Das Experiment
Das Experiment als Frage an die Natur
GALILEI zeigte als erster Wissenschaftler, dass man zu neuen Erkenntnissen nicht allein durch logische oder andere theoretische Überlegungen kommt, sondern dass man seine Überlegungen mit Experimenten überprüfen muss. , Damit führte er eine neue Denk- und Arbeitsweise in die Naturwissenschaft ein.
Das Verdienst GALILEIs besteht aber nicht nur darin, das Experiment als Arbeitsweise in die Naturwissenschaft eingeführt zu haben, denn Beobachtungen und Versuche gab es schon vor seiner Zeit. Er hat vor allem die Stellung des Experiments im Erkenntnisprozess neu bestimmt. GALILEI führte Experimente auf der Grundlage klar formulierter Hypothesen durch. Das Experiment wurde eine gezielte Frage an die Natur, die von der Natur beantwortet wird.
In den Naturwissenschaften führt die Erkenntnis heute in erster Linie über das Experiment , mit denen wissenschaftliche Annahmen – die Hypothesen – überprüft werden. Wird die Hypothese experimentell bestätigt, kann daraus eine neue Erkenntnis abgeleitet werden. Aber auch wenn sich die Annahme als nicht zutreffend herausstellt, wird aus dem Experiment eine Erkenntnis gewonnen.
| Das Experimentieren ist eine komplexe Tätigkeit mit dem Ziel, eine an die Natur gestellte Frage zu beantworten. Dazu wird eine Erscheinung unter ausgewählten, kontrollierten und veränderbaren Bedingungen beobachtet und ausgewertet. Das gesamte Experiment muss unter den gewählten Bedingungen reproduzierbar sein. |
In der Chemie werden Experimente z. B. durchgeführt, um Stoffumwandlungen zu untersuchen oder, um bestimmte Stoffe zu gewinnen oder nachzuweisen. Dazu existieren zahlreiche spezifische Nachweisreaktionen.
Chemische Reaktionen sind immer mit Energieumwandlungen verbunden. Deshalb werden häufig auch die energetischen Erscheinungen bei chemischen Reaktionen untersucht. Mit Hilfe von Experimenten können Zusammenhänge zwischen Größen untersucht oder Natur- und Stoffkonstanten bestimmt werden.
Zur Durchführung von chemischen Experimenten werden außer den reagierenden oder zu untersuchenden Stoffen Laborgeräte, Apparaturen und Hilfsmittel genutzt.
Geräte:
Die in der Chemie benötigten Glasgeräte werden als Laborgeräte bezeichnet. In Laborgeräten bewahrt man Chemikalien auf, misst bestimmte Größen der Stoffe, mischt diese miteinander, erhitzt sie, verteilt sie oder läßt Stoffe miteinander reagieren.
Hilfsmittel:
Das sind alle zur Untersuchung von Stoffen zusätzlich, neben den Laborgeräten, benötigten Geräte. Sie können aus verschiedenen Materialien sein.
Apparaturen:
Eine Apparatur besteht aus mehreren miteinander verbundenen Geräten und Hilfsmitteln. Mit Apparaturen werden häufig wiederkehrende Reaktionen im Labor durchgeführt.
Häufig wird mit gefährlichen, giftigen oder gesundheitsschädlichen Stoffen gearbeitet. Deshalb muss bei chemischen Experimenten die Gefahrstoffverordnung beachtetet werden, damit stets eine hohe Sicherheit beim Experimentieren gewährleistet ist.
Bevor ein Experiment durchgeführt wird, muss zuerst eine Fragestellung entwickelt werden. Diese kann sich beispielsweise auf das Vorhandensein eines bestimmten Elements in einer Verbindung oder die Konzentration einer wässrigen Salzlösung beziehen.
Die Antwort erhält der Chemiker mithilfe qualitativer oder quantitativer Analyseverfahren.
Experimentieren bedeutet planvolles Arbeiten. Deshalb ist es zweckmäßig, beim Experimentieren folgende Schrittfolge einzuhalten:
- Vorbereitung des Experiments,
- Durchführung des Experiments,
- Beobachtung (oft mit Durchführung zusammengefasst),
- Auswertung.
Jedes Experiment wird mit einem klaren Ziel durchgeführt. Manchmal macht es sich auch erforderlich, mehrere Experimente nacheinander oder nebeneinander durchzuführen.
