Chemie sie fasziniert.

4.1.5 Nachteile und Schwächen des Lehrerexperimentes "Farbreihe"
Da die Chemikalien z.T. giftig sind, ist eine besondere Vorsicht im Umgang mit ihnen innerhalb des Klassenzimmers erforderlich.
Von dem Verhalten der Schüler hängt es größtenteils ab, ob erstaunliche Versuche mit gefährlicheren Chemikalien in der Klasse stattfinden können.

4.1.6 Durchführung der Farbreihe im Unterricht
Diese Doppelstunde findet nach den Weihnachtsferien statt, so dass zunächst Erlebnisse von Weihnachten und überwiegend von Silvester in Form eines Klassengespräches ausgetauscht werden.
Die Kinder berichten ausführlich von den Silvesterknallern und- raketen. Besonders begeistert sind sie von den Farben und dem Feuer. Den Zusammenhang von Silvester und der Chemie erklären die Schüler über die Farben und Geräusche des Feuerwerkes. Weitere Vermutungen der Kinder sind, dass das Plastik der Hüllen und die Glitzerstücke in der Luft ebenfalls von Chemikern hergestellt worden seien.
Die Gefahren, die das Abbrennen eines Feuerwerkes in sich bergen kann, sind den Schülern durch die Medien und eigenen Erfahrungen nach der Silvesternacht besonders genau im Gedächtnis. Einige Kinder erinnern sich an die Sicherheitsregeln und daran, wie wichtig es ist, diese einzuhalten.
An dieser Stelle erfolgt eine gemeinsame Wiederholung der Sicherheitsvorschriften. Anschließend werden die mitgebrachten Materialien, die für das folgende Lehrerexperiment auf dem Pult aufgebaut sind, vorgezeigt und beschrieben.
Wie schon in dem Klassengespräch über Silvester geäußert wurde, können Chemiker bunte Farben herstellen. Um dieses sinnlich erfassbar darzustellen, wird folgender Lehrerversuch demonstriert.

Versuchsaufbau:
Auf dem Pult sind sieben Bechergläser in einer Reihe aufgebaut. In jedes Becherglas füllt die Lehrperson eine der mitgebrachten Chemikalien.

  1. Becherglas mit: Kaliumhexancyanoferrat in destilliertem Wasser (farblos)
  2. Becherglas mit: Eisenchlorid in destilliertem Wasser (hellgelb)
  3. Becherglas mit: Natronlauge (farblos)
  4. Becherglas mit: Phenolphthalein in destilliertem Wasser (farblos)
  5. Becherglas mit: Salzsäure (farblos)
  6. Becherglas mit: Thymolblau in destilliertem Wasser (orange)
  7. Becherglas mit: Natronlauge (farblos)

Während des Füllens der Bechergläser mit jeweils einer Chemikalie äußern die Schüler Vermutungen darüber, welche Farben aus den fast farblosen Flüssigkeiten entstehen können, wenn man die Flüssigkeit des ersten Becherglases in das zweite umfüllt, diese Mischung dann in das dritte usw..

Versuchsverlauf:
Interessiert warten die Schüler auf die erste Mischung. Beim Umfüllen bleibt immer ein Rest der ursprünglichen Chemikalie im Becherglas. So entsteht eine bunte Farbreihe, und die Schüler können die Ergebnisse miteinander vergleichen.
Die Kaliumhexancyanoferratlösung in der Eisenchloridlösung ergibt eine dunkelblaue Farbe. Wird diese dunkelblaue Mischung dann in Natronlauge gegossen, verändert sie sich zu einer sehr hellgelben Mischung.
Beim Weiterfüllen in die Phenolphthaleinlösung entsteht ein intensives Pink.
Dann kommt die pinkfarbene Mischung in die Salzsäure und wird dort hellgrün.
Im sechsten Becherglas entsteht danach aus der grünen Flüssigkeit in Verbindung mit der Thymolblaulösung eine intensiv rote Flüssigkeit. Diese rote Flüssigkeit wird im letzten Becherglas, also in der Natronlauge, intensiv blauviolett.

Die Schüler sind von der bunten Farbreihe begeistert, und ihre Neugierde für chemische Farben ist geweckt. Das Herstellen schöner, bunter Farben aus vorher nahezu farblosen Flüssigkeiten ist Anlass für die Suche nach weiteren versteckten Farben.
Auf die Frage, wo in ihrer Schulumgebung Chemiker Farben hergestellt haben könnten, fallen den Schülern nach dem Malkasten sofort ihre Filzstifte ein. Die Untersuchung der Filzstifte auf versteckte Farben der Chemiker findet nun in Form von Schülerexperimenten statt.

