Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Realschulen) Reutlingen. NWA-Tag Erstellt von. Eva Leibinger (Chemie) Julia Härle (Chemie)

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1 Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Realschulen) Reutlingen + H + Cl - Na + OH - + Na + Cl - H + OH - NWA-Tag 2014 Erstellt von Eva Leibinger (Chemie) Julia Härle (Chemie) Elisa Weishaupt (Chemie)

2 Inhaltsverzeichnis 1. Bedingungsanalyse Sachanalyse Neutralisation Säure-Base-Konzepte ph-wert Indikatoren Modellbeschreibung Bezug zum Bildungsplan Literatur S e i t e

3 1. Bedingungsanalyse Die Schüler/innen sollten sich bereits näher mit Säuren und Laugen beschäftigt haben. Sie sollten die Eigenschaften kennen und wissen, dass H + und OH - für die saure beziehungsweise alkalische Wirkung verantwortlich sind und dies mit Hilfe von Reaktionsgleichungen darstellen können. Außerdem sollten sie Grundkenntnisse über den ph-wert haben. Hierbei sollten sie verschiedene Indikatoren und ihre Farbumschläge kennen gelernt haben. Für das verwendete Modell müssen sie zumindest die Farbumschläge des Universalindikators kennen. 2. Sachanalyse 2.1 Neutralisation Neutralisationsreaktionen sind spezielle Säure-Base-Reaktionen. 2.2 Säure-Base-Konzepte Arrhenius (1887) Nach Arrhenius sind Säuren Stoffe, die in wässriger Lösung H + -Ionen bilden. Basen hingegen bilden in Wasser OH - -Ionen. Die Säure- oder Basestärke ist abhängig von dem Grad in dem ein Stoff in Wasser dissoziiert. Bei vollständiger Dissoziation handelt es sich um starke Säuren und Basen. Die Neutralisation ist demnach die Reaktion von H + -Ionen mit OH Ionen zu Wassermolekülen. H + + OH - H 2 O Dieses Konzept beschränkt sich ausschließlich auf wässrige Lösungen. 1 Für den Realschulunterricht ist dieses Konzept ausreichend. 1 Vgl. Mortimer, Charles E., u.a., 2007, S S e i t e

4 Broensted-Lowry (1923) Nach diesem Konzept ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor. Die Säure-Base Reaktion besteht also in einem Übergang von Protonen der Säure auf die Base. In diesem erweiterten Konzept können Säuren und Basen nun Moleküle oder Ionen sein. Außerdem gibt es nach dieser Definition Moleküle, die sowohl Säure als auch Base sein können, beispielsweise ein Wassermolekül. Man nennt diese Moleküle Ampholyte. 2 HCl + H 2 O Cl - + H 3 O + Bei dieser Reaktion fungiert die Salzsäure als Säure und das Wasser als Base. Die Salzsäure gibt ein Proton ab und wird zu einem Chlorid-Ion. Das Wassermolekül nimmt ein Proton auf und wird somit zum Oxonium-Ion. Die Reaktion ist umkehrbar, es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Bei der Rückreaktion wirkt nun das Chlorid-Ion als Base und das Oxonium-Ion als Säure. Man spricht von korrespondierenden Säure-Base Paaren. In diesem Fall sind HCl und Cl - sowie H 2 O und H 3 O + korrespondierende Säure-Base Paare. 3 Gibt man die gleiche Menge einer Säure und einer Lauge zusammen, die außerdem dieselbe Konzentration haben, so neutralisieren sie sich gegenseitig. Lewis Konzept (1923) Das Lewis-Konzept ist unabhängig vom H + -Ion. Nach Lewis ist eine Säure ein Molekül oder Ion, das eine Elektronenpaarlücke besitzt. Hier kann die Base, die ein freies Elektronenpaar hat anknüpfen. Es entsteht eine kovalente Bindung. 2 Vgl. Mortimer, Charles E., u.a., 2007, S.282 f. 3 Vgl. Ernst, Dr., Christiane, u.a., 2010, S S e i t e

5 Säure Base 2.3 ph-wert Der ph-wert ist der negative Logarithmus der H + (aq)-ionenkonzentration 4 ph= -lg c(h + )/(mol L -1 ) Ist die H + (aq)-ionenkonzentration größer als 10-7 mol/l, handelt es sich um eine Säure. Der ph-wert ist kleiner als sieben. Ist die Konzentration geringer als 10-7 mol/l ist der untersuchte Stoff eine Base und der ph-wert größer als sieben. Sinkt der ph- Wert um eins, so verzehnfacht sich die Konzentration an H + -Ionen. 5 Der ph-wert kann mit Hilfe eines ph-meters oder durch den Farbumschlag von Indikatoren bestimmt werden. 2.4 Indikatoren Indikatoren sind organische Farbstoffe, deren Farbe in Lösung vom ph-wert abhängt. 6 Es gibt zahlreiche Indikatoren. Ihre Farbumschläge liegen in unterschiedlichen ph-bereichen. Je mehr verschiedene Indikatoren man verwendet, desto genauer kann man den ph-wert bestimmen. Der sogenannte Universalindikator besteht aus mehreren Indikatoren mit unterschiedlichen Farbumschlägen. So kann man von sauer bis alkalisch ph-werte bestimmen. 4 Mortimer, Charles E., u.a., 2007, S Vgl. Mortimer, Charles E., u.a., 2007, S Mortimer, Charles E., u.a., 2007, S S e i t e

