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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 zum Thema: Säure und Basen Carsten Knoop & Christoph Wacker
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Gliederung Einleitung Säure/Base Begriff
Reine Säuren und Säure Lösungen ph-Wert Neutralisation Starke und schwache Säuren Zusammenfassung
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Einleitung - Säure-Base Reaktion eines der Hauptthemen im Chemieunterricht - Fehlvorstellungen der Schüler aufzeigen - Vorschläge zur Korrektur machen bzw. darstellen
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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
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Vorstellungen der Schüler zum Säure/Base Begriff
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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
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Fazit: Schüler können mit der Säure-Base Theorie oftmals nicht viel anfangen.
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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
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Alltagsbezug durch Untersuchung von Haushaltsreinigern
Kalkentferner Abflussfrei
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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?
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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!
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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 Säure Base Säure Base2 2.Teilversuch: Einleiten des entstandenen Chlorwasserstoff-Gases in Wasser HCl-Molekül +H2O-Molekül Cl-(aq)-Ion + H3O+(aq)-Ion Säure Base Base Säure 2
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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!
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3. Reine Säuren und Säure-Lösungen
Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen reiner Säure und Säurelösung am Beispiel einer Schwefelsäure
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Fehlvorstellungen der Schüler
Verdünnungseffekt Dichten unterscheiden sich Reine Säure ätzender, reaktionsfreudiger
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Beispiele für falsche Modellvorstellungen
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Fazit Prinzip der Dissoziation wurde nicht verstanden
Wichtige Inhalte der Säure-Base Reaktion bleiben unverstanden
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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!
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Prinzip der Dissoziation
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4. pH-Wert Was ist der pH-Wert bzw. wie definiert er sich?
- negative dekadische Logarithmus der H+-Konzentration
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Vorstellungen der Schüler zum Begriff des pH-Werts
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Fehlvorstellungen der Schüler
phänomenologische Antworten viele verändern die Definition richtige Antwort nur vereinzelt von Schülern Argumentation mit Säuregrad/Säuregehalt
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Fazit reines Merkwissen und überwiegend
Unverständnis von Schülern bezüglich des pH-Werte - enorme Schwierigkeiten mit dem pH-Wert umzugehen
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Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert
Einführung: Versuche zum Bestimmen des pH-Wertes von Lösungen aus dem Alltag mit Hilfe von Universalindikator-Papier
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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: ,1mol H30+(aq)-Ionen b)1: ,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
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Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert
Vorläufiges Verständnis über die Verdünnungsreihe:
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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: ,1mol H30+(aq)-Ionen b)1: ,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
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Vertiefung: Der pH-Wert
Da bisher nur Säuren untersucht wurden, können anhand von Schaubildern auch Rückschlüsse auf alkalische Lösungen gezogen werden:
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- Schülerbefragung zur Neutralisation
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Vorstellungen von Schülern von einer Neutralisation
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Fehlvorstellungen der Schüler
Reaktionsgleichung HCl + NaOH NaCl + H2O
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Fehlvorstellungen der Schüler
Ionensymbole H+-Ionen und OH--Ionen reagieren zu H20 Name der Reaktion
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Fazit Salzbildung wird in den Vordergrund gestellt
Ionen werden zu „Salz-Molekülen“
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Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation
Reaktion von Natronlauge und Salzsäure H3O+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) Cl-(aq) + Na+(aq) H2O(l) Vergleich mit dem gedanklichen Modell:
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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)
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6. Starke und schwache Säuren
Worin unterscheidet sich eine starke Säure von einer schwachen Säure?
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Fehlvorstellungen der Schüler
- Argumentation mit dem ph-Wert - Schwierigkeiten beim Überführen von Modellvorstellungen in konkrete Zeichnungen
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Modellvorstellungen
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Fazit Dissoziations- oder Protolysegard sind nicht verstanden worden
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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]
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Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren
Einführung des Protoloyse-Begriffs und Vorstellung der Modelle
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Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren
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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
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Danke für eure Aufmerksamkeit!
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