Home

Volltext - oops/ - Oldenburger Online-Publikations

1. Abb 12 5 Aufbau zum Verbrennen von Kohle im geschlossenen Kolben Vorbereitung Um ein leichteres Einstr men des Gases in den Luftballon zu erm glichen wird der Ballon vor Versuchsbeginn einmal aufgeblasen und damit die Gummihaut vorgedehnt Durchf hrung Es werden etwa 200 300 mg des verkohlten Stoffes abgewogen und in den Rundkolben gegeben Anschlie end sp lt man diesen mit Sauerstoff und verschlie t fest mit einem durchbohrten Gummistopfen In die Bohrung des Verschluss Stopfens wird ein Glasrohr eingebracht an dessen anderem Ende sich ein durchbohrter Gummistopfen mit bergest lptem Luftballon befindet siehe Abb 12 5 Der Gasraum des Kolbens ist so ber das Glasrohr mit dem Innern des Luftballons verbunden Der so vorbereitete Kolben wird genau gewogen und sein Gewicht notiert Der Kolben wird nun mit einem temperaturisolierenden Handschuh gefasst und ber der Brennerflamme erhitzt Sobald die Kohle im Kolben zu gl hen beginnt wird der Kolbeninhalt stark gesch ttelt damit der Sauerstoff besser an die Kohle gelangt Sollten einzelne Kohlest ckchen noch nicht brennen m ssen diese erneut ber dem Brenner zum Gl hen gebracht werden bevor der Kolben gesch ttelt wird Nach vollst ndiger Verbrennung der Kohle wird der Kolben nach etwa einer Minute unter dem Wasserhahn auf Raumtemperatur abgek hlt sorgf ltig abgetrocknet und gewogen Es ist wesentlich den Kolben abzuk hlen und damit
2. Infoblatt Name Klasse Datum Schuljahr u Bedienungsanleitung zur Nutzung des Periodensystems f r das Aufstellen von Reaktionsgleichungen 1 Allgemeine Hinweise zu den Angaben im Periodensystem a Die Anzahl der Protonen gibt an um welches Element es sich bei einem Atom handelt Anders gesagt Zwei Atome geh ren immer zu demselben Element wenn die Anzahl der Protonen bei beiden gleich ist b Die Ordnungszahl gibt an wie viele Protonen im Atom des Elementes vorhanden sind In einem neutralen Atom ist dieses auch gleichzeitig die Anzahl der Elektronen Ordnungszahl Anzahl der Protonen Anzahl der Elektronen 24 31 e7 Das Element Magnesium im Kern H lle Modell 2 Regeln zum Einrichten von Reaktionsgleichungen a Wenn ein Atom 2 10 18 36 54 oder 86 Elektronen enth lt besitzt das Atom einen energetisch besonders g nstigen stabilen Zustand d h dann ist das Atom besonders reaktionstr ge b Atome sind bestrebt m glichst wenige Elektronen zu bertragen c Bei Elementen der Nebengruppen richtet man sich beim bertragen der Elektronen nach dem Reaktionspartner Die Edelgasregel Die Punkte 2a und 2b k nnen zur Edelgasregel zusammengefasst werden Ein Atom versucht immer genau so viele Elektronen zu besitzen wie das ihm am n chsten stehende Edelgas Infoblatt Name Klasse Datum Schuljahr Der Aufba
3. Auswertung Rohrzucker besteht aus Saccharose einem Disaccharid aus Glucose und Fructose Sie geh rt in die Stoffklasse der Kohlenhydrate und ist mit der Summenformel C12H22011 bzw Cy2 H20 4 auch im urspr nglichen Sinne ein Hydrat des Kohlenstoffs HOCH O OH amp HO HO O CH OH HO AKN HO HOCH Abb 12 8 Struktur der Saccharose aus KARLSON 1994 S 253 Die konzentrierte Schwefels ure wirkt stark hygroskopisch und zerlegt den Zucker Dabei entsteht Wasserdampf der im Trichter kondensiert Im Becherglas bleibt 176 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Kohlenstoff zur ck Formal ist die vollst ndige Zerlegung des Zuckers in Kohlenstoff und Wasser nach Gleichung 1 m glich C12H22011 12 HzSO4 gt 12 C 12 H280 H20 1 Der stechende Geruch der sich bei diesem Versuch entwickelt weist darauf hin dass als Nebenprodukt unter anderem Schwefeldioxid entsteht Daraus l sst sich schlie en dass neben der Zerlegung in Kohlenstoff und Wasser auch Redoxreaktionen ablaufen die dazu f hren dass Sulfat lonen der Schwefels ure zu Schwefeldioxid reduziert werden Der in diesem Versuch hergestellte Kohlenstoff kann f r den BOYLE Versuch verwendet werden wenn er zuvor sorgf ltig gewaschen und getrocknet wird 12 2 2 3 Massenerhalt beim Verkohlen von Rohrzucker mit Schwefels ure Ger te und Chemikalien W rfelzucker konzentrierte Schwefels ure Rollrandgl schen etwa 7 cm hoch mit Deckel Bindfaden Waag
4. Traubenzucker Sauerstoff St rke Rohrzucker Holz Cellulose Kresse Cellulose Abb 7 9 Lehrerarbeitsblatt zur Station Pflanzenwachstum A 89 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 1 Station Pflanzenwachstum B Versuch 1 Der franz sische Wissenschaftler DE SAUSSURE stellte am Anfang des 19 Jahrhunderts Untersuchungen zum Wachstum von Pflanzen an In einem Versuch gab er drei junge Erbsenpflanzen von etwa 10 cm H he in ein Glas mit Wasser so dass nur die Wurzeln der Pflanzen in das Wasser eintauchten Vor Beginn des Versuches wog jede der Pflanzen 1 g Nach 10 Tagen bestimmte DE SAUSSURE die Masse der Pflanzen erneut und stellte fest dass sie im Durchschnitt bei jeder Pflanze um ca 0 4 g zugenommen hatte Versuch 2 In einem anderen Experiment wurden Kressesamen angefeuchtet und auf etwas Watte in einen Rundkolben gegeben Dieser wurde verschlossen und auf eine Waage gestellt Nach f nf Tagen sind die Kressepflanzen zu einer H he von ca 5 cm herangewachsen Aufgaben Erkl re wodurch die Masse in Versuch 1 zunimmt Die Masse der Pflanzen nimmt zu da sie Fotosynthese betreibt und dabei aus dem Wasser in das ihre Wurzeln reichen und dem in der Luft vorhandenen Kohlenstoffdioxid Glucose aufbaut In Versuch 2 bleibt die Masse dagegen gleich Erkl re dies Auch die Kressepflanzen in Versuch 2 betreiben Fotosynthese Da der Kolben jedoch verschlossen ist kann si
5. Zinkiodid ist wie die meisten Zinksalze ein farbloses Pulver welches wie beschrieben durch die Reaktion von Zink mit lod gewonnen werden kann Das wasserfreie Salz ist wie die homologen Halogenide Zinkchlorid und Zinkbromid extrem gut wasserl slich vgl Tabelle 10 6 auf S 150 Alle drei Halogenide sind stark hygroskopisch HOLLEMANN 1985 S 1038 1039 Der Schmelzpunkt von Zinkiodid liegt bei 446 C bei einer Temperatur oberhalb 625 C zersetzt es sich vgl Kapitel 12 6 Zinkiodid kristallisiert in der Cadmiumiodid Struktur wobei in einer hexagonal dichtesten Packung von lodidionen in jeder bern chsten Anionenschicht die Oktaederl cken durch Zinkionen besetzt werden vgl Abb 10 15 RIEDEL 1994 S 134 Abb 10 15 Cadmiumiodid Struktur hell sind die lodatome dunkel die Zink bzw Cadmiumatome dargestellt nach FALBE 1995 145 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 10 6 2 Die Reaktion von Zink mit lod Wie bereits erw hnt weist die Reaktion von Zink mit lod einige Besonderheiten auf die in der neueren Literatur nur beschrieben nicht aber erkl rt werden Vergleicht man die Reaktion von Zink mit Schwefel mit der von Zink mit lod so stellt man fest dass die erste nach Zufuhr einer gewissen Energiemenge der Aktivierungsenergie sehr heftig verl uft w hrend die zweite nur an den Stellen an denen lokal die Energie zugef hrt wird eine Reaktion zeigt vgl Videos 14 und 15 Aus der Stellung der beiden Nich
6. c Hi S u A inweise in u Versuch 1 Die Reaktion von Zink mit lod nn Zink Ger te und Chemikalien Reagenzglas Reagenzglasklammer Stopfen Heizplatte 2 x 20 mL Bechergl ser Filterpapier Spatel Trichter Stativ material Zinkpulver lod Versuchsdurchf hrung In ein Reagenzglas wird eine Spatelspitze lod etwa 1 g gegeben und zu etwa einem Drittel mit Leitungswasser gef llt Wasser und kurz gesch ttelt Dann wird ein berschuss an Zinkpulver etwa 0 5g zugegeben und wieder kr ftig lod gesch ttelt Nachdem sich das Zinkpulver abgesetzt hat wird die L sung vollst ndig klar Mit nochmaligem Umsch tteln wird der gesamte Reagenzglasinhalt in einen Trichter mit Filter gegeben und die L sung abfiltriert Das Filtrat wird in einem Becherglas eingedampft Versuchsskizze Reaktion von Zink mit lod Versuch 2 berpr fung der elektrischen Leitf higkeit Ger te und Chemikalien Spannungsquelle Kabelmaterial Gl hlampe oder Strommessger t Zinkgranalien lod trockenes Zinkiodid Versuchsdurchf hrung Eine Gl hlampe wird an einem Anschluss mit der Spannungsquelle verbunden w hrend der andere Anschluss lediglich mit einem Kabel versehen wird An den zweiten Pol der Spannungsquelle wird nun ebenfalls ein Kabel angeschlossen und es wird eine f r die Gl hlampe geeignete Spannung eingestellt Zum Testen der Leitf higkeiten werden jeweils ein zusammenh ngendes St ck Zink lod oder Zinkiodid an zwei Stellen mit de
7. w hlen und sollten ihre Antwort zus tzlich begr nden Ballon wird Ballon bleibt Ballon wird chlapper gleich praller Abb 9 1 Aufgabenstellung zum Volumen bei der Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff aus HEIMANN 2002 Hierbei entschieden sich lediglich 13 f r die richtige Antwort dass das Volumen des Ballons gleich bleibe w hrend 59 der Sch ler von einer Zunahme und 22 von einer Abnahme des Volumens ausgingen Aufgrund dieser Ergebnisse erscheint es notwendig zu sein der Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff auch in Bezug auf das Volumen im Unterricht mehr Beachtung zu schenken Dabei kann der Versuch zur Einf hrung der These von AVOGADRO oder zu deren Vertiefung herangezogen werden Sch lern die den Versuch noch nicht kennen gehen entsprechend den Umfrageergebnissen zu einem gro en Anteil davon aus dass sich das Gasvolumen durch die Reaktion ver ndert Somit bietet die Durchf hrung dieses Versuches den Sch lern ein berraschendes Ergebnis Ist der Versuch dagegen im vorangegangenen Unterricht in Zusammenhang mit dem Massenerhalt behandelt worden so kann er nun unter dem Gesichtspunkt des konstanten Volumens erneut durchgef hrt werden wobei das Augenmerk der Sch ler insbesondere auf das neue Ph nomen gelenkt werden sollte Den Lernenden muss an dieser Stelle des Unterrichts deutlich gemacht werden dass das Ergebnis des Versuches bedeutet dass der eingef llte Sauerstoff un
8. Elektron en gt neg lodid lon Gesamtreaktion 2020 Redox Go co Reaktion Zink s lod s gt Zinkiodid s Abb 13 6 Teil und Gesamtreaktion der Redoxreaktion Nachdem ein differenzierter Atombau bekannt ist zeigt das Aufstellen einer Ladungsbilanz schnell dass die Zinkatome nach der Reaktion positiv die lodatome 213 13 ERGEBNIS BERBLICK hingegen negativ geladen sind Ohne auf die Anzahl der bergehenden Elektronen eingehen zu m ssen kann so der elektronentheoretische Redoxbegriff eingef hrt werden Ebenso ergibt sich so der Begriff des lons in einfacher Weise Die Darstellung der Reaktion aus Abb 13 5 muss dann wie in Abb 13 6 dargestellt ausgesch rft werden Durch die Kl rung der Qualit t der Ver nderung an den Atomen erkennen die Sch ler nun auch den Grund f r deren Zusammenhalt Dieser l sst sich in einfacher Weise auf die elektrostatischen Wechselwirkungen der geladenen lonen zur ckf hren Die Anzahl der bergehenden Elektronen wird erst mit der Erarbeitung der Oktettregel einsichtig F r ein Verst ndnis des Redoxbegriffes in seiner elektronentheoretischen Deutung ist die Kenntnis der Quantit t der Elektronen berg nge jedoch nicht notwendig Es bietet sich so die Chance den in der Fachwelt g ltigen Redoxbegriff fr her als im herk mmlichen Curriculum einzuf hren Allein diese M glichkeit der fr heren Einf hrung bietet daher ein Argument um auf die vorl ufige Einf hrung des LAV
9. Hellenische Poleis Band 4 Akademie Verlag Berlin 1974b STRUBE W Der historische Weg der Chemie von der Urzeit bis zur wissenschaftlichen technischen Revolution Aulis Verlag Deubner K ln 1989 STRUBE W Die Bedeutung des Antiken Atomismus f r die Entwicklung der Experimentalchemie Chemkon 4 1997 2 62 64 STRUBE W Geschichte der Chemie Band 1 Das empirische Zeitalter der Chemie Ernst Klett Verlag GmbH Stuttgart 1999 SUMFLETH E Sch lervorstellungen im Chemieunterricht MNU 45 1992 7 410 414 SUMFLETH E STACHELSCHEID K TODTENHAUPT S Redoxreaktionen in der Sekundarstufe l NiU Ch 2 1991 8 321 SUMFLETH E TODTENHAUPT S Zum Redox Verst ndnis der Sch ler beim bergang von der Sekundarstufe zur Sekundarstufe Il Chim Did 14 1988 1 2 43 68 SUMFLETH E TODTENHAUPT S Redox Prozesse Zur Entwicklung des Verst ndnisses von Sch lern im Laufe der Schulzeit Chemkon 1 1994 3 126 132 SUMFLETH E TODTENHAUPT S Redoxreaktionen aus Sicht der Sch ler Chim Did 21 1995 20 41 TAUSCH M W WACHTENDONK M v HRSG Stoff Formel Umwelt Chemie 1 C C Buchners Verlag Bamberg 1996 TOUCHE W Atommodelle im Chemie und Physikunterricht der gymnasialen Mittelstufe Versuch einer Koordination Ergebnis einer gemeinsamen Fortbildungsveranstaltung der Fachleiter der F cher Physik und Chemie des Landes Schleswig Holstein PdN Ph 38 1989 4 2 6 TOUMIN S
10. Man erkennt anhand der Tabelle 10 5 dass die Reaktion 24x 0 H 0 HOI I 10 147 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION bei den hier vorliegenden Bedingungen pH lt 7 praktisch nicht abl uft womit ein Einfluss auf die Reaktion ausgeschlossen werden kann Das Wasser bernimmt also keine katalytische Funktion Vielmehr spielen die hervorragenden L sungseigenschaften die Wasser gerade in Bezug auf anorganische ionische Verbindungen besitzt eine entscheidende Rolle Zur berpr fung des Einflusses der L sungseigenschaften des Wassers wurde das Experiment 12 5 2 durchgef hrt bei dem eine Reihe anderer organischer L sungsmittel zu dem Zink lod Gemisch gegeben wurde Dabei f llt auf dass bei Verwenden eines relativ polaren Losungsmittels wie Aceton oder Ethanol die Reaktion hnlich der bei Zugabe von Wasser abl uft Bei Verwenden eines unpolaren L sungsmittels wie Petrolether oder Toluol findet die Reaktion hingegen nicht statt ausf hrlich werden die Versuchsergebnisse in 12 5 2 dargestellt Weiterhin scheint es dass man aufgrund der Farbe der Reaktionsl sung eine Vermutung ber den Reaktionsverlauf abgeben kann da nur in F llen der Braunf rbung der L sung eine Reaktion stattfindet Hier besteht jedoch kein Kausalzusammenhang wie im Folgenden ausf hrlich erl utert wird Die Braunf rbung einer w ssrigen lodl sung geht auf die Bildung von Triiodidionen gem bl 11 zur ck Eine w ssrige
11. Psychologische Aspekte des Wissenserwerbs und der Wissensver nderung in DUIT R RHONECH CH v Hrsg Lernen in den Naturwissenschaften IPN Kiel 1996 SEEGER K Semiconductor physics an introduction 8 Aufl Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hong Kong London Milan Paris Tokyo 2002 324 ff SHANNON R D Revised Effective lonic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides Acta Crystallographica A32 1976 751 767 SONE K FUKUDA Y Inorganic Thermochromism Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo 1987 STACHOKIAK H Allgemeine Modelltheorie Springer Wien New York 1973 131 ff STAUDEL L Stationenlernen im Chemieunterricht NiU Ch 11 2000 58 59 2 5 STEINBUCH K Denken in Modellen in SCHAFER G TROMMER G WENK K Hrsg Denken in Modellen Westermann Braunschweig 1977 STORK H Was bedeuten die aktuellen Forderungen Sch lervorstellungen ber cksichtigen konstruktivistisch lehren f r den Chemieunterricht in der Sekundarstufe I ZFDN 1 1995 15 28 232 15 LITERATURVERZEICHNIS STRUBE l Aristoteles und die Krise in den Lehren ber chemische Vorg nge in WELSKOPF E C Hrsg Hellenische Poleis Band 4 Akademie Verlag Berlin 1974a STRUBE W Erfahrungen und Theorien ber chemische Vorg nge in der Zeit von Thales bis Platon in WELSKOPF E C Hrsg
12. Sch ler die annehmen dass der Kolben von dem aufgeblasenen Ballon angehoben wird gehen davon aus dass sich bei der Reaktion das Gasvolumen ver ndert Der Kohlenstoff verdampft und das Gas steigt auf Der Luftballon wird sich aufbl hen und damit dem Kolben anheben und das Gewicht wird weniger Schuler KI 8 Dass sich das Gasvolumen nicht ver ndert k nnen nur Sch ler vermuten die die ablaufende Reaktion kennen und die den Satz von AVOGADRO anwenden k nnen der Sch lern in den unteren Jahrgangsstufen teilweise nicht bekannt ist W rde der Ballon aufgeblasen so h tte dieses tats chlich eine Massenabnahme zur Folge da die Apparatur einen gr eren Auftrieb bek me Dies ist jedoch vermutlich nicht der Grund weshalb Sch ler davon ausgehen dass ein aufgeblasener Ballon die Apparatur anhebt Eine gr ere Rolle spielt hier sicherlich die Vorstellung dass Gase prinzipiell so leicht sind dass sie die Versuchsapparatur nach oben ziehen k nnen Sch ler kennen dies von mit Helium gef llten Ballons die auf Jahrm rkten verkauft werden und die aufgrund der geringen Dichte des Heliums nach oben streben In hnlicher Weise rief die Versuchsskizze mit dem Ballon auf der Apparatur bei einigen Sch lern die Assoziation mit einem Hei luftballon hervor Dadurch dass die Masse vollst ndig verbrennt entsteht hei e Luft Die steigt nach oben in den Luftballon und der Luftballon bl st sich zu einem Gasballon auf Da
13. 50 0 gt C CuSO Fe NH Cuso lt 2 Cu NH SO Abb 7 1 Einfacher Kupferkreislauf nach KRAMB 1996 72 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL F hrt man den Gedanken dass irgendetwas vom Kupfer in diesem Kreislauf erhalten bleibt weiter aus zeigt sich dass es m glich ist mit Hilfe eines Stoffkreislaufes auf die Atomhypothese hinzuf hren Die Tatsache dass ein Element im Verlaufe verschiedener Reaktionen zwar als Stoff vernichtet wird aber dennoch zur ckge wonnen werden kann ist auf makroskopischer Ebene nicht zu erkl ren Die Erhaltung der Atome in verschiedenen Verbindungen des Kupfers bietet jedoch eine nach vollziehbare L sung f r dieses Ph nomen 7 2 Der Kohlenstoffkreislauf Dieser Gedankengang kann nat rlich nicht nur mit dem Kupferkreislauf get tigt werden sondern auch am Beispiel anderer Kreisl ufe in denen die Zirkulation von Elementen betrachtet wird Im Folgenden wird ein Lernzirkel vorgestellt bei dem das Atommodell anhand des Kohlenstoffkreislaufes eingef hrt wird Im Gegensatz zum Kupferkreislauf handelt es sich dabei um einen Kreislauf von globaler Bedeutung Die Wiedergewinnung des Kohlenstoffs ist f r die Sch ler zudem noch eindrucksvoller da sie auch ber komplexe biologische Vorg nge wie die Fotosynthese hinweg m glich ist Der Erhalt der Atome wird von Anfang an nicht isoliert f r chemische Reaktionen sondern auch f r biologische Vorg
14. DAS SYMBOLTEILCHENMODELL uunseunsnunsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL ANHAND DES KREISLAUFGEDANKENS nuunn2unn2nnnannannnnnnnnnn nn nnannnannnannnn nn ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON K PFEROXIDEN aah aaa aa aaa a a r aaa aa aaa apaa aea aa EAEE aaia aa aara Aeae Aaaa reaa afue Saia DIE THESE VON AVOGADRO suunennsennsonnsnnnnnn nn nennen nn nennen en nen EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 2222244200n0nn anna DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT 22222444444n000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen nennen EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN uusuussennsennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nen ERGEBNISUBERSICHT s00sssesssersecssecrseersecusessreesseersecsnecssecrseersearresssectserseestressresse ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT e cceecceecceeeeeeeneeeeeeeeneenneceeseeeeeeeeeeeeeeeeees LITERATURVERZEICHINIS s 4a en nee 10 17 INHALT 1 2 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 3 3 1 4 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 6 1 INHALTSVERZEICHNIS EINLEITUNG DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS Erkenntnistheoretische Ans tze der radikal konstruk tivistischen Perspektive Lerntheoretische Ans tze des Konstruktivismus Didaktische Folgerungen der Konstruktivistischen Sicht MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG Aufgaben und M glichkeiten von Modellen Verschiedene Modellkategorien und deren Relation Ei
15. Entwickeln sie dann im Laufe des Unterrichts ein Verst ndnis von Stoffen das auf Teilchen bzw Atomvorstellungen beruht so kann das Missverst ndnis entstehen da Atome kleinste Stoffportionen z B Schwefelatome kleine gelbe K gelchen seien BUCK 1986 S 136 Solcherart verstandenen Teilchen schreiben die Sch ler dieselben Eigenschaften zu die auch alle anderen K rper die sie kennen aufweisen Demnach hat dann jedes Teilchen beispielsweise eine bestimmte Farbe eine bestimmte Temperatur und einen Schmelzpunkt Diese Vorstellung von Teilchen ist im fachwissenschaftlichen Sinne nach welchem die Teilchen selbst nur wenige grund legende Eigenschaften aufweisen nicht zutreffend So lassen sich f r Atome im Wesentlichen Aussagen in Bezug auf Masse Ladung Energie Komposition und Raumstruktur treffen w hrend alle anderen Stoffeigenschaften ausdr cklich als nicht vorhanden angesehen werden Die Eigenschaften des Stoffes ergeben sich erst aus der Wechselwirkung der Teilchen aus denen der Stoff aufgebaut ist und kommen nicht dadurch zustande dass der Stoff aus Teilchen mit diesen Eigenschaften zusammengesetzt wird BUCK schl gt zur Abgrenzung des Stoffbegriffes vom Atombegriff vor herauszustellen dass Atome nicht aus Stoff bestehen sondern den Stoff bilden BUCK 1986 In den Rahmenrichtlinien findet sich die Forderung auf diese Problematik bereits im Anfangsunterricht einzugehen Von Anfang an ist darauf zu achten da d
16. GOODFIELD J Materie und Leben Wilhelm Goldmann Verlag M nchen 1970 233 15 LITERATURVERZEICHNIS VOLLHARDT K P C SCHORE N E Organische Chemie VCH Weinheim New York Basel Cambridge Tokyo 1995 2 Aufl WELLS A F Structural inorganic chemistry 5 Ed Clarendon Press Oxford 1984 539 WENCK H DIEMANN E LOHRIE R Erkenntnistheoretische Probleme in Forschung und Unterricht am Beispiel der Raster Tunnel Mikroskopie Zur Didaktik der Physik und Chemie 1993 235 237 WENINGER J Das Denken im Kontinuum und im Diskontinuum Teil 1 MNU 35 1982a 4 193 200 WENINGER J Das Denken im Kontinuum und im Diskontinuum Teil 2 MNU 35 1982b 5 268 273 WEINERT F E HRSG Leistungsmessungen in Schulen Beltz Weinheim 2001 WILD A Pflanzenphysiologische Versuche in der Schule Quelle und Meyer Wiebelsheim 1999 WOHRMANN H Einf hrung und Behandlung des Oxidations und Reduktionsbegriffs im Chemieunterricht der Sekundarstufe I NiU P C 26 1978 4 119 122 234 A Anh nge A 1 Aktivierung chemischer Reaktionen durch Hammerschlag A 1 1 Aktivierung der Reaktionen verschiedener Metalle mit Schwefel durch Hammerschlag A 1 2 Aktivierung der Reaktion von Aluminium mit lod durch Hammerschlag A 2 Detaillierte Umfrageergebnisse zur Massenerhaltung bei der Verbrennung von Kohle im geschlossenen Kolben A 2 1 Begleitender Text zum Umfragebogen A 2 2 bersicht ber die Angaben der L
17. W gesch lchen Bunsenbrenner Stativklemme gek rnte Aktivkohle oder selbst verkohltes Material Sauerstoff Kalkwasser Aufbau Abb 12 6 Aufbau zum Verbrennen von Kohle im geschlossenen Erlenmeyerkolben 174 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Durchf hrung 0 07 0 08 g Aktivkohle oder selbst verkohltes Material werden abgewogen und in den Erlenmeyerkolben gegeben Anschlie end wird der Erlenmeyerkolben mit Sauerstoff gef llt und mit dem Luftballon verschlossen Der so vorbereitete Erlenmeyerkolben wird gewogen und sein Gewicht notiert Der Erlenmeyerkolben wird in die Stativklemme eingespannt und ber der Brennerflamme erhitzt Das weitere Vorgehen ist analog zu Versuch 12 2 1 2 12 2 2 Versuche zur Verkohlung 12 2 2 1 Herstellung von Testst bchen f r den Wassernachweis Ger te und Chemikalien Kupfert Il sulfat Pentahydrat Wattestabchen M rser und Pistill Uhrglas Durchf hrung Das blaue Kupfer Il sulfat wird im M rser zu einem feinen Pulver zerrieben Ein Ende der Wattest bchen wird einige Sekunden lang in destilliertes Wasser getaucht und dann in Kupfer Il sulfat Pulver gewendet bis die Watte auf allen Seiten mit einer Schicht bedeckt ist Die St bchen werden auf ein Uhrglas gelegt und bei 100 C etwa 3 Stunden lang im Trockenschrank getrocknet Dabei wird ein Teil des Kristallwassers aus dem Kupfer Il sulfat Pentahydrat ausgetrieben und es verf rbt sich von blau zu nahezu farblos Die so herges
