Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff Ein zu beachtender Bestandteil des Donator-Akzeptor-Konzepts Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Gliederung Einleitung Der Säure-Base-Begriff Reine Säure und Säure-Lösungen pH-Wert Neutralisation Starke und schwache Säuren Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Einleitung SuS kommen mit eigenen Vorstellungen oder Kenntnissen in den naturwissenschaftlichen Unterricht Diagnose von Vorstellungen  spezifische Unterrichtseinheiten Ursprüngliche Präkonzepte neben „hausgemachte“ Fehlvorstellungen Parallelen im Denken früherer Wissenschaftler Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Der Säurebegriff - phänomenologisch Boyle (17. Jhd.) – Färbung bestimmter Pflanzenfarbstoffe, Lösen von Kalkstein Glauber (1650) – S&B feindlich und entgegengesetzt, bilden zusammen aber Salze Lavoisier (1778) – Nichtmetalloxid bilden S in wässerigen Lösungen Davy (1816) – S sind Wasserstoffverbindungen Liebig (1838) – Salze bilden sich, wenn in S der Wasserstoff durch Metalle ersetzt wird Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Der Säurebegriff Arrhenius (1864) – S zerfallen in wässriger Lösung in positive Wasserstoff- Ionen und in negativ Säurerestionen. B in positive Baserestionen und negative Hydroxidionen (OH-) Brönsted (1923) – erstes Konzept beruhend auf Funktion von kleinsten Teilchen (Protonendonatoren / Protonenakzeptoren) Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Fehlvorstellungen zum Säure-Begriff „Säure ätzen“ „Säuren zerstören“ / „zerfressen Dinge“ „Essigsäure ist in der Chemie eine ätzende und gefährliche Substanz, im alltäglichen Gebrauch nicht“ Zuschreibung der aggressive Eigenschaft nur den Säuren Keine Teilchenvorstellungen mit verknüpft Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Fehlvorstellungen zum Säure-Begriff Oft mit dem pH-Wert verknüpft (kleiner pH-Wert; „gelb oder rot“) Angelernte Säure-Konzepte: Arrhenius-Konzept (enthalten H+-Ionen) Brönsted-Konzept (geben Protonen ab) Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Fehlvorstellungen zum Säure-Begriff „…dass zwar eine Zunahme an Brönsted- Definitionen in den Klassen 11 und 12 zu verzeichnen ist, Basen im gleichen Zusammenhang noch überwiegend nach Arrhenius interpretiert werden. Ein beliebiges Vertauschen beider Säure- Base-Definitionen zeigt letztlich, dass das Wissen nicht tief verankert und deshalb nicht in Form des Transfers angewendet wird“ Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Unterrichtsvorschläge Reaktion von Säuren und Laugen als Substanz und ihre aggressive Wirkung keine Vernichtung von Stoffen! Beachtung des Alltagsbezuges V7.1: Zucker + konz.Schwefelsäure  schwarzer Kohlenstoff + Wasserdampf V7.2: Säure-Lösungen mit unedlen Metallen V7.3: Kalkentferner V7.4: Abflussfrei

Unterrichtsvorschläge Säure-Base-Konzepte: Substanz-bezogenes Arrhenius-Konzept Arrhenius-Konzept nur Ionen in wässrigen Lösungen Teilchen-bezogenes Brönsted-Konzept Brønsted-konzept: Übergabe von Protonen  allgemeineres Konzept genetische Entwicklung von beiden in historisch orientiertem Unterricht Festlegung auf das Brønsted-Konzept (9G.2 hessischer Lehrplan!)

Unterrichtsvorschläge Salzsäure konz.  Zusammensetzung aus Ionen als Modellvorstellung! reine Schwefelsäure oder Salpetersäure durch Moleküle beschreiben! V7.7 Leitfähigkeitsprüfungen OH-(aq)-Ion und H+(aq)-Ion vollständige Trennung aller Ionen

Unterrichtsvorschläge H2SO4-Molekül+Cl--Ion  HCl-Molekül + HSO4--Ion V7.9: HCl-Molekül +H2O-Molekül  Cl-(aq)-Ion + H3O+(aq)-Ion Üben!!

