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19.01.2016 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1 Häufige Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff und deren Korrektur durch einen darauf.

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1 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1 Häufige Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff und deren Korrektur durch einen darauf abgestimmten Unterricht Bildquellen: Arnold, Dr. K., Dietrich, Prof. Dr. V.: Fokus Chemie - Gymnasium 9, Cornelsen Verlag, Berlin, 2009

2 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zum Säure- Base-Begriff Einleitung Die Säure-Base-Begriffe Reine Säure und Säure-Lösung pH-Wert Neutralisation Starke und schwache Säuren Fazit

3 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Einleitung Grundlage des Vortrags: Hans-Dieter Barke: „Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen“ SuS bringen eigene Vorstellungen und Kenntnisse zu naturwissenschaftlichen Sachverhalten mit ursprüngliche Präkonzepte vs. „hausgemachte“ Fehlvorstellungen Vorschlag von Barke: Orientierung des Chemieunterrichts an den Schülervorstellungen Vorgehen: 1.) Diagnose 2.) Korrektur durch auf die individuellen Fehlvorstellungen abgestimmte Unterrichtsreihen mit passenden Experimenten

4 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Einleitung Ihr seid gefragt!!! Mit welchen Fehlvorstellungen der SuS zum Thema „Säure-Base“ kamt ihr schon in Kontakt bzw. welche Fehlvorstellungen erwartet ihr?

5 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Einleitung Viele Fehlvorstellungen findet man im Denken früherer Wissenschaftler wieder. Der historische Gang der Entwicklung von Vorstellungen kann auch für den Chemie- Unterricht interessant sein. (historisch- genetisches Unterrichtsverfahren)

6 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Historische Säure-Base-Konzepte Boyle (17. Jhd): Säuren sind Stoffe, die bestimmte Pflanzenfarbstoffe rot färben und Kalkstein lösen Glauber (1650): Säuren und Basen sind feindlich und entgegengesetzt. Wenn aber beide zusammengebracht werden, bilden sich Salze Lavoisier (1778): Nichtmetalloxide bilden in wässrigen Lösungen Säuren Davy (1816): Säuren sind Wasserstoffverbindungen Liebig (1838): Salze bilden sich, wenn in Säuren der Wasserstoff durch Metalle ersetzt wird.

7 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Historische Säure-Base-Konzepte Arrhenius (1884):  Säuren zerfallen in wässriger Lösung in positiv geladene Wasserstoff- Ionen und in negativ geladene Säurerest-Ionen.  Basen bilden positiv geladene Baserest-Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen. - Bis hierhin beziehen sich alle Konzepte auf Säuren/Basen als Substanzen! Brönsted (1923):  Säuren sind Protonendonatoren, sie geben Protonen ab.  Basen sind Protonenakzeptoren, sie nehmen Protonen auf. - Brönsted: erstes Konzept, das sich auf die Funktion von kleinsten Teilchen bezieht!

8 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zum Säure- Base-Begriff Auffällig: Nur Säuren wird eine aggressive Wirkung zugeschrieben, Laugen nicht (Säuren ätzen, zerstören, lösen auf… ) Es wird zwischen der Wirkung von Säuren im alltäglichen Gebrauch und von solchen in der Chemie unterschieden. SuS beschreiben nur die Wirkung, verknüpfen Säuren/Basen nicht mit Teilchenvorstellungen

9 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zum Säure- Base-Begriff Was verstehst du unter einer Säure, einer Base? Viele Antworten beziehen sich nur auf Säuren. - Basen werden weggelassen - Säuren sind ätzend, gefährlich, gelb, rot, sauer. Säuren haben einen kleinen pH-Wert. Säuren enthalten H+-Ionen (Arrhenius-Konzept) (15%) Säuren geben Protonen ab (Brönsted-Konzept) (30%)  Brönsted-Konzept wird zwar erlernt, kann aber kaum in einem anderen Kontext angewendet werden!  Wissen ist nicht tief verankert.