18. das die Sch ler hier nachweisen nicht nur aus der Zerlegung des pflanzlichen Materials stammt sondern auch aus den Gef en und Zellen der Pflanze stammt Die Station Verkohlen C vgl Abb 7 12 besch ftigt sich schlie lich mit der Erhaltung der Masse beim Verkohlen von Rohrzucker vgl Versuch 12 2 2 3 Da beim Verkohlen durch Erhitzen Gase entstehen die bei einer Betrachtung des Massenerhalts aufgefangen werden m ssten wird in diesem Versuch konzentrierte Schwefels ure zur Zersetzung verwendet Zus tzlich lernen die Sch ler auf diese Weise eine weitere Methode zur Verkohlung von Stoffen kennen Da konzentrierte Schwefels ure auch an 81 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL der Haut Sch den verursachen kann wurde der Versuch so gestaltet dass nur sehr wenig Schwefels ure verwendet wird und die Sch ler nicht in Kontakt damit kommen Abb 7 6 Versuchsaufbau zum Verkohlen von Zucker mit konzentrierter Schwefels ure Der Lehrer f llt hierzu vor Beginn des Lernzirkels f r jede Sch lergruppe etwas Schwefels ure in ein Rollrandgl schen Die Sch ler m ssen dann nur noch ein St ck W rfelzucker an einem Bindfaden befestigen und es in das Gl schen geben Dabei wird es zun chst so eingeh ngt dass kein Kontakt zur Schwefels ure besteht und eine erste W gung durchgef hrt Anschlie end wird der Zucker in die S ure hinab gelassen Innerhalb weniger Minuten verf rbt sich das Zuckerst ck sc
19. le gemeint sein Dass jedoch ein Molek l keine kleinste Einheit ist ist offensichtlich da es noch in verschiedene Atome zerlegt werden kann Auch der Aufbau von Atomen aus Protonen Neutronen und Elektronen verbietet eine solche Benennung Benutzt man diesen Begriff dennoch bei der Einf hrung des einfachen Teilchenmodells so lernen die Sch ler zun chst dass Wasser aus kleinsten Wasserteilchen besteht Einige Zeit sp ter wird das DALTONsche Atommodell behandelt und der Lernende erf hrt dass diese kleinsten Wasserteilchen in Wirklichkeit aus noch kleineren Teilchen bestehen Zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom bilden ein Wasserteilchen Es muss also eine gelernte Aussage revidiert werden die vorher gar keinen Nutzen hatte Dieses Problem besteht nicht nur bei Stoffen die aus Molek len aufgebaut sind Auch das Atom ist ja entgegen seiner w rtlichen Bedeutung durchaus noch teilbar wenn auch nicht im Rahmen von chemischen Reaktionen Dar ber hinaus ist die Frage ob die Stoffe aus absolut kleinsten Teilchen bestehen zwar f r die antiken Philosophen von Interesse gewesen vgl Kapitel 4 f r den Umgang mit dem Teilchenmodell im Chemieunterricht ist sie nicht von Bedeutung EILKS und MOLLERING schlagen daher in ihrer Konzeption f r ein f cher bergreifendes Teilchenkonzept vor nicht mehr von kleinsten sondern besser von kleinen Teilchen zu sprechen EILKS 2001b FLADT pl diert dagegen daf r den Teilchenbegriff mi
20. ngt dabei von der Konzentration der L sung ab Den Quotienten von hindurchgelassener Lichtintensit t und eingestrahlter Intensit t Io bezeichnet man als Durchl ssigkeit D also TI In Das Verh ltnis des Intensit tsverlustes zur Ausgangsintensit t bezeichnet man als D Absorption A 47 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Somit ergibt sich A D 1 Von der Konzentration des Farbstoffes ist die Extinktion der L sung abh ngig wobei der Zusammenhang E c d Lambert Beersches Gesetz besteht wobei der molare stoffspezifische Extinktionskoeffizient c die Konzentration und d die Schichtdicke der Probe ist Zwischen der Extinktion E und der Durchl ssigkeit D besteht ein logarithmischer Zusammenhang E log D Die Lichtdurchl ssigkeit einer Farbstoffl sung h ngt also im Wesentlichen von der Konzentration des Farbstoffs und einer stoffspezifischen Konstante ab Abb 5 14 verdeutlicht dieses D 1 Abb 5 14 Durchl ssigkeits Konzentrationsdiagramm Skizze zur Verdeutlichung des Lambert Beerschen Gesetzes Aus dem Graphen wird ersichtlich dass bei einer hohen Durchl ssigkeit D 1 die Konzentration des Farbstoffs nahe Null liegt Sinkt die Lichtdurchl ssigkeit ihrerseits gegen Null hin ab steigt also die Farbintensitat der L sung an so steigt die Konzentration der L sung exponentiell an Bei den Versuchen zum Molekularen Sieben h ngt also die Sichtbarkeit der Far
21. sie mu fruchtbar sein d h sich in neuen Situationen als erfolgreich erweisen H URLER 1998 S 193 Auch hierbei ist ganz im Sinne des situierten Lernens zu beachten dass ein Verwerfen der anf nglichen Vorstellungen und ein Austausch derselben gegen eine fachlich fundiertere Sichtweise in der Regel nicht gelingt Vielmehr soll Unterricht zum Ziel haben die Lernenden davon zu berzeugen dass in bestimmten Situationen die naturwissenschaftlichen Vorstellungen angemessener und fruchtbarer sind als die vorunterrichtlichen Alltagsvorstellungen H U RLER 1998 S193 Hier kn pft ebenfalls die Vorstellung an nach der die Lernenden im Zuge der Konzeptwechsel ein anderes Verh ltnis zur Umwelt entwickeln und somit einsch tzen k nnen in welchem Zusammenhang die Anwendung bestimmter Vorstellungen sinnvoll ist H URLER 1993 Es werden im Wesentlichen zwei Wege beschrieben um Konzeptwechsel zu vollziehen Zum einen orientieren sich die Ans tze ausgehend von den vorunterrichtlichen Vorstellungen an einer in kleinen Schritten erfolgenden Revision und Erweiterung der bereits vorhandenen Konzepte ohne die fachlichen Ansichten als kontr r zum Vorwissen erscheinen zu lassen Daher wird hier h ufig auch der Begriff des Konzeptwachstums conceptual growth verwandt Dem steht in einer eher diskontinuierlichen Vorgehensweise die grundlegende Ver nderung des Vorwissens gegen ber Fachliche und vorunterrichtliche Vorstellungen stehen
22. sulfat Testst bchen f r den Wassernach weis kleines Reagenzglas Reagenzglasklammer Bunsenbrenner Durchf hrung Der Versuch sollte wegen der Geruchsentwicklung unter dem Abzug durchgef hrt werden Bis zu 9 Streichh lzer ohne Kopf entsprechen zusammen etwa 0 6 g Holz werden in das Reagenzglas gegeben und zun chst vorsichtig ber der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzt Die im oberen Teil des Reagenzglases entstehenden Tr pfchen k nnen mit den Kupfer Il sulfat Testst bchen untersucht werden Anschlie end wird kr ftiger erhitzt bis die H lzer vollst ndig verkohlt sind 179 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Beobachtung Die Testst bchen verf rben sich bei Kontakt mit den Tr pfchen blau es handelt sich um einen positiven Wassernachweis Bei st rkerem Erhitzen steigen gelbe brennbare Gase auf und die H lzer werden schwarz Zus tzlich schl gt sich etwas gelbe lige Fl ssigkeit an der Wand des Reagenzglases nieder Auswertung Holz ist aus verschiedenen Stoffen zusammengesetzt von denen Kohlenhydrate wie die Cellulose den gr ten Anteil ausmachen Die in diesem Versuch entstehende Holzkohle besteht gr tenteils aus Kohlenstoff enth lt dar ber hinaus aber noch weitere Substanzen wie z B Mineralstoffe Neben dem Wasser bildet sich bei der Holzverkohlung weiterhin ein Gemisch aus den verschiedensten organischen Verbindungen Vgl Kapitel 7 3 8 2 12 2 2 6 Abbrennen von Streichh lzern
23. Beschreibung eines Elementes herangezogen wurden Demnach ist das Feuer warm und trocken die Luft warm und fl ssig das Wasser kalt und fl ssig und die Erde kalt und trocken Die Elemente k nnen nun ineinander berf hrt werden indem der Charakter der Grundprinzipien ver ndert wird Haben die beiden Elemente bereits ein gemeinsames Grundprinzip wie beispielsweise das Feuer und die Luft beide warm sind geht dieser Vorgang schnell ansonsten dauert er l nger ARISTOTELES erkl rt somit die Umwandlung der 20 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Materie auf Grund ihr eigent mlicher innerer Gegensatzlichkeiten und deren Kampf STRUBE 1974a S 1845f Neben der Entwicklung einer alternativen Theorie zum Atomismus argumentierte ARISTOTELES in seinen Schriften ausf hrlich gegen die Lehren von LEUKIPP und DEMOKRIT Nach MCDONNEL widerlegt er dabei f nf zentrale Aussagen der beiden Atomisten Dies sind die Existenz unteilbarer K rper die unendliche Anzahl der Atome die Existenz der absoluten Leere die Unendlichkeit der Leere und die Entstehung von K rpern aus unver nderten Atomen MCDONNEL 1991 S 44 ARISTOTELES Auffassung vom Aufbau der Stoffe war eine v llig andere als die der Atomisten wobei sein Ansatzpunkt mathematische berlegungen waren Er wies zun chst nach dass eine kontinuierliche Linie nicht durch die Ber hrung diskreter Punkte zustande kommen k nne Hieraus folgerte er dass diese Linie und auch alle and
24. Bildung von Schwefeldioxid der Bildung von Eisensulfid aus den jeweiligen Elementen gegen ber so k nnen die Sch ler nicht entscheiden warum der Schwefel hier einmal als oxidierter und ein anderes mal als reduzierter Bindungspartner vorliegt Es ist m glich einzuwenden dass den Sch lern eine der wichtigsten Theorien n mlich die LAVOISIERSche Theorie unterschlagen wird H HNDEL selbst gibt dabei zu bedenken dass es in der Sek I z B auch m glich ist ber S uren zu reden ohne diese vorl ufig ebenfalls im Sinne Lavoisiers als Sauerstoffverbindungen zu definieren HAHNDEL 1991 Weiterhin ist diesem Einwand entgegenzuhalten dass die LAVOISIERSche Definition im Schulunterricht dennoch Ber cksichtigung finden kann Dieses sollte dann jedoch unter dem Gesichtspunkt geschehen der historischen Bedeutung Rechnung zu tragen und nicht um chemische Reaktionen zu klassifizieren Durch das Entfallen einer Einf hrung der Oxidation und Reduktion im Sinne LAVOISIERS wird auch hier ein Wechsel der bereits erlernten Begriffsinnalte bei der Erweiterung des Redoxbegriffes vermieden Eine Vorstellung der historischen Entwicklung w rde dann sinnvoll nach Einf hrung eines Redoxbegriffes geschehen der auf dem heute g ltigen Verst ndnis basiert Ein weiterer Vorschlag zur berwindung der Schwierigkeiten ist die Forderung g nzlich auf einen vorl ufigen Oxidationsbegriff zu verzichten und die Begriffe Oxidation und Reduktion
25. Brenner Stativklemme gek rnte Aktivkohle oder selbst verkohltes Material Sauerstoff Kalkwasser Vorbereitung Der Luftballon sollte vor Beginn des Versuches einmal aufgeblasen werden damit er vorgedehnt ist Durchf hrung 0 07 0 08 g Aktivkohle oder selbst verkohltes Material werden abgewogen und in den Erlenmeyerkolben gegeben Anschlie end wird der Erlenmeyerkolben vom Lehrer mit Sauerstoff gef llt und mit dem Luftballon verschlossen Der so vorbereitete Erlenmeyerkolben wird gewogen und sein Gewicht notiert Der Erlenmeyerkolben wird in die Stativklemme einge spannt und ber der Brennerflamme erhitzt Sobald die Kohle zu gl hen beginnt wird der Kolbeninhalt hin und her gesch ttelt Sollten einzelne Kohlest ckchen noch nicht brennen m ssen sie erneut ber dem Brenner zum Gl hen gebracht werden bevor der Kolben gesch ttelt wird Nach der Reaktion wird der Kolben nach etwa 1 Minute unter dem Wasserhahn auf Raum temperatur abgek hlt sorgf ltig abgetrocknet und gewogen Masse des Erlenmeyerkolbens vor der Reaktion Masse des Erlenmeyerkolbens nach der Reaktion Aufgaben 1 Gib etwas Kalkwasser in den Kolben und schwenke ihn etwas Beschreibe was passiert und welchen Stoff du mit Kalkwasser nachweisen kannst Das Kalkwasser tr bt sich Mit der Tr bung des Kalkwasser wird Kohlenstoffdioxid nachgewiesen Formuliere eine Wortgleichung f r die Reaktion Kohlenstoff Sauerstoff Kohlenstoffdioxi
26. DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT 155 11 1 Die Einf hrung des vorl ufigen Oxidationsbegriffes im LAVOISIERschen Sinne 155 INHALT 11 2 Die Abl sung des klassischen Oxidationsbegriffes durch eine elektronentheoretisch begr ndete Deutung 156 11 3 Schwierigkeiten der Lernenden bei der Aneignung des Erweiterten Redoxbegriffes 157 11 4 Vorschl ge zur berwindung der bekannten Schwierigkeiten 159 11 5 Exemplarische Darstellung der Einf hrung des elektronentheoretischen Redoxbegriffs anhand der Reaktion von Zink und lod 163 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 167 12 1 Versuche zum Molekularen Sieben 167 12 1 1 Versuche mit anorganischen Salzen 167 12 1 2 Versuche mit S uren und Laugen 168 12 1 3 Versuche mit organischen Farbstoffen 169 12 1 4 Versuche mit Lebensmittelfarbstoffen 169 12 1 5 Versuche mit St rkekomplexen 170 12 1 5 1 Aussieben eines der Farbstoffe aus einem Farbstoffgemisch 171 12 1 6 Versuche mit Haushaltsfarbstoffen 172 12 2 Experimente zur Erarbeitung des DALTONSchen Atombegriffs anhand des Kohlenstoffkreislaufs 172 12 2 1 Versuche zur Verbrennung von Kohle 172 12 2 1 2 Der BOYLE Versuch mit Kohlenstoff im Rundkolben 172 12 2 1 3 Der BoYLE Versuch mit Kohlenstoff im Erlenmeyerkolben Variante nach JANZEN 174 12 2 2 Versuche zur Verkohlung 175 12 2 2 1 Herstellung von Testst bchen f r den Wassernachweis 175 12 2 2 2 Verkohlen von Rohrzucker mit konzentrierter Schwefels ure 175 12 2 2 3 Massenerhalt beim Verkoh
27. Demnach k nnen bei der Fotosynthese die beiden Aspekte Energieumwandlung und Substanzumwandlung betrachtet werden WILD 1999 S 157 Diese laufen nicht in einem einzigen Vorgang ab sondern in zwei Abschnitten der Lichtreaktion und dem CALVIN Zyklus CAMPBELL 1997 S 203 Bei eukaryotischen Pflanzen findet die Fotosynthese in besonderen Organellen den Chloroplasten statt LUTTGE 1994 S 109 Chloroplast Intermembranraum u ere Membran Abb 7 14 Aufbau eines Chloroplasten nach CAMPBELL 1997 S 202 Die Thylakoidmembranen im Inneren der Chloroplasten enthalten die an der Lichtabsorption beteiligten Pigmente Mit Hilfe ihrer konjugierten Doppelbindungen absorbieren die Fotopigmente bestimmte Wellenl ngen des sichtbaren Lichtes Bei allen h heren Pflanzen ist Chlorophyll a das fotosynthetische Prim rpigment was bedeutet dass dieses Pigment direkt am fotochemischen Prozess der Fotosynthese beteiligt ist Freies gel stes Chlorophyll a weist zwei Absorptionsmaxima auf eines bei 450 nm blaues Licht und ein weiteres bei ca 650 nm rotes Licht In der Thylakoidmembran ist das Chlorophyll a an Proteine gebunden wodurch eine leichte Verschiebung der Absorptionsmaxima bewirkt wird In Bereich zwischen den Absorptionsmaxima also vor allem im gr nen bis gelben Spektralbereich des Lichtes 94 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL absorbiert das Chlorophyll kaum Strahlung Aus diesem Grund wird Chl
28. Eine genaue Verteilung der richtigen Antworten auf die einzelnen Kategorien findet sich in Tabelle 7 2 Ein Problem bei der Zuordnung der richtigen Antworten zu den Kategorien war dass die Sch ler teilweise mehrere richtige Aspekte zur Massenerhaltung angaben Beispielsweise wurde geschrieben dass Kohlenstoff und Sauerstoff miteinander reagieren womit die eine Zuordnung zu Kategorie 3b erfolgen w rde und dass das Gesetz von der Erhaltung der Masse gilt somit Kategorie 5 In solchen F llen wurde die Aussage die die weitreichendere Erkl rung bietet gewertet Im Beispiel m sste die Aussage des Sch lers der Massenerhaltung zugeordnet werden Vor allem j ngere Sch ler besch ftigten sich in ihren Ausf hrungen vorwiegend mit der Erhaltung des Kohlenstoffs 53 der richtigen Begr ndungen in Jg 8 und beachteten den in der Aufgabenstellung genannten Sauerstoff nicht Dabei waren sie zumeist der Ansicht dass der Kohlenstoff weiterhin vorhanden bleibe aber irgendwie zu Gas werde Dabei verwenden viele Sch ler nicht den Gasbegriff sondern Ausdr cke wie Luft Rauch und Dampf Die Masse bleibt gleich da der Kohlenstoff zwar verbrannt ist aber immer noch existiert Der Kohlenstoff ist ja nicht verschwunden er ist nur verdampft dass hei t er ist nun nicht mehr sichtbar Also bleibt die Masse gleich Sch lerin KI 9 Der Erhaltungsgedanke wird in diesem Beispiel deutlich dar ber hinaus hat die Sch lerin jedoch nic
29. Eine neue Alternative zu Quecksilberoxid im einf hrenden Chemieunterricht PdN Ch 48 1999 8 13 17 KULLMANN K Was erkl rt der Modellversuch zur Volumenkontraktion wirklich Chem Sch 41 1994 470 LANDOLT H ber die Zeitdauer der Reaktion zwischen der lods ure und schwefliger S ure Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 19 1886 1317 1365 LANGENSIEPEN F Zwei Standardversuche in neuer Versuchstechnik PdN Ph 38 1989 4 6 8 LEERHOFF G MOLLERING J EILKS l Lernzirkel zur Behandlung der Stoffeigenschaften MNU 53 2000 4 231 234 LIDE D R CRC Handbook of Chemistry and Physics 78 Auflage CRC Press New York 1997 98 LIENING B QUANTE U THOMAS W WITTKE G Lehrbuch der Chemie Naturstoffe Kunststoffe Verlag Moritz Diesterweg GmbH und Co Frankfurt am Main 1993 LUTTGE U K M BAUER G Botanik VCH Weinheim New York Basel Cambrige Tokyo 1994 2 Aufl MAHL D Atommodelle im Chemieunterricht der Realschule NiU P C B 23 1975 2 63 67 MANDL H GRUBER H RENKL A Situiertes Lernen in multimedialen Lernumgebungen in ISSING L J KLIMSA P Hrsg Information und Lernen mit Multimedia Beltz Weinheim 1997 166 178 MARX R Kleinste Teilchen Wortklauberei oder Notwendigkeit NiU Ch 13 2002 67 47 229 15 LITERATURVERZEICHNIS MATUSCHEK C Chemische Formel light Erfahrungsbericht ber eine neue Art die chemische Formel ein
30. Ger te und Chemikalien Abdampfschale Streichh lzer Durchf hrung Bis zu 20 Streichh lzer werden entz ndet in eine Abdampfschale gelegt und dort verbrannt Anschlie end werden die K pfe entfernt Beobachtung und Auswertung Die Streichh lzer brennen ab wobei sich ihr Volumen sichtbar verringert und schmale schwarze Kohlenstoffst bchen zur ckbleiben Im Gegensatz zur Verkohlung liegt hier eine nahezu vollst ndige Verbrennung vor Von Vorteil ist dabei dass der brig bleibende Kohlenstoff relativ trocken ist und auch nicht mit Holzteer oder hnlichem verunreinigt ist da bei der Verbrennung mit gen gend Sauerstoff haupts chlich Kohlenstoffdioxid als Reaktionsprodukt entsteht 12 2 2 7 Verkohlen von Kresse Ger te und Chemikalien Kresse Abdampfschale Tondreieck Bunsenbrenner Uhrglas Tiegelzange selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Testst bchen f r den Wassernachweis Durchf hrung Bis zu 5g Kresse wird in die Abdampfschale gelegt und mit dem Brenner erhitzt bis sie vollst ndig verkohlt ist Ein Wassernachweis ist m glich indem ein Uhrglas mit 180 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Hilfe der Tiegelzange ber die Abdampfschale gehalten wird Hieran kondensierende Fl ssigkeits Tropfen k nnen mit den Testst bchen untersucht werden Beobachtung und Auswertung Beim Erhitzen der frischen Kresse steigt zun chst Wasserdampf auf der mit den Testst bchen als solcher nachgewiesen wird Da der gr
31. Gr nden als falsch erwiesen Hierzu k nnen die m glichen Reaktionen von Wasser mit Zink und Wasser mit lod diskutiert werden Eine Zwischenreaktion des Wassers mit Zink ist obwohl sie nach thermodynamischen Gesichtspunkten ablaufen sollte durch eine auf dem Zink anhaftende Passivschicht aus Zinkoxid und basischem Zinkcarbonat inhibiert Au erdem bildet sich bei der Reaktion in Wasser schwerl sliches Zinkhydroxid gem Zn 2 H2O Zn OH Ho 6 Die Zinkaufl sung in Wasser kann deshalb nur in stark saurer oder stark alkalischer L sung fortlaufen da sich Zinkhydroxid unter diesen Bedingungen gem Zn OH 2 2 H O Zn 4 H2O 7 bzw Zn OH 2 OH Zn OH 4 8 l st HOLLEMANN 1985 S 1038 Eine Reaktion des Wassers mit dem Zink ist also auszuschlie en Falls demnach von einer katalytischen Wirkung des Wassers ausgegangen werden sollte m ssen m gliche Reaktionen des lods mit Wasser untersucht werden Hierzu ist bekannt dass Halogene in Wasser einer Disproportionierungsreaktion gem X2 24 0 H 0 HOX X X Cl Br 9 unterliegen Es werden die in Tabelle 10 5 aufgelisteten Gleichgewichtskonstanten angegeben u Gieichgewich konstante bei pH 7 25 C bei pH 14 25 C 2 0 10 Tabelle 10 5 Gleichgewichtskonstanten f r die Reaktion X 2 H20 gt H 0 HOX X X Cl Br I bei pH 7 und pH 14 bei 25 C nach HOLLEMANN 1985 S 421 Fussnote 72
32. HOLLEMANN 1985 S 399 401 In Wasser l st sich lod nur in sehr geringen Mengen 0 0013 mol in 1 L bei 25 C unter leicht br unlichgelber Farbe Gut l st es sich hingegen in w ssrigen L sungen von Kaliumiodid und lodwasserstoff mit dunkelbrauner Farbe Dies ist auf die Bildung von Triiodidionen l3 zur ckzuf hren vgl Kapitel 10 6 2 Auch in vielen organischen L sungsmitteln l st es sich gut in Donorl sungsmitteln durch die Bildung von Charge Transfer Komplexen CT Komplexe ebenfalls mit brauner Farbe vgl Kapitel 10 6 2 In aromatischen L sungsmitteln wie Benzol und Toluol l st es sich ebenfalls durch Bildung von CT Komplexen mit roter Farbe in anderen wie Petrolether oder chlorierten Methanen mit violetter Farbe Diese r hrt durch sehr fein verteilte Iodmolek le in L sung her HOLLEMANN 1985 S 399 401 Abb 10 11 Struktur einer lodschicht in festem lod nach HOLLEMANN 1985 S 401 143 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Eine Nachweisreaktion f r lod ist die Blauf rbung von lod St rke Komplexen Hierbei werden Polyiodidanionen Is in die Helix der Amylose eingelagert vgl Kapitel 5 2 2 Mit dieser Reaktion lassen sich auch geringste Mengen lod nachweisen HOLLEMANN 1985 S 399 401 10 6 1 2 Eigenschaften und Merkmale des Zinks Zink kommt in der Natur in Form sulfidischer und oxidischer Erze vor Dar ber hinaus gibt es einige weitere in der Natur vorkommende Zinkverbindungen Das f r die Gew
33. Hieran ist erkennbar dass DALTON ein dreidimensionales geometrisches Modell von Verbindungen im Sinn hatte BROCK 1997 S 91 30 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS ELEMENTE Einfache 0008860 000880000 20 00068 Bin re 21 22 23 24 25 OO 00 00 O9 Tern re 26 27 28 29 Ouaternare ai do d do Ouinquen re und Sextenare 4 3 35 Bo Septen re 36 Abb 4 6 DALTONS Elementsymbole aus DALTON 1996 DALTONS Symbole setzten sich jedoch nicht durch Sie wurden kurze Zeit spater durch die Zeichensprache von BERZELIUS ersetzt die heute noch g ltig ist Der Vorteil des Systems von BERZELIUS war vor allem dass es nicht so hohe Druckkosten verursachte wie die Zeichen DALTONS STRUBE 1989 S 162 31 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN 5 Der Einstieg ins Diskontinuumsdenken Eines der zentralen Anliegen des Chemieunterrichtes in der Sekundarstufe ist die Vermittlung der Vorstellung eines diskontinuierlichen Aufbaus der Materie Die K rnigkeit der Materie wird dabei den Sch lern zun chst veranschaulicht indem ein einfaches Teilchenmodell eingef hrt wird Hierbei bedient man sich des sogenannten Kugelteilchenmodells das im Rahmen des Anfangsunterrichts zur Deutung von Aggregatzustands nderungen L sungs und Diffusionsph nomenen herangezogen wird 5 1 Betrachtung herk mmlicher Vorgehensweisen Gem dem Kugelteilchenmodell sind alle Stoff
34. In Schulb chern wird h ufig die M glichkeit der Bildung neuer Teilchen im Zusammenhang mit einer m glichen Umgruppierung der Edukt Atome diskutiert vgl Abb 10 2 Eisen und Schwefel reagieren zu Eisensulfid Eisen Atome Schwefel Atome Abb 10 2 Reaktion von Eisenatomen mit Schwefelatomen nach JACKEL 1993 S 58 Am Beispiel der Reaktion von Eisen mit Schwefel wird in Abb 10 2 der These einer neuen Teilchensorte argumentativ gegenUbergestellt dass die prinzipielle Umkehrbarkeit der Reaktionen eher f r die Alternative einer Umgruppierung spreche da hier die Atome erhalten bleiben J CKEL 1993 S 58 Dieser Argumentation ist entgegenzuhalten dass es Sch lern ebenso einsichtig erscheinen kann aus den synthetisierten gr nen Eisensulfid Teilchen vgl Abb 10 2 durch chemische Reaktionen wieder Eisen und Schwefel Atome zu gewinnen Ausgehend von bisherigen Betrachtungen auf der ph nomenologischen Ebene ist diese Variante aus Sicht der Sch ler u U sogar plausibler denn hierin kommt die bereits auf stofflicher makroskopischer Ebene festgestellte Ver nderung der Eigenschaften des Reaktionsproduktes in einer Ver nderung der Teilchen auf submikroskopischer Ebene zum Ausdruck Die Erhaltung der Atome kann jedoch anhand der Massenerhaltung im Kohlenstoffkreislauf erarbeitet werden vgl Kapitel 7 Auf diesem Weg kann die im 132 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Zusammenhang mit dem DALToNschen Atommodell
