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!