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Fachdidaktik Chemie ETH Reaktionen S.
Mischung oder Reaktion
Im Labor mischen die Schülerinnen zwei Flüssigkeiten. Wenn die
Stoffe miteinander reagieren, sind überraschende Farben, Fällungen
oder Gasblasen zu beobachten. Die Anleitung und einige Bilder
finden Sie im Dokument Vermischung-Reaktion.docx auf
http://fdchemie.pbworks.com/w/page/46481480/Reaktionsgleichungen
Erkenntnisse:
In Reaktionen entstehen Substanzen mit völlig neuen
Eigenschaften, weil die Teilchen verändert werden.
Das Teilchenmodell kann die Veränderung zuwenig genau
beschreiben. Deshalb müssen wir wissen, wie die Stoffteilchen
aufgebaut sind.Bsp. aus dem Schülerversuch: Brom reagiert mit
Malonsäure. Die folgende Skizze reicht als Erklärung nicht.
Teilchen bestehen aus Atomen
Bsp. Wasser
Bis heute wurden über hundert Atomsorten gefunden. In der Natur
kommen dabei nur etwa neunzig vor. Die restlichen wurden künstlich
hergestellt. Manche dieser Atome zerfallen aber in Bruchteilen von
Sekunden gleich wieder und sind deshalb für uns völlig
uninteressant.
Jede Atomsorte besitzt:
einen Namen
ein Symbol aus ein bis zwei Buchstaben
eine Nummer
Im Periodensystem stehen die Atome den Nummern nach geordnet.
Für die Schülerinnen ist das Periodensystem im Moment nichts anders
als eine Liste, in der sie Symbole und Namen der Atome ablesen
können.
Mendelejew und die ElementeKarin Senn, Chemielehrerin an der
Kantonschule Zürcher Unterland hat eine Aktivität entwickelt, in
der die Schüler Elemente ordnen und die Entstehung des
Periodensystems nachempfinden können. Anleitung und Materialien
können von http://fdchemie.pbworks.com heruntergeladen werden.
Verschiedene Moleküle bedeuten verschiedene Substanzen
Viele Moleküle bestehen aus folgenden Atomsorten:
H
Wasserstoff-Atom
O
Sauerstoff-Atom
C
Kohlenstoff-Atom
Cl
Chlor-Atom
N
Stickstoff-Atom
S
Schwefel-Atom
Aufgabe 1
a)Bei Abgabe einer Schwarz-Weiss-Kopie: Die Atome gemäss
Konvention färben.
b)Summenformeln mit Bleistift angeben. Gleiche Atome haben
dieselbe Farbe. Auf die Reihenfolge der Buchstaben in den
Summenformeln soll noch nicht geachtet werden.
c)Aus welcher Substanz kann Ether hergestellt werden? Welches
Molekül auf diesem Blatt muss nur wenig umgebaut werden, damit es
zu einem Ether-Molekül wird. Bitte erkläre die Veränderung mit
einer Skizze.
Besprechung: Lösungen angeben und auf die Reihenfolge der
Buchstaben in den Summenformeln eingehen. Nur bei organischen
Molekülen gibt es eine Regel: zuerst C, dann H, dann die weiteren
Atomsymbole in alphabetischer Reihenfolge.
Aufgabe 2
a)Strichformeln zeichnen.Wenn die Lehrperson die Aufgabe am
Beispiel von Wasser und Sauerstoff vormacht und betont, dass jede
Atomsorte eine bestimmte Anzahl Bindungen eingeht, verstehen die
Schüler wie sie vorgehen können. Aus H2O weiss man, dass
Sauerstoffatome 2 Bindungen machen. Deshalb muss es bei O2 eine
Doppelbindung geben.
b)Erkläre mit Strichformeln, wie Alkohol- zu Ethermolekülen
werden.
c)Warum kann Alkohol nicht aus Ammoniak und Chloroform
hergestellt werden?
Lösung der Aufgaben
Abb. ohne Eintragung und Farbe
Auswertung
Die Summenformel gibt die Zusammensetzung des Moleküls an.