35. In der Industrie werden sehr viele Membranen aus Celluloseestern verwendet da die faserige Struktur der Cellulose eine Schwammstruktur ergibt ohne dass die Folie nachtr glich behandelt werden muss vgl Abb 5 4 und Abb 5 5 siehe auch SCHLEICHER amp SCHUELL 2000 Des weiteren wurden verschiedene handels bliche 42 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Folien getestet so zum Beispiel Backpapier Bratschlauch Mikrowellenfolie Frischhaltefolie o Au er dem Backpapier das ein sehr hnliches Verhalten wie die beiden oben beschriebenen Membranen aufweist zeigen die anderen Folien jedoch berhaupt keine Durchl ssigkeit f r eine der Substanzen und wurden deshalb nicht weiter verwendet Das Backpapier wurde nicht weiter benutzt da es durch den st ndigen Kontakt mit Fl ssigkeit sehr stark aufweicht F r kurze Verwendungszeiten ist es aber prinzipiell geeignet Aufgrund des sehr hnlichen Verhaltens von Dialyseschlauch und Einmachfolien in den Experimenten kann auch eine hnliche Struktur der beiden Membranen angenommen werden Weiterhin k nnen durch die f r den Dialyseschlauch angegebene Porengr e R ckschl sse gezogen werden welche lonen und Molek le die Poren durchdringen k nnen und welche nicht woraus auch Vorhersagen f r die Einmachfolie getroffen werden k nnen Bei allen von uns getesteten lonen haben wir Durchtritt durch die Membran feststellen k nnen vgl Versuche 12 1 1 und 12 1 2 siehe Video 01 so d
36. Jg 10 Jg 11 Jg 12 13 Gesamt _ Gesamtzahl B gen Zunahme der Masse Massenerhalt Abnahme der Masse ne Richtige Begr ndung Jg 8 Jg 9 Jg 10 Jg 11 Jg 12 13 gesamt O Massenkonstanz richtig begr ndet E Abnahme der Masse O Massenkonstanz nicht richtig begr ndet El Zunahme der Masse Abb 7 18 Graphische Gegen berstellung der Umfrageergebnisse Um die Hauptgedanken der Sch ler herauszuarbeiten wurden die Antworten der Sch ler getrennt danach ob eine Massenkonstanz eine Massenabnahme oder eine Massenzunahme angekreuzt wurde in Kategorien zusammengefasst 7 4 2 2 Begr ndungen f r eine Massenkonstanz Die richtigen Aussagen unterschieden sich vor allem darin welche Stoffe von den Sch lern in ihrer Argumentation betrachtet wurden 101 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Insgesamt bezogen sich 19 der Befragten die die Massenkonstanz richtig be gr ndeten ausschlie lich auf die Erhaltung des Kohlenstoffs Kategorie 1 2 betrachteten nur den Sauerstoff Kategorie 2 w hrend 22 dieser Sch ler die Er haltung von Kohlenstoff und Sauerstoff in ihre berlegungen einbezogen Kategorie 3 26 der Sch ler erkl rten die Massenerhaltung pauschal damit dass der gesamte Kolbeninhalt erhalten bleibt Kategorie 4 Schlie lich wurde bei 32 der richtigen Ant worten das Gesetz von der Erhaltung der Masse zur Begr ndung angef hrt Kategorie 5
37. Kaliumiodidl sung gegeben Dabei empfiehlt es sich das U Rohr schr g zu halten um ein Hinauslaufen der Kaliumiodidl sung ber den Wattebausch zu verhindern Anschlie end wird die lodl sung in den anderen Schenkel gegeben und dabei das U Rohr wieder in die Normalposition gebracht In die lodldsung wird die Kohleelektrode und das Zinkblech in die Kochsalzl sung eingetaucht Um einen m glichst gro en Stoffumsatz zu erreichen sollten die Elektroden tief eingetaucht werden Zwischen die Elektroden wird ein Elektromotor angeschlossen vgl Abb 12 20 Mit einem Amperemeter kann nun die Elektronenflussrichtung berpr ft werden Um eine Entf rbung der lodl sung schneller voranzutreiben sollte anstelle des Elektromotors das Amperemeter zwischen den Elektroden angeschlossen bleiben da es einen geringeren Innenwiderstand als der Elektromotor hat Beobachtungen und Auswertung Der Motor dreht sich Das Amperemeter zeigt dass die Elektronen vom Zink zum lod wandern Eine quantitative Auswertung der Elektronenwanderung ist an dieser Stelle allerdings nicht m glich da den Lernenden die Oktettregel nicht bekannt ist Nach etwa einer halben Stunde kann eine Aufhellung der lodl sung beobachtet werden Um einen Vergleichswert zur Verf gung zu stellen empfiehlt es sich eine Probe der lodl sung in einem Reagenzglas hnlichen Durchmessers zum Farbvergleich bereitzustellen 203 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 6 6 Thermolyse anderer
38. Klasse 9 beginnenden Chemieunterricht mit 12 Stunden veranschlagt und nahm somit etwa 20 der zur Verf gung stehenden Zeit in Anspruch Hierbei stehen die Sch ler jedoch vor einigen Schwierigkeiten denn die Diskontinuit t der Materie ist aus ihrer Sicht eine wenig naheliegende Eigenschaft RRL CHE 1994 S 24 Gerade dieser Schritt aber der bergang von der Kontinuums auf die Diskontinuumsebene ist im weiteren Unterrichtsgang unbedingt vonn ten und sollte daher f r einen erfolgreichen Chemieunterricht von jedem Sch ler geleistet werden Zur Einf hrung des Teilchenmodells werden im Unterricht zun chst Versuche einge setzt mit denen vorwiegend physikalisch chemische Ph nomene betrachtet werden Hierzu z hlen der L sevorgang von Feststoffen beispielsweise das L sen eines lod Kristalls in Alkohol J CKEL 1993 S 23 das Verdampfen von Fl ssigkeiten zumeist Wasser JACKEL 1993 S 27 und die BRownsche Teilchenbewegung BLUME 1995 S 124 Es wird teilweise auch auf Diffusionsversuche eingegangen bei denen die Diffusion von Farbstoffl sungen durch Dialyseschl uche betrachtet wird z B JANSEN 1982 S 18 27 Ein Versuch der vielfach herangezogen wird um die Diskontinuit t experimentell zu verdeutlichen ist die Mischung zweier definierter Volumina Ethanol und Wasser EISNER 1995 S50 TAUSCH 1996 S 14 FR HAUF 2002 S 23 Hierbei wird nach der Mischung festgestellt dass das Mischungsvolumen nicht der
39. Modellvorstellung minimiert werden Der bergang von Elektronen ist ebenfalls zentraler Inhalt im Zusammenhang mit der Einf hrung des elektronentheoretischen Redox Begriffes und wird daher in Kapitel 11 noch n her er rtert Zusammenfassend l sst sich daher feststellen dass mit dem vorgestellten Experiment zun chst die Ver nderung an den Atomen pr zisiert werden kann Dar ber hinaus erkennen die Sch ler aber auch den Grund f r den Zusammenhalt der Teilchen im Reaktionsprodukt denn aus der Elektrostatik ist ihnen bereits die Anziehung ungleichnamiger Ladungstr ger bekannt JOHANNSMEYER 2001a c 20022 Somit ergibt sich ein tragfahiges Konzept welches nun im weiteren Unterrichtsgang nach Einf hrung der Oktettregel quantitativ erweitert werden muss Abschlie end sei noch einmal dargestellt dass eine solche Gliederung der Vorg nge bei einer chemischen Reaktion mit den bisher vorgeschlagenen Beispielreaktionen der Synthese von Metallsulfiden und oxiden nicht m glich ist Die Argumentation ber das L sungsverhalten kann hier nicht gef hrt werden denn sowohl Schwefel als auch die Metalle sind in Wasser unl slich Auch Sauerstoff ist nur gering l slich denn in 1 L Wasser l sen sich bei 0 C nur 49 1 mL Sauerstoff HOLLEMANN 1985 Ebenso weisen die Reaktionsprodukte in der Regel keine Wasserl slichkeit auf Da sich auf diesen Gedanken jedoch die gesamte Argumentation st tzt k nnen diese Beispielreaktionen nicht in glei
40. Ossietzky Str 9 11 Didaktik der Chemie z Hd Falko Johannsmeyer 26129 Oldenburg Wir m chten Ihnen bereits im Voraus f r Ihre Mithilfe danken Sollten noch Fragen offen bleiben so erreichen sie uns unter Tel 0441 798 3720 Falko Johannsmeyer Fax 0441 798 3691 E Mail Falko Johannsmeyer informatik uni oldenburg de Dein Code Dein Geschlecht Klasse Datum Der Code besteht aus den Initialen Deines Vaters und dem Tag Deines eigenen Geburtstags oO man nlich Vater Johannes Mustermann DEIN Geburtstag z B 16 06 1989 hl Code JM 16 O weiblich In dem verschlossenen mit Sauerstoff gef llten Rundkolben wird Holzkohle 4 Kohlenstoff verbrannt Die gesamte Versuchsapparatur wiegt 300 g Nach der Reaktion ist kein Kohlenstoff mehr zu sehen Wie wird sich die Masse der Versuchsapparatur verandern Kohlenstoff 300 000 an Kreuze bitte an O Die Masse nimmt zu O Die Masse bleibt gleich O Die Masse nimmt ab Begr nde bitte Deine Antwort A 2 2 bersicht ber die Angaben der Lehrer Die Tabelle bezieht sich auf die Angaben der Lehrer zum Begleittext des Umfragebogens vgl A 2 1 Jg Wurde den Sch lern der Wurde die Ist der Balkenwaagen Massenerhaltung bei Zeit Versuch vor Bearbeitung chemische versuch durchgef hrt chemischer Reaktion min des Fragebogens Reaktion bereits worden behandelt i vorgef hrt im Unterricht behandelt Wie B
41. Ph nomen der Thermochromie 110 8 2 Einordnung der thermochromen Erscheinungen an Kupfer l oxid 110 8 3 Weitere Salze mit auftretenden thermochromen Erscheinungen 114 8 4 Hinweise zum Schulexperiment 116 9 DIE THESE VON AVOGADRO 118 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 123 10 1 Didaktische Einordnung der Reaktion von Zink mit lod als Beispielreaktion f r den Begriff der chemischen Reaktion im Chemieunterricht 123 10 2 Aspekte zur Auswahl exemplarischer Reaktionen auf der ph nomenologischen Ebene 125 10 3 Einf hrung der chemischen Reaktion auf ph nomenologischer Ebene am Beispiel von Zinkiodid 126 10 4 Deutung der chemischen Reaktion auf verschiedenen Ebenen am Beispiel von Zinkiodid 129 10 4 1 Die chemische Reaktion auf ph nomenologischer Ebene 131 10 4 2 Deutung der chemischen Reaktion auf Basis des DALTONschen Atommodells 132 10 4 3 Deutung der chemischen Reaktion auf Grundlage eines erweiterten Atommodells 138 10 5 Kl rung weiterer wichtiger Prinzipien der Chemie am Beispiel der Reaktion von Zink und lod 141 10 6 Fachliche Untersuchungen zur Reaktion von Zink mit lod 142 10 6 1 Die Merkmale und Eigenschaften der Elemente Zink und lod sowie des Reaktionsproduktes Zinkiodid 142 10 6 1 1 Eigenschaften und Merkmale des lods 142 10 6 1 2 Eigenschaften und Merkmale des Zinks 144 10 6 1 3 Eigenschaften und Merkmale des Zinkiodids 145 10 6 2 Die Reaktion von Zink mit lod 146 10 6 3 Zerlegung von Zinkiodid in Zink und lod 152 11
42. Solutions to common problems are suggested by introducing alternative approaches to problematic key points which reduce or fully eliminate these known problems Students are familiar with the use of sieves as a method of separation on a macroscopic level By introducing the use of membrane filters on a sub microscopic level and a discussion of the analogy of sieves and filters the discontinuity of matter is derived It becomes apparent when comparing substances according to their behaviour when filtered In addition a first crude look can be taken at the scale of the used substances By analysing visualisations of the sub microscopic level it becomes apparent that the use of similar visualisations in both the simple particle model which defines a particle as the smallest discrete unit in a pure substance and the atom model of DALTON makes a clear distinction difficult and misconceptions are easily made An alternative model is proposed which does not make use of the sphere form for visualising small discrete particles at first Exceptions can be made for elements The outmost outlines of the molecular structure of particles are used as an orientation to derive the forms in the simple particle model In this way the two models can be clearly differentiated and their distinct visual meaning becomes apparent It has to be noted that the common definition of a particle as the smallest unit in a pure substance in the simple particle model does not l
43. Summe der beiden Einzelvolumina von Wasser und Ethanol entspricht Das geringere Gesamtvolumen wird nun darauf zur ckgef hrt dass die kugelf rmig angenommenen Teilchen des Wassers und des Alkohols unterschiedlich gro sind In einem Modellexperiment soll dann eine Analogie auf der makroskopischen Ebene diesen Zusammenhang verdeutlichen Hierbei werden Erbsen mit Senfk rnern teilweise auch mit Reis gemischt Auch in diesem Falle ist die Summe der Einzelvolumina vor der Mischung gr er als das Volumen eines Erbsen Senfkorn Gemisches Im Modellexperiment ordnen sich die deutlich kleineren Senfk rner in die L cken zwischen die Erbsen ein und somit ist eine bessere Raumausf llung erreicht Dieses Versuchsergebnis wird nun analog zur Deutung des Experimentes der Ethanol Wasser Mischung herangezogen 33 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Abb 5 2 Volumenkontraktion eines Ethanol Wassergemisches und eines Erbsen Senfkorngemisches Fr hauf 2002 S 23 Eine solche Vorgehensweise ist in der didaktischen Literatur vielfach umstritten vgl z B HUTTNER 1996 KULLMAN 1994 M LLER 1995 BUCK und OKAMIYA weisen darauf hin dass eine solche Analogie unzul ssig ist da das Ph nomen der Volumen kontraktion im Falle einer Ethanol Wasser Mischung in erster Linie nicht durch die Teilchengr e bedingt ist sondern dass die intermolekularen Wechselwirkungen hier die entscheidende Rolle spielen Buck 1982 OKAMIYA 1982 OKAMIYA
44. Wasser bei 25 C nach LIDE 1997 98 Abschnitt 8 S 97 105 Eine Best tigung der Hypothese liefert auch die Reaktion von Silber und lod So reagiert n mlich elementares Silber mit lod nicht wenn man destilliertes Wasser zu dem Reaktionsgemisch hinzuf gt Dieses ist durch das sehr kleine L slichkeitsprodukt 150 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION von Silberiodid in Wasser bei Normaltemperatur zu erkl ren vgl Tabelle 10 7 Hingegen findet eine heftige Reaktion statt wenn man statt des Wassers ges ttigte Kaliumiodidl sung verwendet Der Grund hierf r ist dass Silberiodid Komplexe der Zusammensetzung Agl2 bzw Agls oder Agl4 mit lodidionen bildet die sehr gut wasserl slich sind RIEDEL 1994 S 725 Diese Beobachtung steht somit in v lligem Einklang mit der aufgestellten Hypothese vgl PARSONS 1925 Silberiodid 8 52 10 Tabelle 10 8 L slichkeitsprodukte einiger Metalliodide bei 25 C nach LIDE 1997 98 Abschnitt 8 S 106 109 Erstaunlich ist dass man auch bei Erhitzung eines Zink lod Gemisches Zinkiodid als Reaktionsprodukt erh lt vgl Versuch 12 5 7 obwohl dieser Reaktionsablauf in der Literatur nicht beschrieben wird Dieses Ergebnis steht jedoch nicht im Widerspruch zu der aufgestellten Hypothese denn aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunktes von Zink von 419 6 C LIDE 1997 98 Abschnitt 4 S 96 ist es leicht m glich Zink zum Schmelzen zu bringen Im geschmolzenen Zustand
45. ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Masse des Kolbens wird vor und nach der Reaktion durch W gung bestimmt Es tritt keine Massendifferenz auf was viele Sch ler berraschen wird da der mit Kohlenstoffdioxid gef llte Kolben leer zu sein scheint Gerade bei dieser Teilreaktion des Kohlenstoffkreislaufs ist es wichtig die Massenerhaltung zu demonstrieren da bei einem gro en Anteil der Sch ler im Anfangsunterricht die Vorstellung vorherrscht gasf rmige Stoffe seien generell leichter als Feststoffe Dar ber hinaus werden Verbrennungen aus der Alltagserfahrung heraus h ufig mit Vernichtung in Verbindung gebracht vgl Kapitel 7 4 Neben der Feststellung des Massenerhalts k nnen die Sch ler in diesem Versuch die Reaktionsgleichung in Form von Wortgleichungen selbst aufstellen da das Reakti onsprodukt Kohlenstoffdioxid mittels Kalkwasser nachgewiesen werden kann Die Durchf hrung dieses Versuchs dauert etwas l nger als die anderen Stationen des Lernzirkels da der Kolben nach dem Versuch auf Raumtemperatur abk hlen muss bevor erneut gewogen werden kann Weiterhin ist zu beachten dass die Sch ler zu diesem Zeitpunkt im Unterricht noch nicht unbedingt gelernt haben Gasflaschen zu bedienen so dass sie zum F llen des Kolbens mit Sauerstoff auf die Hilfe des Lehrers angewiesen sind Die Stationen Pflanzenwachstum A und Pflanzenwachstum B besch ftigen sich mit der Fotosynthese und der Umwandlung des Fotosynthese Produkts Gl
46. als NADPH welches sp ter zur Reduktion des Kohlenstoffdioxids in der Dunkelreaktion eingesetzt werden kann und als ATP dem universellen Energie bertr ger der Zellen CAMPBELL 1997 S 204 Damit ist die Lichtreaktion abgeschlossen und es folgt der CALVIN Zyklus der im Stroma des Chloroplasten abl uft Der Zyklus beginnt indem CO aus der Luft mit organischen Molek len reagiert die bereits im Chloroplasten vorhanden sind Diesen ersten Einbau von Kohlenstoff in organische Verbindungen bezeichnet man als Kohlenstoff Fixierung Der so gebundene Kohlenstoff wird dann im CALVIN Zyklus durch Aufnahme von Elektronen zum Kohlenhydrat reduziert Als Reduktionsmittel dient NADPH aus der Lichtreaktion Um CO zum Kohlenhydrat umzusetzen braucht der CALVIN Zyklus auch chemische Energie in Form von ATP welches ebenfalls durch die Lichtreaktion zur Verf gung gestellt wird CAMPBELL 1997 S 204 Die Stoffwechselreaktionen des CALVIN Zyklus werden auch als Dunkelreaktion bezeichnet da sie unmittelbar kein Licht ben tigen Dennoch l uft der CALVIN Zyklus bei den meisten Pflanzen bei Tageslicht ab denn nur dann k nnen die Lichtreaktionen jene NADPH und ATP Molek le produzieren die bei der Reduktion von CO zu Kohlenhydraten ben tigt werden CAMPBELL 1997 S 204 Bei der fotosynthetischen Kohlenstoff Assimilation entstehen als Endprodukte prim r Hexosen Jedoch treten nicht nur Kohlenhydrate als Endprodukte auf Ausgehend von Hexosen und versc
47. anderen Seite wird der Tatsache Rechnung getragen dass sowohl das Symbolteilchen als auch das Teilchen im DALTONschen Atommodell an dieser Stelle nur f r ein Atom bzw lon stehen siehe Abschnitt 6 4 4 Der L sevorgang des Kochsalzes kann auf diese Weise folgenderma en visualisiert werden um Darstellungen im Kugelteilchenmodell siehe Abb 6 7 in Schulb chern abzul sen Abb 6 11 L sevorgang von Natriumchlorid In diesem Fall sind die Natrium lonen als gelbe und die Chlorid lonen als blaue Kugeln dargestellt w hrend f r die Wassermolek le das entsprechende Symbolteilchen verwendet wurde So einfache Darstellungen sind in dieser Darstellungsweise jedoch nur bei Salzen m glich die jeweils nur eine Sorte von Anionen und eine Sorte von Kationen enthalten und diese zudem im Verh ltnis von 1 1 vorliegen Bei anderen lonenverh ltnissen innerhalb des Salzes m ssten die Abbildungen auch das entsprechende Verh ltnis wiedergeben um Fehler in Bezug auf die Verh ltnisformel des Salzes bei der Darstellung der Dissoziationsvorg nge zu vermeiden M chte man beispielsweise Kupfer Il chlorid CuCl2 darstellen so sollten auch doppelt so viele Chlorid lonen wie Kupfer lonen verwendet werden um anschlussf hig die Erweiterung in die lonendarstellung vornehmen zu k nnen in der ebenfalls eine Formeleinheit in drei lonen zerf llt 70 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 7 Experimentelle Hinf hrung zum DALT
48. charakteristische Kombination aus Form und Farbe zuzuweisen Beispielsweise kann f r Sauerstoff immer ein blaues St bchen verwendet werden Die Sch ler k nnen dann im Laufe des Unterrichts diese Teilchen mit dem jeweiligen Stoff in Verbindung bringen und in Abbildungen leicht erfassen welcher Stoff dargestellt ist F r alle Stoffe ist eine solche Zuordnung nicht m glich da die Stofff lle die Kombinationsm glichkeiten bersteigt und somit nicht genug verschiedene Farben zur Verf gung stehen Daher werden hier nur den Symbolteilchen der h ufig verwandten Stoffe feste Farben zugeordnet w hrend weniger gebr uchliche Stoffe bei Bedarf mit einer weiteren Farbe gef rbt werden k nnen Ein Vorschlag f r die Farbgestaltung findet sich in Tabelle 6 1 auf S 68 Bei den Gasen Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid wird die Farbkennzeichnung der Stahlflaschen gew hlt da diese Farben ohnehin mit den jeweiligen Stoffen in Verbindung gebracht werden Bei der Farbwahl muss ber cksichtigt werden dass Sch ler h ufig f lschlicherweise davon ausgehen dass die Teilchen dieselbe Farbe wie der makroskopisch sichtbare Stoff aufweisen siehe Absatz 6 2 5 Unterst tzt wird diese Fehlvorstellung durch Darstellungen wie Abb 6 3 in welcher die Kupferatome orange eingef rbt sind und Abb 6 2 in welcher die Wasserteilchen eine blaue Farbe aufweisen Um dieses Problem zu umgehen werden f r die Symbolteilchen Farben gew hlt die nicht
49. das Becherglas zu verschlie en damit das lod nicht verdampft Hierzu kann man z B Frischhaltefolie verwenden 12 1 6 Versuche mit Haushaltsfarbstoffen Chemikalien verschiedene Tees z B Hagebuttentee gr ner Tee Pfefferminztee schwarzer Tee k nigsblaue Tinte z B LAMY etc dest Wasser Versuchsdurchf hrung Auch hier werden die Rollrandgl schen wieder zur H lfte mit Farbstoffl sungen gef llt das Becherglas zu drei Vierteln mit Wasser Beobachtungen Die k nigsblaue Tinte durchdringt die Membrane nach kurzer Zeit unter Schlierenbildung Die Teefarbstoffe ben tigen hierzu sehr viel l nger bei Hagebuttentee und Pfefferminztee war erst nach ca 3 5 Stunden eine schwache F rbung zu beobachten Zu erkl ren ist dies mit der Gr e der Farbstoffmolek le der Tees und dem Einfluss des molaren Extinktionskoeffizienten 12 2 Experimente zur Erarbeitung des DALTONschen Atombegriffs anhand des Kohlenstoffkreislaufs 12 2 1 Versuche zur Verbrennung von Kohle 12 2 1 1 Der BoYLE Versuch mit Kohlenstoff im Rundkolben Ger te und Chemikalien Rundkolben 1000 mL oder gr er 2 Gummistopfen mit Bohrung ca 5 cm langes Glasrohr Korkring Luftballon Waage W gesch lchen Bunsenbrenner 172 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN temperaturisolierender Handschuh Aktivkohle oder verkohlte Kresse bzw anderes verkohltes Material Sauerstoff Baryt oder Kalkwasser
50. dem Abk hlen wird die urspr ngliche Farbfolge erneut erhalten und der Versuch kann beliebig oft wiederholt werden 115 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN Abb 8 6 Die Deutschlandflagge aus Kupfer l oxid Kaliumchromat und Zinkoxid Links im kalten rechts im hei en Zustand 8 4 Hinweise zum Schulexperiment In Anbetracht der oben diskutierten Thermochromie von Kupfer I oxid stellt sich die Frage wie der nach wie vor u erst motivierende Weg zur chemischen Formel Uber rotes und schwarzes Kupferoxid im Unterricht widerspruchsfrei realisiert werden kann Die Untersuchungen haben gezeigt dass sich rotes Kupfer l oxid quantitativ im Sauerstoffstrom zu Kupfer Il oxid oxidieren l sst vgl Versuch 12 3 5 Sobald die Reaktion einsetzt zieht sich unter Gl herscheinungen eine Reaktionsfront durch die Substanz und die ablaufende Redoxreaktion kann gut verfolgt werden Die Experimente hierzu lieferten einen Umsatz von 98 11 des theoretisch zu erwartenden Wertes Jedoch w re ein solches Vorgehen aufgrund des aufwendigeren Aufbaus nur als Lehrerversuch durchf hrbar Um dennoch eine Durchf hrung im Sch lerexperiment zu realisieren ist lediglich ein kleine Variation der Versuchbedingungen notwendig Die Schwierigkeit des Versuches im Reagenzglas liegt darin begr ndet dass auch bei l ngerem Erhitzen nicht ausreichend Sauerstoff in das Reagenzglas eindiffundiert um das Kupfer l oxid zu oxidie
51. dem er sich durch eigenes Handeln sein Wissen entsprechend konstruiert In Analogie zu biologischen Adaptionsph nomenen versucht das Individuum sich dabei psychologisch bestm glich an die Umwelt anzupassen Dabei wird diese Anpassung fortlaufend durch die k rperliche Reifung die individuellen Erfahrungen aus der physischen Umwelt sowie durch soziale Erfahrungen aus der kulturellen Umwelt gest rt Es stellt sich so zun chst ein kognitives Ungleichgewicht ein welches durch Weiterentwicklung kognitiver Strukturen wieder ausgeglichen wird Diesen Vorgang bezeichnet PIAGET als Aquilibration welche ein Zusammenspiel darstellt von Assimilation d h dem Anpassen der neuen Eindr cke an vorhandene kognitive Strukturen und Akkomodation d h der Modifizierung bereits vorhandener Strukturen HAURLER 1998 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS W hrend in den Theorien PIAGETs die Konstruktion von Wissen vornehmlich aus der Perspektive des Lernenden betrachtet wird gehen Ans tze des pragmatisch moderaten Konstruktivismus weiter Der kulturelle und soziale Kontext in dem der Wissenserwerb stattfindet nimmt hier eine weitere wichtige Position ein GERSTENMAIER 1995 So werden zus tzlich affektive und emotionale Faktoren ber cksichtigt Bei der Konstruktion des Wissens ist jeder Mensch in einen sozialen und kulturellen Kontext eingebunden wodurch das Wissenskonstrukt beeinflusst wird Hier setzt die Theorie der situierten Kognition
