Auswertung der Lernbegleitbögen zu Beginn der Unterrichtseinheit

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1 Fragestellung des Lernbegleitbogens Du hast bereits verschiedene Oxidationsreaktionen (hier als Reaktionen von Stoffen mit Sauerstoff) kennen gelernt. Auffällig ist, dass sich Oxidationsreaktionen deutlich in ihrer Heftigkeit unterscheiden. Wie erklärst du dir diese Beobachtungen? Analyse der Lernbegleitbögen: Die unterschiedlichen Erklärungsansätze der 23 Schülerinnen und Schüler zu Beginn der Unterrichtseinheit werden in der folgenden Übersicht (Tabelle 2) entsprechend der absoluten Anzahl ihrer Nennungen dargestellt Menge an Sauerstoff 11 Aggregatzustand Art des brennbaren Stoffes Menge an brennbarem Stoff Zufuhr von Energie Energieinhalt der Ausgangsstoffe 10 Versuchsapparatur Tabelle 1: Auswertung der Lernbegleitbögen zu Beginn der Unterrichtseinheit Analyse der Überarbeitungen der Lernbegleitbögen: In der folgenden Übersicht (Tabelle 3) werden die Erklärungsansätze der 23 Schülerinnen und Schüler nach der Behandlung der Reaktionsbedingungen im Unterricht entsprechend der absoluten Anzahl ihrer Nennungen dargestellt. Menge an Sauerstoff Temperatur Zerteilungsgrad Durchmischung Art des brennbaren Stoffes Aggregatzustand Menge an brennbarem Stoff Energieinhalt der Ausgangsstoffe Tabelle 2: Auswertung der Überarbeitungen der Lernbegleitbögen 1

2 Vergleich der Ergebnisse: Die Erklärungsansätze der 23 Schülerinnen und Schüler zu Beginn der Unterrichtseinheit (blau) und nach der selbstständigen Korrektur (rot) werden in der Tabelle 4 entsprechend der absoluten Anzahl ihrer Nennungen im Vergleich dargestellt. Menge an Sauerstoff Temperatur Art des brennbaren Stoffes Menge an brennbarem Stoff 1.Einsatz Einsatz Zerteilungsgrad Durchmischung Aggregatzustand Energieinhalt der Ausgangsstoffe Versuchsapparatur Tabelle 3: Vergleichende Auswertung des 1. und 2. Einsatzes der Lernbegleitbögen Vermutung: Menge an Sauerstoff Zitat Nr. 1 Na ja, also ich würde sagen, es hängt immer davon ab, wie viel Sauerstoff vorhanden ist. Zitat Nr. 2 Ich würde sagen, dass die Oxidationsheftigkeit von der Menge des Sauerstoffs abhängt. Wenn man mehr bzw. weniger vom Sauerstoff nimmt, nimmt die Oxidation zu bzw. ab. Zitat Nr. 3 Je mehr prozentual gesehen Sauerstoff im Gemisch enthalten ist und je mehr von dem Gemisch da ist, um so heftiger wird die Reaktion. Zitat Nr. 4 Ich denke, dass der Sauerstoff wirkt. Also je mehr Sauerstoff den Stoffen zugeführt wird, desto heftiger ist die Reaktion. Denn durch Sauerstoff wird ja Feuer gefördert (das Feuer braucht Sauerstoff zum Brennen). Zitat Nr. 5 Ich erkläre mir diese Beobachtung wie folgt: Bei den Reaktionen kam unterschiedlich viel Sauerstoff an die Reaktion. Wenn mehr an die Reaktion gelangte, fiel die Oxidationsreaktion heftiger aus. Wenn weniger Sauerstoff daran gelangte, fiel sie weniger heftig aus. Da Sauerstoff ein wichtiger Ausgangsstoff bei Oxidationsreaktionen ist, fallen die Oxidationsreaktionen so unterschiedlich aus. 2

