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Unterricht: Vom Erz zum Stahl

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

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.
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. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Stahlarbeiter am Hochofen

  • Trickaufnahme: Sauerstoffmoleküle verbinden sich mit Kohlenstoffteilchen. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Sauerstoffmoleküle (blau dargestellt) verbinden sich mit dem Kohlenstoffteilchen der Holzkohle

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. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Das entstandene Kohlenmonoxid steigt auf und reagiert mit dem Eisenerz

  • Trickaufnahme: Eisenerzstücke, umgeben von Kohlendioxid. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Dem Eisenerz wird Sauerstoff entzogen, Kohlendioxid entsteht

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.

  • Eisen und Schlacke bleiben übrig (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Eisen und Schlacke bleiben übrig

  • Die Schlacke löst sich vom Stahl (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

    Die Schlacke löst sich vom Stahl

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