Elektrische Leitfähigkeit von Lösungen

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1 Stand: Juli 2016 Elektrische Leitfähigkeit von Lösungen Jahrgangsstufen Fach/Fächer Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen benötigtes Material 8 (NTG), 9 (SG, MuG, WSG) Chemie Unterrichtsstunden Kopie(n), Experimentiermaterial für Low-cost-Leitfähigkeitsmessung (vgl. AB), evtl. Aktiv-Lautsprecherboxen für Computer, Smartphone oder MP3- Player mit Lautsprecher-Verbindungskabel (Stecker muss nicht zur Lautsprecherbox passen), Kartoffel Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler werten Ergebnisse (z. B. Leitfähigkeitsmessungen, Reibungselektrizität) von Experimenten mit molekularen Stoffen und Salzen aus und führen diese Ergebnisse auf den unterschiedlichen Aufbau zurück. C8 (NTG) LB 4, C9 (SG) LB 4 Arbeitsaufträge 1) Lest den Dialog Die Musikkartoffel mit verteilten Rollen vor. 2) Stimmt ab, ob ihr Tinas Geschichte zur Strom leitenden Kartoffel für wahr oder falsch haltet. 3) Überprüft den Wahrheitsgehalt, indem ihr die Situation nachstellt. 4) Die Zusammensetzung von Kartoffeln wird im Internet folgendermaßen beschrieben: Ca % Wasser, ca % Kohlenstoffhydrate, davon größtenteils Stärke, aber auch geringe Mengen Rübenzucker (Saccharose), Traubenzucker (Glucose) und Fruchtzucker (Fructose), ca. 2-3% Eiweiß, ca. 1-2% Mineralsalze, u. a. Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Calciumchlorid, Natriumsulfat, Kaliumphosphat, ca. 1-2% Ballaststoffe a) Plant eine Versuchsreihe, mit der ihr herausfinden könnt, welche Inhaltsstoffe der Kartoffel für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Stellt eine Materialliste für die von euch benötigten Materialien zusammen. b) Führt die Versuchsreihe durch und dokumentiert eure Ergebnisse tabellarisch. Leitet aus euren Versuchsergebnissen ab, welche Inhaltsstoffe für die elektrische Leitfähigkeit der Kartoffel verantwortlich sind. 5) Fertigt Skizzen an und beschreibt, wie ihr euch den Stromfluss durch die Kartoffel vorstellt. Seite 1 von 7

2 Die Musikkartoffel Hi Felix! Auf der Jugendfreizeit am Wochenende hast du echt einiges verpasst. Herr Bauer unser Jugendleiter hat tolle Musik für uns aufgelegt. Aber stellt dir vor, eigentlich wäre der Discoabend beinahe geplatzt, weil wir vergessen hatten, den CD-Player mitzunehmen. Da hat Herr Bauer einfach die Musik von seinem Smartphone abgespielt. Weil das aber nicht laut genug gewesen wäre, hat er es an die großen Lautsprecherboxen, die wir mitgenommen hatten, angeschlossen. Tina, das kann doch gar nicht funktionieren! Die Lautsprecherboxen von unserer Jugendband haben doch ¼ Zoll große Klinkenstecker, die passen doch gar nicht in den Lautsprecheranschluss am Smartphone. Stimmt, aber Herr Bauer wusste sich zu helfen. Er hat einfach aus der Küche eine rohe Kartoffel geholt und den Miniklinkenstecker von seinem Smartphone sowie den dicken Klinkenstecker von der Lautsprecherbox nebeneinander hineingesteckt und schon hatten wir Sound. Ich glaub, du verschaukelst mich! Eine Kartoffel enthält doch kein Metall, wie soll denn der Strom vom einen Klinkenstecker zum anderen übertragen werden? Seite 2 von 7

3 Flüssigkeit/Lösung Leitfähigkeit Ursache dest. Wasser verschiedene Zucker- Lösungen Stärke-Lösung verschiedene Salz-Lösungen Seite 3 von 7