52. der Durchsetzung des heliozentrischen Weltbildes des KOPERNIKUS wurde es auch schwieriger die Elementlehre des ARISTOTELES aufrecht zu erhalten HEIDELBERGER 1994 S 11f Das Wiederaufkommen des Atomismus wurde weiterhin von der Wiederentdeckung des Lehrgedichtes De rerum natura von LUKREZ 96 55 v Chr das eine Darstellung der EPIKUREISCHEN Naturphilosophie und insbesondere des Atomismus enthielt und 1473 gedruckt wurde beg nstigt HEIDELBERGER 1994 S 13 Eine wichtige Rolle f r die Erneuerung der Atomistik im 17 Jahrhundert spielte PIERRE GASSENDI 1592 1655 der auf den Atomismus des EPIKUR zur ckgriff Seine Atome unterscheiden sich wie die seines Vorbildes durch Gestalt und Gr e und haften mit kleinen H kchen aneinander Entsprechend den Anforderungen seiner Zeit sind die Atome GASSENDIs nicht von immerw hrendem Charakter sondern in einem g ttlichen Sch pfungsakt entstanden GASSENDI zog den Atomismus zur Erkl rung einer ganzen Reihe von Erscheinungen heran Die Lichtdurchl ssigkeit fester Stoffe stellte er sich so vor dass in diesen die Atome regelm ig angeordnet seien und sich so Poren bildeten durch die das Licht scheinen k nne Vergr erte sich das Volumen einer Fl ssigkeit beim L sen eines Salzes nicht so nahm GASSENDI an dass sich dabei sehr kleine Salzatome zwischen die Wasseratome sch ben ohne deren Anordnung zu beeintr chtigen CARRIER 1984 S 93 JOACHIM JUNGIUS 1587 1657 kn pfte an die
53. die berz hligen Metallatome bzw niedrigervalenten Metallionen auf Zwischengitterplatzen im Kristall Durch Anregung der bersch ssigen Metallelektronen kommt es dann zu den entsprechenden Farbver nderungen Es soll hier somit eine hnliche Defektstruktur vorliegen wie sie in st chiometrischen Kristallen durch einen FRENKEL Defekt beschrieben wird vgl Abb 8 2 GREENWOOD 1973 S 112 EN X Met X Met x Met Met X Met E Met X Met x 1 2 Xo Me X Met X Met X Met X Met Met X Met x Met X Met x Abb 8 2 Schematische Darstellung einer FRENKELdefekt hnlichen Struktur in einer nichtst chiometrischen Verbindung 111 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN Betrachtet man die recht z gige R ckf rbungsgeschwindigkeit bei der Abk hlung so w re ein entsprechend schneller Wiedereinbau der Sauerstoffatome aus der Atmosph re allerdings sehr erstaunlich Durch Untersuchungen der Thermochromie von Zinkoxid durch COOGAN et al zeigte sich dass nachdem ber erhitztem Zinkoxid ein Hochvakuum erzeugt worden war trotz der Abwesenheit von Sauerstoffmolek len bei Abk hlung eine schnelle R ckf rbung erreicht werden konnte COOGAN 1952 Die Autoren schlossen daher dass es sich bei den reversiblen Effekten um eine thermisch bedingte Absorptionsbandenverschiebung zu gr eren Wellenl ngen handelt Diese Erkl rung kann auch auf andere Kristalle angewandt werden besonders wenn diesen Halbleitereig
54. die L sung des Zinkiodids keine F rbung aufweist Lagen im Zinkiodid aber die lodatome unver ndert vor so sollte sich wiederum eine braungef rbte L sung ergeben Hier ergibt sich also zwangsweise die Idee dass die Atome zudem eine Ver nderung erfahren haben m ssen Welcher Art diese qualitativ ist kann hier allerdings nicht mehr erarbeitet werden Vom Lehrenden muss eine erste Erkl rung vorgegeben werden Die Atome erfahren eine Ver nderung in Bezug auf ihre Gr e In der vierten Ebene wird diese Ver nderung dann einer genaueren Betrachtung unterzogen Bei der Visualisierung dieses Vorgangs ergibt sich ein Konflikt f r den Lehrenden Da das lodmolekul im elementaren Zustand aus zwei Atomen aufgebaut ist sollte die Darstellung im DALTONschen Atommodell auch diesen Tatbestand ber cksichtigen Im Sinne der oben gef hrten Argumentation ist eine solche Darstellung allerdings ung nstig denn die Farb nderung des lods w re schon durch die Tatsache dass im Edukt lod zwei lodatome ein lodmolek l bilden und im Produkt Zinkiodid diese Ordnung aufgehoben ist ausreichend erkl rt Es bliebe dann nur noch die Argumentation ber die L slichkeit der Zinkatome Von daher muss genau abgewogen werden ob man an dieser Stelle die Lernenden nicht mit einer berfl ssigen Information versieht wenn man den biatomaren Zustand des lods erw hnt auch wenn man einer einatomigen Darstellung des lodmolek ls zum Vorwurf machen kann nicht mehr zu einer m
55. die Masse aller einzelnen Atome die gleiche bleibt sie aber nur in anderen Molek len zu finden sind als vorher Sch ler Kl 11 1 In wenigen Ausnahmef llen nahmen Sch ler sogar Bezug auf das Energie Massen quivalent Da der Aufbau verschlossen ist gilt das Gesetz der Erhaltung der Masse Da aber ein extrem kleines St ck der Materie in Energie umgewandelt wird nimmt das Gewicht unmerklich ab Die Waage wird warscheinlich keinen Unterschied anzeigen Sch ler KI 11 Richtige Begr ndungen Anzahl an Sch lern darunter Angaben bezogen auf den jeweiligen a Kategorie 1b Der Kohlenstoff zerteilt sich in viele kleine Teilchen in Ru Keine weitere Erkl rung 2 Der Sauerstoff bleibt im Kolben 3 Kohlenstoff und Sauerstoff bleiben im Kolben 3a Sauerstoff und gasf rmiger Kohlenstoff liegen nebeneinander vor ohlenstoff und Sauerstoff verbinden ich zu Kohlenstoffdioxid 1 ee ge en 3c Die Atome von Kohlenstoff und Sauerstoff verbinden sich 3 Keine weitere ng Te a j 4Der gesamte Inhalt des Kolbens bleibt 102 erhalten 26 4a Die Verbrennungsprodukte Gase Luft bleiben erhalten _ 4c Keine weitere Erkl rung 5Der Massenerhalt Gesetz von der Erhaltung der Masse ist Kennzeichen einer chemischen Reaktion Die in dieser Tabelle aufgef hrten Kategorien fett gedruckt sind zum Teil in weitere Unte
56. die Spalt ffnungen in das Blatt ein Der beim Aufbau des Traubenzuckers freigesetzte Sauerstoff verl sst das Blatt durch Spalt ffnungen Der Aufbau von Traubenzucker aus Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff wird Fotosynthese genannt Der Traubenzucker wird im Blatt rasch zu St rke umgebaut die von der Pflanze gespeichert werden kann Sie ist aber nicht wasserl slich und kann deshalb in der Pflanze nicht transportiert werden St rke wird je nach Bedarf der Pflanze wieder in einen wasserl slichen Zucker umgebaut der in der Pflanze verteilt werden kann Normalerweise k nnen die Pflanzen durch die Fotosynthese mehr Traubenzucker herstellen als sie f r ihren eigenen Energiebedarf wieder verbrauchen Den berschuss k nnen sie in viele verschiedene Stoffe umwandeln wie beispielsweise Traubenzucker und Fruchtzucker die sich im Fruchtfleisch des Apfels finden Die Zuckerr be enth lt einen anderen Zucker den Rohrzucker aus dem der normale Haushaltszucker besteht Ein wichtiger Baustoff in den pflanzlichen Zellw nden ist die Cellulose die auch zu einem gro en Teil in Holz vorhanden ist Aufgaben 1 Lies den Text 2 Auf dem Tisch befinden sich verschiedene Gegenst nde Gef e mit Kohlenstoffdioxid Sauerstoff Wasser St rke Zucker Kresse Holz Streichh lzer K rtchen mit Reaktionspfeilen Ordne sie sinnvoll an 3 Schreibe die in Aufgabe 2 aufgestellte Anordnung auf Kohlenstoffdioxid Wasser _
57. diesen Stellen f rbt sich die L sung braun Dieses ist auf die Bildung von Zinkiodid zur ckzuf hren welches in hohem Ma e hygroskopisch ist 198 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 5 9 Untersuchung einiger Eigenschaften der Edukte und des Produkts bei der Reaktion von Zink mit lod Ger te und Chemikalien Bechergl ser Reagenzgl ser Spatel Spannungsquelle Kabel Gl hbirne Ethanol St rkel sung w Starke 1 Zink lod Zinkiodid destilliertes Wasser Tabellen werke z B ROmpp Chemielexikon Versuchsdurchftihrung Zur berpr fung der Leitf higkeit werden die drei Stoffe leitend mit der Gl hbirne verbunden und dann die Spannung am Voltmeter langsam hochgeregelt Zur berpr fung der L slichkeiten werden in jeweils drei Reagenzgl ser ca 5 mL L sungsmittel eingef llt und dann eine kleine Probe der drei Stoffe zugegeben Weiterhin kann das Verhalten gegen ber St rkel sung berpr ft werden Aus Tabellenwerken k nnen Schmelz und Siedepunkte nachgeschlagen werden Beobachtungen und Auswertung Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 12 9 zusammengefasst Zink dtd Zinkiodid L slichkeit in Wasser L slichkeit in negativ ES E EEEE AEE EEE E AEE EEEE AEE EEA EEEE Tabelle 12 9 Einige Eigenschaften von Zink lod und Zinkiodid LIDE 1997 98 HOLLEMANN 1995 12 6 Experimentelle Untersuchungen zur Spaltung von Zinkiodid 12 6 1 Thermolyse von Zinkiodid unter Luftatmosph re Ger
58. dreidimensionale amorphe Strukturen bilden LUTTGE 1994 S 217 Lignin und Cellulose sorgen gemeinsam f r die Festigkeit des Holzes Der Aufbau kann dabei mit Stahlbeton verglichen werden wobei die linearen Cellulosemolek le die Funktion der Stahlstreben bernehmen und das Lignin die des Betons LUTTGE 1994 S 217 Bei den Hemicellulosen handelt es sich um ein Gemisch aus verzweigten Polysacchariden deren Grundbausteine verschiedene Hexosen und Pentosen sind LUTTGE 1994 S 150 96 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL H COH l Ha OH CH ll CH CH CH H7COH H COH CH 2 C H3CO i HE Da O CH AI 0 H COH H COH HC CH HC 0 6 CH Abb 7 16 Lignin aus L TTGE 1994 S 217 Zus tzlich zu den drei Hauptbestandteilen des Holzes enth lt es auch immer geringe Anteile von Stoffen wie Harze Wachse Terpene und Phenol Aber auch Fette Zucker Eiwei und unverbrennbare Mineralstoffe sind vertreten FALBE 1995 Der Wassergehalt von frisch geschlagenem Holz betr gt 40 60 w hrend lufttrockenes Holz immer noch 15 18 Wasser enth lt Die Trockensubstanz besteht aus 49 1 Kohlenstoff 6 3 Wasserstoff 44 Sauerstoff 0 1 Stickstoff und 0 5 unverbrennbaren Mineralstoffen FALBE 1995 7 3 8 2 2 Die Verkohlung Beim Erhitzen von lufttrockenem Holz der sogenannten tockenen Destillation wird dieses unter Gasentwicklung zersetzt Als R ckstand erh lt man neben den fl ssigen und g
59. einer Verbindung von zwei Sauerstoffatomen mit einem Wasserstoffatom erg be sich dann eine Masse von 3 5 f r ein Sauerstoffatom Bei zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom dagegen 14 BROCK 1997 S 89f Zu den heutigen Atommassen liegen hier noch verh ltnism ig gro e Abweichungen vor Erst J NS JAKOB BERZILIUS 1769 1859 entwickelte Analysemethoden die zu sehr 29 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS genauen Atommassen f hrten Da BERZELIUS zudem von der richtigen Formel f r das Wasser ausging kommen seine Atommassen den heutigen sehr nahe So bestimmte er 1811 durch die Analyse des Wassers die atomare Masse des Wasserstoffs auf die Bezugsmasse 16 des Sauerstoffs zu 1 0617 Zu der Ansicht dass Wasser eine tern re Verbindung mit zwei Wasserstoffatomen ist kam BERZELIUS anhand von Versuchsergebnissen von HUMBOLDT und Gay Lussac bez glich der Volumenverh ltnisse in denen sich Sauerstoff und Wasserstoff verbinden Diese Ergebnisse interpretierte er zwar auf eine nicht zutreffende Weise ging aber dennoch von der richtigen Zusammensetzung des Wassers aus Die Reaktion von zwei Volumina Wasserstoff mit einem Volumen Sauerstoff zu zwei Volumina Wasserdampf erkl rte BERZELIUS damit dass die entstehenden Wassermolek le doppelt so viel Platz einn hmen wie einzelne Atome Tats chlich liegen aber die Edukte dieser Reaktion bereits molekular vor wodurch die doppelte Anzahl an Wassermolek len wie von BERZELIUS angenommen entste
60. eingef hrte Massenerhaltung als Argument angef hrt werden um die Umgruppierung zu favorisieren Der Lehrende muss sich an dieser Stelle deutlich machen dass die obere Darstellung des Reaktionsproduktes in Abb 10 2 nicht falsch ist im Sinne des bisher behandelten Symbolteilchenmodells Denn die kleinste Reinstoffeinheit des Eisensulfids ist hierin als eigene Teilchensorte darzustellen Dieses ist aber nicht gleichbedeutend mit der Auffassung dass die Atome von Eisen und Schwefel deswegen nicht in irgendeiner Form im Produkt enthalten sein k nnen Die Trennung beider Modellebenen muss an dieser Stelle explizit vollzogen werden Wenn Sch ler an dieser Stelle im Unterricht berlegungen bez glich des Ablaufs einer chemischen Reaktion z B von Eisen mit Schwefel auf atomarer Ebene anstellen sollen gelangen sie zu einer Reihe interessanter Interpretationen vgl Abb 10 3 Die Edukte zu Abb 10 3 waren im Falle der Eisenatome als graue im Falle der Schwefelatome als gelbe Kugeln vorgegeben A h O oo Q P Q A S Q a Neuer Stoff b berlappung c Verschmelzung d Umgruppierung Abb 10 3 Sch lervorstellungen zu den Ver nderungen auf Teilchenebene bei einer chemischen Reaktion Viele Sch ler stellen die Atome des Produktes in einer neuen Farbe dar mit der Begr ndung dass ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entstanden sei Einige versuchen den Zusammenhalt zwischen den Atomen mit einzubeziehen und vermuten dass
61. erneuert das Metall aber seine Oberfl che best ndig und bietet dadurch dem lod immer neue Angriffsflachen Versuch 12 5 7 beschreibt die Ergebnisse und zeigt dass es bei geeigneter Reaktionsf hrung m glich ist Zink und lod durch Zuf hren von W rmeenergie zur Reaktion zu bringen Hierbei ist zu beobachten dass im ungeschmolzenen Zustand des Zinks zun chst sehr wenig Zinkiodid entsteht Erst wenn das Zink geschmolzen ist nimmt der Umsatz betr chtlich zu Die Erneuerung der Oberfl che des Metalls im geschmolzenen Zustand erweist sich auch bei den Reaktionen der anderen Metalle mit lod als Ursache f r das Stattfinden der Reaktion Alle untersuchten Reaktionen von Metallen mit lod unter W rmezufuhr k nnten ohne diese permanente Phasengrenzfl chenerneuerung nicht ablaufen Dies best tigen zudem Experimente zum Reaktionsverhalten von lod mit bei Normalbedingungen beinahe fl ssigen Metallen wie Quecksilber und Gallium bzw Legierungen wie der Gallium Legierung Galinstan aus 60 Gallium 26 Indium und 14 Zinn HUNTEMANN 2001b Hierbei ist sofort nach Zusammengeben der beiden Reaktionspartner eine Reaktion festzustellen sp testens jedoch nach gelindem Erw rmen zur berwindung der Aktivierungsenergie In einem abschlie endem Experiment kann man sich eine weitere Eigenschaft des Zinkiodids zu Nutze machen und zeigen dass es unter bestimmten Voraussetzungen doch m glich ist Zink und lod ohne Zugabe von Initiatoren sogar ohne Zu
62. f r Niedersachsen Schroedel Hannover 1994 RRL CHE Ministerium f r Schule Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein Westfalen Hrsg Richtlinien und Lehrpl ne f r das Gymnasium Sekundarstufe in Nordrhein Westfalen Chemie Ritterbach Verlag Frechen 1993 RRL CHE Nieders chsischen Kultusministerium Hrsg Rahmenrichtlinien f r das Gymnasium Schuljahrg nge 7 10 Chemie f r Niedersachsen Schroedel Schulbuchverlag Hannover 1994 SCHLEICHER amp SCHUELL Warenkatalog der Firma Schleicher und Schuell Filtration 2000 231 15 LITERATURVERZEICHNIS SCHMIDKUNZ H Die Entwicklung und die Er rterung von Kreisprozessen ein didaktisches Prinzip einer Umwelterziehung im Chemieunterricht NiU Ch 16 1993 1 233 237 SCHMIDKUNZ H Kreisprozesse und Unterricht NiU Ch 32 1996 7 54 58 SCHMIDT H J Der Oxidationsbegriff in Wissenschaft und Unterricht Chem Sch 41 1994 1 6 10 SCHMIDT S PARCHMANN l Von erw nschten Verbrennungen und unerw nschten Folgen zum Konzept der Atome Eine Unterrichtseinheit aus der Konzeption Chemie im Kontext MNU 56 2003 4 214 221 SCHMOLDT S Der Rutherford sche Streuversuch Ein Sch lerversuch am Modell NiU Ch 8 1997 42 300 301 SCHNEIDER J Stationen und Problemfelder auf dem Weg ins Diskontinuum unter Ber cksichtigung von Sch lervorstellungen im Chemieanfangsunterricht Carl von Ossietzky Universitat Oldenburg 2003 SCHNOTZ W
63. gepr gt ist womit bereits ein wesentliches Reaktionsmerkmal erarbeitet wird Hierbei k nnen die Atome von den Sch lern als vorgebildete Bausteine der Materie wahrgenommen werden und nicht als deren Bruchst cke die sich erst bei einem Zerteilungsvorgang der Stoffe herausbilden PFunD 1981 Der vorgestellte Lernzirkel umfasst die Stationen Verbrennung Verkohlung Fotosynthese sowie Stoffwechsel der Pflanze an denen Sch ler in Kleingruppen t tig 209 13 ERGEBNIS BERBLICK werden Zu jeder Station wurde ein Arbeitsblatt entwickelt welches die entsprechenden Versuchsanleitungen und die von den Sch lern zu bearbeitenden Aufgaben enth lt Das Zusammenf gen zu einem Kreislauf erfolgt im Anschluss an die Durchf hrung des Lernzirkels wobei die Sch ler die Aufgabe erhalten die bearbeiteten Reaktionen in eine sinnvolle Reihenfolge zu bringen Die Organisations form des Lernzirkels bietet den Vorteil dass die Sch lergruppen die Stationen in unter schiedlicher Reihenfolge durchf hren und somit kein Anfang vom Lehrenden festgelegt wird Bei der Anordnung der Teilbereiche des Kreislaufs ergibt sich schlie lich dass jeder Bereich als Einstieg in die Reaktionsabfolge geeignet ist Die Hypothese dass es sich bei Kohlenstoff um ein Element handelt liegt aufgrund der Entstehung durch Zerlegung anderer Stoffe nahe und ist den Sch lern bereits bekannt Der Element begriff wird daher nun auf atomarer Ebene definiert indem der Aufbau des K
64. hat zur Folge dass das Abstraktionsverm gen der Lernenden noch nicht so stark ausgepr gt ist und der Chemieunterricht dementsprechend ver ndert werden muss Im Sinne der PIAGETSCHEN Entwicklungstheorie des Kindes ist davon auszugehen dass im Alter von 15 Jahren bereits alle Lernenden die formal operationale Phase erreicht haben w hrend dieses im Alter von 13 Jahren bei einem Gro teil der Kinder noch nicht der Fall ist PIAGET 1973 Als dritte Konsequenz kann angef hrt werden dass die Lernenden noch nicht in so gro em Umfang auf Vorwissen aus anderen F chern wie zum Beispiel Biologie Physik und Mathematik zur ckgreifen k nnen wie bei einem Beginn des Chemieunterrichts in Klasse 9 Neue Inhalte k nnen also oftmals zun chst nur auf ph nomenologischer Ebene und qualitativ eingef hrt werden Der Chemieunterricht der Klassen 7 und 8 ist daher st rker auf die ph nomenologische Sicht ausgerichtet Dies soll ausdr cklich nicht hei en dass im Chemieunterricht der Klassen 7 und 8 keine Theorien aufgestellt werden sondern vielmehr dass im Sinne des Spiralcurriculums die Konzepte zun chst ph nomenologisch erarbeitet und sp ter erweitert und vertieft werden Hier soll nun gezeigt werden wie ein solches Konzept f r das Thema chemische Reaktion am Beispiel der Reaktion von Zink mit lod ausgestaltet werden kann Das Konzept der chemischen Reaktion kann im Unterricht der Sekundarstufe in drei Abschnitte unterteilt werden
65. hrt Die meisten Ausf hrungen zur Massenabnahme fanden sich in den Jahrg ngen 8 und 9 w hrend in den h heren Klassen nur wenige Sch ler davon ausgingen Bei denen aber die von der Massenabnahme ausgingen finden sich kaum Unterschiede in der Art der Begr ndung Die Vorstellung dass Gase prinzipiell leichter sind als Feststoffe berwiegt in allen Altersstufen Die Masse nimmt ab weil gasf rmige Stoffe leichter sind als feste Stoffe Sch ler KI 8 Die Masse nimmt ab da zwar Rauch brigbleibt dieser jedoch nicht so schwer ist wie die Holzkohle selber Sch ler KI 8 Da Stoffe im Gasf rmigen Zustand leichter sind als im festen nimmt die Masse ab Die Dichte der Stoffe nimmt ab Sch ler KI 8 Eine Ursache f r solche Erkl rungen liegt vermutlich in der Alltagserfahrung bei der Gase vor allem die Luft als sehr leicht bzw gewichtslos wahrgenommen werden Dabei wird in der Beurteilung des Versuches die Differenzierung zwischen Masse einerseits und Dichte andererseits nicht vorgenommen Dieses mag mit dem allt glichen Sprachgebrauch verkn pft sein da wir Stoffe hoher Dichte als schwer und solche geringerer Dichte als leicht bezeichnen ohne das Volumen mit einzubeziehen Ebenfalls in allen Altersstufen findet sich die Ansicht dass die Massenabnahme in diesem Versuch durch die Verbrennung des Kohlenstoffs bewirkt wird Da der Kohlenstoff verbrannt wird nimmt die Ma e ab Der Kohlenstof
66. im Teilchenmodell gesprochen wird obwohl es sich um eine Erkl rung mit Hilfe des Atommodells handelt Zwar sind Atome unzweifelhaft Teilchen doch wird kein ex pliziter bergang zwischen den beiden Modellebenen gemacht wenn f r beide Mo 58 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL delle der Begriff des Teilchenmodells verwendet wird Zur Unterscheidung der Ebenen ware es einfacher wenn der Begriff des Teilchenmodells dem undifferenzierten Modell vorbehalten bliebe und ansonsten vom Atommodell gesprochen w rde An dieser Stelle des Unterrichts wird mit dem bergang von einem einfachen Teil chenmodell zum Atommodell ein Modellwechsel vollzogen bei dem der Begriffsinhalt der als Kugel dargestellten Teilchen einen Bedeutungswechsel erf hrt W hrend im Kugelteilchenmodell die Kugel die kleinste Reinstoffeinheit repr sentiert wird im Atommodell hierdurch der kleinste Baustein der chemischen Elemente dargestellt Da beide Modelle analog visualisiert werden kann es dazu kommen dass die unterschiedlichen Begriffsinhalte von den Sch lern nicht immer erkannt werden Problematisch ist weiterhin dass mit der Einf hrung der atomaren Teilchendarstellung das Kugelteilchenmodel nicht aus dem Unterricht verschwunden ist Nach wie vor werden beispielsweise Aggregatzustande oder L sungsvorg nge im Kugelteil chenmodell dargestellt Es besteht daher die Gefahr dass zwischen Reinstoffteilchen und Atom von den Sch lern nicht immer richtig differenzier
67. in den L sungsmitteln kann vernachl ssigt werden da auch in den L sungsmitteln die keine Reaktion gezeigt haben Restwasser vorhanden gewesen ist Verwandtes L sungsmittel Art der eintretenden Reaktion Erw rmen der L sung die Fl ssigkeit f rbt _ sich braun ee Keine sichtbare Reaktion die Fl ssigkeit ist violett gef rbt LI Keine sichtbare Reaktion die Fl ssigkeit ist violett gef rbt _ ee Heftige Reaktion jedoch kein Sieden der L sung die Fl ssigkeit f rbt sich braun Heftige Reaktion die L sung beginnt zu sieden die Fl ssigkeit f rbt sich braun Heftige Reaktion jedoch kein Sieden der Ac Aceton Chloroform Dichlormethan Diethylcarbonat eek il Eselgs uresthyloster _ sieden die Fl ssigkeit f rbt sich braun _________ Heftige Reaktion die L sung beginnt zu _ sieden die Fl ssigkeit f rbt sich braun LI Keine sichtbare Reaktion die Fl ssigkeit ist violett gef rbt _ LI Keine sichtbare Reaktion die Fl ssigkeit ist violett gef rbt _ LI Heftige Reaktion die Fl ssigkeit f rbt sich _ braun LI Keine sichtbare Reaktion die Fl ssigkeit ist violett gef rbt _ Tr nn Reaktion die L sung EUR zu Ethylamin Petrolether 40 60 Pet Petrolether 60 80 Tetrahydrofuran Toluol Triethylamin Tabelle 12 4 Versuchsergebnisse der Reaktion von Zink mit lod nach
68. jeder Pflanze um ca 0 4 g zugenommen hatte Versuch 2 In einem anderen Experiment wurden Kressesamen angefeuchtet und auf etwas Watte in einen Rundkolben gegeben Dieser wurde verschlossen und auf eine Waage gestellt Nach f nf Tagen sind die Kressepflanzen zu einer H he von ca 5 cm herangewachsen Aufgaben 1 Erkl re wodurch die Masse in Versuch 1 zunimmt 2 In Versuch 2 bleibt die Masse dagegen gleich Erkl re dies Station Verkohlen A Ger te und Chemikalien Die wei en Kupfer Il sulfat Streichh lzer selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Testst bchen verf rben sich bei Teststabchen f r den WWassernachweis kleine Reagenzgl ser Reagenzglasklammer Bunsenbrenner Kontakt mit Wasser blau Durchf hrung Der Versuch sollte wegen der Geruchsentwicklung durch entstehende Gase nach M glichkeit unter dem Abzug aufgebaut werden 4 5 Streichh lzer ohne Kopf werden in das Reagenzglas gegeben und zun chst vorsichtig ber der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzt Die im oberen Teil des Reagenzglases entstehenden Tropfchen k nnen mit den Kupfer Il sulfat Testst bchen untersucht werden Anschlie end wird kr ftiger erhitzt bis die H lzer vollst ndig verkohlt sind Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen Bei Erhitzen im Reagenzglas werden die Streichh lzer schwarz es steigen gelbe Gase auf und an der Wand des Reagenzglases schl gt sich gelbliche Olige Fl