3 Vermutung: Aggregatzustand Zitat Nr. 1 Verbrennen von Wachs, Verbrennen von Eisen, Verbrennen von Magnesium, Verbrennen von Wasserstoff. Bei den einzelnen Verbrennungen ist es unterschiedlich von der Heftigkeit, da die einzelnen Stoffe alle verschiedene Dichten haben. Zitat Nr. 2 Das kommt wahrscheinlich auf die Anordnungen und Aufbauarten der Teilchen, aus denen die Stoffe bestehen, an. Auch glaube ich, dass die Kräfte zwischen den Teilchen etwas mit der Reaktion zu tun haben. So sind z.b. feste Körper schwieriger zu teilen als flüssige. Zitat Nr. 3 Ich glaube, es hat vielleicht etwas mit der Anordnung der Teilchen zu tun. Deswegen auch mit dem Aggregatzustand. Ich glaube, je weiter die Teilchen voneinander entfernt sind, desto heftiger ist die Reaktion. Zitat Nr. 4 Es liegt an der Dichte der Teilchen, denn umso ruhiger und langsamer die Oxidation abläuft, umso dichter liegen beim Ausgangsstoff die Teilchen zusammen und umso stärker waren die Kräfte, die die Teilchen zusammenhielten, denn umso mehr Energie wird benötigt, um diese Kräfte zu lockern und die Teilchen auseinanderzuteilen, sodass sie ihre Ordnung verlieren und eine Reaktion eingehen können. Zitat Nr. 5 Weil jeder Stoff anders aufgebaut ist! Bei dem Metall Magnesium glüht es hell auf, da Magnesium ein fester Stoff ist. Beim Verbrennen der Kerze war es eine Aggregatzustandsänderung von fest zu gasförmig. Bei den Wasserstoffexperimenten ging es sehr heftig zu, da Wasserstoff ein gut brennbares Gas ist es knallt. Zitat Nr. 6 Vielleicht hat es was mit dem Aggregatzustand zu tun. Magnesium ist ja ein fester Stoff, und dort war eine ziemlich heftige Reaktion. Und bei einem Gas ist vielleicht nicht so eine heftige Reaktion. Zitat Nr. 7 Ich glaube, dass bei den Stoffen die heftiger reagieren vielleicht mehr Teilchen vorhanden sind und so die Verbrennung heftiger ist. Vielleicht kommt es aber auch auf den Aggregatzustand an, wenn der Körper fest ist und die Teilchen enger und geordneter zusammen sind, reagieren sie schneller und es entsteht so etwas wie eine Kettenreaktion und die Verbrennung ist dadurch heftiger, da mehr Teilchen auf einem engen Raum vorhanden sind und nicht frei in der Luft herumschweben. 3

4 Vermutung: Art des brennbaren Stoffes Zitat Nr. 1 Das hängt vom Stoff ab. Zitat Nr. 2 Jeder Stoff reagiert anders auf äußere Einwirkungen. Die daraufhin folgenden Reaktionen sind daher von Stoff zu Stoff unterschiedlich. Einige Reaktionen sind kaum wahrnehmbar und andere um so mehr. Das kommt wahrscheinlich auf die Anordnungen und Aufbauarten der Teilchen, aus denen die Stoffe bestehen, an. Zitat Nr. 3 Ich denke, dass es auch auf die anderen Ausgangsstoff und die Energiezufuhr ankommt. Metalle (z.b. Kupfer) reagieren nur sehr langsam mit Sauerstoff und Wasserstoff dagegen kann unter Umständen knallartig reagieren. Da sich die Eigenschaften der Einzelnen Stoffe ja auch unterscheiden, ist es doch gut möglich, dass die Oxidationen der verschiedenen Stoffe anders verlaufen. Ich glaube, die Heftigkeit und die Auswirkung verschiedener Oxidationsreaktionen sind abhängig von der Kombination der Ausgangsstoffe bei chemischen Reaktionen. Zitat Nr. 4 Ich denke, dass die Ausgangsstoffe verschieden große Energien haben und dass die Oxidationsreaktionen die Energie der Ausgangsstoffe mit übernehmen und sich so in ihrer Heftigkeit unterscheiden. Zitat Nr. 5 Außerdem ist jeder Stoff anders aufgebaut, z.b. sind manchmal brandfördernde Stoffe enthalten, dann läuft die Reaktion besonders heftig ab. Weitere Erklärungsansätze Zitat Nr. 1 Dass die Verbrennungen unterschiedliche Wärmeenergie benötigen oder Energie abgeben. Zitat Nr. 2 Es kommt darauf an, welche Konzentration da zwischen Sauerstoff und anderen Stoffen besteht, z.b. Wasserstoff und Sauerstoff haben wir in der Schule rausgefunden, dass 1 Sauerstoffatom zwei Wasserstoffatome tragen kann. Aus 2 Molekülen Wasserstoff und 1 Molekül Sauerstoff entstanden 2 Wassermoleküle. Die Konzentration steht also 2:1. Es gab einen dicken Knall. Wäre mehr Sauerstoff gewesen, hätte der Wasserstoff mehr Angriffsfläche und der Knall ist lauter. Wäre mehr Wasserstoff, gäbe es einen leiseren Knall, weil Wasserstoff nicht so viel Sauerstoff angreifen könnte. Zitat Nr. 3 Die Teilchen wollen sich unterschiedlich schnell bewegen und je besser sie es finden, sich schnell hin und her zu bewegen, umso besser brennt der Stoff, da sie von sich aus eine größere Wärme produzieren wollen und nicht gerne so eng beieinander sitzen wollen, suchen sie nach Alternativen und in diesem Fall ist es die Verbrennung. Zitat Nr. 4 Ich glaube, dass das daher kommt, wie groß der Druck jeweils in der Umgebung ist. Wie z.b. bei der Knallgasprobe da hat es mit einem kleinem Rohr nicht so doll gekracht wie mit einer Dose. 4