6 ph-wert Umschlagsbereiche verschiedener Indikatoren: Indikator Farbe bei ph<7 Umschlagsbereich Farbe bei ph>7 Methylrot rot 4,4>pH>6,2 gelb Lackmus rot 5,0>pH>8,0 blau Bromthymolblau gelb 6,2>pH>7,6 blau Universalindikator rot 6,5>pH> 7,5 blau Phenolphthalein farblos 8,0>pH>9,8 rot ph-wert Umschlagsbereiche des Universalindikators: ph-wert Eigenschaften stark der Lösung sauer schwach sauer neutral Schwach stark mm basisch basisch Der Universalindikator ist im stark sauren Bereich rot und im schwach sauren Bereich orange bis gelb. Bei einer neutralen Lösung färbt er sich grün. Im schwach alkalischen Bereich ist er blau-grün, im stark alkalischen Bereich dunkelblau. 3. Modellbeschreibung Nachfolgend werden wir nun unser Neutralisationsmodell näher beschreiben. Hierzu werden wir zunächst einmal das Modell im Allgemeinen thematisieren, danach unser Neutralisationsmodell klassifizieren und anschließend die Chancen und Grenzen unseres Modells erläutern. Modelle helfen im Chemieunterricht Teilbereiche der Wirklichkeit abzubilden, um den SuS Dinge, die ihre Erkenntnisfähigkeit überschreiten, wie Atome und deren Aufbau, (be-) greifbar zu machen. Modelle sind demnach geistige Werkzeuge zur Ordnung, Deutung und Systematisierung unserer Erfahrungen und helfen, unser neuronal gespeichertes Wissen zu erweitern und aufgrund dieses Wissens Prognosen zu 6 S e i t e

7 entwerfen. 7 Man sieht an dieser Definition genau, Modelle dienen der Verdeutlichung, aber sie stellen keine eine 1:1 Kopie der Realität dar, da jeweils nur ein Ausschnitt der komplexen Wirklichkeit in den Blick genommen wird. Somit werden nur ganz bestimmte, wesentliche Aspekte widergespiegelt. Es sollen folglich neue Erkenntnisse über die Modelle in Bezug auf das Original gewonnen werden, um somit das bereits vorhandene Wissen zu erweitern und darauf basierend Vorhersagen zu treffen. So trägt das Lernen mit Modellen dazu bei, dass SuS zu mündigen Bürgern erzogen werden, sich bilden und die Welt zunehmen auch mit chemischen Augen sehen lernen. 8 So werden Modelle nicht irgendwo zufällig erfunden, sondern werden stets in einem bestimmten Kontext geschöpft und erzeugt, um die Veranschaulichung und das Vorstellungsvermögen positiv zu beeinflussen. Somit ist auch unser Modell auf Grundlage des Kontextes Neutralisation entstanden und wird im Folgenden klassifiziert. Unser Neutralisationsmodell stellt kein Denkmodell, sondern ein Anschauungsmodell dar, da dieses materiell existiert und nicht im kognitiven Bereich anzusiedeln ist. Gleichzeitig in Bezug auf den Erkenntnisprozess stellt es ein Lern- und Lehrmodell dar, da es bekannte Sachverhalte verdeutlichen soll. Gleichzeitig könnte man es aber auch als Forschungsmodell verwenden, wenn die SuS basierend auf dem Modell neue, noch unbekannte Sachverhalte erschließen sollen. Es ist dreidimensional und kann somit zu den gegenständlichen Modellen gezählt werden, die in dem Fall aus den Trägern Holz und Plexiglas bestehen. Desweiteren zählt unser Modell zu den Funktionsmodellen, da der Prozess der Neutralisation dynamisch nachvollzogen werden kann und chemische Sachverhalt nicht nur vergrößerst dargestellt werden und statisch existieren. Die Dynamik wird sichtbar, da man die unterschiedlichen Puzzlestücke flexibel, mit Beachtung der jeweils ausgesägten Nasen, kombinieren kann und somit die Farbgebung jeweils wechselt. 7 Graf Erwin, 2002, Seite 4. 8 Graf Erwin, 2002, Seite 4 7 S e i t e