69. lodl sung f rbt sich somit erst nach Zugabe von lodidionen braun da die Disproportionierungsreaktion 10 praktisch nicht abl uft In Ethanol oder Aceton ist allerdings die Braunf rbung sofort nach Zugabe des lods zum L sungsmittel zu beobachten so dass von einem anderen Mechanismus ausgegangen werden muss Es bilden sich labile Charge Transfer Komplexe Additionsverbindungen aus die f r die Verschiebung der Absorbtionsbande verantwortlich sind FALBE 1995 Hierbei bildet sich ein schwacher Lewis S ure Base Komplex aus wobei das lodmolekul als Lewis S ure und das L sungsmittelmolek l unter teilweiser Ladungs bertragung als Lewis Base fungiert vgl Reaktion 12 und HOLLEMANN 1985 S 401 403 D gt 1 ID D NEt OC CH OEt 12 Diese Charge Transfer Komplexe CT Komplexe sind jedoch nicht f r den Ablauf der Reaktion verantwortlich Vielmehr verm gen die meisten L sungsmittel die mit lod diese Komplexe bilden k nnen ebenfalls das Reaktionsprodukt Zinkiodid zu l sen worin ihre die Reaktion unterst tzende Eigenschaft begr ndet liegt wie im Folgenden noch n her erl utert Dieses wird ebenfalls durch die Beobachtung gest tzt das sich in dem sehr unpolaren Toluol zwar ein rotgef rbter Charge Transfer Komplex mit dem 148 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION lod bildet Elektronendonor ist hier das aromatische z Elektronensystem HOLLEMANN 1985 S 402 die Reaktion aber trotzdem n
70. man vermuten dass verschiedene Modifikationen des Kupfer oxids existieren so dass sich die bei Raumtemperatur rote Modifikation bei h heren Temperaturen in eine schwarze Modifikation umwandelt R ntgenstrukturanalysen zeigen jedoch dass in allen Temperaturbereichen das sog Cuprit Gitter vgl Abb 8 1 des Kupfer I oxids erhalten bleibt GMELIN 1932 S 45 110 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN Abb 8 1 Die Gitterstruktur von Kupfer l oxid Remy 1961 In diesem Gitter bilden die Sauerstoff Atome ein kubisch raumzentriertes und die Kupfer Atome ein kubisch fl chenzentriertes Gitter H ufig werden als Erkl rung f r thermochrome Erscheinungen auch sog nichtst chiometrische Zusammensetzungen von Materialien angef hrt Als Beispiel hierf r wurde das Zinkoxid ZnO angesehen welches sich bei Erw rmung ber ca 300 C von Wei nach Gelb verf rbt SONE 1987 S 127 In der Literatur wird dieser Effekt auf das Hinausdiffundieren von Sauerstoff aus dem Kristallgitter zur ckgef hrt GREENWOOD 1990 Dabei soll eine nichtst chiometrische Verbindung entstehen deren Zusammensetzung mit der Summenformel Zn1 xO beschrieben werden kann Da der Kristall mit dem Sauerstoff der Atmosph re im Gleichgewicht steht beginnt dieser bei Erw rmung aus dem kristallinen Oxid mehr und mehr hinaus zu diffundieren sobald der Sauerstoffpartialdruck unter den Gleichgewichtswert abf llt Hierbei verbleiben
71. nger hatte zeigt PABST in seinem Buch Atomtheorien des Lateinischen Mittelalters PABST 1994 Im 17 Jahrhundert gewannen atomistische Theorien wieder an Bedeutung und die bisher vorherrschende ARISTOTELISCHE Philosophie und Materielehre wurde von einigen Wissenschaftlern in Zweifel gezogen Eine Ursache hierf r war dass die Materielehre des ARISTOTELES bzw deren Modifikation von PARACELSUS in der zunehmenden chemischen Praxis nur noch unzureichende Erkl rungen lieferte So bewies der Vorgang des Destillierens dass bei der Umwandlung von Wasser oder Alkohol in Luft keine Transmutation vorlag STRUBE 1999 S 109 Weiterhin hatte ARISTOTELES die Existenz des Vakuums bestritten die experimentellen Befunde TORRICELLIs und PASCALS legten sie dagegen nahe CARRIER 1984 S 92 In direktem Zusammenhang mit der ARISTOTELISCHEN Materielehre stand die Ansicht dass sich die Erde im Mittelpunkt des Universums bef nde Jedes der vier Elemente Feuer Wasser Luft und Erde strebe dabei gem seiner Eigenschaften zu seinem nat rlichen Ort Das Element Erde bewege sich beispielsweise aufgrund seiner Schwere auf den Mittelpunkt des Universums zu wenn es nicht daran gehindert werde Mit dieser Annahme konnte ARISTOTELES die Schwerkraft folgenderma en erkl ren 23 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Ein Stein f llt nach unten also in Richtung des Erdmittelpunktes da sich dort auch das Zentrum des Universums befindet Mit
72. nnen Experimente zu den Eigenschaften der drei Stoffe Zink lod und Zinkiodid angeschlossen werden um das Produkt von den Edukten abzugrenzen vgl Versuch 12 5 9 Eine bersicht ber die Eigenschaften die beispielsweise erarbeitet werden k nnen ist in Tabelle 10 3 gegeben Eine solch detaillierte Untersuchung chemischer Eigenschaften ist mit den meisten anderen Stoffen die zur Einf hrung der chemischen Reaktion herangezogen werden nicht m glich Hierin ist ein besonderer Vorteil der beschriebenen Reaktion zu sehen da er anhand verschiedener Beispiele experimentell berpr fbar verdeutlicht dass ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entsteht Die beschriebenen Metallsulfide und oxide sind in Wasser und organischen L sungsmitteln unl slich somit entfallen die chemischen Eigenschaftsuntersuchungen vgl LIDE 1997 98 Kap 4 S 37 98 Zinkiodid slichkeit in Rein sehr gut farblose Ikohol L sung entf llt positiv negativ lod ist bei Normalbedingungen ein Halbleiter vgl Kapitel 10 6 1 1 Erst bei Dr cken gt 160000 bar geht es in eine senkrecht zu den Schichtebenen leitende Form ber bei Dr cken gt 220000 bar in eine metallisch leitende Form Auch in geschmolzenem Zustand vermag es den Strom zu leiten HOLLEMANN 1985 S 399 401 Tabelle 10 3 Eigenschaften von Zink lod und Zinkiodid die im Unterricht erarbeitet werden k nnen Wie oben beschrieben ist der Aspekt der Umkehrbarkeit chemischer R
73. sich die Atome berschneiden und sprechen von einem berlappen oder auch Verketten der Atome Andere sprechen von einem Um oder Verschmelzen der Atome und lassen die gr eren Atome die kleineren inkorporieren Die Abbildung zeigt dass auch eine Umgruppierung der Atome vorgeschlagen wird Interessant ist hierbei allerdings dass diese M glichkeit nur vereinzelt in Betracht gezogen wird und Sch ler zu Bedenken geben dass diese Variante eher unwahrscheinlich sei da es sich um ein Gemisch handele Auf Basis der angebotenen Visualisierung ist eine solche Aussage verst ndlich denn man k nnte annehmen dass hier ein optimales Gemisch dargestellt sei Dieses Problem h ngt eng damit zusammen dass aus der angebotenen Veranschaulichung nicht deutlich wird warum die so angeordneten Teilchen fest in dieser Struktur verhaftet sind wohingegen weniger optimale Gemische getrennt werden k nnen Die Frage nach dem Zusammenhalt der Teilchen bleibt unber cksichtigt 133 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Eine Auswahl unter den anderen drei Darstellungsm glichkeiten des Reaktionsproduktes aus Abb 10 3 ist f r die Lernenden nicht m glich sie muss vom Lehrenden vorgegeben werden Sie erfahren an dieser Stelle dass die Atome sich umordnen also die M glichkeit d die richtige ist An dieser Stelle k nnten Sch ler jedoch von der Tatsache profitieren dass eine chemische Reaktion sich nicht nur in einer Umgruppierung ersch pft so
74. ssigkeit nieder Bei Kontakt mit den Tr pfchen im oberen Teil des Reagenzglases verf rben sich die Kupfer Il sulfat St bchen blau daher handelt es sich um Wasser 2 Formuliere eine Wortgleichung f r die Verkohlung des Holzes Holz Kohlenstoff Wasser Station Verkohlen B Ger te und Chemikalien Kresse Abdampfschale Tondreieck Bunsenbrenner Uhrglas selbst hergestellte Kupfer II sulfat Testst bchen f r den Wassernachweis Durchf hrung Bis zu 5 g Kresse wird in die Abdampfschale gelegt und mit dem Brenner erhitzt bis sie vollst ndig verkohlt ist Dabei wird ein Uhrglas mit Hilfe der Tiegelzange ber die Abdampfschale gehalten Hieran kondensierende Tropfen k nnen mit den Testst bchen nachgewiesen werden Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen Die Kresse wird schwarz und schrumpft zusammen Am Uhrglas kann Wasser nachgewiesen werden 2 Stelle eine Wortgleichung auf Kresse Kohlenstoff Wasser Station Verkohlen A Die wei en Kupfer Il sulfat Testst bchen verf rben sich bei Kontakt mit Wasser blau Durchf hrung 4 5 Streichh lzer ohne Kopf werden in das Reagenzglas gegeben und zun chst vorsichtig ber der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzt Die im oberen Teil des Reagenzglases entstehenden Tr pfchen k nnen mit den Kupfer Il sulfat Testst bchen untersucht werden Anschlie end wird kr ftiger erhitzt bis die H lzer v
75. tze der Symbolteilchen Darstellung von Molek len im Symbolteilchenmodell Salze im Symbolteilchenmodell Elemente im Symbolteilchenmodell Die Dissoziation von Salzen in w ssrigen L sungen 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL ANHAND DES KREISLAUFGEDANKENS 7 1 7 2 7 3 7 3 1 7 3 2 7 3 3 7 3 4 7 3 5 7 3 6 Gol 7 3 8 Kreisl ufe im Unterricht Der Kohlenstoffkreislauf Der Kohlenstoffkreislauf als Lernzirkel Vorteile der Lernzirkelarbeit bei der Erarbeitung des Kohlenstoffkreislaufs Die Durchf hrung des Lernzirkels Die Stationen des Lernzirkels M glichkeiten zur Erweiterung des Lernzirkel Die Auswertung der Stationsarbeit Darstellung des Kreislaufes im Symbolteilchenmodell und im Atommodell Lehrerarbeitsbl tter Fachliche Hintergr nde zu den Versuchen des Kohlenstoffkreislaufs 7 3 8 1 Die Fotosynthese 7 3 8 2 Die Verkohlung von Holz 7 4 7 4 1 7 4 2 Sch lerbefragung zum BOYLE Versuch Gegenstand der Umfrage Ergebnisse der Untersuchung 7 4 2 3 berblick ber die Ergebnisse 7 4 2 4 Begr ndungen f r eine Massenkonstanz 7 4 2 5 Begr ndungen f r eine Massenabnahme 7 4 2 6 Begr ndungen f r eine Massenzunahme 7 4 3 Fazit 50 50 51 52 53 55 55 59 59 61 63 65 69 71 71 73 76 76 77 78 82 83 86 86 94 94 96 98 98 100 100 101 104 106 107 INHALT 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN 109 8 1 Das
76. und Sulfidbildungen der einzige Zugang ist ist dar ber hinaus weiterhin m glich Eine besondere M glichkeit er ffnet der Vergleich von lod mit Zinkiodid durch Zugabe einer St rkel sung wobei sich nur im Falle des lods die lod St rke Reaktion zeigt _ Zinkiodid Zink Abb 13 4 Die drei Stoffe Zink lod und Zinkiodid die von den Sch lern miteinander verglichen werden sollen 211 13 ERGEBNIS BERBLICK Vielfach wird beschrieben dass die Reaktion von Zink mit lod nur unter Zugabe von Wasser abl uft DEMEO 1995 FULL 1981 NoYes 1902 Dieses Reaktionsverhalten zeigt sich bei ausgesprochen vielen Metall Halogen Reaktionen Erkl rbar ist dieses Verhalten durch die Bildung einer d nnen Zinkiodid Schicht an der Oberfl che die eine weitere Reaktion inhibiert vgl PARSONS 1925 Bereits die Zugabe von wenig Wasser reicht dann aufgrund der sehr guten L slichkeit von Zinkiodid aus um diese passivierende Schicht aufzul sen und eine weitere Reaktion ablaufen zu lassen Es konnte gezeigt werden dass eine Reaktion bei Zugabe von L sungsmitteln erfolgt die das Reaktionsprodukt Zinkiodid zu l sen verm gen In bereinstimung mit dieser Erkl rung ist keine Reaktion durch Zugabe einer bereits an Zinkiodid ges ttigten L sung zu beobachten Die Reaktion kann jedoch auch ohne Zugabe von Wasser erfolgen indem das Zink geschmolzen und durch die sich st ndig erneuernde Oberfl che des fl ssigen Metalls eine Passivierung ve
77. vollst ndig aus dem Anfangsunterricht zu entfernen Ausgehend von diesem Ansatz lernen die Sch ler den Redoxbegriff erst an der Stelle des Curriculums an der die elektronentheoretisch begr ndete Deutung vermittelt werden kann Eine solche Vorgehensweise bedingt jedoch dass im Chemieanfangsunterricht zun chst das bliche Klassifizierungsschema nicht mehr aufrecht erhalten werden kann FRITSCH schl gt in diesem Sinne vor stattdessen als Reaktionsmerkmale die Bildung und Zerlegung von Stoffen in den Vordergrund zu stellen Anhand der Anzahl der verschiedenen Edukte und Produkte sowie energetischen Betrachtungen sollen Reaktionen als Bildung und Zerlegungsreaktionen klassifiziert werden vgl Abb 11 4 FRITSCH merkt in Bezug auf die mit der Bildung und Zerlegung angegebenen Energieumwandlungen an dass diese nur den Charakter von Regeln haben In Einzelf llen seinen Bildungsreaktionen endotherm und Zerlegungen exotherm jedoch seien solche Reaktionen bedeutungslos f r den Anfangsunterricht FRITSCH 1994 161 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT Stoffumwandlung Energieumwandlung Bildung von Stoffen Z Kusgangsstoffe gt Zendstoffe exotherm Abgabe von Warme Licht Verrichtung von mechan Arbeit Echem gt Ethermr Emech Zerlegung von Stoffen Zyusgangsstoffe lt Zendstoffe endotherm Zufuhr von W rme Vorg nge an Elektroden bei Anlegen einer Spannungsquelle Etherm Eg gt Echem Abb 11 4 Einteilung der Reak
78. vor der Versuchsdurchf hrung blank geschmirgelt werden Kohleelektrode Durchf hrung Zinkblech Zun chst wird in das U Rohr ein Wattebausch gegeben um die beiden Schenkel voneinander zu trennen Die Verwendung eines U Rohres mit Fritte ist Kaliumiodidl sung lodl sung gt Widerstand so stark steigt dass u U der Motor Watte nicht betrieben werden kann Aus dem gleichen Grunde sollte die Watte nicht zu fest gestopft werden Nun wird in einen Schenkel Kaliumiodidl sung gegeben Dabei empfiehlt es sich das U Rohr schr g zu halten um ein Hinauslaufen der Kaliumiodidl sung ber den Wattebausch zu verhindern Anschlie end wird die lodl sung in den anderen Schenkel gegeben und dabei das U Rohr wieder in die Normalposition gebracht In die lodl sung wird die Kohleelektrode und das Zinkblech in die Kochsalzl sung eingetaucht Um einen m glichst gro en Stoffumsatz zu erreichen sollten die Elektroden tief eingetaucht werden Zwischen die Elektroden wird ein Elektromotor angeschlossen Versuchsskizze Reaktion von Zink und lod im U Rohr Weiteres Vorgehen Mit einem Amperemeter kann nun die Elektronenflussrichtung berpr ft werden Dabei ist zu beachten dass die Elektronen in den negativen Eingang COM eintreten m ssen damit ein positiver Wert auf dem Messger t dargestellt wird Das kann vorher mit einer Spannungsquelle bewiesen werden Um eine Entf rbung der lodl sung schnell
79. w hrend des Wachstums zugenommen hatte Hieraus schloss er dass die Pflanzen Kohlenstoff aus dem geringen Anteil an Kohlenstoffdioxid gewinnen welcher in der atmosph rischen Luft enthalten ist In diesem Lernzikel sollen diesem Vorgehen entsprechend Kresse und die Pflanzenbestandteile Holz und Zucker im Sch lerversuch verkohlt werden Eine l ngere Wachstumsphase zwischen zwei Verkohlungsvorg ngen l sst sich dabei aus Zeitgr nden nicht realisieren Im Rahmen des Kreislaufsgedankens steht das Erkennen des Kohlenstoffs als Bestandteil der Pflanzen im Vordergrund Ein weiterer Schwerpunkt soll in diesem Lernziel der Nachweis des Massenerhaltes f r die einzelnen Reaktionsschritte des Kohlenstoffkreislaufs sein Das Gesetz von der Erhaltung der Masse sollte den Sch lern zu diesem Zeitpunkt des Unterrichts bekannt sein und wird dann im Laufe des Lernzirkels wiederholt und gefestigt Dies ist von Bedeutung da die Erhaltung der Masse eine wichtige Grundlage f r das Verst ndnis der Erhaltung der Atome bildet 75 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 7 3 Der Kohlenstoffkreislauf als Lernzirkel 7 3 1 Vorteile der Lernzirkelarbeit bei der Erarbeitung des Kohlen stoffkreislaufs Fur die experimentelle Erarbeitung des Kohlenstoffkreislaufs wird hier die Organi sationsform des Lernzirkels die auch als Lernen an Stationen bezeichnet wird aus gew hlt Bei dieser Form des Unterrichts wird das Rahmenthema in Teilthemen
80. weiteres Themenfeld beleuchtet das f r den Chemieunterricht von besonderer Bedeutung ist Eine Auseinandersetzung mit diesem Thema erfolgt im Curriculum zu unterschiedlichen Zeitpunkten und die Erkenntnisse werden zunehmend vertieft So begegnen die Sch ler der chemischen Reaktion zun chst auf ph nomenologischer Ebene unter dem Aspekt der Stoff und Energieumwandlung sowie der Massenerhaltung In dieser Unterrichtsphase ist eine deutliche Abgrenzung von Edukten und Produkten aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften von entscheidender Wichtigkeit Die hier diskutierte Reaktion von Zink und lod kann sowohl auf der ph nomenologischen Ebene zur Einf hrung als auch auf der submikro skopischen Ebene zur weiteren Untersuchung herangezogen werden Wiederum im Sinne eines Spiralcurriculums findet sie erneut Anwendung bei der Erarbeitung des elektronentheoretischen Redox Begriffs Aus ph nomenologischer Sicht bietet die Reaktion den Vorteil dass anhand der Edukte und Produkte eine Reihe von Eigenschaftsuntersuchungen z B im Sch lerversuch durchgef hrt werden k nnen die bei den g ngigen Reaktionen der Metalle mit Sauerstoff oder Schwefel nicht m glich sind Neben der deutlichen Unterscheidbarkeit anhand der Farbe der Stoffe lassen sich zudem die Leitf higkeit und die L slichkeit in verschiedenen L sungsmit teln experimentell gegen berstellen Der Vergleich von Literaturangaben von Dichte Schmelz und Siedepunktpunkt etc der bei vielen Oxid
81. weniger wiegen als Feststoffe Ein wesentlicher Grund f r die dargelegten Untersuchungsergebnisse ist sicherlich darin zu sehen dass die beabsichtigte Einf hrung eines Erhaltungskonzeptes auf der submikroskopischen atomaren Ebene von einem insbesondere durch Alltagsvorstellungen gepr gten tieferliegenden Vernichtungskonzept auf der makroskopischen Ebene stofflichen Ebene verdr ngt wird Erstaunlich und interessant zugleich ist die Tatsache dass Sch lerinnen und Sch ler h herer Jahrgangstufen wo eine bereits weit ausdifferenzierte Vorstellung der 107 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Diskontinuumsebene angenommen werden darf dennoch nicht auf naturwissenschaftliche Erkl rungskonzepte sondern z T auf Alltagsvorstellungen zur ckgreifen Es wird deutlich dass der in den 80er Jahren propagierte conceptual change der Lernen im Wesentlichen als einen vollst ndigen Austausch falscher Anfangsvorstellungen durch richtige naturwissenschaftliche Endvorstellungen definierte berdacht werden muss Die Beschreibung von Lernprozessen als eine parallele Entwicklung kognitiver Schichten ber mehr oder weniger stabile koexistierende Zwischenvorstellungen die sich in ihrer jeweiligen St rke oder ihrem Status unterscheiden SCHNOTZ 1996 k nnte eine angemessene Erkl rung f r die im Rahmen der Untersuchung gefundenen Sch lervorstellungen sein Somit wird erkl rbar dass urspr ngliche Alltagsvorstellungen
82. werden siehe Versuch 12 1 6 Hierbei ist auff llig dass die Teefarbstoffe nur sehr langsam durch die Membran hindurchdiffundieren Ein Gr envergleich von Molek l und Porenweite liefert hier eine m gliche Erkl rung So hat das f r die rote Farbe von Hagebuttentee verantwortliche Lycopin einen Molek ldurchmesser von etwa 3 0 nm liegt somit also genau in der Gr enordnung der Membranporen vgl Abb 5 10 Eine Diffusion kann daher nur recht langsam vonstatten gehen da die Molek le 44 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN f r einige der Poren schon zu gro sind Allerdings geht aus der Abbildung auch hervor dass das Molek l in der zweiten Dimension einen sehr viel geringeren Durchmesser besitzt Durch Rotation um die Einfachbindungen sollte es demnach m glich sein dass das Molek l langsam durch die Porenkan le der Membran hindurchdiffundieren kann Eine weitere Erkl rungsm glichkeit stellt der unter 5 2 2 1 erl uterte Einfluss des molaren Extinktionskoeffizienten auf die Sichtbarkeit dar Abk 5 10 Lycopin Molek l Molek ldurchmesser max 3 0 nm All diesen Farbstoffen stehen die lod St rke Komplexe gegen ber denn sie werden von den Membranen zur ckgehalten Bei den Komplexen handelt es sich um Einschlussverbindungen wobei sich Polyiodidanionen in der Regel l5 lonen in die St rke Helix der Amylose einlagern vgl Abb 5 11 Abb 5 11 Schematische Darstellung des lod Starke Komplexes Die I lo
83. yyaysjuesy i EL Tooo muy A 3 Stationen des Lernzirkels mit Lehrer und Sch lerarbeits bl ttern Station zentrale Inhalte der Station Kohle im Kolben q Verbrennen von Kohlenstoff im geschlossenen Kolben Aufstellen der Wortgleichung Kohlenstoff Sauerstoff gt Kohlenstoffdioxid Nachweis des Massenerhalts Pflanzen e Lesen eines Informationstextes ber die Fotosynthese und den wachstum A Stoffwechsel von Pflanzen e Aufstellen der Wortgleichung der Fotosynthese und des Stoffwechsels Kohlenstoffdioxid Wasser Traubenzucker Sauerstoff IN 5 St rke Rohrzucker Holz Cellulose Kresse Cellulose Pflanzen wachstum B Erklaren der Massenzunahme einer Erbsen pflanze beim Wachsen Erklaren des Massenerhalts beim Wachstum von Kresse im geschlossenen Kolben Verkohlen A WA Verkohlen von Streichholzern im Reagenzglas Aufstellen der Wortgleichung Holz Kohlenstoff Wasser Verkohlen B a e Verkohlen von Kresse in einer Sy Abdampfschale e Aufstellen der Wortgleichung h Kresse Kohlenstoff Wasser Verkohlen e Verkohlen von Rohrzucker mit konzentrierter C Schwefels ure Nachweis des Massenerhalts Zusatz CI J station Verfolgung der Kohlenstoffdioxidaufnahme von Pflanzen mittels Indikator Station Kohle im Kolben Ger te und Chemikalien Erlenmeyerkolben 300 mL Luftballon Waage W gesch lchen
84. 0 eo D gt gt Verkohlen durch Erhitzen Kresse Holz Glucose Sauerstoff Verkohlen durch Schwefels ure D m Abb 7 7 Der Kohlenstoffkreislauf mit verschiedenen Darstellungsm glichkeiten der submikroskopischen Ebene am Beispiel der Kresse Zucker bzw Starke Traubenzucker etc OL 87 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Station Kohle im Kolben Ger te und Chemikalien Erlenmeyerkolben 300 mL Luftballon Waage W gesch lchen Brenner Stativklemme gek rnte Aktivkohle oder selbst verkohltes Material Sauerstoff Kalkwasser Vorbereitung Der Luftballon sollte vor Beginn des Versuches einmal aufgeblasen werden damit er vorgedehnt ist _ gt Durchf hrung Bis 9 0 07 0 08 g Aktivkohle oder selbst verkohltes Material werden abgewogen und in den Erlenmeyerkolben gegeben Anschlie end wird der Erlenmeyerkolben vom Lehrer mit Sauerstoff gef llt und mit dem Luftballon verschlossen Der so vorbereitete Erlenmeyerkolben wird gewogen und sein Gewicht notiert Der Erlenmeyerkolben wird in die Stativklemme eingespannt und ber der Brennerflamme erhitzt Sobald die Kohle zu gl hen beginnt wird der Kolbeninhalt hin und her gesch ttelt Sollten einzelne Kohlest ckchen noch nicht brennen m ssen sie erneut ber dem Brenner zum Gl hen gebracht werden bevor der Kolben gesch ttelt wird Nach der Reaktion wird der Kolben n
85. 0 mL hohe Form Pasteurpipette Pipette 10 mL Gl hbirne 100 W mit Fassung Frischhaltefolie Faden Gummibander Filterpapier Plastikspritze 5 mL Klebeband Stativmaterial Glasstab 2 frische Efeu Blatter Hedera helix oder ein Bund frisch geschnittene Kresse Natriumhydrogencarbonat Kaliumchlorid Kresolrot L sung w Kresolrot 0 2 destilliertes Wasser Kohlenstoffdioxid oder Verbrennungsgase aus dem BOYLE Versuch siehe 12 2 1 2 12 2 1 3 Abb 12 14 Aufbau zur Verfolgung des Kohlenstoffdioxid Verbrauchs von Pflanzen Durchftihrung Die Stiele der Efeu Blatter oder der Kresse werden mit etwas feuchtem Filterpapier umwickelt und mit dem Faden zusammengebunden 42 mg Natriumhydrogencarbonat und 3 73 g Kaliumchlorid werden in 1 L destilliertem Wasser gel st Jeweils 10 mL 183 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN dieser L sung werden in zwei Bechergl ser gef llt und mit 5 Tropfen Kresolrot L sung versetzt Nach Umr hren mit einem Glasstab haben diese L sungen eine orange rote Farbe Nun wird in die Hydrogencarbonat L sungen der beiden Bechergl ser jeweils mit der Plastikspritze 1 mL Kohlenstoffdioxid gespritzt Die L sungen werden umger hrt woraufhin sich die Fl ssigkeit gelb f rbt Die beiden Efeubl tter bzw das Bund Kresse werden mit einem Faden mit den Stielen nach oben in eines der Bechergl ser geh ngt Der Faden wird dabei mit Klebeband an gegen berliegenden Stellen des Becherglasrandes befes