5 Lernbegleitbogen - ursprüngliche Aussagen (a) und Überarbeitungen (b) Die Variante (a) gibt die erste Aussage im Lernbegleitbogen wider, Variante (b) stellt die Antwort dar, die beim zweiten Einsatz gegeben wurde. Beispiel 1 (a) Dass die Verbrennungen unterschiedliche Wärmeenergie benötigen oder Energie abgeben. (b) Die Oxidationsreaktion ist abhängig von der Zerteilung und Durchmischung der Stoffe, Menge an Sauerstoff, Temperatur, der Art des brennbaren Stoffes und der chemischen Energie der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte, weil das alles Reaktionsbedingungen sind. Beispiel 2 (a) Ich denke, dass der Sauerstoff wirkt. Also je mehr Sauerstoff den Stoffen zugeführt wird, desto heftiger ist die Reaktion. Denn durch Sauerstoff wird ja Feuer gefördert (das Feuer braucht Sauerstoff zum Brennen). (b) Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, umso heftiger ist die Reaktion. Das ist aber nur ein Teilfaktor von Heftigkeiten der Reaktionen. Ein weiterer Fakt ist, je kleiner die Stoffe zerteilt sind, desto heftiger ist die Reaktion. Je höher die Temperatur ist, umso heftiger ist die chemische Reaktion. Denn mit höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen heftiger und dadurch ist die Reaktion auch heftiger. Meine erste Vermutung war, dass es an der Menge von Sauerstoff liegt. Dies ist auch ein Grund von der Heftigkeit von Reaktionen. Beispiel 3 (a) Ich erkläre mir diese Beobachtung wie folgt: Bei den Reaktionen kam unterschiedlich viel Sauerstoff an die Reaktion. Wenn mehr an die Reaktion gelangte, fiel die Oxidationsreaktion heftiger aus. Wenn weniger Sauerstoff daran gelangte, fiel sie weniger heftig aus. Da Sauerstoff ein wichtiger Ausgangsstoff bei Oxidationsreaktionen ist, fallen die Oxidationsreaktionen so unterschiedlich aus. (b) Die Sauerstoffmenge ist wichtig für die Heftigkeit der Oxidationsreaktionen aber auch die Art des Stoffes, der Aggregatzustand des Stoffes, aber auch der Zerstäubungsgrad des Stoffes. Die Sauerstoffmenge ist wichtig, da wenn mehr Sauerstoff vorhanden ist mehr Reaktionen stattfinden können. Ist ein Körper gasförmig, dann verbrennt er heftiger, schneller. Ist der Zerstäubungsgrad hoch, dann läuft die Reaktion heftig ab. Aber auch die Menge des brennbaren Stoffes ist wichtig. Mehr brennbarer Stoff heftigere Reaktion. 5

