19.01.2016 N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1 Häufige Fehlvorstellungen zum...

19.01.2016N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1

Häufige Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff und deren Korrektur durch einen darauf abgestimmten Unterricht

Bildquellen: http://www.ag-chemieschulen.de/projektarbeiten/abb/naturstoffe-indikatoren/abb23.jpgArnold, Dr. K., Dietrich, Prof. Dr. V.: Fokus Chemie - Gymnasium 9, Cornelsen Verlag, Berlin, 2009

N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 219.01.2016

Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff Einleitung Die Säure-Base-Begriffe Reine Säure und Säure-Lösung pH-Wert Neutralisation Starke und schwache Säuren Fazit


Einleitung Grundlage des Vortrags: Hans-Dieter Barke:

„Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen“

SuS bringen eigene Vorstellungen und Kenntnisse zu naturwissenschaftlichen Sachverhalten mit

ursprüngliche Präkonzepte vs. „hausgemachte“ Fehlvorstellungen

Vorschlag von Barke: Orientierung des Chemieunterrichts an den Schülervorstellungen

Vorgehen: 1.) Diagnose 2.) Korrektur durch auf die individuellen Fehlvorstellungen abgestimmte Unterrichtsreihen mit passenden Experimenten


Einleitung

Ihr seid gefragt!!! Mit welchen Fehlvorstellungen der SuS zum Thema „Säure-Base“ kamt ihr schon in Kontakt bzw. welche Fehlvorstellungen erwartet ihr?


Einleitung

Viele Fehlvorstellungen findet man im Denken früherer Wissenschaftler wieder.

Der historische Gang der Entwicklung von Vorstellungen kann auch für den Chemie-Unterricht interessant sein. (historisch-genetisches Unterrichtsverfahren)


Historische Säure-Base-Konzepte

Boyle (17. Jhd): Säuren sind Stoffe, die bestimmte Pflanzenfarbstoffe rot färben und Kalkstein lösen

Glauber (1650): Säuren und Basen sind feindlich und entgegengesetzt. Wenn aber beide zusammengebracht werden, bilden sich Salze

Lavoisier (1778): Nichtmetalloxide bilden in wässrigen Lösungen Säuren

Davy (1816): Säuren sind Wasserstoffverbindungen Liebig (1838): Salze bilden sich, wenn in Säuren der Wasserstoff durch

Metalle ersetzt wird.

http://www.deutsches-obst-und-gemuese.de/uploads/pics/produktbilder_gross_rotkohl.jpg http://bilder.zuhause.de/b/57/98/59/48/id_57985948/tid_da/einfache-hausmittel-entfernen-kalk-effektiv-guenstig-und-umweltschoned-.jpghttp://www.schlank-im-schlaf-coach.de/files/2014/01/800px-Speisesalz.jpg


Historische Säure-Base-Konzepte Arrhenius (1884):

Säuren zerfallen in wässriger Lösung in positiv geladene Wasserstoff-Ionen und in negativ geladene Säurerest-Ionen.

Basen bilden positiv geladene Baserest-Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen.

- Bis hierhin beziehen sich alle Konzepte auf Säuren/Basen als Substanzen!

Brönsted (1923): Säuren sind Protonendonatoren, sie geben Protonen ab. Basen sind Protonenakzeptoren, sie nehmen Protonen auf.

- Brönsted: erstes Konzept, das sich auf die Funktion von kleinsten Teilchen bezieht!


Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff Auffällig: Nur Säuren wird eine aggressive Wirkung

zugeschrieben, Laugen nicht (Säuren ätzen, zerstören, lösen auf… )

Es wird zwischen der Wirkung von Säuren im alltäglichen Gebrauch und von solchen in der Chemie unterschieden.

SuS beschreiben nur die Wirkung, verknüpfen Säuren/Basen nicht mit Teilchenvorstellungen


Fehlvorstellungen zum Säure-Base-BegriffWas verstehst du unter einer Säure, einer Base? Viele Antworten beziehen sich nur auf Säuren.

- Basen werden weggelassen - Säuren sind ätzend, gefährlich, gelb, rot, sauer. Säuren haben einen kleinen pH-Wert. Säuren enthalten H+-Ionen (Arrhenius-Konzept) (15%) Säuren geben Protonen ab (Brönsted-Konzept) (30%)

Brönsted-Konzept wird zwar erlernt, kann aber kaum in einem anderen Kontext angewendet werden! Wissen ist nicht tief verankert.


