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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 319.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 419.01.2016
Einleitung
Ihr seid gefragt!!! Mit welchen Fehlvorstellungen der SuS zum Thema „Säure-Base“ kamt ihr schon in Kontakt bzw. welche Fehlvorstellungen erwartet ihr?
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 519.01.2016
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)
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 619.01.2016
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
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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!
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 819.01.2016
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
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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.
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1019.01.2016
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
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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)
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1219.01.2016
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!
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1319.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1419.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1519.01.2016
Comic zum Donator-Akzeptor-Prinzip:
Gietz, P., Jung, U.: Prisma Chemie. Ausgabe A – differenzierende Ausgabe, Klett Schulbuchverlage, Stuttgart 2014
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1619.01.2016
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
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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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1819.01.2016
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.
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 1919.01.2016
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!
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2019.01.2016
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!
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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.“
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2219.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2319.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2419.01.2016
Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2519.01.2016
Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2619.01.2016
Unterrichtsvorschläge zum pH-Wert
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2719.01.2016
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“
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2819.01.2016
Fehlvorstellungen zur Neutralisation
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 2919.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3019.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3119.01.2016
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.
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3219.01.2016
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.
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3319.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3419.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3519.01.2016
Fehlvorstellungen zu starken & schwachen Säuren
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3619.01.2016
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3719.01.2016
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.
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3819.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 3919.01.2016
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)
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 4019.01.2016
Unterrichtsvorschläge zu schwachen Säuren V 14:
Leitfähigkeitsmessung bei einer Titration von Essigsäure-Lösung mit Natronlauge (Vergleich mit einer Titration von Salzsäure)
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 4119.01.2016
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
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 4219.01.2016
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 !
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 4319.01.2016
Quelle:
N. Dennemärker/C. Schmitt; Fachdidaktik Chemie; 2. HS 4419.01.2016