Unterrichtsvorschläge H2SO4-Molekül + 2H2O-Moleküle  2H3O+(aq)-Ionen + SO42-(aq)-Ion exotherm V7.11: O2--Ion + H2O-Moleküle  OH-(aq)-Ion + OH-(aq)-Ion | exotherm Wasser ist ein Ampholyt-Teilchen

Reine Säure und Säure-Lösung Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009 14

Reine Säure und Säure-Lösung Richtige Antworten hinsichtlich H3O+ und SO42- nur bei etwa 10% 45 % Verdünnungseffekt Andere: pH kleiner, Dichten unterschiedlich, ätzender, reaktionsfreudiger Oft Dissoziation unverstanden Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009 15

Unterrichtsvorschläge Unterscheidung festes NaOH und Natronlauge Reaktionen verdünnter Säuren Erwünscht  z.B. Magensäure, Würzmittel (Kontext) Durch Verdunsten des Wassers können auch verdünnte Lösungen eine aggressive Wirkung erzielen

pH-Wert "negativer dekadischen Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration" ohne richtige Anwendung oft Veränderung der Definition phänomenologisch (pH 7 hautneutral, hat was mit Hautverträglichkeit zu tun) Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

pH-Wert Aufgabe: Lösungen mit pH-Wert 1.0 bennen 15 % 0,1 M HCl 30% HCl oder H2SO4 (ohne Konzentration) 45 % gar keine Antwort  Reines Merkwissen bezüglich pH-Wertes  Schwierigkeiten mit dem pH-Wert umzugehen Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Unterrichtsvorschläge Säure-Base-Indikatoren – besondere Farbstoffe  V7.5 (Rotkohl, Curcumin) V7.6: pH-Werte Küche/Bad-Lösungen Sauer Neutral Alkalisch

Unterrichtsvorschläge pH-Werte – Potenz der H3O+(aq)-Ion Konzentration der H3O+(aq)-Ionen pH-Wert 2  10-2-molare Salzsäure Lösung

Unterrichtsvorschläge V7.12: Verdünnungsreihe Salzsäure (1.0 mol/L): 1.0 mol H30+(aq)-Ionen und 1.0 mol Cl-(aq)-Ionen Verdünnung: a)1:10 0,1mol H30+(aq)-Ionen b)1:100 0,01mol H30+(aq)-Ionen

Unterrichtsvorschläge Alkalische Lösungen: pH-Wert 2  10-2-molare H3O+(aq)-Ionen 10-10-molare OH-(aq)-Ionen pH-Wert 10 10-10-molare H3O+(aq)-Ionen 10-4-molare OH-(aq)-Ionen

Neutralisation Aufgabe: „Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander“ 80 % formal richtige HCl + NaOH  NaCl + H2O 50 % sogar mit Ionensymbolen Allerdings 40% bilden NaCl Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Neutralisation Aufgabe: „Reagierende Teilchen?“ „alle Teilchen“ oder „positive und negative Ladungen“ reagieren „NaCl-Moleküle entstehen“ / Salz- Moleküle Nur 35% konnten Neutralisation benennen Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Neutralisation Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Modellvorstellungen zum Abdampfen von Wasser aus Kochsalzlösung Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Unterrichtsvorschläge Neutralität ganz der Säure-Base-Thematik zuzuordnen V7.14 (Cl-(aq) und Na+(aq) – spectator ions): H3O+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq)  Cl-(aq) + Na+(aq) + 2 H2O(l)

Starke und schwache Säuren Weit verbreitet: Säurestärke durch pH-Wert der Lösung (Verdünnungsmöglichkeit wird nicht wahrgenommen!) Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Starke und schwache Säuren Modellvorstellungen: Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

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Unterrichtsvorschläge 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. V7.17 V7.18

Unterrichtsvorschläge Modellvorstellungen 100%ige Protolyse versus 1%ige Protolyse

Resümee Säuren werden oft Eigenschaften zugesprochen Hydroxide und Laugen oft nicht genannt keine Unterschiede zwischen reinen Säuren (Moleküle) und Säure-Lösungen (z.T. Ionen) Arrhenius oft mit Brönsted vermischt „Salzsäure ist ein Protonendonator“ Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Resümee Neutralisation steht Salzbildung im Vordergrund und „Salz-Moleküle“ Dissoziations- oder Protolysegrad oft nicht in Vorstellungswelt der SuS vorhanden Wenig Modellvorstellungen  ins Zentrum rücken Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Quellenangabe Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Stephanie van Neuren / René Reinhold 2.Hauptsemester Fachseminar Chemie 15.12.2009