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

Gliederung Einleitung Säure/Base Begriff Reine Säuren und Säure Lösungen ph-Wert Neutralisation Starke und schwache Säuren Zusammenfassung

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

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

Vorstellungen der Schüler zum Säure/Base Begriff

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

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

Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base Begriff - Reaktion von Säuren und Laugen als Substanz und ihre aggressive Wirkung Reaktion von Zucker mit konz. H2SO4 Zucker + konz. Schwefelsäure schwarzer Kohlenstoff + Wasserdampf

Alltagsbezug durch Untersuchung von Haushaltsreinigern Kalkentferner Abflussfrei

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?

Was ist davon sinnvoll für den Unterricht? Arrhenius-Konzept Brönsted-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!

Einstieg in das Konzept nach Brönsted Brönsted-Säuren: Die Protonenspender 1.Teilversuch:Reaktion von Kochsalz und Schwefelsäure unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff H2SO4-Molekül+Cl--Ion HCl-Molekül + HSO4--Ion Säure1 Base 1 Säure 2 Base2 2.Teilversuch: Einleiten des entstandenen Chlorwasserstoff-Gases in Wasser HCl-Molekül +H2O-Molekül Cl-(aq)-Ion + H3O+(aq)-Ion Säure 1 Base 1 Base 2 Säure 2

Einstieg in das Konzept nach Brönsted Brönsted-Basen: Die Protonenempfänger Versuch: Calciumoxid und Wasser reagieren stark exotherm Ca2+-Ion + O2--Ion + 2 H2O-Molekül Ca2+-Ion + (OH-)2-Ion + H2O-Molekül Wesentliche Reaktion: O2--Ion + H2O-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!

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

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

Beispiele für falsche Modellvorstellungen

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

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!

Prinzip der Dissoziation

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

Vorstellungen der Schüler zum Begriff des pH-Werts

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

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

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

Vertiefung: Der pH-Wert Begriff des Mol muss den Schülern bekannt sein -Kurzübersicht geben: Beispiel: -Wasser: 18g Wasser enthalten 1mol H2O-Moleküle (nicht „1mol Wasser“) -Salzsäure (1mol/L): 1mol H30+(aq)-Ionen und 1mol Cl-(aq)-Ionen Verdünnung: a)1:10 0,1mol H30+(aq)-Ionen b)1:100 0,01mol H30+(aq)-Ionen *Verweis: H+-(aq)-Ion als Kurzschreibweise für H30+(aq)-Ionen *Untersuchung des pH-Wertes der Salzsäuren und Feststellung, dass ph-Wert = x , wenn c(H+) = 10-x

Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert Vorläufiges Verständnis über die Verdünnungsreihe:

Vertiefung: Der pH-Wert Begriff des Mol muss den Schülern bekannt sein -Kurzübersicht geben: Beispiel: -Wasser: 18g Wasser enthalten 1mol H2O-Moleküle (nicht „1mol Wasser“) -Salzsäure (1mol/L): 1mol H30+(aq)-Ionen und 1mol Cl-(aq)-Ionen Verdünnung: a)1:10 0,1mol H30+(aq)-Ionen b)1:100 0,01mol H30+(aq)-Ionen *Verweis: H+-(aq)-Ion als Kurzschreibweise für H30+(aq)-Ionen *Untersuchung des pH-Wertes der Salzsäuren und Feststellung, dass ph-Wert = x , wenn c(H+) = 10-x

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

- Schülerbefragung zur Neutralisation

Vorstellungen von Schülern von einer Neutralisation

Fehlvorstellungen der Schüler Reaktionsgleichung HCl + NaOH NaCl + H2O

Fehlvorstellungen der Schüler Ionensymbole H+-Ionen und OH--Ionen reagieren zu H20 Name der Reaktion

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

Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation Reaktion von Natronlauge und Salzsäure H3O+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) Cl-(aq) + Na+(aq) + 2 H2O(l) Vergleich mit dem gedanklichen Modell:

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 ( RH0m= -56kJ/mol)

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

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

Modellvorstellungen

Fazit Dissoziations- oder Protolysegard sind nicht verstanden worden

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]

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

Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren

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

Danke für eure Aufmerksamkeit!