86. 00 mL verd nnte Salzs ure c HCI ca 2 mol L Universalindikatorl sung verd nnte Natronlauge c NaOH ca 2 mol L dest Wasser Versuchsdurchf hrung Das Becherglas wird ca zu drei Vierteln mit destilliertem Wasser gef llt welches mit Universalindikatorl sung versetzt ist Man gibt einige Tropfen verd nnte Salzs ure hinzu bis sich die L sung rot gef rbt hat Das Rollrandgl schen wird etwa zur H lfte mit verd nnter Natronlauge gef llt Am besten wird es am Rand in das Becherglas eintauchend eingespannt So ist das Ergebnis besser zu erkennen Beobachtungen Nach kurzer Zeit sieht man deutlich violette Schlieren von der Folie herabsinken Nach ca 30 Minuten erh lt man im Becherglas s mtliche Farbabstufungen der 168 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Universalindikatorl sung Ubereinandergeschichtet vom violett blau ber hellblau gr n gelb orange bis hin zu rot Besonders gegen Ende hin sind auch die Zwischenfarben sehr sch n zu erkennen Es ist auch m glich die S ure in das Rollrandgl schen und die Lauge in das Becherglas zu geben allerdings ist dann die Farbschichtung nicht so gut zu erkennen 12 1 3 Versuche mit organischen Farbstoffen Chemikalien acetonische Malachitgr nl sung w Malachitgr n 0 1 ethanolische Methylrotl sung w Methylrot 0 1 dest Wasser Versuchsdurchf hrung Das Becherglas wird zu etwa drei Vierteln mit destilliertem Wasser das Rollrandgl schen etw
87. 10 Die Darstellung einer chemischen Reaktion im Atommodell und im Symbolteilchenmodell Es wird deutlich dass die Darstellung der chemischen Reaktion im Atommodell und die Darstellung im Symbolteilchenmodell der Variante 1 sich nur auf der Seite des 66 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Produkts unterscheiden Bei den Edukten ist dagegen kein Unterschied zwischen den beiden Modellen zu erkennen Problematisch ist dabei dass die Sch ler zun chst lernen dass die Reaktion von kugelf rmigen Symbolen zu einem neuen Teilchen m glich ist Nach der Einf hrung des Atommodells werden identisch aussehende Kugeln dann nicht mehr im Sinne des Symbolteilchenmodells betrachtet sondern als Atome die in einer chemischen Reaktion erhalten bleiben F r die Sch ler wird dabei der Unterschied zwischen diesen beiden Modellebenen schwer nachvollziebar sein Dieses Problem besteht nicht wenn man die Variante 2 des Symbolteilchenmodells anwendet da sich dann auch die Edukte im Symbolteilchenmodell von denen im Atommodell unterscheiden Eine Schwierigkeit in der Darstellung der Elemente in Form von Kugeln ist dass nicht alle nichtmetallischen Feststoffe wirklich atomar vorliegen So ist Schwefel f r gew hnlich aus Ss Ringen aufgebaut so dass in Analogie zu den anderen Molek len hier auch ein Symbolteilchen verwendet werden k nnte das an die Form angelehnt ist Bei genereller Verwendung von Symbolteilchen f r die Elemente k nnte das entsprechende Symbolt
88. 12 5 6 Reaktion verschiedener Metalle mit lod 12 5 7 Reaktion verschiedener Metalle mit lod durch Energiezufuhr 12 5 8 Reaktion von Zink mit lod ohne Zugabe von Wasser 12 5 9 Untersuchung einiger Eigenschaften der Edukte und des Produkts bei der Reaktion von Zink mit lod 12 6 Experimentelle Untersuchungen zur Spaltung von Zinkiodid 12 6 1 Thermolyse von Zinkiodid unter Luftatmosph re 12 6 2 Thermolyse von Zinkiodid unter Stickstoffatmosph re 12 6 3 Thermolyse von Zinkiodid unter Argonatmosph re 12 6 4 Elektrolyse einer Zinkiodidl sung 12 6 5 Die Zink lod Batterie 12 6 6 Thermolyse anderer Metalliodide 12 6 6 1 Thermolyse von Kupfer I iodid unter Luftatmosph re 12 6 6 2 Thermolyse von Kupfer I iodid unter Stickstoffatmosph re ERGEBNIS BERBLICK ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT LITERATURVERZEICHNIS 188 189 189 192 192 193 195 195 196 197 197 198 199 199 199 200 201 201 202 204 204 204 205 216 222 VI INHALT A ANH NGE A 1 Aktivierung chemischer Reaktionen durch Hammerschlag A 1 1 Aktivierung der Reaktionen verschiedener Metalle mit Schwefel durch Hammerschlag A 1 2 Aktivierung der Reaktion von Aluminium mit lod durch Hammerschlag A 2 Detaillierte Umfrageergebnisse zur Massenerhaltung bei der Verbrennung von Kohle im geschlossenen Kolben A 2 1 Begleitender Text zum Umfragebogen A 2 2 bersicht ber die Angaben der Lehrer A 2 3 Zuordnung der Sch ler zu den Antwortenkategorien A 2 3 1 R
89. 2 5 7 Demgegen ber sind bei der Reaktion von Zink und lod durch Zugabe von Wasser die Verh ltnisse genau umgekehrt der Energieumsatz kann sehr gut beobachtet werden und die Isolierung des Produktes gelingt einwandfrei durch Eindampfen der L sung Allerdings muss Wasser als Hilfsstoff zugesetzt werden Ein m glicher Unterricht k nnte demnach wie folgt ausgestaltet sein Die Erarbeitungsphase beginnt mit einem Sch lerexperiment in dem die Lernenden die Reaktion von Zink mit lod durch Zugabe von Wasser einleiten vgl Versuch 12 5 1 siehe Video 08 Zur Vermeidung von Niederschl gen aus Zinkhydroxid bietet es sich an leicht anges uertes Wasser zu verwenden Dazu wird das Wasser vorher mit etwas verd nnter Salzs ure anges uert Die Sch ler r hren das Gemisch nun solange bis die Braunf rbung verschwunden ist Dies wird erreicht da Zink im st chiometrischen berschuss vorliegt Dann wird das bersch ssige Zink abfiltriert und die L sung vorsichtig zur Trockne eingedampft Nach der Trocknung im Trockenschrank erhalten die Sch ler Zinkiodid als gr ulich wei es Pulver die Aufbewahrung im Trockenschrank ist notwendig da Zinkiodid stark hygroskopisch ist Als Lehrerversuch bietet sich an dieser Stelle die alternative Durchf hrung durch Zufuhr von W rme an um zu verdeutlichen dass Wasser nicht prinzipiell notwendig ist siehe Versuch 12 5 7 siehe Video 13 127 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Anschlie end k
90. 2 g gegeben die gesamte Apparatur zwei Minuten mit Stickstoff gesp lt und das Zinkiodid dann kr ftig erhitzt Beobachtungen und Auswertung Man beobachtet zun chst nur wie das Zinkiodid schmilzt und nach einiger weiterer Zeit verdampft Erst nach dem Abk hlen kann man an wenigen Stellen des Kolbens eine leichte Braunf rbung die auf die Bildung von Triiodidionen gem 5 zur ckgeht beobachten Zus tzlich bleibt auf dem R ckstand ein schwach erkennbarer grauer Belag zur ck von dem anzunehmen ist dass es sich um Zink handelt Ein Nachweis gelingt jedoch nicht 200 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Gasanschluss Luftballon Metalliodid Abb 12 19 Versuchsaufbau der Thermolyse von Zinkiodid unter Schutzgas 12 6 3 Thermolyse von Zinkiodid unter Argonatmosphare Ger te und Chemikalien wie in Versuch 12 6 2 statt Stickstoff Argon Versuchsdurchf hrung Wie in Versuch 12 6 2 beschrieben anstelle mit Stickstoff wird die Apparatur ca 3 Minuten lang mit Argon gesp lt Beobachtungen und Auswertung Analog zu Versuch 12 6 2 12 6 4 Elektrolyse einer Zinkiodidl sung Ger te und Chemikalien 250 mL Becherglas Spannungsquelle Kabel Krokodilklemmen Stahlnadeln als Elektroden Zinkiodid destilliertes Wasser Versuchsdurchf hrung Man l st einen Spatel Zinkiodid ca 2 g in ca 100 mL destilliertem Wasser auf und elektrolysiert einige Zeit bei ungef hr 8 V Beobachtungen und Au
91. 6 359 H TTNER R Sind Versuche zur Volumenkontraktion geeignete Stationen auf dem Weg zur Teilchenvorstellung Chem Sch 43 1996 398 403 INTERNETSEITE a Empfehlungen f r den Chemieunterricht der Schuljahrg nge 7 bis 10 an Gymnasien in Niedersachsen Stand 26 01 2004 http www nibis de nli1 gohrgs rrl empfchem pdf INTERNETSEITE b KRATZERT M Kunststoffe zum Kennenlernen Viskose Stand 26 01 2004 http www chemie fu berlin de fb fachdid kunststoffe viskose htm INTERNETSEITE C http www kopfball online de experimente exp990516_a html Stand 30 10 2001 INTERNETSEITE d Was bedeutet MWCO und welchen Einfluss hat er auf die Membran Stand 26 01 2004 http www vivascience de de faq allgemein shtml 10 INTERNETSEITE e STERN E Lernen der wichtigste Hebel der geistigen Entwicklung Stand 26 01 2004 http stabi hs bremerhaven de Ifi ntml_fachartikel 2003 Stern Vortrag htm JACKEL M RISCH K T Hrsg Chemie heute Sekundarbereich Schroedel Schulbuchverlag GmbH Hannover 1993 JANSEN W Chemie in unserer Welt Band 1 J B Metzlersche Verlagsbuchhandlung und Carl Ernst Poeschel Verlag Stuttgart 1982 JANSEN W Oxidation und Reduktion im Chemieunterricht NiU Ch 2 1991 8 320 JANSEN W Das Gastmahl des Epikurs die Lehre von den Atomen Zusammengestellt nach Epikurs Briefen Spruchen und Werkfragmenten Chemkon 10 2003 4 197 202 JANSEN W BARKEMEYER W FICKENFRERICHS H
92. 975 3 157 162 PFUNDT H Das Atom Letztes Teilungsst ck oder erster Aufbaustein Zu den Vorstellungen die sich Sch ler vom Aufbau der Stoffe machen Chim Did 7 1981 2 75 94 230 15 LITERATURVERZEICHNIS PFUNDT H Vorunterrichtliche Vorstellungen von stofflicher Ver nderung Chim Did 8 1982 161 180 PIAGET J INHELDER B Die Psychologie des Kindes 2 Auflage Walter Verlag Olten Freiburg Breisgau 1973 PIAGET J INHELDER B Die Entwicklung des physikalischen Mengenbegriffs beim Kinde Klett Verlag Stuttgart 1969 PIOSIK R Die Reaktion von Schwefel und Eisen ist kein Unversuch Chem Sch 40 1993 10 379 380 RALLE B BODE U Die These von Avogadro und noch ein Vorschlag zur Einf hrung der zweiatomigkeit von Wasserstoff NiU Ch 5 1994 25 246 252 REMY H Lehrbuch der Anorganischen Chemie 11 Auflage Akademische Verlagsgesellschaft Geest amp Portig K G Leibzig 1961 449 RIEDEL E Anorganische Chemie 3 Auflage de Gruyter Berlin New York 1994 ROESKY H W MOCKEL K Chemische Kabinettst cke spektakul re Experimente und geistreiche Zitate 1 korrigierter Nachdruck VCH Weinheim New York Basel Cambridge Tokyo 1996 ROTH Gesamtkatalog der Firma Carl Roth Laborbedarf_Life Sciences _ Chemikalien 2001 2002 S 218 2001 RRL Bio Nieders chsischen Kultusministerium Hrsg Rahmenrichtlinien f r das Gymnasium Schuljahrg nge 7 10 Biologie
93. Aceton CD Methan Ethan Propan Butan Cc gt Methan Ethan Butan Heptan Methanol Ethanol Butanol Methanol Ethanol Butanol CS S Glucose UW Glycerin gt gt gt Natrium Eisensulfid Kupfer I oxid chlorid gt gt gt alle Oxide Chloride Sulfide Sulfate Nitrate Carbonate Hydroxide Permanganate u s w Kupfer sulfid Magnesium Kaliumper oxid manganat Variante 1 Natrium Kalium Magnesium O O Calcium Titan Chrom Mangan Eisen Cobalt Iridium Nickel Eisen Magnesium Silber Platin Kupfer Silber Gold Zink Quecksilber Aluminium Zinn O O Blei Silicium Arsen Kohlenstoff Phosphor Zink Al minium Kupt r Schwefel Helium Neon Argon Krypton Xenon Kohlenstoff Schwefel Phosphor Variante2 Natrium Kalium Magnesium Calcium Titan Chrom Mangan Eisen Magnesium Silber Eisen Cobalt Iridium Nickel Platin Kupfer Silber Gold Zink Quecksilber Aluminium Zinn Blei Silicium Arsen Zink Aluminium Kupfer Kohlenstoff Phosphor Schwefel Helium Neon Argon Krypton Xenon Kohlenstoff Schwefel Phosphor Tabelle 6 1 bersicht der gebr uchlichsten Symbolteilchen 68 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL 6 5 Die Dissoziation von Salzen in w ssrigen L sungen Im vorangegangenen Text Abschnitt 6 4 3 wurden die Teilchen salzartiger Verbindungen basierend auf der Definition als kleinste Reinstoffeinheit jeweils nur durch ein einziges Symbol vis
94. Atomistik DEMOKRITs an Wie dieser ging er von qualit tsgleichen unterschiedlich geformten Atomen aus Die verschiedenen Eigenschaften der K rper entstehen bei JUNGIUS ebenfalls durch die unterschiedliche Kombination und Anordnung der Atome Die Ursache der Bewegung der Teilchen sah JUNGIUS im Gegensatz zu DEMOKRIT in der Absto ung und Anziehung gegens tzlicher und gleichartiger K rper da Erfahrungen im chemischen Bereich dies vermuten lie en STRUBE 1999 S 109 f Eine etwas andere Auffassung vom Aufbau der Materie die auch als Korpuskularphilosophie bezeichnet wird vertrat RENE DESCARTES 1596 1650 Diese Philosophie fand im 17 Jahrhundert eine gro e Zahl von Anh ngern und kann als schw chere Form des antiken Atomismus betrachtet werden F r einen Korpus kularisten bestehen alle K rper aus kleinen nicht sichtbaren Teilen oder Korpuskeln der Atomist geht zus tzlich davon aus dass sich diese Teilchen im Vakuum bewegen und dass sie unteilbar sind Korpuskeln sind also keine Atome da sie teilbar sind dar ber hinaus sind die Unterschiede aber gering Auch die Korpuskularisten gehen davon aus dass die Eigenschaften der K rper ausschlie lich mit den prim ren Eigenschaften der Korpuskeln zu erkl ren sind Diese Eigenschaften sind Gr e Gestalt und Bewegung und manchmal auch Oberfl chenbeschaffenheit Elastizit t und Undurchdringlichkeit Sp ter f hrte ISAAC NEWTON 1642 1727 mit der Tr gheit eine weitere wichtige prim r
95. BUCK 1993a b H TTNER 1993 PIOSIK 1993 In vielen Schulb chern folgen auf die Beispiele zur Synthese oft Beispiele zur Analyse einer Verbindung auch um zu zeigen dass eine chemische Reaktion umkehrbar ist JANSEN beschreibt hier die Zerlegung von Silberoxid JANSEN 1982 S 73 in TAUSCH 1996 S 48 wird die Zerlegung von Silberoxid und Quecksilberoxid beschrieben in BLUME 1995 S 57 und EISNER 1995 S 60 die von Silbersulfid Aus der beschriebenen Diskussion um die geeignete Synthese und der F lle von vorgeschlagenen Beispielreaktionen wird deutlich dass es die perfekte Beispielreaktion wahrscheinlich nicht gibt Auch K HMSTEDT wertet in seiner bersicht der Analysereaktionen keine der aufgef hrten Reaktionen mit sehr gut K HMSTEDT 1999 Edukts Produk Wvonele Nachteile Produkt uneinheitlich und stark mit Eisen Gemisch aus exotherme Reaktion gut Sa Var char chemische Z i Eigenschaftsuntersuchungen mit Schwefel Eisen Il erkennbar gut geeignet schulischen Mitteln kaum m glich sulfiden f r Sch lerexperiment g ich Video 05 schlecht farbliche Abgrenzung Produkt mit Schwefel verschmutzt Kupfer erkennbar als Sch ler i Kupfer II i f A chemische Eigenschaftsunter Schwefel anig experiment geeignet f Video 06 sulin Edukte und Produkte gut ae Mitteln BEE EEE farblich zu untersche
96. Bezug auf die submikroskopische Ebene auf Ziel dieser Arbeit ist es daher wesentliche Abschnitte des Anfangsunterrichtes kritisch zu beleuchten die im Zusammenhang mit der Einf hrung der submikroskopischen Ebene bis zur ersten Anwendung eines differenzierten Atommodells behandelt werden Durch Erarbeitung alternativer Herangehensweisen wird versucht an Schl sselstellen auftretende Probleme zu vermeiden Von besonderem Interesse sind dabei die ber g nge von anf nglichen zu weiterf hrenden Modellvorstellungen Unter diesem Aspekt ist die Erarbeitung anschlussf higer Visualisierungen der Vorg nge auf der submikro skopischen Ebene sowie der Teilchen selbst von au erordentlicher Bedeutung Die wesentlichen Eckpfeiler des Erkenntnisganges sollen hier m glichst in der zeitlichen Abfolge der curricularen Behandlung vorgestellt werden um gleichzeitig das Erkl rungspotenzial und Grenzen der einzelnen durchlaufenen Ebenen zu verdeutlichen Dabei finden sich die Ergebnisse der im Rahmen der Arbeit angeleiteten Examensarbeiten von J SCHNEIDER und M FACH in einzelnen Kapiteln wieder Zu Kapiteln 5 und 10 vgl FACH 2003 zu Kapiteln 4 6 7 und 9 vgl SCHNEIDER 2003 Die erste Station des Unterrichts bildet der in Kapitel 5 dargelegte Einstieg ins Diskontinuumsdenken Die Unzug nglichkeit der Betrachtung der submikroskopischen Ebene macht es schwierig experimentelle Indizien f r die Existenz von Teilchen zu finden Es sollen hier daher vorh
97. Bunj oy aA 808 SZN Ezad 6LSH ELST ONI GLAM 0 90 889Z4r LSH voma OldW ZLDH LESL ZOMM EZMH 90WA4 603V OZLP M ZWYAFH Bunpunu ag euley U UpIONZNZ 4IIN LETY 1234 60Hd t013 HM 6090 vl zsa 0813 8LNY IZAN EZL SMH OLLO SSO env ue ueq oy usp u q y pun uojjeg u p u UebIE s seg 9 aV SMM vONV 0014 2090 eyv OLur vcHd LLNS 9ZIAM Orv 9ZHH ZAH 479V LLNM pum usHomebyiw Jyew Jyp u pun jHle sjne uojjeg usp u Zue sang m qe zwwlu ssseyy 31A LOLO GLHF 8ZSA S211 Lora 9LMF 6LSF JYONPIGIAA Jols anes PIM uouuayqueN wiag 8234 vlam ezav 6LLA SZ4UMO sevo LLOO Ld OLANN SAH LOM SZSIN OLMP 8ZSL CZLIN 604N 19 4918 JS SYS Spusqiajqyoninz 8IP PUN JUUSIGISA JYOJZIOH Old USPUBYOA Iysw yyolu epussyonsia YoeU js vs omlls JUUBIGI9A AYNIBJOA SjyoyzioH old 28g JEPUIMYOSIOA 19 L unz S yoyzjoH ep qe uw u assen ad SLdNM IMYA 8 HH Lear LZOr zzMA ZAHM Buniey13 asayiam ouley yey ayoq aieBuab suls sayojam yoysua yoy Jebiuugyseb jyoysjue S3 YOJSUE YOy Jap sje 1944919 B YD q us1s une Joly ueHem puls seg Spuayajsjug sLWwor 80d ear 8091 YZSIM codr Ezad roNd 80SM OLL4 88M9 Zz an 6LSM 8LHY L00MN
98. Die Lernenden erarbeiten im ersten Schritt eine Definition auf Basis der auf makroskopischer Ebene beobachtbaren Ph nomene Nach der Einf hrung des DALTONSCHEN Atommodells kann die chemische Reaktion auf einer neuen Ebene betrachtet werden Als dritter Schritt schlie t sich eine Erfassung der Vorg nge der chemischen Reaktion auf der Grundlage eines differenzierten Atommodells an z B dem Kern H lle Modell Diese Einteilung ist nicht so zu verstehen dass sie unmittelbar im Unterricht aufeinanderfolgt Vielmehr m ssen die erforderlichen theoretischen Grundlagen f r eine neue Stufe im Vorfeld erworben werden und anschlie end kann berpr ft werden ob diese neu gewonnenen Erkenntnisse eine Bedeutung f r die vorher erarbeiteten Theorien haben Diese m ssen dann im Sinne des neuen theoretischen Hintergrundes pr zisiert werden Hierbei muss sehr behutsam vorgegangen werden Es ist unbedingt eine Widerspr chlichkeit der Ergebnisse der einzelnen Abschnitte zu vermeiden In diesem Zusammenhang sei au erdem auf einen Artikel von WENINGER verwiesen der ausf hrt dass die Wahrnehmung und Deutung der Ph nomene stets auf der Grundlage bereits vorhandenen Vor Wissens auf der Grundlage einer durchaus strukturierten Gesamtheit von Vor Urteilen erfolgt Dieses Vor Wissen kann ein angemessenes Erkennen von andersartig Neuem hemmen oder gar verhindern WENINGER 1982a b Die drei Abschnitte die schlie lich zu einer Deutung der chemischen R
99. ER RUEGENBERG l Die Naturphilosophie des Aristoteles Alber Freiburg Breisgau M nchen 1980 223 15 LITERATURVERZEICHNIS DALTON J Grundlagen der Atomtheorie 1803 1808 in OSTWALD W Hrsg Ostwald s Klassiker der exakten Wissenschaften Bd 3 Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig 1996 DE SAUSSURE T Chemische Untersuchungen ber die Vegetation in OSTWALD W Hrsg Ostwald s Klassiker der exakten Wissenschaften Nr 15 Verlag von Wilhelm Engelmann Leipzig 1890 DEMEO S Synthesis and Decomposition of Zinc lodide J Chem Educ 72 1995 9 836 839 DIRKS W KLEIN R L Stoffwechsel bei Pflanzen Unterrichtspraxis Biologie Bd 4 Aulis Verl Deubner K ln 1999 DRIVER R SCOTT P Sch lerinnen und Sch ler auf dem Weg zum Teilchenmodell NiU P 5 1994 22 68 75 Duss R Konstruktivismus Einige berlegungen aus der Sicht der Unterrichtsgestaltung ZfP d 41 1995 6 889 903 EILKS l Ein etwas anderer Weg zum Streuversuch von Rutherford PdN ChiS 50 2001a 3 14 15 EILKS l Kooperatives Lernen im Chemieunterricht Teil 1 MNU 56 2003 1 51 55 EILKS l LEERHOFF G M LLERING J Was ist eigentlich eine chemische Reaktion MNU 55 2002 2 84 91 EILKS l MOLLERING J Neue Wege zu einem f cher bergreifenden Verst ndnis des Teilchenkonzeptes MNU 54 2001b 4 240 247 EILKS l MOLLERING J LEERHOFF G RALLE B Teilchenmodell oder Teilchenk
100. Experimente durchf hren Die ausf hrlichen Versuchsbeschreibungen sind in Abschnitt 12 1 angegeben Diese weiteren in Kapitel 12 1 vorgestellten Experimente lassen sich auch an anderer Stelle zum Teil auch erst in der Sekundarstufe II in den Unterricht eingliedern Der Versuch 12 1 2 bei dem eine Natronlaugel sung in mit Universalindikator gef rbte stark verd nnte Salzs ure flie t eignet sich zur Veranschaulichung des pH Gradienten vgl Video 02 Versuch 12 1 3 bei dem mit Farbstoff gef rbte Aceton bzw Ethanoll sungen ber Wasser geschichtet werden bietet eine M glichkeit zu zeigen dass die Dichten von Aceton und Ethanol geringer als die von Wasser sind und sich somit auch Wasser und Aceton bzw Ethanol unter bestimmten Voraussetzungen nur sehr langsam miteinander vermischen siehe Video 03 So kann auf die Dichteunterschiede der Stoffe eingegangen werden Dar ber hinaus eignet sich Versuch 12 1 2 wegen seiner sthetik auch als Showversuch um den Zauber der Chemie vorzustellen Neben der Eignung f r den Chemieanfangsunterricht sowohl an Gymnasien wie auch an Real und Hauptschulen bietet sich das Thema ebenfalls f r den Sachunterricht der Grund und Sonderschule an Auch im Sachunterricht sollen den Lernenden Grundkenntnisse in Naturwissenschaften also auch in Chemie vermittelt werden An der Universit t Oldenburg wurde dazu im Rahmen des CHEMOL Projektes ein Konzept entwickelt in dem auch das Thema des Molekularen Sie
101. FEIFER 2002 In der Lehre bernehmen Modelle vorwiegend Demonstrations Erkl rungs und Erkenntnisfunktion Die Modellwahl richtet sich dabei vor allem nach den Voraussetzungen und M glichkeiten der Lernenden Daher werden im Fortschreiten des Unterrichts verschiedene Modelle durchlaufen Dieses zeigt sich sehr deutlich bei den Modellen der Diskontinuumsebene auf der i d R mit einem einfachen Teilchenmodell begonnen wird das kleinsten Reinstoffeinheiten ein Teilchen zuordnet um dann schrittweise ber das DALTONsche Modell das Kern H lle Modell bis teilweise zum Orbitalmodell zu gelangen Hierdurch gelingt h ufig auch ein Einblick in die Wissenschaftsgeschichte und umgekehrt kann die Wissenschaftsgeschichte herangezogen werden die unterschiedlichen Modell voneinander abzugrenzen Ein jeweils neues Modell ist einzuf hren wenn die Anwendungsgrenzen der vorhandenen Vorstellung erreicht ist und sich somit die Notwendigkeit eines Modellwechsels ergibt PFEIFER 2002 Die Vermittlung des sachgerechten Umgangs mit Modellen ist ein zentrales Anliegen des Chemieunterrichts sowie des naturwissenschaftlichen Unterrichts allgemein Dabei besteht ein wichtiger Gesichtspunkt in der Bewusstmachung der Begrenztheit der Modelle Die Tatsache dass Modelle nicht ein Abbild der Realit t sind wird von Sch lern h ufig bersehen und bedarf daher besonderer Betonung FISCHLER 1997 BLEICHROTH beschreibt beispielweise dass die Bindungsstriche in Gitterdarstel
102. Kupfer l oxid wird etwa 1 2 cm hoch in das Reagenzglas gef llt und ber der Brennerflamme erhitzt Beobachtung und Auswertung Das Kupfer I oxid verf rbt sich schwarz Obwohl dieser Versuch als Sch lerversuch zur weiteren Oxidation von Kupfer l oxid zu Kupfer Il oxid verwandt wird weist die beim Abk hlen auftretende R ckf rbung darauf hin dass kein solcher Umsatz stattgefunden hat Die Farberscheinung kann auf das thermochrome Verhalten des Kupfer I oxids zur ckgef hrt werden 12 3 2 Erhitzen von Kupfer l oxid im Wasserstoffstrom und Umwandlung zu elementarem Kupfer nach MATUSCHEK 1994 Quarzrohr mit Porzellanschiffchen Wasserstoff _ Abb 12 17 Versuchsaufbau zur Reduktion von Kupferoxiden MATUSCHEK 1994 187 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Ger te und Chemikalien Quarzrohr 2 Stopfen mit Glasrohr ausgezogenes Glasrohr Porzellanschiffchen Waage Kupfer I oxid Cu20 Wasserstoff Durchf hrung Ca 2 g getrocknetes Kupfer l oxid werden in ein Porzellanschiffchen gegeben und im Wasserstoffstrom erhitzt Nach erfolgter Reaktion wird im Wasserstoffstrom erkalten lassen Beobachtung und Auswertung Kurz vor Einsetzen der Reduktion des Kupfer l oxids kann eine Schwarzverf rbung desselben beobachtet werden Eine Deutung durch Oxidation zu Kupfer Il oxid ist im Wasserstoffstrom nicht denkbar so dass die F rbung durch das Auftreten von Thermochromie erkl rt werden muss Im Unterr