6 Beispiel 4 (a) Je mehr prozentual gesehen Sauerstoff im Gemisch enthalten ist und je mehr von dem Gemisch da ist, umso heftiger wird die Reaktion. Außerdem ist jeder Stoff anders aufgebaut, z.b. sind manchmal brandfördernde Stoffe enthalten, dann läuft die Reaktion besonders heftig ab. (b) Reaktionsbedingungen sind: 1. Sauerstoffmenge (hatte ich schon) 2. Temperatur 3. Art des brennbaren Stoffes (hatte ich schon) 4. Menge des brennbaren Stoffes 5. Berührungsfläche zwischen brennbarem Stoff und Sauerstoff 1. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, umso heftiger läuft die Reaktion ab. 2. Je höher die Temperatur ist, umso heftiger und schneller läuft die Reaktion ab. 3. Es gibt brandfördernde, brennbare und nicht brennbare Stoffe. 4. Je mehr von dem brennbaren Stoff vorhanden ist, umso heftiger läuft die Reaktion ab. 5. Je mehr Sauerstoff an den brennbaren Stoff herankommt, umso schneller und heftiger läuft die Reaktion ab. Beispiel 5 (a) Vielleicht hat es was mit dem Aggregatzustand zu tun. Magnesium ist ja ein fester Stoff, und dort war eine ziemlich heftige Reaktion. Und bei einem Gas ist vielleicht nicht so eine heftige Reaktion. Oder die Anzahl der Sauerstoffmoleküle ist bei den heftigen Reaktionen höher. Oder anders herum. (b) Die Oxidation in ihrer Heftigkeit ist abhängig von der Menge an Sauerstoff. Umso weniger Sauerstoff bei der Oxidation dabei ist, umso weniger heftig verläuft die Oxidation und umso mehr Sauerstoff dabei ist, umso heftiger verläuft auch die Oxidation. Außerdem spielt der Zerteilungsgrad eine wichtige Rolle, denn umso zerlegter der Stoff ist, umso heftiger verläuft die Oxidation: z.b. Eisennagel Eisenschwamm Eisenwolle Eisenpulver In dieser Reihenfolge verläuft die Oxidation heftiger (also Eisennagel am wenigsten, Eisenpulver am heftigsten). Die Temperatur spielt außerdem noch eine sehr wichtige Rolle, umso wärmer es ist, umso heftiger verläuft die Reaktion. Die Durchmischung ist auch sehr wichtig. Beim ersten Mal hatte ich etwas zum Teil richtig. Jetzt weiß ich viel mehr über die Oxidation. 6

7 Beispiel 6 (a) Jeder Stoff reagiert anders auf äußere Einwirkungen. Die daraufhin folgenden Reaktionen sind daher von Stoff zu Stoff unterschiedlich. Einige Reaktionen sind kaum wahrnehmbar und andere um so mehr. Das kommt wahrscheinlich auf die Anordnungen und Aufbauarten der Teilchen, aus denen die Stoffe bestehen, an. Auch glaube ich, dass die Kräfte zwischen den Teilchen etwas mit der Reaktion zu tun haben. So sind z.b. feste Körper schwieriger zu teilen als flüssige. (b) Jeder Stoff reagiert anders auf äußere Einwirkungen. Die daraufhin folgenden Reaktionen sind daher von Stoff zu Stoff unterschiedlich. Auch sind Sauerstoffmoleküle notwendig. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto heftiger ist die Reaktion. Auch wenn der Stoff zerteilt ist und somit eine größere Angriffsfläche bietet, ist sie größer. Wenn die Teilchen dann auch noch mit der Luft vermischt werden, kann die Reaktion schneller und heftiger sein. Die Temperatur spielt auch eine Rolle. Je mehr Wärme zugeführt wird, desto eher und kräftiger stoßen die sich immer heftiger bewegenden Teilchen zusammen. Beispiel 7 (a) Ich glaube, dass bei den Stoffen die heftiger reagieren vielleicht mehr Teilchen vorhanden sind und so die Verbrennung heftiger ist. Vielleicht kommt es aber auch auf den Aggregatzustand an, wenn der Körper fest ist und die Teilchen enger und geordneter zusammen sind, reagieren sie schneller und es entsteht so etwas wie eine Kettenreaktion und die Verbrennung ist dadurch heftiger, da mehr Teilchen auf einem engen Raum vorhanden sind und nicht frei in der Luft herumschweben. (b) Es ist richtig, dass es vom Aggregatzustand abhängt, doch die Verbrennung läuft heftiger, umso weiter die Teilchen auseinander sind und nicht umgekehrt, z.b. bei einem gasförmigen Stoff können sich die Teilchen besser mit Sauerstoff durchmischen und dadurch verläuft die Reaktion heftiger. Es hängt auch von der Menge an Sauerstoff ab, desto mehr Sauerstoffmoleküle vorhanden sind, umso schneller und heftiger die Verbrennung, da sie dann besser mit den anderen Teilchen zusammenstoßen können. Die Temperatur ist auch eine Bedingung, da wenn die Temperatur höher ist, bewegen sich die Teilchen heftiger, also die Geschwindigkeit nimmt zu und die Teilchen stoßen dadurch heftiger zusammen. Also habe ich nur ein wenig richtig gedacht. 7

