Westfälische Wilhelms-Universität

1. 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

2. Gliederung • Einleitung • Säure/Base Begriff • Reine Säuren und Säure Lösungen • ph-Wert • Neutralisation • Starke und schwache Säuren • Zusammenfassung

3. Einleitung - Säure-Base Reaktion eines der Hauptthemen im Chemieunterricht - Fehlvorstellungen der Schüler aufzeigen - Vorschläge zur Korrektur machen bzw. darstellen

4. 2. Säure/Base Begriff Was versteht man unter einer Säure bzw. unter einer Base? Brönstedsäure: Protonendonator Brönstedbase: Protonenakzeptor Lewissäure: Elektronenakzeptor Lewisbase: Elektronendonator

5. Vorstellungen der Schüler zum Säure/Base Begriff

6. 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

7. Fazit: Schüler können mit der Säure-Base Theorie oftmals nicht viel anfangen.

8. 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

9. Alltagsbezug durch Untersuchung von Haushaltsreinigern Kalkentferner Abflussfrei

10. 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?

11. Was ist davon sinnvoll für den Unterricht? Feststellung: Das Konzept nach Arrhenius kann angesprochen werden, Brönsted-Konzept sollte allerdings im Vordergrund stehen!

12. 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 Säure1 Base 1 Säure 2 Base2 2.Teilversuch: Einleiten des entstandenen Chlorwasserstoff-Gases in Wasser HCl-Molekül +H2O-Molekül Cl-(aq)-Ion + H3O+(aq)-Ion Säure 1 Base 1 Base 2 Säure 2

13. 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!

14. 3. Reine Säuren und Säure-Lösungen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen reiner Säure und Säurelösung am Beispiel einer Schwefelsäure

15. Fehlvorstellungen der Schüler • Verdünnungseffekt • Dichten unterscheiden sich • Reine Säure ätzender, reaktionsfreudiger

16. Beispiele für falsche Modellvorstellungen

17. Fazit • Prinzip der Dissoziation wurde nicht verstanden • Wichtige Inhalte der Säure-Base Reaktion bleiben unverstanden

18. 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!

19. Prinzip der Dissoziation

20. 4. pH-Wert Was ist der pH-Wert bzw. wie definiert er sich? - negative dekadische Logarithmus der H+-Konzentration

21. Vorstellungen der Schüler zum Begriff des pH-Werts

22. Fehlvorstellungen der Schüler • phänomenologische Antworten • viele verändern die Definition • richtige Antwort nur vereinzelt von Schülern • Argumentation mit Säuregrad/Säuregehalt

23. Fazit • reines Merkwissen und überwiegend Unverständnis von Schülern bezüglich des pH-Werte - enorme Schwierigkeiten mit dem pH-Wert umzugehen

24. Unterrichtsvorschläge zumpH-Wert Einführung: Versuche zum Bestimmen des pH-Wertes von Lösungen aus dem Alltag mit Hilfe von Universalindikator-Papier

25. 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)1:10 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

26. Unterrichtsvorschläge zumpH-Wert Vorläufiges Verständnis über die Verdünnungsreihe:

27. 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)1:10 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

28. Vertiefung: Der pH-Wert Da bisher nur Säuren untersucht wurden, können anhand von Schaubildern auch Rückschlüsse auf alkalische Lösungen gezogen werden:

29. 5. Neutralisation - Schülerbefragung zur Neutralisation

30. Vorstellungen von Schülern von einer Neutralisation

31. Fehlvorstellungen der Schüler • Reaktionsgleichung HCl + NaOH NaCl + H2O

32. Fehlvorstellungen der Schüler • Ionensymbole H+-Ionen und OH--Ionen reagieren zu H20 • Name der Reaktion

33. Fazit • Salzbildung wird in den Vordergrund gestellt • Ionen werden zu „Salz-Molekülen“

34. 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:

35. 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)

36. 6. Starke und schwache Säuren Worin unterscheidet sich eine starke Säure von einer schwachen Säure?

37. Fehlvorstellungen der Schüler - Argumentation mit dem ph-Wert - Schwierigkeiten beim Überführen von Modellvorstellungen in konkrete Zeichnungen

38. Modellvorstellungen

39. Fazit Dissoziations- oder Protolysegard sind nicht verstanden worden

40. 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]

41. Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren Einführung des Protoloyse-Begriffs und Vorstellung der Modelle

42. Unterrichtsvorschläge zu starken und schwachen Säuren

43. 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

44. Danke für eure Aufmerksamkeit!