Die Strichformel zeigt, wie sich Atome verbinden. Jede Atomsorte
macht eine bestimmte Anzahl Bindungen.
Wenn die Moleküle eines Stoffs aus gleichen Atomen aufgebaut
sind, bezeichnen wir den Stoff als elementaren Stoff.
Wenn die Moleküle eines Stoffes aus verschiedenen Atomen
aufgebaut sind, bezeichnen wir den Stoff als Verbindung.
Beispiele von elementaren Stoffen:
.............................................................................................................................................................
Beispiele von Verbindungen:
.............................................................................................................................................................
Mit Strichformeln können Reaktionen beschrieben werden. Sie
zeigen welche Bindungen gebrochen und wo neue Bindungen gebildet
werden.
Die Strichformeln zeigen beispielsweise, dass Alkohol in Ether
und Wasser verwandelt werden kann. Umgekehrt kann Chloroform nicht
zu Ammoniak werden. Diese Voraussage ist mit Stoffteilchen nicht
möglich. Deshalb verwenden Chemikerinnen Strichformeln und
Summenformeln, wenn sie Reaktionen studieren und die Veränderung
der Moleküle verstehen wollen.
Der Umbau der Moleküle kann mit Molymod-Modellen oder –
besonders elegant – mit Snatoms demonstriert werden. Leider werden
Mehrfachbindungen mit Snatoms unbefriedigend dargestellt, weshalb
sich dieses Modell nur für Moleküle mit Einfachbindungen bewährt
https://snatoms.com
Reaktionen1.Wasserstoff verbrennen
Exp. Abgase untersuchen
Vorgehen
1.Ziel bekannt geben: Wir untersuchen die Abgase bei der
Verbrennung von Wasserstoff
2.Apparatur vorstellen und Experiment starten. Die Glaswaren
sind von weitem recht klein und viele Schüler durchschauen die
Apparatur nicht auf Anhieb.
3.Apparatur an der Tafel skizzieren.
4.Schülerinnen nach vorn bitten, damit sie die Apparatur gut
sehen.
5.Experiment beenden, U-Rohr entfernen und einem Schüler zum
Trocknen geben. Weil er das U-Rohr aussen trocknet ist es immer
noch nass. Die Lehrperson kann ihn auffordern besser zu trocknen
und so allen klar machen, dass sich innen Tropfen gebildet
haben.
6.Optional können einige Tropfen Cobaltchorid-Lösung (0,1g
Cobalt(II)-chlorid Hexahydrat in 10 mL Isopropanol) ins U-Rohr
zur kondensierten Flüssigkeit gegeben werden. Welche Flüssigkeit
könnte es sein? Reagenzgläser mit einigen Tropfen Alkohol, Ether
und Wasser mit Cobaltchorid-Lösung versetzen und so nachweisen,
dass sich Wassertropfen im U-Rohr gebildet haben. Die Schüler
nehmen wieder Platz.
7.Also muss bei der Verbrennung Wasserdampf entstehen. Der
Sauerstoff kommt aus der Luft.
8.Erst jetzt Wasserdampf und Sauerstoff in die Skizze
eintragen.
9.Bemerkung: Experimente zeigen wie sich Substanzen in einer
Reaktion verändern. Ohne den Nachweis der Produkte könnte man die
Reaktion nicht herausfinden.
Wie kann Wasserdampf entstehen?
Die Flamme ist so heiss, dass die Moleküle zerrissen werden und
die Atome sich neu verbinden.
In der Flamme findet eine chemische Reaktion statt
Die Reaktionsgleichung beschreibt die Veränderung der
Moleküle:
Die Animation Wasserstoff verbrennen.swf von Kurt Pfefferkorn
und Marcel Ottiger ist auf der Plattform www.fdchemie.pbworks.com
zu finden.
Experimente mit Wasserstoff
Wasserstoff brennt.
