Säure-Base-Reaktionen Was sind Säuren und Basen?

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1 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 1 Säure-Base-Reaktionen Was sind Säuren und Basen? Experiment Beobachtung: Deionisiertes Wasser leitet den Strom praktisch nicht. Der Leitfähigkeitsprüfer leuchtet nicht. Wird Chlorwasserstoff zugegeben, beginnt die Lampe zu leuchten. Auswertung: Wenn gasförmiger Chlorwasserstoff in Wasser geleitet wird, entstehen aus ungeladenen Molekülen Ionen. Eine Lösung von Ionen leitet den Strom. Definition aus dem Beispiel ableiten: Säuren sind Protonenspender. Sie können H + an eine Base abgeben. In der rganischen Chemie ist es üblich, dass Pfeile von Elektronenpaaren ausgehen. Die obige Darstellung weicht von dieser Konvention ab und zeigt, dass H + von der Säure auf die Base übertragen wird. Die Richtung des Pfeils entspricht dem Begriff Protonenspender und passt zur Definition. Entscheiden Sie selber, wie Sie die Pfeile zeichnen wollen. Kontrollversuche: 1) Mit Silbernitrat-Lösung können die entstandenen Chlorid-Ionen nachgewiesen werden. 2) Der Leitfähigkeitspüfer leuchtet nicht, wenn Chlorwasserstoff in ein apolares Lösungsmittel, z. Bsp. Heptan geleitet wird. Kein Schüler denkt an diese Abklärungen und entsprechend klein ist das Interesse. Ich lasse die Kontrollen meistens weg und lenke damit auch nicht vom primären Ziel ab vorzustellen, was eine Säure und eine Base ist. Anders sieht es aus, wenn man das wissenschaftliche Vorgehen thematisieren möchte. Dann bietet sich hier eine gute Gelegenheit Positiv- und Negativ-Kontrolle zu demonstrieren.

2 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 2 Aufgabe: Säure-Base-Reaktionen formulieren 1) als Input vormachen: HN 3 + H 2 2) HCl + NH 3 3) CH 3 C - + HCl 4) H H - 5) HCH + H 2 Kommentar: Die Beispiele in dieser Aufgabe sind so gewählt, dass die Schüler die Säuren und Basen erahnen können. Folgende Argumente können die SuS zum jetzigen Zeitpunkt benützen: HCl wurde als Säure vorgestellt. Wegen den Coulomb-Kräften geben Kationen H + ab und Anionen nehmen H + auf. Weil Kohlenwasserstoffe reaktionsträge sind, gibt bei Ameisensäure nur die CH-Gruppe ein Proton ab. Erkenntnis: Es ist schwierig die Säuren und Basen zu identifizieren. Wir brauchen eine Tabelle. Die Säurestärke Experiment Die Säure-Base-Tabelle Persönliche Empfehlung: Den pk s -Wert an dieser Stelle nicht thematisieren. Begründung: Viele Schülerinnen sehen nicht ein, weshalb die Konzentration von Wasser und die Gleichgewichtskonstante zu K s zusammengefasst werden. Zudem haben viele Schüler kein gutes Verhältnis zum Logarithmus. Am Ende verwechseln Schüler ph und pk s oft und sehen nicht, dass das eine eine Konzentrationsangabe und das andere eine Materialgrösse ist. Der pk s kann bei Bedarf später eingeführt werden. Nach dem ph-wert wird die Erklärung einfacher, weil sich die SuS an den Logarithmus gewöhnt haben. In Zeitnot verzichte ich im Grundlagenfach ganz auf den pk s -Wert.

3 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 3 Tabelle von Dr. K. Pfefferkorn, Kantonsschule erlikon

4 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 4 Aufgaben: Säure-Base-Reaktionen formulieren 1) Input: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und bestimmen Sie die Lage des Gleichgewichts mit Hilfe der Säure-Base-Tabelle wenn CH 3 CH, NaH und Wasser gemischt werden. Auftrag: Die Beispiele sind für den Unterricht wichtig. ft brauche ich viel Zeit und halte mehrere Lektionen bis ich mich entschieden habe. Warum wurden diese Beispiele gewählt? Haben Sie andere Vorschläge? Was ist problematisch? Lernaufgabe 1. Teil 2) HF und KCN 3) NaCl und HCH 4) NH 3 und H 2 Resultate diskutieren Lernaufgabe 2. Teil 5) NH 3 und NaH 2 P 4 6) NaHC 3 und NaHS 4 7) Na 2 S 3 und HN 3 8) H 3 P 4 und NaH Resultate diskutieren. Sie müssen bestimmt erklären wie mehrprotonige Säuren und Basen reagieren. In den folgenden Anwendungen mit Kalk und Eisensulfid wird die mehrfache Aufnahme von H + geübt.

