Bannerbild (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) (Foto: SWR – Screenshot aus der Sendung)

total phänomenal · Technik

Vom Erz zum Stahl | Unterricht

STAND

Einsatz im Unterricht

Einsatzbereich: Die Sendung und die DVD-ROM eignen sich zum Einsatz in den Fächern Naturwissenschaft und Technik (NwT) sowie Chemie in den Klassen 8-10 (Baden-Württemberg, Saarland) und im Lernbereich Naturwissenschaften (Rheinland-Pfalz).

Bezug zum Bildungsplan Chemie, Klasse 8: In dieser Klassenstufe werden Stoffe und ihre Eigenschaften charakterisiert. Die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen sowie
Reinstoffen und Gemischen werden behandelt. Die Schüler lernen chemische Reaktionen als Vorgänge, bei denen ein neuer Stoff unter Umsatz von Energie entsteht, kennen. Speziell wird auf die Reaktionen verschiedener Stoffe mit Sauerstoff eingegangen.

Bezug zum Bildungsplan NwT Klasse 8: Zitat: „...An Beispielen können sie (die Schülerinnen und Schüler) Wege technischer Entwicklung im Spannungsfeld wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Entwicklungen sowie naturwissenschaftlich-technischer Neuerungen nachvollziehen...“ Die Sendung behandelt exakt dieses Thema.

Ein Mann pumpt mit einem großen Blasebalg Luft in einen Rennofen. (Foto: Tilman Büttner)
Rennofen zur Eisenerzeugung

Sendung: Die Darstellung der Konstruktion, des Baus und Betriebs eines Rennofens vermittelt grundlegende Kenntnisse über den prinzipiellen Aufbau eines Ofens zur Gewinnung von Eisen. Im Trick wird die Umwandlung der eingesetzten Stoffe Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisenerz und die Veränderung ihrer Eigenschaften während des Prozesses dargestellt.
Hier finden die chemischen Reaktionen unter ständiger Zufuhr von thermischer Energie bei hoher Temperatur statt. Die Entstehung der Produkte Eisen und Schlacke wird beschrieben und die Gewinnung des Eisens gezeigt.

Stahlarbeiter in Schutzkleidung; im Hintergrund glühendes Eisen. (Foto: SWR – Screenshot aus der Sendung)
Stahlarbeiter am Hochofen Bild in Detailansicht öffnen
Sauerstoffmoleküle (blau dargestellt) verbinden sich mit dem Kohlenstoffteilchen der Holzkohle Bild in Detailansicht öffnen

Einsatz im Fach Chemie

Didaktische Hinweise:

Schülerinnen und Schüler erlernen die chemische Formelsprache und die Regeln zur Erstellung von chemischen Reaktionsgleichungen im Verlauf der Klasse 8. Chemische Reaktionen werden anfangs mit Wortgleichungen beschrieben. Nach gezeigten oder auch im Praktikum selbst durchgeführten chemischen Reaktionen kann die Sendung jetzt zur Veranschaulichung eines in der Menschheitsgeschichte entscheidend bedeutsamen (Groß-)technischen Verfahrens verwendet werden. Die Reaktionen und Abläufe der Roheisengewinnung sind im Schulexperiment meist nicht zugänglich.

Methodische Hinweise:

Gusseisen, Stahlbauteile, Eisenerzbrocken werden im Unterricht auf ihre Eigenschaften untersucht. Farbe, Magnetismus, Wasserlöslichkeit, Duktilität, Bruchfestigkeit und so weiter. Es wird deutlich, dass es sich um unterschiedliche Stoffe mit verschiedenen Eigenschaftskombinationen handelt. Wie gelingt nun die Verwandlung des Eisenerzes in (Roh)eisen? Die Sendung soll Aufschluss geben.

Folgende Arbeitsaufträge (auch eine Auswahl) könnten arbeitsteilig an verschiedene Gruppen vergeben werden (siehe Arbeitsblatt 1):

- Nenne die Stoffe, die im Rennofen eingesetzt werden.

- Formuliere in Wortgleichungen die chemischen Vorgänge im Rennofen (für Fortgeschrittene: Reaktionsgleichungen in Formelsprache).

- Wie wird die Energie für die Vorgänge im Rennofen bereitgestellt?

- Beschreibe die Unterschiede im Bau zwischen Rennofen und Hochofen.

- Nenne die Stoffe, die im Hochofen eingesetzt werden.

- Nenne die Produkte des Hochofenprozesses. ).

- Aus welchen Ländern wird Eisenerz importiert?

- Nenne wichtige Verwendungen von Eisen.

- Achte auf geschichtliche Zeitangaben und notiere sie.

Die Sendung kann nach zirka 11:45 Minuten unterbrochen werden, um die Ergebnisse zusammenzufassen.