Inszenierung
1.Wasser in einer grosse Schale mit etwas Spülmittel
versehen
2.Wasserstoff einleiten und so viele Blasen wie möglich
erzeugen
3.Wasserstoffflasche schliessen und die Blasen mit einem sehr
langen Zündholz entzünden
4.Oft sind die Schüler beeindruckt und wünschen lautstark eine
Wiederholung. Ohne dass es die Klasse merkt Sauerstoff in die
Schale leiten und eine Schülerin auffordern, die Blasen zu
entzünden. Wenn die Gasflaschen nebeneinander stehen, sehen die
wenigsten, dass jetzt Sauerstoff eingesetzt wird.
5.Zeigen, dass die Flamme in den Spülmittelblasen viel grösser
ist und erklären, dass sie Sauerstoff enthalten.
Je mehr Sauerstoff, desto stärker das Feuer
6.Wie könnte man eine besonders heftige Verbrennung erreichen?
Wasserstoff und Sauerstoff müssen gemischt werden. Die
Reaktionsgleichung gibt das optimale Verhältnis an. In einer
Kunststoffspritze 30 ml Wasserstoff und 15 ml Sauerstoff aufziehen,
im Spülmittel ganz wenig Blasen erzeugen und anzünden. Gehörschutz
tragen. Der Knall ist unangenehm.
Knallgas:Eine Mischung von 2 Teilen Wasserstoff und einem Teil
Sauerstoff explodiert am heftigsten.
Der singende Trichter
Den Auslauf eines grossen Kunststofftrichters mit Aluminiumfolie
auf 2 mm Durchmesser verkleinern. Den Trichter wie in der Abbildung
gezeigt auf den Experimentiertisch stellen und mit einem Schlauch
von unten her genügend Wasserstoff einfüllen. Den Schlauch
entfernen. Sofort die Stahlflasche schliessen und den Wasserstoff
entzünden, der aus dem kleinen Loch strömt.
Zuerst passiert 10 bis 15 Sekunden gar nichts. Dann beginnt der
Trichter zu singen und endlich explodiert das Gas im Trichter mit
lautem Knall. Es ist kein Gehörschutz nötig.
Vorschlag: Sie schildern der Klasse alles was geschehen wird und
führen dann das Experiment durch. Obwohl alle den Verlauf kennen
und gewarnt sind, erschrecken die Schülerinnen und Schüler bei der
Explosion.
2.Elektrolyse von Wasser
Das Experiment kann mit dem Hofmann-Apparat ausgeführt
werden
Abbildung aus Wikipedia
Was ist gut dargestellt?
Unnötiges ist weggelassen
Die Apparatur ist leicht verständlich
Was sollte verbessert werden?
Die Zahl der Gasblasen ist verschieden
Die Pfeile weglassen, die den geschlossenen Stromkreis andeuten.
Grund: Elektronen können nicht schwimmen
Wasser mit einer Farbe angeben
Die Elektroden müssen weiter oben enden
Plus- und Minuspol statt Kathode und Anode verwenden
Die Vorgänge an den Elektroden können auf dieser Stufe nicht
genau erklärt werden, weil Elektronen und Ionen den Schülern noch
nicht bekannt sind.
Erkenntnisse:
Reaktionen können umgekehrt werden
Die Reaktionsgleichung erklärt, warum doppelt so viel
Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht.
Ausgezeichnete Darstellung
3.Erdgas verbrennen
Experiment: Verbrennung von Methan und Analyse der Abgase von M.
Bleichenbacher und T. Gelbach (Kantonsschule Zürich Nord):
https://www.youtube.com/watch?v=07w6nno75h0
Abbildung von K. Pfefferkorn, Kantonsschule Oerlikon. Kalkwasser
ist eine gesättigte Lösung von Calciumhydroxid.
Reaktionsgleichung
Damit CH4 zu CO2 und H2O wird, wird Sauerstoff aus der Luft
benötigt.
4.Fossile Brennstoffe
Lernaufgabe
Lernaufgaben gliedern sich in 4 Phasen: Input, Lernaufgabe,
Diskussion und sichern der Erkenntnisse.