4 Quellen- und Literaturangaben Flint, A.; Witt, A.: Chemie fürs Leben Elektrochemie Von der stromleitenden Kartoffel zur Elektrolyse. Skript zum Download unter: Flint, A.; Zschäckel, B.-M.: Elektrochemie einmal anders. Aufzeichnung des zugehörigen Experimentalvortrags unter Ebert, C.: Diagnose von unangemessenen Schülervorstellungen zu Ionen. Schriftliche Hausarbeit, Emil-von-Behring-Gymnasium, Spardorf 2014 Weiterführende Literatur: Marohn, A.: Schülervorstellungen zu Salzlösungen. Choice2learn - Diagnose und Veränderung. In: Wambach,H. & Wambach-Laicher,J., Individualisieren und Aktivieren im Chemieunterricht SII Band 1, Aulis 2012, Marohn, A.: Wie kommt der Strom durch die Lösung? Choice2learn - Diagnose und Veränderung. In: Wambach, H. & Wambach-Laicher,J., Individualisieren und Aktivieren im Chemieunterricht SII Band 1, Aulis 2012, Marohn, A.: Ionenbildung durch Strom? - Eine an Schülervorstellungen orientierte und chemiegeschichtlich motivierte Unterrichtskonzeption. Chemie konkret 2008, 2/15, Marohn, A.: Falschvorstellungen von Schülern in der Elektrochemie Eine empirische Untersuchung. Dissertation, Universität Dortmund, 1999 Hinweise zum Unterricht Zur Einführung der Ionen als dritter permanent existierender Teilchenart neben den Atomen und Molekülen eignen sich die unterschiedlichen Leitfähigkeiten wässriger Lösungen von molekularen Stoffen und Salzen gut. Als motivierender Kontext zur Untersuchung der Grundlagen der elektrischen Leitfähigkeit eignen sich neben der hier vorgestellten Musikkartoffel u. a. auch die Fragestellungen Welcher Inhaltsstoff macht einen Isodrink zu einem Elektrolytgetränk? oder Warum darf man sich in der Badewanne nicht die Haare fönen?. Alle drei Kontexte sind geeignet, durch einfache Schülerexperimente die Stoffklasse der Salze (bei Isodrinks evtl. zusätzlich der organischen Säuren) als Verursacher der elektrischen Leitfähigkeit von Lösungen im selbst geplanten Schülerexperiment entdecken zu lassen. Manche Kartoffelstärke-Suspensionen zeigen eine schwache elektrische Leitfähigkeit, die vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass herstellungsbedingt auch geringe Mengen an Ionen im Kartoffelstärkepulver enthalten sind. Anregung zum weiteren Lernen In der Folge können dann durch Experimente, z. B. zur Ionenwanderung und zur Leitfähigkeit von Salzschmelzen, die Ionen als permanent existierende Teilchen in Salzen eingeführt werden. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, die Schülervorstellungen zur elektrischen Leitfähigkeit in Salzlösungen mit denen zur Leitfähigkeit in Metallen (NT7 Lernbereich 1.1) abzugleichen, um häufig beobachtete Schüler(fehl)vorstellungen, z. B. durch die Salzlösung schwimmenden Elektronen zu korrigieren. Experimente zur unterschiedlichen Leitfähigkeit gleich konzentrierter Salzlösungen liefern Hinweise auf die unterschiedliche Ionenladungszahl. Seite 4 von 7

5 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler Zu 3: Zu 4: Guter Vorschlag, da Stoffe sukzessive einzeln getestet werden. Low-cost-Leitfähigkeitsmessung statt Handy und Lautsprecher. Vorschlag zur Vereinfachung: Statt pneumatischer Wanne Zellkulturplatte oder Tüpfelplatte zum Testen der Leitfähigkeit verwenden => Materialersparnis, mehrere Vertiefungen. Seite 5 von 7 Ungünstiger Vorschlag, da erst alle Stoffe in der Lösung sind und mit Auslassung getestet werden muss, höherer Aufwand. nicht für jede Schülergruppe Handy und Lautsprecherboxen bereitgestellt werden können.

6 Zu 4: Flüssigkeit/Lösung Leitfähigkeit Ursache dest. Wasser keine keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden verschiedene Zucker- Lösungen keine keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden Stärke-Lösung keine keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden verschiedene Salz-Lösungen gut bewegliche Ladungsträger vorhanden Seite 6 von 7

7 Zu 5: Skizze und Vorschlag von Anja: Fehlvorstellung: Salze sind Gemische aus Metallen und Nichtmetallen und keine Verbindungen. Leitfähigkeit durch bewegliche Elektronen wie im Metall (Dominanz des zuerst eingeführten Konzeptes zur elektrischen Leitfähigkeit). Skizze von Jan: Fehlvorstellung: Elektronen als Schwimmer Vorstellung von Jan: Elektronen fließen aus dem Minuspol heraus, wandern durch die Kartoffel und dann über den Pluspol wieder in den Draht zurück. (Elektronen als Schwimmer ) Vorstellung von Robert: In der Kartoffel sind elektrisch geladene Teilchen (Ionen). Die durch Elektronenüberschuss negativ geladenen Teilchen wandern zum Pluspol, geben dort Elektronen ab und werden entladen. Die ungeladenen Atome wandern zum Minuspol zurück und laden sich dort wieder negativ auf. (Anionen als Ladungstransporteure, Huckepack- Theorie) Vorstellung von Annika: Elektronen fließen aus dem Minuspol heraus, werden von Teilchen in der Kartoffel Huckepack genommen und von diesen zum Pluspol transportiert. Dort wandern sie wieder in den Draht zurück. (Huckepack-Theorie) Vorstellung von Felicitas: In der Kartoffel bewegen sich elektrisch geladene Teilchen (Ionen). Die negativ geladenen Teilchen wandern zum Pluspol, geben dort Elektronen ab und werden entladen. Die positiv geladenen Teilchen wandern zum Minuspol nehmen dort Elektronen auf und werden entladen. (ok) Seite 7 von 7