8 + H + Cl - Na + OH - + Na + Cl - H + OH - Die Bilder zeigen bereits einige Chancen und Grenzen des Neutralisationsmodells. Die Farben und das automatische Wechseln der Farben von rot des Oxoniumions und blau des Hydroxidions zu grün bei zusammenkommen der beiden Puzzlestücke zeigt auch, wie bei der realen Reaktion, den unmanipulierten Farbwechsel. Gleichzeitig ergibt sich durch die Farben aber auch eine Grenze, da die SuS bereits Verständnis im Zusammenhang mit dem Universalindikator ausgebildet haben müssen, um die Farbgebung der jeweiligen Ionen zu verstehen. Das Chlorid- und Natriumion wurde deshalb mit der Farbe grau versehen, da ausgedrückt werden soll, dass diese Ionen in Bezug auf die Neutralisation keine Rolle spielen. Das Puzzlesystem soll zum einen die Bindung der jeweiligen Elemente symbolisieren, zum anderen aber auch verhindern, das ungewollte Kombinationen hervorgerufen werden, so dass die Nase dies jeweils verhindert, da das Hydroxidion beispielweise nicht mit dem Natriumion kombiniert werden kann. Gleichzeigt bietet aber diese starke Vereinfachung in Form eines Puzzles auch die Gefahr, dass die Abstraktion in Richtung Teilchenmodell bzw. Atommodelle nicht vorhanden ist und somit die Vorstellung der SuS auf dieser sehr vereinfachten Ebene bleibt. Ergänzend sollte deshalb, nachdem dieses Modell eingeführt wurde, auch noch mit einem abstrakteren Modell gearbeitet werden, sodass die SuS bei dieser Reaktion auch die atomare Ebene und die damit verbundene Elektronenübergänge kennen lernen. 8 S e i t e

9 Denn nur so wird ihnen dann auch klar, dass es sich hierbei auch um unterschiedliche chemische Bindungen handelt. Das Modell hat ebenfalls eine Grenze darin, dass das Hydroxidion und Oxioniumion zwar zu Wasser reagieren, dies aber nicht so in der Symbolsprache angezeigt wird, sondern immer noch beide Ionen, ohne die korrekte Verbindungsformel zu sehen sind. Gleichzeigt kann man hierbei aber auch wieder eine Chance darin sehen, dass die jeweiligen Ionen leicht vom Plexiglas zu wischen sind und somit ohne größere Probleme nach mechanischem Kombinieren der Puzzlestücke und somit der modellhaften Visualisierung der Reaktion die Verbindungsformel von Wasser auf das Plexiglas mit einem Whiteboard-Marker geschrieben werden kann. Insgesamt ist eine weitere Grenze, dass das Modell auf Grund des Arbeitsaufwandes und den Kosten nicht jedem SuS bzw. den entsprechenden Experimentiergruppen zur Verfügung gestellt werden kann, sondern nur als Demonstrationsmodell verwendet werden kann. Um diese Grenze auszugleichen, können aber einige SuS stellvertretend für alle nach vorne kommen und jeweils die unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten vornehmen, um die Reaktion tiefgründiger zu verstehen. Insgesamt gesehen handelt es sich trotz der gerade aufgezeigten Grenzen um ein sinnvolles Modell, da durch den Einsatz des Modells auch viele Chancen resultieren, die ebenfalls aufgezeigt wurden. 4. Bezug zum Bildungsplan Laut dem Bildungsplan 2004 eröffnet der Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten mit seinen Modulen Biologie, Chemie und Physik den Schülern durch Zusammenschau und Handlungsorientierung den Erwerb einer naturwissenschaftlichen Grundbildung. 9 Zu dieser naturwissenschaftlichen Grundbildung gehört auch der richtige Umgang mit chemischen Substanzen. Die Identifizierung und Beseitigung von Säuren und Laugen ist eine wesentliche Fähigkeit, um auch problematische Stoffe sachgerecht entsorgen zu können. Dieses Modell soll deshalb zur Erklärung dieses bedeutenden Vorgangs eingesetzt werden. Im Folgenden sind die Kompetenzen aufgeführt, die mit dem Einsatz dieses Modells angestrebt werden. 9 Bildungsplan, 2004, S S e i t e

10 Kompetenzerwerb durch Denk- und Arbeitsweisen Reflektieren-Verknüpfen-Anwenden - Die SuS können Modelle zur Erklärung heranziehen Antworten und Erkenntnisse durch Sekundärerfahrungen - Die SuS können Modellversuche und Simulationen durchdenken - Die SuS können Ergebnisse reflektieren und bewerten Antworten und Erkenntnisse durch Kooperation und Kommunikation - Die SuS können auf Modellebene denken - Die SuS können mit Modellen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen - Die SuS können erkennen, dass jedes Teil eine Bedeutung für sich hat und gleichzeitig Komponente eines übergeordneten Systems ist - Die SuS können naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen anwenden Literatur Bildungsplan Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (Hrsg.), 2004: Bildungsplan Realschule. Stuttgart. Ernst, Christine, Dr., u.a. (2010): Duden. Basiswissen Chemie. 5. bis 10. Klasse. 4. Auflage. Berlin, Mannheim, Zürich: Duden Schulbuchverlag. Graf Erwin (2002): Modelle im Chemieunterricht. In: Unterricht Chemie, Seelze: Friedrich Verlag, Nummer 67, Seite 4 bis 9. Mortimer, Charles E., u.a. (2007): Chemie. Das Basiswissen der Chemie. 9. überarbeitete Auflage. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. 10 Bildungsplan 2004, S S e i t e