10 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Einstieg mit Phänomenen zur Reaktion von Säuren und Laugen als Substanzen (z.B. aggressive Wirkung) Versuche:  Konz. Schwefelsäure + Zucker (V1)  Säure-Lösung mit unedlen Metallen (V2)  Saure Haushaltsreiniger: Kalkentferner (V3)  Abflussfrei: Aggressivität von Metallhydroxiden (V4) Achtung:  Vernichtungsvorstellung thematisieren: Stoffe lösen sich nicht auf, sondern reagieren zu anderen Stoffen

11 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Einführung der Säure-Base-Indikatoren als Farbstoffe, die von Säuren in anderer Weise gefärbt werden als von Laugen Versuche:  Reaktionen einiger Säure-Base-Farbindikatoren und Einführung der Begriffe sauer, neutral, alkalisch (V5)  pH-Werte einiger Lösungen aus Küche und Bad (V6)

12 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Welche Säure-Base-Konzepte sollen unterrichtet werden?  Arrhenius-Konzept  Brönsted-Konzept  Genetische Entwicklung beider Konzepte in Form des historisch orientierten Unterrichts Lehrplan: Festlegung auf das Brönsted-Konzept!

13 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Zunächst werden Modellvorstellungen aufgebaut, die für beide Konzepte zutreffen: Versuch: Elektrische Leitfähigkeiten von Säuren und Laugen (V7)  saure, wässrige Lösungen enthalten H + (aq)-Ionen  alkalische Lösungen enthalten OH - (aq)-Ionen

14 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Experimenteller Einstieg ins Brönsted-Konzept:  Herstellung von gasförmigem Chlorwasserstoff aus reiner Schwefelsäure und Kochsalz (V8)  Reaktion des Gases mit Wasser zu Salzsäure (V9) Reaktionsgleichungen: H 2 SO 4 + Cl - (aq)  HCl + HSO 4 - (aq) HCl + H 2 O  H 3 O + (aq) + Cl - (aq)  Einführung von Säuren als Donator-Teilchen und Basen als Akzeptor-Teilchen

15 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Comic zum Donator-Akzeptor-Prinzip: Gietz, P., Jung, U.: Prisma Chemie. Ausgabe A – differenzierende Ausgabe, Klett Schulbuchverlage, Stuttgart 2014

16 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum Säure- Base-Begriff Üben von Fachsprache und Schreibweise der Reaktionssymbole an weiteren Beispielen! Versuche: - Verdünnung von reiner Schwefelsäure (V10) H 2 SO H 2 O  SO 4 2- (aq)+ 2 H 3 O + (aq) - Reaktion von Calciumoxid mit Wasser (V11) O 2- + H 2 O  2 OH - (aq)  Einführung von Wassermolekülen als Ampholyt-Teilchen

17 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Falls vorher das Arrhenius-Konzept eingeführt wurde… Concept Cartoons, um kognitive Konflikte aufzuzeigen! Bsp: Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I, Cornelsen Verlag, Berlin 2010

18 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu reiner Säure und Säure-Lösung Aufgabe: SuS sollen Gemeinsamkeiten und Unterschiede einer reinen Schwefelsäure und der 0,1 molaren Lösung angeben und kleinste Teilchen schematisch zeichnen.

19 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu reiner Säure und Säure-Lösung 45% der SuS geben lediglich Verdünnungseffekt an  zeichnen größere Abstände (a), Kugelmodelle (b) 30% geben gar keine Antwort 10% geben richtige Antwort (Hydronium-Ionen, Sulfat- Ionen in der Lösung) mit passender Zeichnung Restliche Antworten: pH-Wert der reinen Säure kleiner, unterschiedliche Dichten, reine Säure ätzender/reaktionsfreudiger etc.  Die Dissoziation ist oft unverstanden!

20 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zu reiner Säure und Säure-Lösung Schon zu Beginn festes Natriumhydroxid von der Lösung Natronlauge unterscheiden Reaktionen von Säuren/Laugen im Alltag sind auch erwünscht: Alltagsbezug z.B. durch Magensäure, Würzmittel in der Küche, Coca Cola, Rohrreiniger Durch Verdunstung des Wassers können auch verdünnte Lösungen eine aggressive Wirkung entfalten Leitfähigkeitsüberprüfungen: Modellvorstellungen von Ionen in Lösung von den SuS selbst zeichnen lassen! („aq“: Vollständige Trennung der Ionen!) Reine Schwefelsäure/Salpetersäure: Mit Molekülen beschreiben! Konzentrierte Salzsäure: Mit Ionen beschreiben!