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-Begriff Einstieg mit Phänomenen zur Reaktion von Säuren und

Laugen als Substanzen (z.B. aggressive Wirkung)

Versuche: Konz. Schwefelsäure + Zucker (V1) Säure-Lösung mit unedlen Metallen (V2) Saure Haushaltsreiniger: Kalkentferner (V3) Abflussfrei: Aggressivität von Metallhydroxiden (V4)

Achtung: Vernichtungsvorstellung thematisieren: Stoffe lösen sich nicht

auf, sondern reagieren zu anderen Stoffen


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-Begriff Einführung der Säure-Base-Indikatoren als

Farbstoffe, die von Säuren in anderer Weise gefärbt werden als von Laugen

Versuche: Reaktionen einiger Säure-Base-Farbindikatoren und

Einführung der Begriffe sauer, neutral, alkalisch (V5) pH-Werte einiger Lösungen aus Küche und Bad (V6)


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-BegriffWelche Säure-Base-Konzepte sollen

unterrichtet werden? Arrhenius-Konzept Brönsted-KonzeptGenetische Entwicklung beider Konzepte in

Form des historisch orientierten UnterrichtsLehrplan: Festlegung auf das Brönsted-Konzept!


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-Begriff Zunächst werden Modellvorstellungen

aufgebaut, die für beide Konzepte zutreffen: Versuch: Elektrische Leitfähigkeiten von

Säuren und Laugen (V7) saure, wässrige Lösungen enthalten H+ (aq)-Ionen alkalische Lösungen enthalten OH-(aq)-Ionen


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-Begriff Experimenteller Einstieg ins Brönsted-Konzept:

Herstellung von gasförmigem Chlorwasserstoff aus reiner Schwefelsäure und Kochsalz (V8)

Reaktion des Gases mit Wasser zu Salzsäure (V9)

Reaktionsgleichungen: H2SO4 + Cl-(aq) HCl + HSO4

-(aq)HCl + H2O H3O+(aq) + Cl- (aq) Einführung von Säuren als Donator-Teilchen

und Basen als Akzeptor-Teilchen


Comic zum Donator-Akzeptor-Prinzip:

Gietz, P., Jung, U.: Prisma Chemie. Ausgabe A – differenzierende Ausgabe, Klett Schulbuchverlage, Stuttgart 2014


Unterrichtsvorschläge zum Säure-Base-BegriffÜben von Fachsprache und Schreibweise der

Reaktionssymbole an weiteren Beispielen! Versuche:

- Verdünnung von reiner Schwefelsäure (V10)

H2SO4 + 2 H2O SO42- (aq)+ 2 H3O+(aq)

- Reaktion von Calciumoxid mit Wasser (V11)

O2- + H2O 2 OH-(aq) Einführung von Wassermolekülen als

Ampholyt-Teilchen


Falls vorher das Arrhenius-Konzept eingeführt wurde… Concept Cartoons, um kognitive Konflikte aufzuzeigen! Bsp: Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I, Cornelsen Verlag, Berlin 2010


Fehlvorstellungen zu reiner Säure und Säure-LösungAufgabe:

SuS sollen Gemeinsamkeiten und Unterschiede einer reinen Schwefelsäure und der 0,1 molaren Lösung angeben und kleinste Teilchen schematisch zeichnen.


Fehlvorstellungen zu reiner Säure und Säure-Lösung 45% der SuS geben lediglich Verdünnungseffekt an

zeichnen größere Abstände (a), Kugelmodelle (b) 30% geben gar keine Antwort 10% geben richtige Antwort (Hydronium-Ionen, Sulfat-

Ionen in der Lösung) mit passender Zeichnung Restliche Antworten: pH-Wert der reinen Säure kleiner,

unterschiedliche Dichten, reine Säure ätzender/reaktionsfreudiger etc.

Die Dissoziation ist oft unverstanden!