5 wirddas Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 5 Anwendungen 1. Entkalken Lesen von Kalk Woherkommt Kalk? me + CACZ Hz # H Ca4ap+ Casias ZH, Kalkstein zie Ign theft. Grund wdh.ms#b? vqrdampftg Wasser Cat - #* ' + + 2h05 CACZ ( s ) HZ CZ + #dk Auflesen mm Ca Cozy + 2Hz+ Cozy, (e) t testes Colors start in Cat ' & # getostan Cos. verschoben unit Gkichgewicht Gleidngewidrt, lagertsichsdwerlosliche Kalk do. Dieser Kann hit Saturn Wieder ghost warden Aufgabe: Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Entkalkung, die zur Abbildung der Prozesse passt. Experimente 1. Kalk reagiert mit Säure Demonstrationsexperiment und Arbeitsblatt von Stefan Sandriesser aus dem Experimentierkurs HS Siehe im Kapitel Säure-Base-Reaktionen.

6 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S WC-Ente, Putzessig und Salzsäure WC-Ente "WC-Ente forte enthält 10 % Ameisensäure. Diese ist mindestens so gut biologisch abbaubar wie Essig, entkalkt aber wirksamer." Leider steht dieser Satz heute nicht mehr auf der Packung. Jetzt verrät die Deklaration nur noch, dass das Produkt weniger als 10% Ameisensäure enthält. Putzessig enthält 9,5 % Essigsäure 2. Stinkbombe Aufgabe Chlorwasserstoff reagiert mit Eisen(II)-sulfid und ein übel riechendes Gas entweicht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. Schwierigkeit Die Schüler müssen erkennen, dass 2 Protonen übertragen werden und die Reaktionsgleichungen selbständig formulieren. Demonstration Empfehlung: Mit grossen Mengen Schwefelwasserstoff werden Sie nicht mehr Sympathie erhalten als mit kleinen. Ich würde nur wenig Schwefelwasserstoff erzeugen: In einem grossen Reagenzglas ein Stück Eisen(II)-sulfid mit 2 M Salzsäure überschichten und verschiedenen Schülerinnen und Schülern kurz unter die Nase halten. Allenfalls bei einem Schüler stehen lassen und fragen, wie wir die Reaktion abstellen könnten. Bald mit Natronlauge basisch stellen. Entsorgung: Basische Mischung mit Natriumthiosulfat reagieren lassen und dann in die Kanalisation leeren.

7 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 7 Neutralisation Inszenierung Natriumhydroxid und Chlorwasserstoff werden in Wasser gelöst und gemischt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung: Na + (aq) + H - (aq) + HCl(aq) Na + (aq) + Cl - (aq) + H 2 Das heisst: Aus ätzender Natronlauge und ätzender Salzsäure entsteht Salzwasser, mit dem z. B. Teigwaren zubereitet werden können. Experiment: Natronlauge und Salzsäure mischen, Mengen aber nicht abmessen Wer will degustieren? Die Mischung jemandem aufdrängen. Halt! Warum ist das gefährlich? Wir brauchen dieselbe Stoffmenge! Experiment anpassen: Wenig Bromthymolblau zugeben, rühren und neutralisieren. Wer will degustieren? Jetzt will niemand mehr degustieren. Deshalb nehme ich einen kleinen Schluck. Notizen

8 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 8 Der ph-wert Experiment ph von Cola, Essig, Mineralwasser und Seifenwasser messen Auswertung: Der ph-wert ist ein Mass für die Konzentration an H 3 + Der ph-wert legt die Konzentration der Hydronium-Ionen fest Je tiefer der ph-wert, desto grösser ist die Konzentration von H 3 + Definition ph = - log[h 3 + ] Der ph-wert starker Säuren 1. Bsp. als Input vormachen. Rechnung mit einer Skizze versehen, wie es rechts abgebildet ist: Wie gross ist der ph-wert, wenn 2 g HCl in 3 Liter Wasser gelöst werden. Selbständige Arbeit 2. Bsp. Wie gross ist der ph-wert, wenn 2 g HBr in 3 Liter Wasser gelöst werden. 3. Bsp. Wie gross ist der ph-wert, wenn 2 g CH 3 CH in 3 Liter Wasser gelöst werden.

