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Westfälische Wilhelms-Universität Fehlvorstellungen in der Chemie Diagnose und Korrektur Sommersemester 2006 Prof. Dr. H.-D. Barke und T.Dörfler Referat.

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Präsentation zum Thema: "Westfälische Wilhelms-Universität Fehlvorstellungen in der Chemie Diagnose und Korrektur Sommersemester 2006 Prof. Dr. H.-D. Barke und T.Dörfler Referat."—  Präsentation transkript:

1 Westfälische Wilhelms-Universität Fehlvorstellungen in der Chemie Diagnose und Korrektur Sommersemester 2006 Prof. Dr. H.-D. Barke und T.Dörfler Referat zum Thema: Säure und Basen Carsten Knoop & Christoph Wacker

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Säure/Base Begriff 3. Reine Säuren und Säure Lösungen 4. ph-Wert 5. Neutralisation 6. Starke und schwache Säuren 7. Zusammenfassung

3 Einleitung - Säure-Base Reaktion eines der Hauptthemen im Chemieunterricht - Fehlvorstellungen der Schüler aufzeigen - Vorschläge zur Korrektur machen bzw. darstellen

4 2. Säure/Base Begriff Was versteht man unter einer Säure bzw. unter einer Base? Brönstedsäure: Protonendonator Brönstedbase: Protonenakzeptor Lewissäure: Elektronenakzeptor Lewisbase: Elektronendonator

5 Vorstellungen der Schüler zum Säure/Base Begriff

6 Fehlvorstellungen der Schüler - Argumentation mit pH-Wert - Säuren sind ätzend, gefährlich, gelb, rot oder sauer - Säuren wird eine aggressive Wirkung zugeschrieben - Säuren zerfressen Dinge - beim Arrhenius Konzept (Säuren enthalten H + -Ionen) - beim Brönsted-Konzept (Säuren geben Protonen ab) - Basen werden oftmals vernachlässigt

7 Fazit: Schüler können mit der Säure-Base Theorie oftmals nicht viel anfangen.

8 Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base Begriff - Reaktion von Säuren und Laugen als Substanz und ihre aggressive Wirkung Reaktion von Zucker mit konz. H 2 SO 4 Zucker + konz. Schwefelsäure schwarzer Kohlenstoff + Wasserdampf

9 - Alltagsbezug durch Untersuchung von Haushaltsreinigern Kalkentferner Abflussfrei

10 Säure-Base-Konzepte Man unterscheidet zwei wesentliche Konzepte: 1.Arrhenius: Substanz-bezogen (~1884) 2.Brönsted: Teilchen-bezogen (~1923) Was ist davon sinnvoll für den Unterricht?

11 Arrhenius-KonzeptBrönsted-Konzept - betrachtet nur Ionen in wässrigen Lösungen (OH - /H + -Ionen) erlaubt keine Anwendung im allgemeinen Sinne - Säure-Base-Reaktion: Übergabe von Protonen der Säure an die Base allgemeineres Konzept zur Deutung verschiedenster Phänomene Feststellung: Das Konzept nach Arrhenius kann angesprochen werden, Brönsted-Konzept sollte allerdings im Vordergrund stehen!

12 Einstieg in das Konzept nach Brönsted Brönsted-Säuren: Die Protonenspender 1.Teilversuch:Reaktion von Kochsalz und Schwefelsäure unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff H 2 SO 4 -Molekül+Cl - -Ion HCl-Molekül + HSO 4 - -Ion Säure1 Base 1 Säure 2 Base2 2.Teilversuch: Einleiten des entstandenen Chlorwasserstoff-Gases in Wasser HCl-Molekül +H 2 O-Molekül Cl - (aq)-Ion + H 3 O + (aq)-Ion Säure 1 Base 1 Base 2 Säure 2

13 Einstieg in das Konzept nach Brönsted Brönsted-Basen: Die Protonenempfänger Versuch: Calciumoxid und Wasser reagieren stark exotherm Ca 2+ -Ion + O 2- -Ion + 2 H 2 O-Molekül Ca 2+ -Ion + (OH - ) 2 -Ion + H 2 O-Molekül Wesentliche Reaktion: O 2- -Ion + H 2 O-Molekül OH - -Ion + OH - -Ion Es kann festgestellt werden, dass Wasser sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann. Solche Substanzen werden als Ampholyt-Teilchen bezeichnet!

14 3. Reine Säuren und Säure- Lösungen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen reiner Säure und Säurelösung am Beispiel einer Schwefelsäure

15 Fehlvorstellungen der Schüler - Verdünnungseffekt - Dichten unterscheiden sich - Reine Säure ätzender, reaktionsfreudiger

16 Beispiele für falsche Modellvorstellungen

17 Fazit - Prinzip der Dissoziation wurde nicht verstanden - Wichtige Inhalte der Säure-Base Reaktion bleiben unverstanden

18 Unterrichtsvorschläge zu reinen Säuren und Säure- Lösungen Aggressivität von Säuren und ihren verdünnten Lösungen: Alltagsbezug: Magensäure, Phosphorsäure (in Cola), Zitronen- und Essigsäure (als Würzmittel), etc. Vergleich zum Verhalten reiner, konzentrierter Säuren Folgerung: Durch Verdunsten des Wassers können auch verdünnte Lösungen eine aggressive Wirkung erzielen!