8 Beispiel 8 (a) Ich denke, dass es auch auf die anderen Ausgangsstoff und die Energiezufuhr ankommt. Metalle (z.b. Kupfer) reagieren nur sehr langsam mit Sauerstoff und Wasserstoff dagegen kann unter Umständen knallartig reagieren. Da sich die Eigenschaften der Einzelnen Stoffe ja auch unterscheiden, ist es doch gut möglich, dass die Oxidationen der verschiedenen Stoffe anders verlaufen. Ich glaube, die Heftigkeit und die Auswirkung verschiedener Oxidationsreaktionen sind abhängig von der Kombination der Ausgangsstoffe bei chemischen Reaktionen. (b) Die Heftigkeit einer Oxidationsreaktion ist wirklich von der Art des Ausgangsstoffes abhängig. Das habe ich ja schon ganz gut erkannt. Wichtig ist aber auch, wie groß der Zerteilungsgrad ist und ob und wie stark ein Stoff mit Sauerstoff durchmischt ist. Außerdem entscheiden auch der Aggregatzustand, die Temperatur und die Menge des Sauerstoffs über die Heftigkeit und die Geschwindigkeit der Reaktion. Begründung: Zerteilungsgrad: Umso mehr Oberfläche vorhanden ist, umso mehr Teilchen können mit Sauerstoff reagieren. Durchmischung: Wenn der Stoff bereits mit Sauerstoff durchmischt ist, können die Teilchen leichter reagieren. Aggregatzustand: Gasförmige Stoffe oxidieren meist heftiger. Temperatur: Wärme beschleunigt die Oxidation. Menge des Sauerstoffs: Wenn mehr Sauerstoffmoleküle da sind, können auch mehr Teilchen reagieren. Beispiel 9 (a) Die Teilchen wollen sich unterschiedlich schnell bewegen und je besser sie es finden, sich schnell hin und her zu bewegen, umso besser brennt der Stoff, da sie von sich aus eine größere Wärme produzieren wollen und nicht gerne so eng beieinander sitzen wollen, suchen sie nach Alternativen und in diesem Fall ist es die Verbrennung. (b) Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, umso heftiger verläuft die Oxidation. Ebenso wenn die Temperatur erhöht ist, da der Stoff einen anderen Aggregatzustand hat und die Angriffsfläche größer ist. Wenn mehr Sauerstoff vorhanden ist, sind viel mehr Sauerstoffmoleküle vorhanden, die mit den Atomen der anderen Stoffe reagieren können. Wenn die Temperatur höher ist, bewegen sich die Teilchen schneller und so können mehr in einer bestimmten Zeit reagieren. Auch wenn der Aggregatzustand flüssig oder gasförmig ist, verläuft die Oxidation schneller als bei Feststoffen, da sich die Teilchen schneller bewegen. Wenn sie (die Stoffe) zerkleinert worden sind, ist mehr prozentuale Angriffsfläche zur Verfügung und die Teilchen können sich schneller bewegen. 8

9 Zur Überprüfung des Konzeptverständnisses wurde zum Ende der Einheit im Rahmen einer Lernerfolgskontrolle eine Transferaufgabe eingesetzt (Abb. 1), in der die SchülerInnen aufgefordert waren, ein Experiment zu planen, um die Verbrennung von Wachs durch Variation der Reaktionsbedingungen gezielt zu fördern und ihre Versuchsplanung zu begründen. Aufgabe: Wachs wird in einem Reagenzglas geschmolzen. Die entstehenden Wachsdämpfe lassen sich entzünden und verbrennen mit ruhiger Flamme. a) Mache begründete Vorschläge, wie man die Heftigkeit der Verbrennung von Wachs im Experiment durch Veränderungen von Reaktionsbedingungen steigern könnte! b) Fertige zu deinen Vorschlägen eine Versuchsskizze an! Abb. 1: Transferaufgabe aus der Lernerfolgskontrolle Die Ergebnisse zu dieser Aufgabe fielen sehr positiv aus; die Lernenden waren tatsächlich in der Lage, ihre Kenntnisse um den Einfluss von Reaktionsbedingungen sinnvoll anzuwenden und geeignete Experimente zu entwickeln (vgl. Abb. 2, 3 und 4). Der Großteil der Schüler entwarf kombinierte Versuchsskizzen bzw. eine logische Abfolge von Teilversuchen, in denen es ihnen gelang, das Wissen über die verschiedenen Reaktionsbedingungen nicht nur sachgerecht zur Lösung des gestellten Problems anzuwenden und dabei planerisch vorzugehen, sondern darüber hinaus die einzelnen Reaktionsbedingungen sinnvoll miteinander zu kombinieren. Abb. 2: Versuchsskizze zur Transferaufgabe Lösung mit 1 Schritt Abb. 3: Versuchsskizze zur Transferaufgabe Lösung mit 2 Schritten Abb. 4: Versuchsskizze zur Transferaufgabe Lösung mit 3 Schritten 9