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
Westfälische Wilhelms-Universität
Fehlvorstellungen in der ChemieDiagnose und Korrektur
Sommersemester 2006
Prof. Dr. H.-D. Barke und T.Dörfler
Referat zum Thema: Säure und Basen
Carsten Knoop & Christoph Wacker
Gliederung
1. Einleitung
2. Säure/Base Begriff
3. Reine Säuren und Säure Lösungen
4. ph-Wert
5. Neutralisation
6. Starke und schwache Säuren
7. Zusammenfassung
Einleitung
- Säure-Base Reaktion eines der Hauptthemen im Chemieunterricht
- Fehlvorstellungen der Schüler aufzeigen
- Vorschläge zur Korrektur machen bzw. darstellen
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 Protonenspender1.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)-IonSäure 1 Base 1 Base 2 Säure 2
Einstieg in das Konzept nach Brönsted
Brönsted-Basen: Die ProtonenempfängerVersuch: 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-
LösungenAggressivität von Säuren und ihren verdünnten
Lösungen:Alltagsbezug: Magensäure, Phosphorsäure (in Cola),
Zitronen- und Essigsäure (als Würzmittel), etc. Vergleich zum Verhalten reiner, konzentrierter
SäurenFolgerung: 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 zumpH-Wert
Einführung: Versuche zum Bestimmen des
pH-Wertes von Lösungen aus dem Alltag
mit Hilfe von Universalindikator-Papier
Vertiefung: Der pH-WertBegriff 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 zumpH-Wert
Vorläufiges Verständnis über die Verdünnungsreihe:
Vertiefung: Der pH-WertBegriff 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:
5. Neutralisation
- 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 SäurenStärke 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 SäurenEinführung 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!