19 Prinzip der Dissoziation

20 4. pH-Wert Was ist der pH-Wert bzw. wie definiert er sich? - negative dekadische Logarithmus der H + -Konzentration

21 Vorstellungen der Schüler zum Begriff des pH-Werts

22 Fehlvorstellungen der Schüler - phänomenologische Antworten - viele verändern die Definition - richtige Antwort nur vereinzelt von Schülern - Argumentation mit Säuregrad/Säuregehalt

23 Fazit - reines Merkwissen und überwiegend Unverständnis von Schülern bezüglich des pH-Werte - enorme Schwierigkeiten mit dem pH-Wert umzugehen

24 Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert Einführung: Versuche zum Bestimmen des pH-Wertes von Lösungen aus dem Alltag mit Hilfe von Universalindikator-Papier

25 Vertiefung: Der pH-Wert Begriff des Mol muss den Schülern bekannt sein -Kurzübersicht geben: Beispiel: -Wasser: 18g Wasser enthalten 1mol H 2 O-Moleküle (nicht 1mol Wasser) -Salzsäure (1mol/L): 1mol H (aq)-Ionen und 1mol Cl - (aq)-Ionen Verdünnung: a)1:10 0,1mol H (aq)-Ionen b)1:100 0,01mol H (aq)-Ionen *Verweis: H + -(aq)-Ion als Kurzschreibweise für H (aq)- Ionen *Untersuchung des pH-Wertes der Salzsäuren und Feststellung, dass ph-Wert = x, wenn c(H + ) = 10 -x

26 Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert Vorläufiges Verständnis über die Verdünnungsreihe:

27 Vertiefung: Der pH-Wert Begriff des Mol muss den Schülern bekannt sein -Kurzübersicht geben: Beispiel: -Wasser: 18g Wasser enthalten 1mol H 2 O-Moleküle (nicht 1mol Wasser) -Salzsäure (1mol/L): 1mol H (aq)-Ionen und 1mol Cl - (aq)-Ionen Verdünnung: a)1:10 0,1mol H (aq)-Ionen b)1:100 0,01mol H (aq)-Ionen *Verweis: H + -(aq)-Ion als Kurzschreibweise für H (aq)- Ionen *Untersuchung des pH-Wertes der Salzsäuren und Feststellung, dass ph-Wert = x, wenn c(H + ) = 10 -x

28 Vertiefung: Der pH-Wert Da bisher nur Säuren untersucht wurden, können anhand von Schaubildern auch Rückschlüsse auf alkalische Lösungen gezogen werden:

29 5. Neutralisation - Schülerbefragung zur Neutralisation

30 Vorstellungen von Schülern von einer Neutralisation

31 Fehlvorstellungen der Schüler - Reaktionsgleichung HCl + NaOH NaCl + H 2 O

32 Fehlvorstellungen der Schüler - Ionensymbole H + -Ionen und OH - -Ionen reagieren zu H Name der Reaktion

33 Fazit - Salzbildung wird in den Vordergrund gestellt - Ionen werden zu Salz-Molekülen

34 Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation Reaktion von Natronlauge und Salzsäure H 3 O + (aq) + Cl - (aq) + Na + (aq) + OH - (aq) Cl - (aq) + Na + (aq) + 2 H 2 O(l) Vergleich mit dem gedanklichen Modell:

35 Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation Folgende Versuchsmethoden erlauben eine Überprüfung der Neutralisation: -pH-Wert Bestimmung -Leitfähigkeitstitration -Überprüfung der Neutralisationswärme als Beweis, dass bei der Reaktion von starken Säuren und Basen nur die Hydronium-Ionen mit den Hydroxid-Ionen zu Wasser reagieren ( R H 0 m = -56kJ/mol)

36 6. Starke und schwache Säuren Worin unterscheidet sich eine starke Säure von einer schwachen Säure?

37 Fehlvorstellungen der Schüler - Argumentation mit dem ph-Wert - Schwierigkeiten beim Überführen von Modellvorstellungen in konkrete Zeichnungen

38 Modellvorstellungen

39 Fazit Dissoziations- oder Protolysegard sind nicht verstanden worden

40 Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren Stärke der Säure entspricht nicht der Konzentration, sondern: - starke Säuren sind Teilchen, die leicht Protonen abgeben können. - schwache Säuren sind Teilchen, die nur schwer Protonen abgeben können. es gilt: Säurestärke wächst mit der Tendenz Protonen abzugeben [Umkehrschluss: Basenstärke wächst mit der Tendenz Protonen aufzunehmen]

41 Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren Einführung des Protoloyse-Begriffs und Vorstellung der Modelle

42 Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren

43 Zusammenfassung Schüler können mit einem Hauptthema der Chemie, der Säure-Base Theorien wenig anfangen Zusammenhänge müssen besser herausgearbeitet werden Verknüpfungen zwischen den Begriffen nicht nur auf Definitionen beschränken

44 Danke für eure Aufmerksamkeit!


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