103. L sungsmittel st ndig abgebaut so l uft die Reaktion weiter Die L slichkeit des entstehenden Zinkiodids in dem die Reaktion unterst tzenden L sungsmittel ist also ein wesentlicher Parameter f r das Ablaufen der Reaktion Die Tatsache dass bereits 2 3 Tropfen Wasser ausreichen ist durch die extrem gute Wasserl slichkeit von Zinkiodid zu erkl ren vgl Tabelle 10 6 L slichkeit in 100 g Wasser bei 25 C Zinkchlorid Tabelle 10 6 Wasserl slichkeit von Zinkchlorid Zinkbromid und Zinkiodid in 100 g Wasser bei 25 C LIDE 1997 98 Abschnitt 8 S 105 In einem Parallelexperiment Versuch 12 5 6 mit verschiedenen Metallen konnte diese Hypothese best tigt werden siehe auch Video 17 Es f llt auf dass bei solchen Metallen die mit lod nach Zugabe von Wasser reagieren die sich bildenden lodide sehr gute Wasserl slichkeiten haben w hrend bei Metallen die diese Reaktion nicht zeigen die lodide in Wasser praktisch unl slich sind vgl Tabelle 10 7 und Tabelle 10 8 Diese Reaktionen wie zum Beispiel die Reaktionen von Kupfer oder Antimon mit lod k nnen jedoch durch Zuf hren von Warmeenergie durchgef hrt werden indem das Reaktionsgemisch mit dem Bunsenbrenner kr ftig erhitzt wird vgl Versuch 12 5 7 vgl dazu auch ROESKY 1996 S 60 61 L slichkeit in 100 g Wasser bei 28 C Bleiiodid Magnesiumiodid Nickeliodid Zinkiodid 437 63 g Tabelle 10 7 L slichkeiten einiger Metalliodide in 100 g
104. LHE 6Z 0HH 908 yeav 8099 SLSd JOMA 8ZYA OZEHM SINN ELM SOHd eff LZDA OLST OLSL LENM 8ZLA 919d CO1H 63d 7294 JLAM 84A ZIMN OZYS yao 819 ozay LEW 8LIX 0d3 SOLH ZELS CZMH ZOSd LOSY 8ZMAN ol Tar ELHA ELVM LMH FLAH 2298 d 60a 391914 su q oy s p yeyuj sywesa 1 q Yols UspUulgien yoysuanes pun yolsusjyoy uoa wo y 1q PIxoIpyojsusiyoy nz DIS UBPUIGJSA YOJSIONE un JJO JSUS YO JOA Jopueulousgeu u p Yoysuajyoy Jabiwsoyse6 pun yojssanes uaqjoy WI UAaqia q jjoySianes pun jjo SUa YOY Aan ISSN 8149 6ld9 zova 6LHY 8149 8LAY SLI 6ZOH 6Z9H ZI UaM Lad vOHPH 8ZNI SEN 1289 2LSY L090 sOGd 6 3 OLSV eve ZZNd 8ZOH 12SL 9ZGM LAS 6LEW 9234 L7AM 6043 8134 ZLMY IHV EOHA COTM yeaa 0294 9090 61d LLOTY Las b Suy Seu END DENN ZLGH 80MH rar Leda 8143 0E90 1109 sor CZNM ELLS ZLZO LOHM uaqjoy W Jqlajq HO SIANeS 10 Bunea S1s1oM Sulsy jdweg yoney LNT SED nz palm yojsusiyoy 2q EL us unf us unr uagjoy WI Jqla q yorsua yoy Jod aobeyexLOmUy iner Massenabnahme Begr ndungen e A 2 3 2 LLY Oclv LION Szav 80ND Sswuyeugeuasseyy 13u19 Hunpunsboeg zu us ogqa ei Jap
105. M DALTONSCHEN ATOMMODELL unerw nschten Folgen im Rahmen der Konzeption Chemie im Kontext Als Aus gangspunkt dient in dieser Unterrichtseinheit die Problematik des anthropogenen Treibhauseffektes Durch die Frage danach welche Treibstoffe bei ihrer Verbrennung Kohlenstoffdioxid erzeugen und durch die Betrachtung der Entstehung dieser Treibstoffe l sst sich ebenfalls ein einfacher Kohlenstoffkreislauf erarbeiten SCHMIDT 2003 Im Gegensatz zu der Einheit von Chemie im Kontext steht im hier vorgestellten Lernzirkel das experimentelle Nachvollziehen des Kohlenstoffkreislaufs im Vorder grund Ein Schwerpunkt besteht dabei darin die Wiedergewinnung des Kohlenstoffs durch Verkohlung von pflanzlichen Produkten f r die Sch ler im Experiment erfahrbar zu machen Die Verkohlung spielte auch bei der Erforschung des Pflanzenwachstums eine wichtige Rolle So bestimmte der Wissenschaftler DE SAUSSURE der zu Beginn des 19 Jahrhunderts zahlreiche Versuche zur Ern hrung von Pflanzen durchf hrte mittels Verkohlung den Kohlenstoffgehalt von Pflanzen Hierzu erhitzte er beispielsweise Pfefferminze und Bohnen in einem geschlossenen Gef Pflanzen von vergleichbarem Frischgewicht lie er zweieinhalb bis drei Monate an einem sonnigen Platz am Fenster weiterwachsen wobei er ihre Wurzeln in mit Wasser gef llte Flaschen stellte Durch erneute Verkohlung nach diesem Zeitraum stellte DE SAUSSURE fest dass der Anteil an Kohlenstoff in den Pflanzen
106. Membran die kleinsten Teilchen des blauen gr er An diese qualitativen Untersuchungen l sst sich nun eine quantitative Einordnung anschlie en Die Gr enbestimmung der Teilchen der Stoffe kann an dieser Stelle allerdings nur ber den Vergleich mit der vom Hersteller der Membranen angegebenen Porengr e geschehen Es kommt so zu keiner direkten Gr enermittlung Bei den meisten Dialyseschl uchen ist die Porengr e als MWCO Wert Molecular Weight Cut Off angegeben Dieser Wert gibt an ab welchem Molekulargewicht der Substanzen 90 der Molek le zur ckgehalten werden INTERNETSEITE d Die Gr e der Poren berechnet sich hieraus nach einem nichtlinearen Schl ssel vgl Tabelle 5 1 nach ROTH 2001 AWO T Porengrdite Dalton A Tabelle 5 1 Ungefahre Zuordnung von MWCO Wert zu Porengr en einiger Beispielwerte nach ROTH 2001 Alternativ kann die ungef hre Gr e der Versuchsstoffe zum Vergleich mit den experimentell gewonnenen Daten als Lehrerinformation in die Lerngruppe gegeben werden Die Stoffe k nnen somit klassifiziert und mit Tabellendaten verglichen werden Der Verweis auf die in der Wissenschaft verwandten Methoden zur Gr enbe stimmung von Molek len und Atomen zum Beispiel R ntgenbeugung am Einkristall ist f r die Sch ler des Anfangsunterrichtes von geringer Relevanz da die Methoden noch nicht nachvollzogen werden k nnen Damit w rde lediglich angemerkt dass in der Wissenschaft andere Met
107. Metalliodide 12 6 6 1 Thermolyse von Kupfer l iodid unter Luftatmosph re Ger te und Chemikalien Wie in 12 6 1 Kupfer l iodid anstelle von Zinkiodid konzentrierte Salzs ure w HCI 33 36 anstelle der verd nnten Versuchsdurchf hrung Wie in 12 6 1 anstatt des Zinkiodids wird Kupfer l iodid in das Reagenzglas eingebracht Der R ckstand wird mit der konzentrierten Salzs ure behandelt Beobachtungen und Auswertung Es entstehen die charakteristischen violetten loddampfe Als R ckstand erh lt man einen schwarzen Feststoff der sich jedoch nur sehr schlecht in konzentrierter Salzs ure l st Der Verdacht liegt nahe dass es sich hierbei auf Grund der Farbe um Kupfer Il oxid handelt was aber experimentell nicht eindeutig best tigt werden konnte 12 6 6 2 Thermolyse von Kupfer l iodid unter Stickstoffatmosphare Ger te und Chemikalien Apparatur wie in 12 6 2 Kupfer I iodid anstelle von Zinkiodid Versuchsdurchf hrung Die Apparatur wird wie in 12 6 2 beschrieben aufgebaut Anstelle von Zinkiodid wird Kupfer I iodid in den Kolben eingebracht Der Kolben wird sodann stark erhitzt Beobachtungen und Auswertung hnlich wie in Versuch 12 6 2 gelingt auch die Themolyse von Kupfer l iodid unter Schutzgasatmosph re nicht Man vermag das Kupfer l iodidd auch durch die rauschende Brennerflamme nicht in die Gasphase zu bringen 204 13 ERGEBNIS BERBLICK 13 Ergebnis berblick In der vorliegenden Arbe
108. Modellen Modelle repr sentieren in ideeller oder materieller Weise ein System das Original in Hinblick auf bestimmte Eigenschaften Mit Hilfe eines solchen Modells k nnen nun mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Voraussagen ber das Originalsystem gemacht werden PFEIFER 2002 S 49 Es ist zu beachten dass Definitionen des Modellbegriffs in Einzelheiten und Grenzf llen zwischen den unterschiedlichen erkenntnis und wissenschafts theoretischen Anschauungen differieren k nnen Modelle haben nach STEINBUCH die Aufgabe die Denk konomie zu steigern und so ein Verst ndnis f r ansonsten zu komplexe Sachverhalte zu erm glichen STEINBUCH 1977 Die Realit t wird dazu grunds tzlich vereinfacht und das Modell kann und soll somit niemals ein exaktes Abbild der in der Realit t vorkommenden Originale darstellen Verk rzungsmerkmal der Modelle Andererseits muss das Modell aber in geeigneter Weise das Original repr sentieren Abbildungsmerkmal Es soll in hohem Ma e hnlichkeiten aufweisen um vom Modell auf das Originalsystem R ckschl sse ziehen sowie Beschreibungen und Vorhersagen treffen zu k nnen STEINBUCH 1977 STACHOWIAK 1973 Die hnlichkeit von Original und Modell kann in Bezug auf Gestalt Funktion Verhalten Zustand und Struktur sowie auf Prozesse des Originalsystems bestehen und hierzu eine Analogie bilden Der Begriff der Analogie fasst in diesem Zusammenhang Analogie und Homologie zusammen Im eigentlichen Sinne ve
109. N 8LLY EZ9O LZYH SAY LEMH OEAY 8271 8201 OZEAN 80H t197 ELSY 6VV SZMH SZaV ZLA 60ML SLI YZNY OZAY LL 9ZHY 8LLO LO COSA 6288 ENY ZLI FISH orar JLAM IWH YMI Eld 6ZSN ILMI 8234 ZINS PNH 9148 L0Zd 8199 7209 809 ELMO SOSW OLYd 6074 61Sd 8ZSN OLVV 913A EZH 129 vl gH usboga ei uajyopunsboq nyn Jap Bunja vLHO EZS9 9dr ZIHI rad iTM SLMd 9 MO GIAI 7 LH Cod SLIM LENOJ ILMA 9YOI 8H3 VLYH YTH Tv SleqeL uonyeay ways J9UI9 USYIISZUUSY 4S asse Jap Bunyey1g Jap uoa Z aSa5 yeys u ssew Jag ZOAN ozar LAN zes GZHF 6ZMO ISA SLdI 200 8Zzyz LOST OEJNH 9490 ELaM O0LS9 TMH ZLHP 9L3H 8LSM 271d 6c 1M OL TU ZZUH LOV1 80NV SLAM ran 9LOY z vr ELSI 62ND LIHM 8298 9ZSA L HY Star OEMAM IL IL SHY yOOd vZH1 80SN YSY bese LON LE49 OLAF VZHdH LEAN EMAM QLDH COV OLMY ezyg OLAM PWN OLMY year LW4 LZI9H ISY3M ZINAM san ZAHA 9LSH SLMDO CLSH SZA9 veal C19 St 14 uSyeyIs u q jq SWO Y u yop Aq ua eyse ueq eiq WNT asep sepinpoidsBunuuaiqie aid er usyeyue OEM VL MN OLWP 7249 YLHM 7090 6243 LZ
110. OISIERSchen Oxidationsbegriffs im Anfangsunterricht zu verzichten Das Umgehen einer Definition der Oxidation und Reduktion als Sauerstoffaufnahme bzw abgabe im Sinne LAVOISIERS war ein zentrales Anliegen der Ausf hrungen Zahlreiche Autoren beschreiben gro e Lernschwierigkeiten beim bergang vom vorl ufigen zum elektronentheoretischen Redoxbegriff z B SUMFLETH 1988 HAHNDEL 1991 SCHMIDT 1994 FRITSCH 1994 Ein Grund f r diese Schwierigkeiten kann im Umlernen der mit den Begriffen verbundenen Inhalte gesehen werden So ist z B der in der vorl ufigen Definition betrachtete Gesamtprozess der Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff eine Oxidation wohingegen er in der fachlich g ltigen Definition als Redoxreaktion zu bezeichnen ist vgl Abb 13 7 Die Oxidation ist dort nur noch ein Teilprozess der an den Magnesiumatomen abl uft w hrend gleichzeitig die Reduktion an den Sauerstoffatomen abl uft Analoge nderungen der Begriffsinhalte sind f r die Reduktion und die Redoxreaktion zu verzeichnen Magnesium Sauerstoff Magnesiumoxid Oxidation Reduktion Magnesium Sauerstoff Magnesiumoxid Redox Reaktion Oxidation Abb 13 7 Reaktion von Magnesium und Sauerstoff in der Lavoisierschen und in der elektronentheoretischen Deutungsweise Sch lern gelingt daher h ufig der bergang zu der heute gebr uchlichen Deutung als Elektronen bertragung nicht Sie greifen bei der Deutung chemischer Reakti
111. ONScChen Atommodell anhand des Kreislaufgedankens 7 1 Kreisl ufe im Unterricht In diesem Kapitel soll eine M glichkeit der experimentellen Hinf hrung zum DALTONSchen Atommodell anhand des Kohlenstoffkreislaufes vorgestellt werden Wie bereits in Kapitel 6 erl utert ist es in Bezug auf die Diskontinuumsvorstellung wichtig herauszustellen dass die Stoffe aus vorgebildeten Teilchen bestehen die nicht erst beim mechanischen Zerteilen zustande kommen Es ist daher von Vorteil den Gedanken von der Erhaltung der Atome bei chemischen Reaktionen bei der Ein f hrung des Atommodells in den Vordergrund zu stellen Hierzu bietet sich die Be handlung eines Stoffkreislaufes besonders an Stoffkreislaufe haben generell einen wichtigen Stellenwert innerhalb des na turwissenschaftlichen Unterrichts Bereits in der Grundschule wird mit den Sch lern beispielsweise der Kreislauf des Trinkwassers dessen Verschmutzung und Wieder gewinnung thematisiert Der Blutkreislauf ist im Zusammenhang mit der Behandlung des menschlichen K rpers im Biologieunterricht der Mittelstufe ein wichtiger Inhalt SCHMIDKUNZ 1996 Im Biologieunterricht der Oberstufe sind schlie lich die globalen Kreisl ufe von Kohlenstoff Stickstoff Phosphor und hnlichem von Interesse welche in Organismen kosystemen und in der Biosph re mehr oder weniger st ndig zirkulieren KLAUTKE 1994 Hierbei wird deutlich dass der Begriff des Kreislaufs f r die Kreisbewegung von sehr unte
112. PEPER R Zur Ermittlung chemischer Formeln im Anfangsunterricht NiU P C 32 1984a 6 214 220 JANSEN W ULSES R MATUSCHEK C FICKENFRERICHS H PEPER R Der Weg zum Dalton schen Atommodell PDN Ch 35 1986 34 40 JANSEN W KENN M FLINTJER B PEPER R Elektrochemie 4 Auflage Aulis Verlag Deubner amp CO KG K ln 1994 JANSEN W PEPER R FICKENFRERICHS H Die Dalton sche Atomtheorie und die Entwicklung der chemischen Formel chim did 16 1990 3 33 227 15 LITERATURVERZEICHNIS JANSEN W RALLE B PEPER R Reaktionskinetik und chemisches Gleichgewicht AULIS Verlag Deubner amp CO KG K ln 1984b JANZEN M IPN m ndl Mitteilung JOHANNSMEYER F BLEY L FRIEDRICH J OETKEN M Auf der Suche nach dem atomaren Klebstoff Vorschlag einer curricularen Neugestaltung des Chemieunterrichtes der Sek I Chemkon 8 2001a 3 143 148 JOHANNSMEYER F BLEY L FRIEDRICH J OETKEN M Die Masse des Nichts der Boyle Versuch im neuen Lichte Chemkon 8 2001b 3 156 157 JOHANNSMEYER F BLEY L FRIEDRICH J OETKEN M Was Teilchen zusammenh lt Eine Batterie erkl rt die chemische Reaktion Teil 1 PdN ChiS 50 2001c 8 42 44 JOHANNSMEYER F BLEY L FRIEDRICH J OETKEN M Was Teilchen zusammenh lt Eine Batterie erkl rt die chemische Reaktion Teil 2 PdN ChiS 51 2002a 1 32 34 JOHANNSMEYER F FLINT A OETKEN M Thermochromie bei Kupferox
113. Reaktionsprodukt Da die Atome in Verbindungen in ganzzahligen Verh ltnissen zusammentreten kann aus den Ergebnissen in Tabelle 12 3 geschlossen werden dass in der Verbindung von Kohlenstoff und Sauerstoff die Atome in einem Verh ltnis von 1 2 vorliegen dass also Kohlenstoffdioxid CO entsteht Dass der Versuch nur ein Verh ltnis von etwa 1 1 9 ergibt ist vermutlich damit zu begr nden dass ein geringer Teil des entstehenden Kohlenstoffdioxids nicht absorbiert wird 12 5 Experimentelle Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Zink und lod 12 5 1 Reaktion von Zink mit lod in w ssriger L sung Ger te und Chemikalien Reagenzglas Spatel Pasteurpipette Zinkpulver lodkristalle destilliertes Wasser F r weiteres Vorgehen Abdampfschale Trichter mit Filterpapier Bunsenbrenner Versuchsdurchf hrung Jeweils etwa eine Spatelspitze ca 1g Zinkpulver und lodkristalle werden in das Reagenzglas gegeben und durch leichtes Sch tteln desselben vermischt Damit liegt Zink hier wie auch in den anderen Versuchen im st chiometrischen berschuss vor Ein Vermischen der beiden Substanzen etwa im M rser ist nicht erforderlich Dann werden aus einer Pasteurpipette 2 3 Tropfen Wasser hinzugegeben nach einer Weile noch einmal ca 20 mL Weiteres Vorgehen Die L sung wird filtriert und in die Abdampfschale gegeben wo sie zur Trockne eingedampft wird 192 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Beobachtungen und Auswertung Zink un
114. Sieb In Analogie zu makroskopischen Sieben muss auch hier ein Trennvorgang auf Basis der Gr e stattgefunden haben so dass das Konzept einer unendlichen Teilbarkeit versagt Im Unterricht lassen sich weitere Beispiele anschlie en in denen die Lernenden andere Farbstoffl sungen auf die Gr e ihrer Teilchen untersuchen k nnen So kann der Versuch mit einer lod Dextrin L sung wiederholt werden die ein weiteres Beispiel f r einen Stoff mit relativ gro en Teilchen bietet die die Membran nicht passieren Mit verschiedenen Lebensmittelfarbstoffen farbigen anorganischen lonen wie z B dem Permanganat oder dem Triiodidion und Teefarbstoffen k nnen weitere Stoffe vorgestellt werden die die Membrane durchdringen siehe Versuche 12 1 1 und 12 1 4 12 1 6 siehe Video 01 Somit kann der Einfluss der Farbe der Stoffe auf das Versuchsergebnis endg ltig ausgeschlossen werden Als Abschluss kann gezeigt werden dass es sogar m glich ist eine gr ne Farbstoffl sung so sie eine Mischfarbe aus einem gelben und einem blauen Farbstoff ist zu entmischen Hierzu wird Versuch 12 1 5 1 durchgef hrt Die Lernenden beobachten dass der gelbe Farbstoff die Membranen durchdringt w hrend der blaue dieses nicht vermag Die zur ckgehaltene L sung f rbt sich somit zunehmend blauer Die Auswertung st tzt die Hypothese dass die kleinsten Teilchen des gelben 39 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Farbstoffs kleiner sind als die Poren der
115. Stellung zu Anfang des Chemieunterrichts trotzdem zeitlich eng gesteckt da zun chst auch viele Grundlagen zur naturwissenschaftlichen Arbeitsweise gelegt werden m ssen vgl RRL CHE 1994 Vor allem ist es vergleichsweise schwierig die bei unterschiedlichen Reaktionen auftretenden Besonderheiten den Lernenden an dieser Stelle als nebens chlich darzulegen Der Lehrende sollte sich exemplarisch auf eine Beispielreaktion beschr nken und im sp teren Unterrichtsgang an weiteren Beispielen den Begriff der chemischen Reaktion wiederholen An diesen Stellen kann dann auf die Besonderheiten der neuen Reaktionen eingegangen werden In der Vergangenheit sind von verschiedenen Autoren solche Beispielreaktionen zusammengetragen worden wobei eine Aufteilung in Beispiele zur Synthese einer 123 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Substanz und zur Analyse einer Substanz vorgenommen wird vgl auch Tabelle 10 1 und Tabelle 10 2 K HMSTEDT 1999 HAUSCHILD 2002 Auch in Schulb chern finden sich Vorschl ge zu beiden Stichw rtern Oftmals wird die Reaktion von Eisen mit Schwefel zum Teil auch anderer Metalle wie Zink und Kupfer mit Schwefel oder auch Magnesium mit Sauerstoff als Beispielreaktion f r die Synthese vorgestellt vgl JANSEN 1982 TAUSCH 1996 BLUME 1995 EISNER 1995 Der Einsatz der Reaktion von Eisen mit Schwefel als ein h ufig durchgef hrtes Experiment ist dabei in besonderem Ma e in der didaktischen Literatur umstritten
116. TONschen Atommodells findet die Massenerhaltung wiederum eine berzeugende Interpretation mit der Vorstellung von der Existenz und dem Erhalt der Atome bei chemischen Reaktionen In der fachdidaktischen Literatur sind unterschiedliche Experimente zur Demonstration des Gesetzes von der Erhaltung der Masse vorgeschlagen worden Mit der vorliegenden Umfrage sollen Sch lervorstellungen bez glich des Massenerhaltes anhand eines Versuchs bei dem Kohlenstoff in einem sauerstoffgef llten Rundkolben verbrannt wird ermittelt werden Mit diesem Experiment soll besonders auf vorhandene Alltagserfahrungen der Sch ler eingegangen werden denn die Verbrennung von Holzkohle ist vom Grillen o bekannt JOHANNSMEYER 2001b Empirische Untersuchungen zu Schilervorstellungen bei der Verbrennung von Kohlenstoff wurden bereits von SUMFLETH BERGERHOFF und in j ngerer Zeit von HEIMANN et al durchgef hrt BERGERHOFF 1996 HEIMANN 2002 SUMFLETH 1992 W hrend erstere die Verbrennung von Kohlenstoff in einer offenen Apparatur und das anschlie ende Auffangen der Reaktionsprodukte zum Gegenstand der Untersuchung w hlten wurde von HEIMANN ebenfalls eine geschlossene Apparatur verwandt BERGERHOFF f hrt im Rahmen seiner Untersuchung aus dass Sch ler Schwierigkeiten bei der Bearbeitung der Frage hatten da sie sich eine apparative Umsetzung der gestellten Aufgabe nicht vorstellen konnten Um derartige Schwierigkeiten auszuschlie en wurde bei der vorliegenden Unt
117. ZLY eza 61 1d ZLaNs 6ZHA 1244 6090 GLSL Lema 87d 9LMH LLSP szsn roll 0249 OZMY ELNI ZZAN LLM 8LLAY EZM 154 POHA 7SO CZLS CONV 6094 YNN ZH 8OHF LZH YLMO Ldr Yd OZAN OLNN 81d 6ZSM ZZAN 9ZMN 9Lad g0NY vld1 car 6Lro 6493 8257 PIXOIPYJOISUSIYOY NZ seg WEUI nz yoysuanes jw apea yolsusIyoy SBD NZ PIM Yo sua YyoY Joq er z SueBsyer L_ Bue uyer 0 Bue uyer 6 Buebiyer g Bue uyer s yo u ue e m mzq Yosua yoy Jap sje 1944919 puis ase apLayajsjug 6 OV S1IdqeL Begr ndungen einer Massenzunahme A 2 3 3 awyeunzusssey Jaula BunpunJ bag yu uaBoqebei 4 sap Bunj sysA iy PALL LHO cS CEAN 8LHH OLNY 29N 9ZHAV Bunpuni6eg euley ueupsonznz YOIN 9ZMS 6139 NZ esse SIP JWLWIU USWINIOA w pu wy unz yw pun pes suojleg sep Bunuy psny ule yepuly SI GILLS 244 YOHH 6err O SJaNes Jap sje ayyoiq aayoy aula yey yyNposdsBunuuaiqss seq GOTH 225d HNT yoysuenes sje Josemyos ds6 JJO SUB YOY Jop sje Jelsmyos s pinpoJds unuussgquen seq ep ayojssbuebsny uj zu sje JOJBMYOS JS PIXOIPYOJSUS UOM INpoudsHunuussque seq eL z Suebsyer OLWE LESA 8ZAH4 _uabunr usyape LL Bue uyer o Bue uyer usyopel 6 Buebuyer g Bue uyer NZ esse a p JUILIIU YoJnpep seg
118. Zink lod und Zinkiodid auf der Grundlage des DALTONSchen Atommodells Ze Zu Zink s lod s Zinkiodid s Abb 10 7 Endg ltige Visualisierung der Festk rperreaktion von Zink und lod zu Zinkiodid auf der Grundlage des DALTONschen Atommodells Durch die Darstellung der Ver nderung an den Teilchen als Gr en nderung k nnten Sch ler die Massenerhaltung bei der chemischen Reaktion in Frage stellen da die gr er scheinenden Teilchen auch eine gr ere Masse haben m ssten Dem kann man argumentativ entgegenhalten dass zum einen ph nomenologisch der Massenerhalt bereits bewiesen wurde und zum anderen die Teilchen des Zinks im obigen Beispiel in dem Ma e kleiner werden wie die Teilchen des lods gr er werden Diese Vorstellung findet dann in der elektronentheoretischen Deutung ihre Entsprechung in der Aufnahme und Abgabe von Elektronen 137 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Auch wenn die Ver nderung der Stoffeigenschaften durch eine Umgruppierung allein begr ndet werden kann in Analogie zu den unterschiedlichen Eigenschaften von Diamant und Graphit so werden die Lernenden jedoch durch entsprechende Darstellungen auf submikroskopischer Ebene vor das nicht triviale Problem gestellt Reaktionsprodukte von Gemischen abzugrenzen An dieser Stelle bietet der nicht minder wesentliche Aspekt der Ver nderung der Teilchen der auch bei Diamant und Graphit in Form der nderung der Bindungsverh ltnisse und somit der Elekt
119. Zugabe verschiedener organischer L sungsmittel 194 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 5 3 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von S ure Ger te und Chemikalien Reagenzglas Spatel Zinkpulver lodkristalle verd nnte Salzs ure c HCI ca 2 mol L Versuchsdurchf hrung Je eine Spatelspitze Zink und lod werden in das Reagenzglas gef llt und miteinander vermischt Dann werden einige Tropfen verd nnte Salzs ure hinzugegeben Beobachtungen und Auswertung Die einsetzende Reaktion ist mit der nach Zugabe von Wasser vergleichbar Auch die braune Farbe der Triiodidionen ist gut sichtbar Die Erkl rung ist analog der in 12 5 1 12 5 4 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von verschiedenen EB ges ttigten Salzl sungen Ger te und Chemikalien 5 Uhrgl ser Spatel Zinkpulver lodkristalle ges ttigte Natriumchloridl sung ges ttigte Kaliumiodidl sung ges ttigte Zinksulfatl sung ges ttigte Zinkiodidl sung destilliertes Wasser Versuchsdurchf hrung Auf den f nf Uhrgl sern wird je eine Spatelspitze Zinkpulver ca 0 5 g mit einer Spatelspitze lodkristalle ca 0 5 g vermengt Dann wird auf jedes der Uhrgl ser je eine der L sungen getropft Beobachtungen und Auswertung Die Beobachtungen sind in der folgenden Tabelle 12 5 zusammengefasst zugetropfte L sung beobachtetes Reaktionsverhalten Wie in 12 5 1 beschrieben heftige Reaktion bei Destilliertes Wasser Ges ttigte Kaliumiodi