9 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 9 Diskussion: bwohl HBr eine stärkere Säure ist als HCl, ergibt sich ein höherer ph-wert, weil die Molekülmasse grösser ist. Auch in Essigsäure-Lösung ist der ph höher, weil sie eine schwache Säure ist und die Voraussetzung der Berechnung nicht erfüllt ist. Die Autoprotolyse M. Stieger zeigt im Buch "Elemente", wie Sie die Autoprotolyse einführen könnten (S. 227, 2008) Erkenntnis: Ionenprodukt: [H 3 + ] [H - ] = mol 2 L das heisst: Die Konzentrationen von H 3 + und H - sind voneinander abhängig. Weil sie miteinander reagieren können nie viel H 3 + und viel H - nebeneinander in einer Lösung existieren. ph [H 3 + ] [H - ] [H 3 + ] [H - ] mol/l 10-2 mol/l mol 2 L -2 basisch: wenig H 3 + viel H mol/l 10-7 mol/l mol 2 L -2 neutral: geringe Konzentrationen von H 3 + und H mol/l mol/l mol 2 L -2 sauer: viel H 3 + wenig H - Empfehlungen Ich thematisiere die Autoprotolyse erst an dieser Stelle, also nach der Einführung des ph, dann wenn das Ionenprodukt für die Berechnung der ph-werte starker Basen nötig ist. Die Leitfähigkeit von reinem Wasser lässt sich nicht demonstrieren. Das Wasser ist bestimmt nicht rein genug für diese Messung. ph-berechnungen sollten meiner Meinung nach nicht allzu viel Zeit beanspruchen. Ich beschränke mich im Grundlagenfach auf den ph-wert starker Säuren und Basen. Der ph-wert starker Basen Aufgabe: Wie gross ist der ph-wert, wenn 4 g Natriumhydroxid in 10 Liter Wasser gelöst werden? Tipp: Berechnungen mit Skizzen versehen. Die Skizze wird übersichtlicher, wenn die Na + -Ionen in der Lösung weggelassen werden. Aufgabe: Der ph-wert einer Lösung beträgt -6. a) Wie gross ist die Konzentration an H 3 +? b) Wie gross ist die Masse von H 3 + in einem Liter? Erkenntnis: Der ph-wert wird nur in verdünnten, wässrigen Lösungen gemessen.

10 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 10 Indikatoren Bsp. Bromthymolblau Aufgabe: Worin unterscheiden sich die beiden Formen? H Br H H Br Br Br S S gelb blau Vereinfachung: C 27 H 28 Br 2 5 S C 27 H 27 Br 2 5 S HIn In - oder: HIn + H 2 In - + H 3 + Le Châtelier erklärt den Farbumschlag Erkenntnisse Indikatoren reagieren als Säure oder Base Bromthymolblau kommt in zwei Formen vor, die sich in der Farbe unterscheiden, weil die konjugierten Doppelbindungen verändert werden. Säuren reagieren mit Wasser zu H 3 + und protonieren die negativ geladene Form des Indikators: Demonstration: Gelbe Zettel mit HIn und blaue Zettel mit In anschreiben. Immer einen gelben und blauen Zettel aufeinander legen und mit einem Magneten an der Tafel befestigen. So kann der Farbumschlag erklärt werden. Basen erzeugen H - und reagieren mit HIn:

11 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 11 Puffer Cornelia Luginbühl (Experimentierkurs 2012) Anleitung und Arbeitsblatt finden Sie auf im Kapitel Säure-Base- Reaktionen Demonstration 1) In ein mit deionisiertem Wasser gefüllten Becherglas tropfenweise 1M HCl zugeben. Nach ca. 10 Tropfen ist der ph-wert auf ca. 3 gesunken. 2) Zu dieser Lösung nun 1M NaH zugeben. Nach 15 Tropfen steigt der ph-wert auf ca. 9 3) Nun das Gleiche mit der Pufferlösung wiederholen. 10 Tropfen HCl dazugeben, ph-wert? 15 Tropfen NaH dazugeben, ph-wert? 4) Um die Wirksamkeit der Pufferlösung stärker zu veranschaulichen und die Pufferkapazität zu thematisieren weiter 1M NaH oder HCl dazugeben, zuerst tropfenweise, dann hineinleeren bis sich der ph-wert deutlich ändert. Reaktionsgleichung: CH 3 CH + H 2 CH 3 C - + H 3 + Erklärung Da wir bei der Zugabe einer Säure oder einer Base keine ph-änderung beobachten können, heisst es, dass diese von den Komponenten der Pufferlösung neutralisiert werden. Vorschlag: 1) Lehrperson erklärt mit Abbildung. 2) SuS müssen in Worten oder mit einfacher Skizze selbständig notieren Abbildung aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim (1981)

12 Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 12 Übung 4: Animationen 1. Empfehlen Sie eine Animation, die Ihnen besonders gut gefällt, begründen Sie die Wahl kurz und geben Sie die Quelle an. Wir werden die Empfehlungen am 31. März austauschen damit Sie einige ausgezeichnete Animationen kennen lernen. Könnten Sie wenn möglich Ihren Laptop mitnehmen? Sie können selber suchen oder eine der folgenden Webseiten benützen: finden Sie viele Animationen. 2. Animation und Unterricht sollten aufeinander abgestimmt sein. Animationen sind schnell vorüber und vergessen. Auch wenn alles klar visualisiert ist lohnt es sich, die wesentlichen Punkte festzuhalten. a) Entwerfen Sie eine Notiz, die Sie vor oder nach der Animation, die Sie gewählt haben an die Wandtafel schreiben damit die Erkenntnisse gesichert werden. b) Schlagen Sie eine oder 2 Aufgaben zu Ihrer Animation vor. Erwartung: Dokument von 1 bis 2 Seiten Länge, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten als Word- Dokument, im Notfall als PDF. Abgabe bis spätestens Donnerstag, 30. März 2017, 14 Uhr per Mail an amadeus.baertsch@kfr.ch.