Arbeitsblatt:

Die jeweilige Überschrift (farbig unterlegt) wird im Lehrer-Schülergespräch bei der Besprechung der Sendung formuliert. Darunter stehen die Arbeitsaufträge für die Schülergruppen. Folgende Problematik bleibt: Gusseisen ist das Produkt des Hochofenprozesses. Ein brüchiger Werkstoff, dessen Eigenschaften mit den allgemein bekannten Eigenschaften von Stahl – im Volksmund meist einfach „Eisen“ genannt – nicht übereinstimmen. Die Sendung – noch zirka fünf Minuten – klärt auf.

Sendung:

Durch das Frischen des Roheisens im Konverter wird der Kohlenstoffanteil vermindert. Kohlenstoff verbrennt unter Sauerstoffzufuhr zu Kohlenstoffoxiden. Es entsteht Stahl, der walz-, bieg- und schmiedbar ist. Ein neuer Werkstoff, der das Zeitalter der Industrialisierung prägt. ).

Folgende Arbeitsaufträge können arbeitsteilig an Gruppen vergeben werden:

- Notiere die Bezeichnungen der Anlagen, in denen aus Gusseisen Stahl wird.

- Formuliere die ablaufenden chemischen Reaktionen in Wortgleichungen.

- Achte auf geschichtliche Zeit-Angaben und notiere sie.

- Nenne Verfahren, wie Stahl weiterverarbeitet wird.

- Nenne vier Produkte aus Stahl.

Trickaufnahme: Eisenerzstück, an dem paarweise blaue und schwarze Teilchen haften. (Foto: SWR – Screenshot aus der Sendung)
Das entstandene Kohlenmonoxid steigt auf und reagiert mit dem Eisenerz Bild in Detailansicht öffnen
Dem Eisenerz wird Sauerstoff entzogen, Kohlendioxid entsteht Bild in Detailansicht öffnen

Einsatz im Fach Naturwissenschaft und Technik

Didaktische Hinweise:

Die Schülerinnen und Schüler stehen auf der gleichen Wissensstufe wie oben für Chemie beschrieben. Eine Absprache der Lehrkräfte für Chemie und NwT ist notwendig. Im Fach NwT wird – aufbauend auf das Vorwissen aus der Chemie – eher die technisch-praktische Anwendung diverser Materialien thematisiert. Insofern stehen hier neben den chemischen Grundlagen die Aspekte der Verfahrenstechnik, der Materialkunde, der Verwendung und der Wiederverwertung im Vordergrund. Einbetten ließe sich die Sendung zum Beispiel in der Unterrichtseinheit „Brückenbau“, in deren Verlauf die Frage der Baumaterialien erörtert wird.

Methodische Hinweise:

Im Rahmen von Materialprüfungen kann der Unterschied in der Belastbarkeit zwischen Stahl und Gusseisen verdeutlicht werden. An die Schüler können (ergänzend zu den oben aufgeführten) folgende Arbeitsaufträge vergeben werden:

- Nenne in Stichworten die Arbeitsschritte für den Bau eines Rennofens.

- Nenne die Arbeitsschritte für den Betrieb eines Rennofens.

- Beschreibe die Aufarbeitungsschritte für das im Rennofen entstandene Produkt.

- Nenne die zum Betrieb eines Hochofens notwendigen Rohstoffe

- Nenne die Verfahrensschritte, die vom Eisenerz zum Gusseisen führen.

- Nenne die Verfahrensschritte, die vom Gusseisen zum Stahl führen.

- Nenne die Verfahrensschritte, denen Stahl in der Weiterverarbeitung unterzogen werden kann.

- Vergleiche die Eigenschaften von Gusseisen und Stahl.

Hausaufgabe:

1. Nenne je drei verschiedene Alltagsprodukte aus Gusseisen und aus Stahl.

2. Begründe, welche der Eigenschaften von Gusseisen und Stahl deiner Ansicht nach für die jeweilige Auswahl des Werkstoffes günstig waren.

Erweiterter Einsatz in den Klassen 9-12

Bezug zu den Bildungsplänen

Klasse 9/10, Chemie:

Redoxreaktionen, Großtechnische Verfahren

Hier wäre die Betrachtung durch die Bearbeitung der dargestellten Reaktionen in Hinblick auf ablaufende

Oxidationen und Reduktionen zu verfeinern.

Klasse 12/13: In der Kursstufe bieten sich die erweiternden Aspekte der Phasenübergänge und Schmelzpunkterniedrigungen sowie der Legierungsbildung bei Metallen an. Auch können verfahrenstechnische Unterschiede zwischen Roheisengewinnung und Aluminiumherstellung vertiefend thematisiert werden.