1. Vorbereiten des Experiments
Um beim Experimentieren das Ziel zu erreichen und eine richtige Antwort auf eine experimentelle Fragestellung zu erhalten, muss das Experiment wohlüberlegt vorbereitet werden.
Von besonderer Wichtigkeit ist schon bei der Vorbereitung chemischer Experimente der Sicherheitsaspekt, der bereits bei der Planung berücksichtigt werden muss. Um Unfällen durch unsachgemäßen Umgang mit Chemikalien vorzubeugen, sind die Hinweise der Gefahrstoffverordnung strikt zu befolgen.
Verschiedene Laborgeräte, Apparaturen und Hilfsmittel
Die Planung eines Experimentes (Bild 3) erfolgt in folgenden Teilschritten:
| A) Erfassen und Durchdenken der Aufgabe | |||
| • | Überlegen, welches Ziel mit dem Experiment erreicht werden soll, | ||
| • | Herausfinden der Gesetzmäßigkeiten, die bei dem geplanten Experiment wirken, | ||
| • | Ergründen möglicher Gefahren und Vorsichtsmaßnahmen | ||
| B) Planen der Apparatur | |||
| • | gedankliches Auswählen der nötigen Geräte und Hilfsmittel | ||
| • | Anfertigen einer Skizze zum Versuchsaufbau | ||
| • | Durchdenken des Ablaufes anhand der Skizze | ||
| C) Vorbereiten der experimentellen Durchführung | |||
| • | Bereitstellen der benötigten Geräte und Hilfsmittel | ||
| • | Bereitstellen der benötigten Chemikalien | ||
| • | Aufbau und Überprüfung der Apparatur | ||
| D) Durchdenken des Ablaufs | |||
| • | gedankliches Durchführen des Experimentes | ||
| • | Prüfen möglicher Gefahrenquellen | ||
Nach der erfolgten Vorbereitung und dem Aufbau der Apparatur beginnt die Durchführung. Der Arbeitsschutz darf dabei nie vernachlässigt werden. Manchmal ist es notwendig, bestimmte Geräte und Chemikalien erst anzufordern.
In einem vorgegeben Protokoll oder einer Versuchsanleitung, z. B. im Lehrbuch, sind oft schon die einzelnen Arbeitsschritte der Durchführung aufgelistet. Bei der
Die Planungsphase des Experiments am Beispiel der Säure-Base-Titration
2. Durchführung eines Experiments (einschließlich 3. Beobachtungen):
- Durchlesen und Erfassen der Experimentieranleitung,
- schrittweises und planmäßiges Ausführen des Experimentes unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften,
- Beobachten aller Veränderungen,
- sorgfältiges Protokollieren der Beobachtungen und Messwerte,
- Stillegung der Apparatur nach Ablauf der chemischen Reaktion,
- Reinigung der Geräte,
- sichere Aufbewahrung oder Entsorgung der Reaktionsprodukte.
Das Experiment kann nur dann erfolgreich sein, wenn mit sauberen Chemikalien und Glasgeräten gearbeitet wird.
Um mögliche Veränderungen bei chemischen Reaktionen erkennen zu können, ist es nötig, die Eigenschaften der Stoffe (Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte) sowie die Bedingungen vor der Reaktion genau festzuhalten.
Nach dem Experiment erfolgt die Auswertung (Bild 5). Dabei werden die im Protokoll (Bild 6) festgehaltenen Beobachtungen und Messwerte gedeutet.
4. Auswertung
- Vergleichen von Eigenschaften, Größen, Zuständen vor und nach der Reaktion,
- Auswerten der Messgrößen,
- Deuten der Ereignisse während der Reaktion,
- Aufstellen von Reaktionsgleichungen
- Schlussfolgern, Herstellen von Zusammenhängen,
- Beantworten der Aufgabenstellung.
Die Auswertung des Experiments am Beispiel der Säure-Base-Titration
Zur Auswertung gehört auch immer eine umfassende Fehlerbetrachtung. Dabei kann aufgezeigt werden, warum bestimmte Ergebnisse nicht dem Ziel entsprechen oder nicht ausreichende Beweiskraft liefern.
Manchmal, wenn das geplante Beobachtungsergebnis nicht erreicht wurde, macht es sich erforderlich, das Experiment zu wiederholen. Die Vorgehensweise bleibt dabei gleich. Nach Beendigung des Experiments sollte der Arbeitsplatz aufgeräumt werden.
Beispiel eines Protokolls
Ein Angebot von 