21 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zum pH-Wert Aufgabe: Erläuterung des pH-Wertes Viele SuS geben richtig den „negativen dekadischen Logarithmus der H + -Ionen- Konzentration“ an. Einige haben die Definition sinnlos verändert Einige rein phänomenologische Antworten: „pH7 ist hautneutral, hat was mit Hautverträglichkeit zu tun.“

22 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zum pH-Wert Aufgabe: Lösungen benennen, die den pH-Wert 1 besitzen 15%: 0,1 molare Lösung von Salzsäure (richtig) 30% Säurelösungen ohne Konzentrationsangabe 45% keine Antwort  reines Merkwissen, überwiegendes Unverständnis, keine Anwendung des pH-Wertes

23 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum pH- Wert Einstieg zum pH-Wert phänomenologisch: Farbindikatoren, Testen versch. Lösungen aus Küche und Bad

24 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum pH- Wert Quantitative Bedeutung des pH-Wertes ist schwieriger, weil…  Mol-Begriff unbekannt/unverstanden  Logarithmus wird im Matheunterricht erst später unterrichtet pH-Wert mit Konzentration der Hydronium-Ionen verknüpfen:  Konzentration in Form von Zehnerpotenzen schreiben (potenta hydrogenii)  pH-Wert als Hochzahl mit anderem Vorzeichen festlegen molare Salzsäure-Lösung  pH-Wert molare Lösung besitzt  pH-Wert 3

25 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum pH- Wert Versuch: Verdünnungsreihe (V12)  SuS sollen verstehen, dass eine Verdünnung einer Säure-Lösung um den Faktor 1:10 die Vergrößerung des pH-Werts um eine Einheit nach sich zieht: Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I, Cornelsen Verlag, Berlin 2010

26 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zum pH- Wert  Zusammenhang von Konzentrationen der Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen in wässrigen Lösungen durch das Ionenprodukt des Wassers pH 2: mol H 3 O + -Ionen pro Liter mol OH - - Ionen pro Liter

27 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zur Neutralisation Aufgabe a) Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander. Wie lautet die Reaktionsgleichung? Antworten zu a): 80% korrekt: HCl + NaOH → NaCl + H 2 O Davon die Hälfte (40%) sogar mit Ionensymbolen. Vorhandene Fehlvorstellungen: „Als Reaktionsprodukt entsteht NaCl“ (Ohne Ionensymbole) Es entsteht „festes NaCl“

28 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zur Neutralisation

29 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zur Neutralisation Aufgabe b) Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander. Welche Teilchenarten reagieren? Antworten zu b): 40% korrekt Fehlvorstellungen: „alle Teilchen“ reagieren miteinander „die positiven und negativen Ladungen reagieren miteinander“ Es entstehen „NaCl-Moleküle“ Aufgabe c) Benenne die Reaktion. Antwort zu c):35% korrekt (Neutralisation) Beispiele für falsche Antworten:Redoxreaktion, Chlorierung, Titration

30 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation  Vermeidung von Bruttogleichungen Gefahr durch Bruttogleichungen: beteiligte Ionen werden nicht erkannt Salze werden als „Salzmoleküle“ aufgefasst Empfohlenes Vorgehen: Etablierung der Vorstellung der beteiligten Ionen und deren Verhalten in Lösung und als Feststoff. Erst danach Nachweis der Neutralisation als Reaktion von OH - und H 3 O + zu H 2 O

31 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation Vermeidung der Vermischung von S.-B.-Neutralität und Elektroneutralität (Fehlvorstellungen: „Ladungen neutralisieren sich“; Ionen schließen sich zu „Salzmolekülen“ zusammen) Lösungsvorschläge: „Neutralität“ ausschließlich bei Säure-Base-Thematik verwenden. Elektroneutralität als „Kräftegleichgewicht der Anionen und Kationen“ oder als „Ausgeglichenheit der Ladungen“ bezeichnen.