© Text: Carsten Hansen, (Didaktik, Arbeitsblatt 1) Unterrichtet am Scheffel-Gymnasium in Bad Säckingen Chemie und Naturwissenschaft und Technik (NwT); Vorsitzender der pädagogischen Arbeitsgruppe NwT (KM), die das Fach NwT entwickelt und die Bildungspläne hierfür formuliert hat; Fachreferent für NwT und Chemie am Regierungspräsidium Freiburg, Stand 2007

© Text: Claudia Bonerz, (Arbeitsblätter 2–6) Unterrichtet Physik, Mathematik und Informatik am Max von Laue-Gymnasium in Koblenz, Stand 2007

Alle Themen zum Schwerpunkt total phänomenal · Technik

Blick ins Weltall

Im All ist jede Menge los; wir bekommen das nur nicht mit, weil wir es gewöhnlich nicht sehen können. Oft sind interessante Himmelskörper Lichtjahre entfernt – zu weit weg für das menschliche Auge. Beim trickreichen Blick ins Weltall mit großen Teleskopen und Satelliten erleben wir ein spannendes Schauspiel: Da explodieren Sterne, neue werden geboren, schwarze Löcher verschlingen alles, was ihrem gierigen Schlund zu nahe kommt. Und aus all dem können wir etwas über unsere eigene Herkunft lernen.

total phänomenal SWR Fernsehen

Laser erobern die Welt

Das neue Licht des 20. Jahrhunderts erstrahlt nicht nur bei Lasershows. Es schneidet und schweißt auch Metalle in der Automobil- und Schiffsindustrie und verhilft Patienten zu besserer Sehkraft. 1960 gelang es dem US- Amerikaner Theodore Maiman, den ersten funktionierenden Laser zu bauen. Zunächst war es nicht mehr als ein Laborexperiment, das Albert Einsteins Überlegungen zur künstlichen Vermehrung von Lichtteilchen bestätigte. Maiman bemerkte scherzhaft: „eine Lösung, die ein Problem sucht“. Doch das Werkzeug Licht erwies sich rasch als wegweisende Technologie. Der Laser hat das gesamte Vermessungswesen revolutioniert. So liefern Scanner dreidimensionale Modelle ganzer Landschaften, und mit Geräten in Handygröße lassen sich Entfernungen kinderleicht bestimmen. Der Laser steckt u.a. in Supermarktkassen, CD- und DVD-Playern sowie Druckern. Die ungewöhnliche Vielfalt der Anwendungen macht die Jahrhunderterfindung in Technik, Wissenschaft und im Alltag unverzichtbar.

total phänomenal SWR Fernsehen

Satelliten weisen den Weg

Wer sich schon einmal mit dem Auto in fremder Umgebung verfahren hat, weiß die Vorteile eines satellitengestützten Navigationssystems zu schätzen. Richtungsanzeigen auf einem Display und die Stimme einer elektronischen „Kopilotin“ sagen, wo’s lang geht. Nur den wenigsten ist bewusst, dass dahinter eine äußerst aufwändige Technik steckt. 24 Satelliten des amerikanischen Global Positioning Systems (GPS) kreisen um die Erde und senden Funksignale, mit deren Hilfe sich die Position von Autos, Flugzeugen oder Schiffen bestimmen lässt. Wie das geht, zeigen anschauliche Computeranimationen. Der Beitrag stellt auch die europäischen Bemühungen vor, ein von den USA unabhängiges Satellitennavigationssystem unter dem Namen Galileo aufzubauen. Denn eines ist klar: Den himmlischen Lotsen im All gehört die Zukunft.

total phänomenal SWR Fernsehen

Strahlen schaffen Durchblick

Am 22. Dezember 1895 wurde eine fotografische Aufnahme gemacht, die wie kaum eine andere einen Meilenstein in der Geschichte der Physik setzte. Es war die erste Röntgenaufnahme der Welt, die Hand von Wilhelm Conrad Röntgens Ehefrau Anna. Unmittelbar danach begann die Entwicklung von Apparaten zur „Durchleuchtung“.
Neben einem geschichtlichen Abriss und der Erklärung, wie Röntgenstrahlung entsteht, zeigt die Sendung, wie ein Computertomograph funktioniert, wie die Sicherheitsdurchleuchtung Sprengstoffe aufspüren kann und welches Geheimnis der über 3000 Jahre alte Porträtkopf der Königin Teje in sich birgt.