Unterrichtsvorschläge zu reiner Säure und Säure-Lösung Schon zu Beginn festes Natriumhydroxid von der Lösung

Natronlauge unterscheiden Reaktionen von Säuren/Laugen im Alltag sind auch

erwünscht: Alltagsbezug z.B. durch Magensäure, Würzmittel in der Küche, Coca Cola, Rohrreiniger

Durch Verdunstung des Wassers können auch verdünnte Lösungen eine aggressive Wirkung entfalten

Leitfähigkeitsüberprüfungen: Modellvorstellungen von Ionen in Lösung von den SuS selbst zeichnen lassen! („aq“: Vollständige Trennung der Ionen!)

Reine Schwefelsäure/Salpetersäure: Mit Molekülen beschreiben!

Konzentrierte Salzsäure: Mit Ionen beschreiben!


Fehlvorstellungen zum pH-Wert

Aufgabe: Erläuterung des pH-Wertes Viele SuS geben richtig den „negativen

dekadischen Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration“ an.

Einige haben die Definition sinnlos verändert Einige rein phänomenologische Antworten: „pH7

ist hautneutral, hat was mit Hautverträglichkeit zu tun.“


Fehlvorstellungen zum pH-Wert

Aufgabe: Lösungen benennen, die den pH-Wert 1 besitzen

15%: 0,1 molare Lösung von Salzsäure (richtig) 30% Säurelösungen ohne Konzentrationsangabe 45% keine Antwort

reines Merkwissen, überwiegendes Unverständnis, keine Anwendung des pH-Wertes


Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert

Einstieg zum pH-Wert phänomenologisch: Farbindikatoren, Testen versch. Lösungen aus Küche und Bad

http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/p/images/phwert.gif



Quantitative Bedeutung des pH-Wertes ist schwieriger, weil… Mol-Begriff unbekannt/unverstanden Logarithmus wird im Matheunterricht erst später unterrichtet

pH-Wert mit Konzentration der Hydronium-Ionen verknüpfen: Konzentration in Form von Zehnerpotenzen schreiben (potenta

hydrogenii) pH-Wert als Hochzahl mit anderem Vorzeichen festlegen

10-2-molare Salzsäure-Lösung pH-Wert 2 10-3 -molare Lösung besitzt pH-Wert 3



Versuch: Verdünnungsreihe (V12) SuS sollen verstehen, dass eine Verdünnung einer Säure-Lösung um den

Faktor 1:10 die Vergrößerung des pH-Werts um eine Einheit nach sich zieht:

Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I, Cornelsen Verlag, Berlin 2010



Zusammenhang von Konzentrationen der Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen in wässrigen Lösungen durch das Ionenprodukt des Wassers

pH 2: 10-2 mol H3O+-Ionen pro Liter

10-12 mol OH-- Ionen pro Liter


Fehlvorstellungen zur Neutralisation Aufgabe a) Salzsäure und Natronlauge reagieren

miteinander.Wie lautet die Reaktionsgleichung?

Antworten zu a): 80% korrekt: HCl + NaOH → NaCl + H2O Davon die Hälfte (40%) sogar mit Ionensymbolen.

Vorhandene Fehlvorstellungen: „Als Reaktionsprodukt entsteht NaCl“ (Ohne Ionensymbole) Es entsteht „festes NaCl“


Fehlvorstellungen zur Neutralisation


Fehlvorstellungen zur Neutralisation Aufgabe b) Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander.

Welche Teilchenarten reagieren?

Antworten zu b): 40% korrekt

Fehlvorstellungen: „alle Teilchen“ reagieren miteinander „die positiven und negativen Ladungen reagieren miteinander“ Es entstehen „NaCl-Moleküle“

Aufgabe c) Benenne die Reaktion.

Antwort zu c): 35% korrekt (Neutralisation) Beispiele für falsche Antworten: Redoxreaktion, Chlorierung, Titration


Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation

Vermeidung von Bruttogleichungen

Gefahr durch Bruttogleichungen:beteiligte Ionen werden nicht erkannt Salze werden als „Salzmoleküle“ aufgefasst

Empfohlenes Vorgehen:Etablierung der Vorstellung der beteiligten Ionen

und deren Verhalten in Lösung und als Feststoff.Erst danach Nachweis der Neutralisation als Reaktion von OH- und H3O+ zu H2O


Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation Vermeidung der Vermischung von S.-B.-Neutralität und

Elektroneutralität(Fehlvorstellungen: „Ladungen neutralisieren sich“; Ionen schließen sich zu „Salzmolekülen“ zusammen)

Lösungsvorschläge: „Neutralität“ ausschließlich bei Säure-Base-Thematik

verwenden. Elektroneutralität als „Kräftegleichgewicht der Anionen

und Kationen“ oder als „Ausgeglichenheit der Ladungen“ bezeichnen.