A) Input:
1. Bsp. vorlösen und alle Überlegungen laut vordenken. Da die
Aufgabe nicht im Klassengespräch erarbeitet wird ist der Input kurz
und bleibt übersichtlich. Die Schülerinnen wissen anschliessend,
was zu tun ist
1. Bsp. Feuerzeuge enthalten Propan. Propan C3H8 brennt
B) Lernaufgabe
Auftrag: Die Reaktionsgleichung mit Summenformeln aufstellen
2. Bsp. Benzin C7H16 brennt
3. Bsp. Heizöl C17H36 brennt
4. Bsp. Butan C4H10 brennt
5. Bsp. Kerosin C14H30 brennt
6. Bsp. Alkohol C2H6O brennt
In der Lernaufgabe verarbeiten die Schüler das, was im Input
vorgestellt wurde. Sie setzen sich mit der Aufgabe aktiv
auseinander und treffen auf neue Herausforderungen. Die Lehrperson
geht von Schüler zu Schüler und sieht die Schwierigkeiten.
Fragen zu den gewählten Beispielen:
1.Warum wurden die oben genannnten Substanzen in die Lernaufgabe
aufgenommen?
2.Weshalb diese Reihenfolge?
3.Welche Herausforderungen müssen die Schülerinnen meistern?
C) Diskussion
In der Lernaufgabe treffen die Schülerinnen auf alle
Schwierigkeiten, die sich beim Aufstellen von Reaktionsgleichungen
ergeben. Sie merken, wo es Probleme gibt und können diese teilweise
lösen. Nach der Lernaufgabe folgt deshalb eine Diskussion in der
die Lösungen gezeigt und alle Fragen beantwortet werden. Wenn die
Schüler grösstenteils erfolgreich waren, kann die Diskussion kurz
gehalten werden. Wenn sie aber an vielen Aufgaben scheiterten,
entsteht ein grosses Bedürfnis, die richtige Lösung zu erfahren.
Alle sind froh, wenn die Lehrperson die Aufgaben verständlich
erklärt und folgen den Ausführungen aufmerksam.
D) Die Erkenntnisse festhalten
Verbrennungen sind Reaktionen mit Sauerstoff: Wenn der
Brennstoff Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthält, entstehen
Kohlendioxid und Wasserdampf.
In Reaktionen werden Bindungen gebrochen und die Atome verbinden
sich neu. Die Zahl der Atome jeder Sorte verändert sich nicht.
Reflexion
Wie beurteilen Sie den vorgestellten Unterricht?
Teilchenmodell 8. Schuljahr
1.Stoffteilchen unterscheiden sich in der Grösse
Volumenkontraktion
2.Stoffteilchen halten zusammen. Mischbarkeit
3.Stoffteilchen bewegen sich. Wärmebewegung & Diffusion
4.Ordnung oder Chaos mit Stoffteilchen. Aggregatzustände
5.Stoffteilchen in verschieden Situationen. Experimente die gut
mit dem Teilchenmodell gedeutet werden können
6.Dichte: Stoffteilchen in unterschiedlichen Abständen
7.Druck: Stoffteilchen gegen Wände
8.Trennmethoden: Stoffteilchen sortieren
9.Chemische Reaktionen verändern StoffteilchenDas Periodensystem
ist eine Sammlung aller AtomsortenStrichformeln und Summenformeln
beschreiben die MoleküleVerbrennung von Wasserstoff, Erdgas, Benzin
usw.
Der ausführliche Stoffplan ist auf der Plattform
http://fdchemie.pbworks.com eingestellt.
Vorteile dieser Unterrichtssequenz
Schüler erleben, dass chemische Kenntnisse auf Experimenten
beruhen
Viele Schülerinnen und Schüler experimentieren gerne. Es ist
immer von Vorteil, wenn sie aktiv sein können.
1. Phase: Das Modell wird aus Experimenten entwickelt.
Experimente sind die Basis naturwissenschaftlicher Erkenntnis.
2. Phase: Beobachtungen werden mit dem Modell erklärt. Eine
Vielfalt von Phänomenen wird auf wenige Prinzipien zurückgeführt.