total phänomenal SWR Fernsehen

Vom Erz zum Stahl

Es muss wohl ein Zufall gewesen sein, als Menschen vor gut 5000 Jahren erkannten, dass sich grünliche Kupferklumpen durch Hämmern in beliebige Form bringen lassen. Als sie es schließlich schafften, Metalle aus erzhaltigen Gesteinen herauszuschmelzen, konnte das harte, aber gut schmiedbare Eisen seinen Siegeszug antreten.
Metalle sind das wohl universellste Material zur Herstellung von Werkzeug, Waffen und Schmuck. Sie haben die Entwicklung der Menschheit so tief greifend geprägt wie kaum ein anderer Werkstoff. Und die Entwicklung geht weiter: Heutzutage stehen nicht Kupfer, Eisen und Stahl im Fokus der Forschung, sondern vorwiegend die leichten Metalle.

total phänomenal SWR Fernsehen

Wegweisende Echos

Delfine besitzen von Natur aus einen exzellenten Orientierungssinn. Mit ihrer Echoortung unterscheiden sie zwischen Freund und Feind, machen Jagd auf Beute. Ganz anders der Mensch: Ohne technische Unterstützung wären wir in vielen Situationen total orientierungslos. Echolot und Radar gleichen diesen Nachteil aus. Beide arbeiten nach einem so einfachen wie genialen Prinzip: Sie versenden Signale und werten deren Echos aus. So machen es auch die Delfine. Ob im Flugverkehr, auf hoher See oder im All – Echos weisen uns den Weg, und „total phänomenal“ zeigt wie.

total phänomenal SWR Fernsehen

A Glimpse into Space

Im All ist jede Menge los; wir bekommen das nur nicht mit, weil wir es gewöhnlich nicht sehen können. Oft sind interessante Himmelskörper Lichtjahre entfernt – zu weit weg für das menschliche Auge. Beim trickreichen Blick ins Weltall mit großen Teleskopen und Satelliten erleben wir ein spannendes Schauspiel: Da explodieren Sterne, neue werden geboren, schwarze Löcher verschlingen alles, was ihrem gierigen Schlund zu nahe kommt. Und aus all dem können wir etwas über unsere eigene Herkunft lernen.

Totally Phenomenal SWR Fernsehen

From Ore to Steel

Es muss wohl ein Zufall gewesen sein, als Menschen vor gut 5000 Jahren erkannten, dass sich grünliche Kupferklumpen durch Hämmern in beliebige Form bringen lassen. Als sie es schließlich schafften, Metalle aus erzhaltigen Gesteinen herauszuschmelzen, konnte das härtere, aber gut schmiedbare Eisen seinen Siegeszug antreten.
Metalle sind das wohl universellste Material zur Herstellung von Werkzeug, Waffen und Schmuck. Sie haben die Entwicklung der Menschheit so tief greifend geprägt wie kaum ein anderer Werkstoff.
Und die Entwicklung geht weiter. Heutzutage stehen nicht Kupfer, Eisen und Stahl, sondern vorwiegend die leichten Metalle im Focus der Forschung.

Totally Phenomenal SWR Fernsehen

Satellites Show the Way

Wer sich schon einmal mit dem Auto in fremder Umgebung verfranst hat, weiß die Vorteile eines Satelliten gestützten Navigationssystems zu schätzen. Richtungsanzeigen auf einem Display und die Stimme einer elektronischen „Kopilotin“ sagen, wo’s lang geht. Nur den wenigsten ist bewusst, dass dahinter eine äußerst aufwändige Technik steckt. 24 Satelliten des amerikanischen Global Positioning Systems (GPS) kreisen um die Erde und senden Funksignale, mit deren Hilfe sich die Position von Autos, Flugzeugen oder Schiffen bestimmen lässt. Wie das geht, zeigen anschauliche Computeranimationen. Der Beitrag stellt auch die europäischen Bemühungen vor, ein von den USA unabhängiges Satellitennavigationssystem unter dem Namen Galileo aufzubauen. Denn Eines ist klar: Den himmlischen Lotsen im All gehört die Zukunft.

Totally Phenomenal SWR Fernsehen

X-Rays Investigated

Am 22 Dezember 1895 wurde eine fotografische Aufnahme gemacht, die wie kaum eine andere einen Meilenstein in der Geschichte der Physik setzte. Es war die erste Röntgenaufnahme der Welt, die Hand von Wilhelm Conrad Röntgens Ehefrau Anna. Unmittelbar danach setzte eine stürmische Entwicklung von Apparaten zur Durchleuchtung ein.
Neben einem geschichtlichen Abriss und der Entstehung von Röntgenstrahlung zeigt die Sendung, wie ein Computertomograph funktioniert, wie die Sicherheitsdurchleuchtung Sprengstoffe aufspüren kann und welches Geheimnis der über 3000 Jahre alte Porträtkopf der Königin Teje in sich birgt.

Totally Phenomenal SWR Fernsehen

STAND
AUTOR/IN
Planet Schule