4.1.7 Reflexion des Lehrerexperimentes
Der Redeschwall über die Erlebnisse an Silvester und ihre Verknüpfung mit der Chemie zeigt erneut, dass ein Interesse besonders im außerschulischen Bereich an chemischen Phänomenen besteht.
Die Begeisterung darüber, was Chemiker alles "zaubern" bzw. herstellen können, ist groß. Hat in den ersten Versuchen das Feuer die Faszination ausgelöst, so sind es in diesem Experiment die intensiven Farben, die durch zunächst nahezu farblose Flüssigkeiten hergestellt werden können.

4.2 Schülerexperimente "Papierchromatographie"
4.2.1 Sachinformationen zur Chromatographie
Filzstifte enthalten Chemiefarben, deren Mischung den Gesetzen der subtraktiven Farbmischung folgen. In der Papierchromatographie kann das Prinzip der subtraktiven Farbmischung demonstriert werden.
Ein Löschpapierstreifen wird an seinem unteren Rand mit einem Filzstiftstrich präpariert. Dann wird der Löschpapierstreifen so in ein Glas Wasser gehängt, dass zwar das Löschpapier das Wasser berührt, nicht aber der Farbstrich.
Dadurch, dass sich das Löschpapier von unten mit dem Wasser vollsaugt, zerfließt der Filzstiftstrich langsam. Da die Farben mit verschiedener Geschwindigkeit von dem Löschpapier absorbiert werden, trennen sich die Chemikalien, und die unterschiedlichen Farben werden sichtbar. Ist die Farbe des Filzstiftes eine Mischfarbe, wird deren Mischung durch die Chromatographie aufgelöst.
Da jede Herstellerfirma eine andere Farbmischung wählt, lässt sich keine allgemeingültige Aussage über eine bestimmte Zusammensetzung der Farben machen. Manche Farben bestehen auch nur aus einem Farbstoff. In diesem Fall sollte zusätzlich eine andere Farbe oder ein anderes Fabrikat ausprobiert werden.

4.2.2 Lernziel der Papierchromatographie
Nach der Beobachtung des Lehrerexperimentes sollen die Schüler eigentätig in Schülerversuchen die Erkenntnis entwickeln bzw. bestätigt finden, dass Chemiker Farben herstellen können.

4.2.3 Lernvoraussetzungen für die Papierchromatographie
Kinder befassen sich schon im frühen Alter –z. B. im Kindergarten- mit Farben. Sie bieten ihnen die Möglichkeit, sich in Form von Bildern auszudrücken.
Die meisten Schüler einer ersten Klasse haben schon etliche Bilder mit ihren Filzstiften kreiert. Die Kinder haben folglich selbständig die Erfahrung gemacht, dass beispielsweise ein grüner Filzstift mit der Farbe grün malt. Die Schlussfolgerung der Kinder hierzu ist, dass ein grüner Filzstift aus der Farbe grün hergestellt ist.
Das dem jedoch nicht so sein muss, d.h. dass Chemiker Farbmischungen für die Herstellung von Filzstiften verwenden, sollen die Schüler in der Papierchromatographie entdecken.

4.2.4 Materialliste für die Papierchromatographie

4.2.5 Didaktischer Kommentar zur Papierchromatographie
Kinder im Grundschulalter sind noch sehr intensiv damit beschäftigt, sich die Welt zu erschließen, d.h. sie für sich zu entdecken. Gerade die Thematisierung der Farben bietet viele Möglichkeiten, zu experimentieren und neue Erfahrungen zu machen. (Vgl. KAISER 1996b, 21.) So können die Kinder in diesen Schülerversuchen versteckte Farben sichtbar machen und zu einer differenzierteren Auffassung über ihre Filzstifte gelangen.
Die Erkenntnis, dass Chemikalien die Farbzusammensetzung der Filzstifte bestimmen, führt die Schüler zu der Einsicht, dass die Filzstifte nicht in den Mund genommen werden dürfen. Ein Teil der großen Spannweite des Tätigkeitsbereiches der Chemiker wird bei den alltäglichen Gegenständen der Kinder sichtbar.

Die Thematisierung der Farben im chemischen Bereich des Sachunterrichts bietet ebenfalls die Möglichkeit, fächerübergreifend tätig zu werden.
In dem Fach Kunst können beispielsweise die Farbzusammensetzungen des Tuschkastens untersucht werden. Dass Farben ebenfalls als Stimmungsträger wahrgenommen werden -es gibt warme und kalte Farben-, kann auch den naturwissenschaftlichen Bereich des Sachunterrichts mit dem sozialwissenschaftlichen Bereich verbinden. Farben werden vielfach zur politischen und kommerziellen Werbung eingesetzt und können auf ihren Einfluss auf die Meinungsbildung hin überprüft werden. (Vgl. KAISER 1996b, 22.)