Unterrichtsvorschläge zur Neutralisation V 14

Leitfähigkeitsmessung bei der Titration von HCl mit Natronlauge

V 16Messung der freiwerdenden Wärmeenergie

Modellvorstellungen zur Neutralisation starker Säuren und Basen sollen diskutiert und gezeichnet werden.

Erst mit der Modellzeichnung werden angemessene Interpretationen von den Schülern übernommen.


Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 1a) Stelle Unterschiede & Gemeinsamkeiten

von 0,1 molaren Lösungen von Salzsäure und Essigsäure dar.

Antworten: 50% keine Antwort 20% Unterschied: Säurestärke (zum Teil mit falscher

Zuordnung) 10% Unterschied: pH-Wert


Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 1b) Fertige eine Modellzeichnung der vorliegenden

Atome/Ionen/Moleküle in den schematisierten Bechergläsern an.

Antworten: 50% Zeichnung verweigert bzw. unfähig die Modellvorstellung zu

skizzieren. 15% Moleküle und Ionen 15% ausschließlich Moleküle 15% ausschließlich Ionen

Zum Teil fehlerhafte Modellvorstellung zu den beteiligten Ionen Zum Teil undeutbare Kugelmodelle


Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren



Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren Aufgabe 2)

Antworten: 55% Dissoziationsgrad (nur bei wenigen mit Angabe der Begründung) 40% pH-Wert

Fast die Hälfte der Befragten hat die Fehlvorstellung, dass die Stärke einer Säure vom pH-Wert abhängt.


Unterrichtsvorschläge zu schwachen Säuren Fehlvorstellung: „schwache Säure “=„schwach konzentriert“ Verbal besprochene Protolysegleichgewichte,…

führen nur bei wenigen zu angemessenen Vorstellungen.

Experimente sollen den Protolysegrad und damit die Lage des Protolysegleichgewichts veranschaulichen!

Anschließend sollen Modellvorstellungen erstellt und diskutiert werden


Unterrichtsvorschlag zu schwachen Säuren V 17:

pH-Messung von HCl-Lösungen und Essigsäure-Lösungen mit 1 mol/l und 0,1 mol/l.

V 18:pH-Messung bei einer HCl-Lösung und einer H2S-Lösung mit 0,1 mol/l(Erweiterbar auf dynamische Gleichgewichte durch Metallsulfidfällung)


Unterrichtsvorschläge zu schwachen Säuren V 14:

Leitfähigkeitsmessung bei einer Titration von Essigsäure-Lösung mit Natronlauge (Vergleich mit einer Titration von Salzsäure)


Fazit: Zusammenfassung der Fehlvorstellungen Säuren haben die Eigenschaft, „etwas zu zerstören/zu verätzen“ (Laugen &

Hydroxide werden nicht genannt) Oft keine Unterschiede zwischen reinen Säuren (aus Molekülen) und verd.

Säurelösungen (aus Ionen) Vermischung der Konzepte von Arrhenius und Brönsted Fehlvorstellungen zu ionischen Vorgängen (Bruttogleichungen bei

Neutralisationen; „Entladung“ von Ionen bei der Salzbildung; Entstehung von „Salzmolekülen“)

Verwendung des pH-Werts als Maß für Säurestärke

Fazit: Modellvostellungen sind auf unverstandene Reaktionssymbole gegründet undnicht als Modellzeichnung veranschaulicht worden. Modellzeichnungen rücken ins Zentrum der Unterrichtsvorschläge


Fazit: Zusammenfassung der Unterrichtsvorschläge Entwicklung angemessener Vorstellungen durch:

Vermittlung von Zusammenhängen anhand der beteiligten Ionen und deren Konzentrationen (nicht auf Summenformeln reduzieren)

Entwicklung eines nachhaltigen Verständnisses durch:Festhalten und Diskutieren der experimentellen Erfahrungen in Modellzeichnungen

Danke für eure Aufmerksamkeit !


Quelle:


Date post:	06-Apr-2016
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