Das ist ein zentrales Anliegen der Chemie!
3. Phase: Schülerinnen erkennen, dass Modelle Grenzen haben und
nur einige Aspekte der Wirklichkeit zeigen. Die Diskussion von
Modell und Wirklichkeit ist ein wesentlicher Beitrag zur Bildung,
weil Modelle auch ausserhalb der Chemie von grosser Bedeutung
sind.
Schülerinnen erhalten eine Vorstellung von Materie
Probleme und Nachteile dieses Vorgehens
Schülerexperimente sind bei grossen Klassen nicht möglich
Mehr Physik als Chemie.
Lohnt sich der Zeitaufwand?
Empfehlung
Keine Elektronen, Protonen, Neutronen, Ionen und Salze in der
Unterstufe.
Nehmen Sie aus diesem Vorschlag die Bruchstücke, die zu Ihren
Schülerinnen, Ihrer Schule und natürlich zu Ihnen passen. Es ist
wichtig, dass Sie den Unterricht auf Ihre Situation zuschneiden.
Der vorgestellte Unterricht zum Teilchenmodell wurde für die
Kantonsschule Freudenberg konzipiert: Im 8. Schuljahr wird Chemie
und Physik im 8. Schuljahr von 2 Lehrpersonen im Teamteaching
unterrichtet.
Übung 3: Animationen mit Arbeitsblatt
Animationen sind eine echte Bereicherung für den Unterricht,
ganz besonders dann, wenn die Schülerinnen die Animationen selber
erkunden können. Entwerfen Sie ein Arbeitsblatt inklusive Lösungen
zu einer der folgenden Animationen:
https://phet.colorado.edu/de/simulation/coulombs-law
https://phet.colorado.edu/de/simulation/rutherford-scattering
Auf der Webseite finden Sie im Abschnitt ”Für Dozenten” Ideen zu
Aufträgen.
Bitte orientieren Sie sich am Arbeitsblatt, das mein Kollege
David Brunner für die Animation ”Bau ein Atom” verfasst hat. Siehe
http://fdchemie.pbworks.com/w/file/136579830/Bau_ein_Atom%20AB(D.Brunner).docx
Umfang: 1 bis 2 Seiten. Am liebsten als Word-Dokument, im
Notfall als PDF.
Abgabe bis Donnerstag, 8. Okt. 2020 16 Uhr, in teams, im Notfall
per Mail an [email protected] Die E-Mail sollte maximal 2 MB
gross sein.
Was machen ChemikerInnen?
aus Primo Levi: Der Ringschlüssel
Amadeus Bärtsch2. Okt. 2020
xxx
Posten Stoff A Farbe Stoff B Farbe Erwartung Beobachtung
Folgerung
1 Bromwasser gelb Malonsäure farblos gelb farblos Reaktion
2 Kupfersulfat Ammoniak
3 Eisenchlorid Kaliumthiocyanat
4 Patentblau V Amaranth
5 Phenolphtalein Natronlauge
6 Kupfersulfat Eisenchlorid
7 Natriumbenzoat Salzsäure
8 Bromthymolblau Salzsäure
9 Natriumcarbonat Essigsäure
10 Natriumthiosulfat Essigsäure
11 Lugolsche-Lösung Natriumthiosulfat
12 Tinte Natriumdithionit
Vermischung oder Reaktion
xxx
PostenStoff A FarbeStoff B
FarbeErwartungBeobachtungFolgerung
1Bromwasser gelb Malonsäure farblosgelb farblosReaktion
2Kupfersulfat Ammoniak
3Eisenchlorid Kaliumthiocyanat
4Patentblau V Amaranth
5Phenolphtalein Natronlauge
6Kupfersulfat Eisenchlorid
7Natriumbenzoat Salzsäure
8Bromthymolblau Salzsäure
9NatriumcarbonatEssigsäure
10NatriumthiosulfatEssigsäure
11Lugolsche-LösungNatriumthiosulfat
12Tinte Natriumdithionit
Vermischung oder Reaktion