In dem Versuch der Papierchromatographie wird eine Vorgehensweise verwendet, die sogar in der Kriminaltechnik von Bedeutung ist. Sie dient in der Form der Dünnschicht-Chromatographie beispielsweise der Überführung von Dokumentenfälschern. (Vgl. BLUME / KUNZE u.a. 1994, 44f.)

4.2.6 Methodische Überlegungen zur Papierchromatographie

Die Form der Partnerarbeit bietet gegenüber der Gruppenarbeit der vorangegangenen Versuche in diesem Schülerexperiment die Möglichkeit, dass jeder einzelne Schüler eine Chromatographie durchführen kann. Die Partner wechseln sich in der Durchführung ab, haben aber gleichwohl die Möglichkeit, zwei verschiedene Papierchromatographien zu beobachten und zu besprechen.
Eine Einzelarbeit kann dies nicht bieten und würde zusätzlich einen großen organisatorischen Aufwand bedeuten. Innerhalb der Partnerarbeit kann dennoch jeder Schüler ein eigenes Chromatogramm entwickeln, das dann zu einer weiteren Seite des Chemiebuches umgestaltet wird. (Siehe im Anhang: Chemiebuchseite 5.)

4.2.7 Mögliche Probleme und Schwierigkeiten der Papierchromatographie
Da im Vorfeld nicht bekannt ist, welcher der Filzstifte der Schüler aus einer Farbmischung und welcher aus nur einer Farbe hergestellt worden ist, kann es zur Frustration einzelner führen, wenn in der Chromatographie nur reine Farbstifte erkennbar werden.
Um dem vorzubeugen, sollte die Lehrperson in der Vorbereitung eigene Filzstifte auf ihre Farbmischung hin getestet haben. Diese können dann bei Bedarf den Schülern zur Verfügung gestellt werden.
Die Methode der Papierchromatographie erfordert Zeit, und ein Abwarten kann zu ungeduldigem Verhalten der Schüler führen. Da im Allgemeinen die Schüler mit großem Interesse das Geschehen beobachten, bleibt große Unruhe meist aus.

4.2.8 Durchführung der Papierchromatographie im Unterricht
Das Lehrerexperiment hat gezeigt, dass Chemiker Farben herstellen können. Im Anschluss überlegen die Schüler, wo in ihren Schulsachen Farben stecken, die Chemiker hergestellt haben könnten. Über den Farben an ihren Tornistern und denen in ihren Tuschkästen gelangen die Kinder schließlich zu den Farben der eigenen Filzstifte.
Ihre Vermutung über die Zusammenstellung der Farben in den Filzstiften ist simpel, aber logisch: Für gelbe, orange, rote, blaue, grüne, braune und schwarze Stifte sei auch jedesmal die Farbe verwendet worden, die beim Malen zu sehen ist.
Zur Überprüfung durch die Schüler erfolgt die Durchführung einer Papierchromatographie in der Form der Partnerarbeit.

Für die Durchführung des Schülerexperimentes werden zunächst Zweiergruppen gebildet. Jeder Gruppe sollten mehrere, unterschiedlich farbige Filzstifte zur Verfügung stehen.

Versuchsaufbau der Papierchromatographie:

Nach der Erklärung der Vorgehensweise erhält jede Gruppe zwei Löschpapierstreifen, ein Becherglas mit etwas Wasser, eine Büroklammer und einen dünnen Holzstab.

