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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 amadeus.baertsch@kfr.ch 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