32 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation V 14 Leitfähigkeitsmessung bei der Titration von HCl mit Natronlauge V 16 Messung der freiwerdenden Wärmeenergie Modellvorstellungen zur Neutralisation starker Säuren und Basen sollen diskutiert und gezeichnet werden. Erst mit der Modellzeichnung werden angemessene Interpretationen von den Schülern übernommen.

33 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 1a)Stelle Unterschiede & Gemeinsamkeiten von 0,1 molaren Lösungen von Salzsäure und Essigsäure dar. Antworten: 50% keine Antwort 20% Unterschied: Säurestärke (zum Teil mit falscher Zuordnung) 10% Unterschied: pH-Wert

34 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 1b) Fertige eine Modellzeichnung der vorliegenden Atome/Ionen/Moleküle in den schematisierten Bechergläsern an. Antworten: 50% Zeichnung verweigert bzw. unfähig die Modellvorstellung zu skizzieren. 15% Moleküle und Ionen 15% ausschließlich Moleküle 15% ausschließlich Ionen Zum Teil fehlerhafte Modellvorstellung zu den beteiligten Ionen Zum Teil undeutbare Kugelmodelle

35 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren

36 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS

37 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 2) Antworten: 55% Dissoziationsgrad (nur bei wenigen mit Angabe der Begründung) 40% pH-Wert Fast die Hälfte der Befragten hat die Fehlvorstellung, dass die Stärke einer Säure vom pH-Wert abhängt.

38 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zu schwachen Säuren Fehlvorstellung: „schwache Säure “=„schwach konzentriert“ Verbal besprochene Protolysegleichgewichte,… führen nur bei wenigen zu angemessenen Vorstellungen. Experimente sollen den Protolysegrad und damit die Lage des Protolysegleichgewichts veranschaulichen! Anschließend sollen Modellvorstellungen erstellt und diskutiert werden

39 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschlag zu schwachen Säuren V 17: pH-Messung von HCl-Lösungen und Essigsäure-Lösungen mit 1 mol/l und 0,1 mol/l. V 18: pH-Messung bei einer HCl-Lösung und einer H 2 S-Lösung mit 0,1 mol/l (Erweiterbar auf dynamische Gleichgewichte durch Metallsulfidfällung)

40 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Unterrichtsvorschläge zu schwachen Säuren V 14: Leitfähigkeitsmessung bei einer Titration von Essigsäure-Lösung mit Natronlauge (Vergleich mit einer Titration von Salzsäure)

41 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fazit: Zusammenfassung der Fehlvorstellungen Säuren haben die Eigenschaft, „etwas zu zerstören/zu verätzen“ (Laugen & Hydroxide werden nicht genannt) Oft keine Unterschiede zwischen reinen Säuren (aus Molekülen) und verd. Säurelösungen (aus Ionen) Vermischung der Konzepte von Arrhenius und Brönsted Fehlvorstellungen zu ionischen Vorgängen (Bruttogleichungen bei Neutralisationen; „Entladung“ von Ionen bei der Salzbildung; Entstehung von „Salzmolekülen“) Verwendung des pH-Werts als Maß für Säurestärke Fazit: Modellvostellungen sind auf unverstandene Reaktionssymbole gegründet und nicht als Modellzeichnung veranschaulicht worden.  Modellzeichnungen rücken ins Zentrum der Unterrichtsvorschläge

42 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS Fazit: Zusammenfassung der Unterrichtsvorschläge Entwicklung angemessener Vorstellungen durch: Vermittlung von Zusammenhängen anhand der beteiligten Ionen und deren Konzentrationen (nicht auf Summenformeln reduzieren) Entwicklung eines nachhaltigen Verständnisses durch: Festhalten und Diskutieren der experimentellen Erfahrungen in Modellzeichnungen

43 Danke für eure Aufmerksamkeit ! N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS

44 Quelle: N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS


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