Versuchsverlauf der Papierchromatographie:
Bevor die Löschpapierstreifen verteilt werden können, muss die Vorgehensweise für jeden Schüler deutlich verständlich sein.
An den unteren Rand des Löschpapierstreifens sollen die Schüler einen Filzstiftstrich in der Farbe ihrer Wahl ziehen.
Damit der Strich nicht genau am Ende des Papierstreifens entsteht, gibt es einen Tipp für die Bearbeitung: Direkt auf das untere Ende des Löschpapierstreifens legt der Schüler seinen Finger und zeichnet dann über diesen den Strich mit dem Filzstift. Damit die Ausgangsfarbe festgehalten bleibt, wird an das obere Ende des Papierstreifens anschließend noch ein Punkt mit demselben Filzstift gesetzt.
Für das bessere Nachvollziehen der Anweisungen zeigt eine Schülerin die Vorgehensweise an der Tafel. Daraufhin kann die Durchführung in den Gruppen beginnen. Nachdem die Löschpapierstreifen verteilt und wie oben beschrieben präpariert sind, einigen sich die Partner der Zweiergruppen, wer mit der Chromatographie anfangen darf.
Bevor dann für die Fortsetzung des Versuches die restlichen Materialien verteilt werden, müssen erst die letzten Schritte der Durchführung besprochen werden.
Der Schüler, der beginnen darf, wickelt seinen Löschpapierstreifen so um den Holzstab, dass der Papierstreifen beim Hineinhängen in das Becherglas das Wasser berührt. Wichtig dabei ist, dass der aufgemalte Filzstiftstrich nicht das Wasser berührt. Damit diese Konstruktion mehr Stabilität erhält, wird der Holzstab mit einer Büroklammer fixiert.
Nachdem die weitere Vorgehensweise geklärt ist, werden die Bechergläser, Büroklammern und Holzstäbe für die Papierchromatographie verteilt. Wie oben beschrieben beginnt dann jeweils der erste Schüler mit der Farbe seiner Wahl.
Die Schüler können nun beobachten, wie sich der Löschpapierstreifen mit Wasser von unten her vollsaugt. Wenn das Wasser an den Filzstiftstrich gelangt, beginnt sich dieser aufzulösen, und es werden –soweit es sich um Filzstifte mit Farbmischungen handelt- mehrere Farben sichtbar. Einige Farben werden schneller mit dem Wasser nach oben gezogen als andere, so dass sich eine interessante, mehrfarbige Struktur ergibt.

Die Schüler sind fasziniert von den schönen "Landschaften", wie sie die entstandenen Chromatogramme betiteln. Gleichzeitig sind sie sehr überrascht, wenn ihr zunächst einfarbig aussehender Filzstift aus mehreren Farben besteht, zumal bei der Benutzung der Filzstifte nur eine Farbe zu sehen ist.
"Chemiker können Zauberstifte herstellen" ist der Kommentar eines Schülers dazu.
Die ersten Ergebnisse werden zum Trocknen an die Seite gelegt. Dann sind die anderen Schüler mit ihrer Chromatographie an der Reihe. Da die Kinder mittlerweile wissen, was passiert, sind sie sehr neugierig, welche weiteren Farben noch nicht benutzter Filzstifte – eventuell auch anderer Fabrikate – sichtbar werden.
Das Beispiel einer Farbreihe von Filzstiften der Firma "Geha" zeigt folgende versteckte Farben:

Die Ausgangsfarbe der
Filzstifte ist:
durch die Chromatographie
sichtbar gemachten Farben:
gelb gelb
orange rot orange gelb
rot rot
grün blau grün gelb
blau blau pink
braun braun gelb rot violett blau
schwarz violett red braun blau

Da die Schüler Filzstifte verschiedener Herstellerfirmen in ihren Federmäppchen haben, können auch unterschiedliche Ergebnisse in der Chromatographie der gleichen Ausgangsfarbe beobachtet werden.
Die Farbe des roten Filzstiftes ist von der Firma "Geha" beispielsweise mit einem reinen, roten Farbstoff hergestellt worden. Während der rote Stift einer Schülerin die Farben rot und pink enthält, also folglich von einer anderen Firma aus einer Mischung hergestellt wurde.
Nachdem die letzten Löschpapierstreifen zum Trocknen an die Seite gelegt wurden, wird die Gesamtaussage für das Chemiebuch festgehalten. Unter einer Zeichnung zu dem Experiment wird die Erkenntnis, dass Chemiker Farben herstellen können, festgehalten. Es ist die vierte Seite des Chemiebuches. Auf die fünfte Seite kleben die Schüler danach ihre selbsthergestellten Papierchromatogramme als Erinnerung ein. (Chemiebuchseiten siehe Anhang.)

4.2.9 Reflexion des Schülerexperiments
Nach den Experimenten dieser Doppelstunde haben alle Schüler gelernt, dass Chemiker Farben herstellen aber auch verstecken können. Sehr begeistert sind sie vor allem darüber, dass sie diese versteckten Farben selbständig mit einer leichten Methode entdecken können.
Die Papierchromatographie reizt zur Nachahmung bzw. Vorführung zu Hause an und kann dort ohne Gefahr und großen Aufwand durchgeführt werden.

Dass das Interesse der Schüler an der Thematik groß ist, zeigt ebenfalls ihr geduldiges Verhalten während der Versuchsphasen. Sowohl bei der Vorführung des Lehrerexperiments als auch in den Wartezeiten der Schülerversuche sind die Neugier und Wißbegierde so ausgeprägt, dass die Schüler weder ungeduldig werden noch sich vom Geschehen abwenden.


Literatur


Diese Seite ist Teil eines großen Webseitenangebots mit weiteren Texten und Experimentiervorschriften auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie.
Letzte Überarbeitung: 30. August 2010, Dagmar Wiechoczek