120. Zur Homepage der Dissertation Stationen auf dem Weg ins Diskontinuum im Chemieunterricht der Sekundarstufe Von der Fakult t f r Mathematik und Naturwissenschaften der Carl von Ossietzky Universit t Oldenburg zur Erlangung des Grades und Titels eines Doktors der Naturwissenschaften Dr rer nat angenommene Dissertation von Falko Johannsmeyer geboren am 15 Juli 1974 in Osnabruck Gutachter PD Dr Marco Oetken Zweitgutachter Prof Dr Walter Jansen Tag der Disputation 27 April 2004 Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit vom Mai 2000 bis zum Februar 2004 in der Fakult t der Mathematik und Naturwissenschaften im Institut f r Reine und Angewandte Chemie der CARL VON OSSIETZKY Universitat Oldenburg unter der Leitung von Herrn PD Dr MARCO OETKEN Herrn PD Dr MARCO OETKEN und Herrn Prof Dr WALTER JANSEN gilt in besonderem Ma e mein Dank f r die interessante Themenstellung die Unterst tzung der Arbeit sowie der steten Bereitschaft zu konstruktiven Diskussionen Weiterhin bedanke ich mich bei Herrn Prof Dr PETER K LL f r die Bereitschaft sich als Pr fer zur Verf gung zu stellen F r zahlreiche ausgiebige und anregende Diskussionen sowie vielf ltige Unterst tzung m chte ich weiterhin besonders Herrn LARS BLEY und Herrn Dr JENS FRIEDRICH danken Mein Dank gilt auch Frau KERSTIN HOGEN Frau CLAUDIA BERGER Herrn Dr HORST J NICKE und Herrn JOHANNES EMSBACH f r die praktische Umsetzung und Erhebungen ber Te
121. a 200 mg Aktivkohle in das Quarzrohr gegeben welches auf beiden Seiten mit Glaswolle verschlossen wird Das Gewicht des gesamten Quarzrohres wird m glichst genau ausgewogen und notiert Unmittelbar vor Beginn des Versuches werden die Pipettierh tchen von den Waschflaschen entfernt Das Quarzrohr wird in ein Stativ eingespannt und der Versuch gem der Abbildung aufgebaut Der Gasstrom des Sauerstoffs wird so eingeregelt dass in den Flaschen eine m ige Blasenbildung entsteht Die Kohle wird mit Hilfe des Bunsenbrenners zum Gl hen gebracht Gelingt dies nicht oder nur sehr langsam muss der Gasstrom etwas erh ht 190 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN werden Es wird erhitzt bis die gesamte Kohle vergl ht ist Danach wird noch etwa eine Minute lang Sauerstoff durch die Apparatur geleitet Die Waschflaschen werden wieder mit den zugeh rigen Pipettierh tchen verschlossen und gewogen Nach dem Abk hlen des Quarzrohres wird dessen Gewicht ebenfalls ermittelt Beobachtung und Auswertung Im Verlauf des Versuches ist in der ersten Waschflasche die Bildung eines deutlichen wei en Niederschlags zu erkennen die L sung in der zweiten Flasche tr bt sich nur leicht Dabei nimmt die Masse beider Waschflaschen durch die Absorption des Verbrennungsproduktes in der Bariumhydroxidl sung zu Die Massenzunahme beider Waschflaschen zusammen entspricht dabei der Masse des Verbrennungsproduktes Aus der Massendifferenz des Quarzrohres vor und nac
122. a Die Holzkohle vergl ht verbrennt teilweise ist nach Versuchsende nicht mehr vorhanden a Holzkohle verbrennt und die i zuruckbleibende Asche ist leichter 9Beim Verbrennen wird Sauerstoff verbraucht 10 Die Masse nimmt ab weil Substanz in den Ballon aufsteigt und somit nicht mehr imitgewogen wird 11 Gase steigen in den Luftballon und heben den Kolben an 12 Nicht zuzuordnen keine Begr ndung Tabelle 7 3 Einteilung der Begr ndungen f r eine Massenabnahme 7 4 2 4 Begr ndungen f r eine Massenzunahme Die wenigen Sch lerinnen und Sch ler die eine Massenzunahme f r wahrscheinlich hielten begr ndeten dies zu 15 mit der nicht weiter erl uterten Angabe dass gasf rmiger Kohlenstoff schwerer sei als fester Kategorie 13 23 der Sch ler gaben an dass die Massenzunahme auf eine Zunahme des Gewichtes des Verbrennungsproduktes im Vergleich zu einem der Ausgangsstoffe zur ckzuf hren sei Kategorie 14 Die Masse nimmt zu weil Kohlenstoff mit dem Sauerstoff reagiert Es entsteht Kohlenstoffdioxid und das ist schwerer als Sauerstoff Sch ler Kl 9 106 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 5 der Sch ler argumentierten dass die Masse wegen der h heren Dichte des Reaktionsproduktes im Vergleich zum Sauerstoff zunehme Kategorie 15 Weiterhin gingen 18 davon aus dass eine Volumenzunahme durch Aufblasen des Ballons eine Massenzunahme hervorruft Auff
123. a zur H lfte mit acetonischer Malachitgr nl sung bzw ethanolischer Methylrotl sung gef llt Beobachtungen Nach einiger Zeit sieht man wie sich auf dem Wasser eine t rkisblau farbene bzw orangerote Schicht ausbildet die mit der Zeit an Dicke zunimmt Man erh lt eine Phasentrennung der acetonischen bzw ethanolischen von der w ssrigen Phase R hrt man die L sung um so f rbt sich die L sung homogen t rkisblau bzw orangerot 12 1 4 Versuche mit Lebensmittelfarbstoffen Chemikalien L sung roter gr ner blauer gelber und violetter Lebensmittelfarbe LMF w LMF 1 Patentblau V L sung c Patentblau V 10 mol L Chinolingelbl sung c Chinolingelb 10 mol L dest Wasser Versuchsdurchf hrung Das Becherglas wird etwa zu drei Vierteln mit destilliertem Wasser das Rollrandgl schen etwa zur H lfte mit einer der Lebensmittelfarbstoffl sung bzw Patentblau V oder Chinolingelbl sung gef llt 169 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Abb 12 3 Molekulares Sieben von Patentblau V L sung Beobachtungen Bei Verwendung der Lebensmittelfarbe beobachtet man nicht das Herunterfallen der Schlieren Die L sungen der gr nen und blauen Lebensmittelfarbe f rben sich jedoch nach l ngerem Stehen sehr schwach in der betreffenden Farbe Verwendet man hingegen die reinen Farbstoffe in den angegebenen Konzentrationen so treten die Schlieren wiederum deutlich auf bei Patentblau V sind sie int
124. ach etwa 1 min unter dem Wasserhahn auf Raumtemperatur abgek hlt sorgf ltig abgetrocknet und gewogen Masse des Erlenmeyerkolbens vor der Reaktion 1 Masse des Erlenmeyerkolbens nach der Reaktion Aufgaben Gib etwas Kalkwasser in den Kolben und schwenke ihn etwas Beschreibe was passiert und welchen Stoff du mit Kalkwasser nachweisen kannst Das Kalkwasser tr bt sich Mit der Tr bung des Kalkwasser wird Kohlenstoffdioxid nachgewiesen 2 Formuliere eine Wortgleichung f r die Reaktion Kohlenstoff Sauerstoff Kohlenstoffdioxid 3 Deute das Versuchsergebnis Beziehe dich dabei auch auf das Gewicht des Kolbens vor und nach der Reaktion Bei diesem Versuch reagiert der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu farblosem Kohlenstoffdioxid Die Masse ver ndert sich nicht da bei chemischen Reaktionen die Masse gleich bleibt Da der Kolben verschlossen ist kann kein Kohlenstoffdioxid entweichen Abb 7 8 Lehrerarbeitsblatt zur Verbrennung von Kohlenstoff 88 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Station Pflanzenwachstum A Gr ne Pflanzen bilden bei Belichtung Traubenzucker in ihren Bl ttern Als Ausgangsstoffe f r den Aufbau des Traubenzuckers m ssen in den Bl ttern der Pflanze Kohlenstoffdioxid und Wasser vorhanden sein Das Wasser wird bei Landpflanzen durch die Gef e aus der Wurzel herangeleitet Das Kohlenstoffdioxid ist in geringen Mengen in der Luft enthalten und tritt durch
125. ach in Sch lerversuchen alle vom Kernpunkt des Ph nomens ablenkenden Faktoren so weit wie m glich vermieden werden sollten 125 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 10 3 Einf hrung der chemischen Reaktion auf ph nomenologischer Ebene am Beispiel von Zinkiodid Eine Beispielreaktion die viele dieser Punkte erf llt ist die Reaktion von Zink und lod zu Zinkiodid Sowohl Zink als auch lod sind relativ preisg nstig verglichen zum Beispiel mit den kostspieligen Silberverbindungen die h ufig vorgeschlagen werden Zinkiodid f r die R ckreaktion kann aus den beiden Stoffen in hoher Reinheit leicht selbst hergestellt werden Alle Stoffe sind f r Sch lerversuche geeignet vgl BUNDESVERBAND_DER_UNFALLKASSEN 1995 Die Versuche sind bersichtlich im Aufbau und einfach in der Durchf hrung Untersuchungen zum Reaktionsablauf haben zudem ergeben dass auf einen Einsatz von Hilfsstoffen wie zum Beispiel Wasser bei der Reaktion von Zink mit lod teilweise verzichtet und die Reaktion somit einfach im Reagenzglas durch die Zufuhr von W rmeenergie durchgef hrt werden kann vgl Kapitel 12 5 7 siehe Video 13 Dies ist insofern interessant als in der Literatur die Durchf hrung dieser Reaktion immer unter Zuhilfenahme von Wasser beschrieben wird vgl DEMEO 1995 FULL 1981 Noyes 1902 Bei der Bildungsreaktion also der Reaktion von Zink und lod zu Zinkiodid ist das Produkt deutlich von den Edukten zu unterscheiden Zink ist ein gra
126. aillierte Umfrageergebnisse zur Massenerhaltung bei der Verbrennung von Kohle im geschlossenen Kolben A 2 1 Begleitender Text zum Umfragebogen Sehr geehrte Lehrende Wir f hren derzeit in der Arbeitsgruppe Didaktik der Chemie an der Universitat in Oldenburg eine Untersuchung zu Sch lervorstellungen bei Aspekten chemischer Reaktionen durch Hierbei gilt unser besonderes Augenmerk der Betrachtung des Massenerhaltes bei Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff in einem geschlossenen System Boyle Versuch mit Kohlenstoff Ziel ist es ein Bild der Sch lerkonzepte bez glich der Massenerhaltung zu erhalten wobei Sch ler zwischen der 8 bis 13 Klasse befragt werden sollen Um repr sentative Aussagen zu erhalten ist es notwendig eine m glichst gro e Anzahl an Testpersonen zu befragen so dass wir auf die Mitarbeit m glichst vieler Lehrerinnen und Lehrer sowie m glichst vieler Klassen angewiesen sind Sie k nnen uns daher sehr helfen wenn Sie den beiliegenden Fragebogen in Ihrer oder Ihren Klasse n bearbeiten lassen w rden Die Auswertung der Frageb gen erfolgt absolut anonym Der auf den Frageb gen angegebene Code dient lediglich einer bei eventuellen Folgeuntersuchungen notwendigen internen Zuordnung um Entwicklungen dokumentieren zu k nnen Als Bearbeitungszeit f r den Fragebogen sind etwa 10 15 min Zeit vorgesehen Der Fragebogen enth lt eine kurze Beschreibung des Versuchs Auch wird bereits im Fragebogen darauf hingewie
127. al oder elektrisch neutral ber Sch lervorstellungen zur Struktur von Salzen MNU 43 1990 7 415 420 BARKE H D Das Chemische Dreieck NiU Ch 13 2002 67 45 46 BAUMG RTNER K PFEIFFER P Ausgew hlte Experimente zum Kupferkreislauf mit Kupfer I oxid NiU Ch 32 1996 7 68 71 BAYERHUBER H KULL U Hrsg Biologie Lehrbuch f r die Oberstufe Linder Metzler Stuttgart 1989 BENGART H W Versuche zum CO2 Gaswechsel an Landpflanzen UB 3 1979 35 31 33 BERGER C Leserbrief zu Beitrag Chemkon 8 3 2001 Auf der Suche nach dem atomaren Klebstoff Chemkon 9 2002 1 49 BERGERHOFF F Erneut Sch lervorstellungen zur Verbrennung im Chemieunterricht MNU 49 1996 1 33 36 BEUREN A DAHM M Lernen an Stationen UB 24 2000 259 4 9 BLEICHROTH W Zur bildhaften Darstellung des Teilchenmodells der Materie NiU P C 37 1989 48 315 318 BLEICHROTH W DAHNKE H JUNG W KUHN W MERZYN G WELTNER K Fachdidaktik Physik Aulis Verlag Deubner K ln 1991 BLUME R KUNZE W MELOEFSKI R OBST H ROSSA E SCH NEMANN H Chemie f r Gymnasien Sekundarstufe I L nderausgabe N Cornelsen Verlag Berlin 1995 1 Aufl 222 15 LITERATURVERZEICHNIS BOYLE R Der Skeptische Chemiker in OSTWALD W Hrsg Ostwald s Klassiker der exakten Wissenschaften Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig 1929 BRINKMANN H Bestimmung der Loschmidt Zahl mit Hilfe einer Var
128. alb in der Pflanze nicht transportiert werden St rke wird je nach Bedarf der Pflanze wieder in einen wasserl slichen Zucker umgebaut der in der Pflanze verteilt werden kann Normalerweise k nnen die Pflanzen durch die Fotosynthese mehr Traubenzucker herstellen als sie f r ihren eigenen Energiebedarf wieder verbrauchen Den berschuss k nnen sie in viele verschiedene Stoffe umwandeln wie beispielsweise Traubenzucker und Fruchtzucker die sich im Fruchtfleisch des Apfels finden Die Zuckerr be enth lt einen anderen Zucker den Rohrzucker aus dem der normale Haushaltszucker besteht Ein wichtiger Baustoff in den pflanzlichen Zellw nden ist die Cellulose die auch zu einem gro en Teil in Holz vorhanden ist Aufgaben 1 Lies den Text 2 Auf dem Tisch befinden sich verschiedene Gegenst nde Gef e mit Kohlenstoffdioxid Sauerstoff Wasser St rke Zucker Kresse Holz Streichh lzer K rtchen mit Reaktionspfeilen Ordne sie sinnvoll an 3 Schreibe die in Aufgabe 2 aufgestellte Anordnung auf Station Pflanzenwachstum B Versuch 1 Der franz sische Wissenschaftler DE SAUSSURE stellte am Anfang des 19 Jahrhunderts Untersuchungen zum Wachstum von Pflanzen an In einem Versuch gab er drei junge Erbsenpflanzen von etwa 10 cm H he in ein Glas mit Wasser so dass nur die Wurzeln der Pflanzen in das Wasser eintauchten Vor Beginn des Versuches wog jede der Pflanzen 1 g Nach 10 Tagen bestimmte DE SAUSSURE die Masse
129. alle weniger heftig Die drei Metalle Antimon Blei und Kupfer zeigen keine Reaktion Dies ist damit zu erkl ren dass die sich bildenden lodide in Wasser extrem schlecht l slich sind vgl Tabelle 12 8 L slichkeitsprodukt bzw L slichkeit in 100 g Wasser bei 25 C 9 8 10 Bleiiodid Kupferiodid Kobaltiodid 202 94 g EEE O 148 14 g Kaliumiodid Magnesiumiodid Nickeliodid 154 39 g Tabelle 12 8 L slichkeitsprodukte und L slichkeiten in 100 g Wasser einiger Metall iodide bei 25 C nach LIDE 1997 98 12 5 7 Reaktion verschiedener Metalle mit lod durch Energiezufuhr Ger te und Chemikalien Reagenzgl ser Spatel Bunsenbrenner Reagenzglasklammer Aluminiumpulver Antimonpulver Bleipulver Kupferpulver Magnesiumsp ne Zinkgranalien lodkristalle evtl Wasserstrahlpumpe mit Schlauch und Glasrohr 197 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Versuchsdurchf hrung Man gibt je eine Spatelspitze Metallpulver ca 0 5 g bzw 2 3 Zinkgranalien in ein Reagenzglas zusammen mit etwas lod ca 0 5 g und sch ttelt leicht F r die Reaktion mit Zinkgranalien sollten nur 0 1 g lod verwandt werden um eine Beobachtung durch die violetten loddampfe nicht zu sehr zu erschweren Dann erhitzt man in der rauschenden Brennerflamme Beobachtungen und Auswertung Die Metalle Antimon Blei und Kupfer die in Wasser nicht mit lod reagieren reagieren in der Brennerflamme mit z
130. als Sch lerexperiment geeignet als Sch lerexperiment geeignet beide i kein zweites Element Zinkiodid Video 12 Tabelle 10 2 bersicht ber einige Analysereaktionen nach KUHMSTEDT 1999 ASSELBORN 1994 nur als Elektrolyse 10 2 Aspekte zur Auswahl exemplarischer Reaktionen auf der ph nomenologischen Ebene Aufgrund der oben schon beschriebenen Tatsache dass im Unterricht neue Reaktionen immer mehrere Beobachtungsaspekte aufweisen ist es zudem w nschenswert eine Reaktion vorliegen zu haben bei der sowohl die Bildungs als auch die Zerlegungsreaktion m glich ist Hinzu kommen noch die Anschaulichkeit der Reaktion selbst und die Frage inwieweit eine klare Abgrenzung von Edukten und Produkten auf ph nomenologischer Ebene m glich ist Ferner sind die Verf gbarkeit der Chemikalien und die einfache Durchf hrbarkeit der Reaktion von Bedeutung Dabei spielt der Preis der Chemikalien und die Eignung der Reaktion als Sch lerversuch eine wichtige Rolle Im Sinne eines nachhaltigen Chemieunterrichts sollten zudem umweltproblematische Substanzen vermieden werden Der Einsatz von Katalysatoren oder Hilfsstoffen sollte an dieser Stelle umgangen werden da diese von den wichtigen Aspekten des Experiments ablenken k nnen Dar ber hinaus sollten die Reaktionsprodukte unmittelbar erkennbar sein damit vom Lehrenden nicht noch Nachweisreaktionen vorgestellt werden m ssen Hierbei spielt ein Unterrichtsprinzip eine Rolle won
131. andene teilweise umstrittene Zug nge vorgestellt sowie experimentelle Alternativen gesucht werden In Kapitel 6 soll die Teilchendarstellung im Kugelteilchenmodell vor dem Hintergrund der analogen Visualisierung von Atomen als Kugeln diskutiert werden Es soll gepr ft werden ob die Besetzung der Kugelform mit unterschiedlichen Bedeutungsinhalten optimale Voraussetzung f r einen sicheren bergang zum Atommodell schafft F r diesen bergang soll in Kapitel 7 eine experimentelle Erarbeitung entwickelt werden 1 EINLEITUNG Wichtige Anwendungen die das DALTONsche Atommodell im Unterricht erf hrt ist die Einf hrung der chemischen Verh ltnisformel und des in Kapitel 9 betrachteten Gesetzes von AVOGADRO In Kapitel 8 sollen neue Ph nomene bei der bekannten Herleitung der chemischen Formel anhand der Gegen berstellung von Kupfer l oxid und Kupfer Il oxid analysiert werden Die Vorg nge bei chemischen Reaktion werden im Unterricht verdeutlicht indem ein Gemisch der Edukte vor der Reaktion mit dem Reaktionsprodukt verglichen wird Eine solche Abgrenzung ist an dieser Stelle ein zentrales Anliegen Die Visualisierungen auf der atomaren Ebene die basierend auf einer Definition der chemischen Reaktion als Umgruppierung angeboten werden stellen das Produkt zumeist in der Natriumchloridgitterstruktur dar Da hier die unver nderten Eduktatome nur umgeordnet wurden sehen Sch ler in dieser Darstellung h ufig nur eine besonders effiziente F
132. ander zu vergleichen da die Anzahl der Teilchen die die Membran durchdringen linear von der Auftreffwahrscheinlichkeit abh ngt Die Anzahl bestimmt aber schlie lich zusammen mit dem molaren Extinktionskoeffizienten die Farbintensit t und damit die Erkennbarkeit der Schlieren Die in den Experimenten gemachten Beobachtungen stimmen gut mit diesen ber legungen berein und zeigen dass es in hohem Ma e auf die Ausgangskonzentration der L sung ankommt ob man erkennen kann dass ein bestimmter Stoff die Membran durchdringen kann oder nicht 49 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL 6 Das Symbolteilchenmodell 6 1 Die Einf hrung eines einfachen Teilchenmodells im Unterricht Im vorangegangenen Kapitel wurde bereits die Hinf hrung der Sch ler zum Konzept einer diskontinuierlichen Materievorstellung angesprochen Im Unterricht wird daher an dieser Stelle des Curriculums ein einfaches Teilchenmodell eingef hrt In der Regel handelt es sich hierbei um das sogenannte Kugelteilchenmodell in dem die kleinste Reinstoffeinheit auf der Darstellungsebene durch eine Kugel repr sentiert wird Solange der Chemieunterricht an Gymnasien in Niedersachsen in Klasse 9 begann wurden das einfache Teilchenmodell und die Atomhypothese direkt nacheinander in dieser Klassenstufe behandelt RRL CHE 1994 Seit dem Schuljahr 2002 2003 werden die Naturwissenschaften Chemie Biologie und Physik durchg ngig von Klasse 7 an unterrichtet so dass f r die Einf hrung der T
133. asf rmigen Zersetzungsprodukten die als Holzteer Holzessig und Holzgas bezeichnet werden etwa 35 Holzkohle FALBE 1995 Das Holzgas beinhaltet alle Gase die neben dem Wasserdampf beim Verkohlen des Holzes frei werden Hierzu geh ren Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffmonooxid Methan Ethen und Wasserstoff FALBE 1995 Der gr te Teil des Holzessigs der auch als Holzgeist bezeichnet wird ist Wasser gefolgt von der Essigs ure und ihren Homologen die dem Holzessig den Namen verleihen Weiterhin finden sich Methanol Aceton Methylacetat und gel ster Teer im Holzessig FALBE 1995 Auch der lige Holzteer ist ein komplexes Gemisch verschiedener Substanzen wobei die Phenole und ihre Derivate den gr ten Anteil stellen FALBE 1995 Bei der zur ckbleibenden Holzkohle handelt es sich keinesfalls um reinen Kohlenstoff sondern um ein Gemisch organischer Verbindungen mit 81 90 Kohlenstoff 3 97 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Wasserstoff 6 Sauerstoff 1 Stickstoff 6 Wasser und 1 2 Mineralasche FALBE 1995 7 4 Sch lerbefragung zum BOYLE Versuch 7 4 1 Gegenstand der Umfrage Das Gesetz von der Erhaltung der Masse spielt bei der Vermittlung der Kriterien chemischer Reaktionen im Anfangsunterricht eine wesentliche Rolle Es kann bereits auf ph nomenologischer Ebene zusammen mit dem Charakteristikum der Stoffumwandlung sowie des Energieumsatzes erarbeitet werden Nach der Einf hrung des DAL
134. ass die Gr e der lonen also als kleiner als die angegebenen Porenweiten angenommen werden kann Hierbei wurden im Falle der anorganischen Farbstoffe jeweils konzentrierte L sungen von Kaliumpermanganat Kaliumdichromat oder Kaliumtriiodid verwandt um eine m glichst hohe Farbintensit t zu erhalten Bei den S uren und Laugen wurden hingegen nur verd nnte L sungen verwandt um die Membranen nicht anzugreifen Die F rbung erfolgt hier durch einen Indikator Eine Berechnung der lonengr en nach M LLER und SHANNON MULLER 1996 SHANNON 1976 best tigt die Versuchsergebnisse wenn man die berechneten Werte mit der Gr enangabe f r die Porengr e vergleicht vgl Tabelle 5 2 Ein m glicher Einfluss der Hydrath lle der lonen wird hierbei nicht ber cksichtigt Gr e ohne Hydrath lle Tabelle 5 2 Ionengr en berechnet nach MULLER 1996 und SHANNON 1976 Auch die getesteten organischen Farbstoffe z B acetonische Malachitgr nl sung ethanolische Methylrotl sung w ssrige L sungen von Lebensmittelfarben wie Patentblau V oder Chinolingelb die ebenfalls alle Durchl ssigkeit zeigen vgl Versuche 12 1 3 und 12 1 4 k nnen anhand ihrer Gr e eingesch tzt werden und die Versuchsergebnisse so nachtr glich best tigt werden In Abb 5 9 Abb 5 10 und Abb 43 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN 5 12 sind einige Molek le mit ihren ungef hren Radien verzeichnet wobei die Hydrath lle auch hier vernac
135. aussehen m sste In diesem steht wie bereits erl utert f r jeden Reinstoff eine eigene Teilchensorte weshalb auch das Reaktionsprodukt nur durch eine einzige Kugelart die sich von den beiden Edukten unterscheiden muss abgebildet werden darf Im Kugelteilchenmodell kann eine chemische Reaktion nicht als Teilchenumgruppierung gedeutet werden sondern nur die Entstehung eines neuen Stoffes anzeigen Die Darstellung in Abb 6 4 ist erst nach Einf hrung des DALTONSchen Atombegriffs m glich wobei dann jede Kugel ein Atom repr sentiert Die Unterschiede in der Darstellung der chemischen Reaktion zwischen Kugelteil chenmodell und Atommodell lassen sich gut anhand von Abb 6 5 erl utern die in einem anderen Schulbuch JACKEL 1993 bei der Behandlung des Themas Chemische Reaktionen im Teilchenmodell eingesetzt wird 57 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Eisen und Schwefel reagieren zu Eisensulfid P 4 d as a Eisen Atome Schwefel Atome Abb 6 5 Reaktion von Eisen Atomen mit Schwefelatomen nach J cKEL 1993 S 58 Anhand der Beschriftung wird hier schnell deutlich dass betrachtet werden soll was mit den Atomen w hrend der Reaktion passiert Somit stellt der untere Teil der Abbildung in der beide Atomarten erhalten bleiben die zutreffende Alternative dar Dabei ist wiederum anzumerken dass nicht dargestellt ist dass sich die Atome bei der Reaktion ver ndern Weiterhin ist die Darstellung der Gitterstrukturen der b
136. belle 6 1 auf Seite 68 zeigt eine bersicht ber die Symbolteilchen die den Sch lern bei der Einf hrung des einfachen Teilchenmodells ausgeh ndigt werden k nnte so dass sie beim Erstellen eigener Zeichnungen darauf zur ckgreifen k nnen 60 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL 6 4 2 Darstellung von Molek len im Symbolteilchenmodell F r Molek le bietet sich im Symbolteilchenmodell eine Darstellungsweise an die FLADT im Zusammenhang mit dem einfachen Teilchenmodell vorschl gt Demnach sollen die Teilchen schematisch gezeichnet und dabei bereits wichtige individuelle Besonderheiten FLADT 1984 S 361 in der Form ber cksichtigt werden Das Wassermolek l wird dabei so dargestellt dass die Form nach Einf hrung des Kalot tenmodells in welchem die einzelnen Molek le aus kompakten Atomkugeln aufgebaut sind wiederzuerkennen ist FLADT 1984 Diese Art der Darstellung bietet sich abgesehen von Wasser vor allem bei kleineren Molek len wie Sauerstoff Kohlenstoffdioxid oder Ammoniak an Aber auch bei gr eren Molek len wie den Alkanen und den Alkoholen ist es m glich die u ere Form des Molek ls zu ber cksichtigen Dabei wird der Abstraktionsgrad in der Dar stellung h her je gr er die Molek le werden So ist bei dem Symbolteilchen das f r die Alkane steht lediglich seine insgesamt lineare Form dargestellt und nicht mehr jedes einzelne gebundene Wasserstoffatom ber cksichtigt Noch st rker ist die Vereinfachung f
137. benen Eine Anwendung der besonderen Art besteht in der von der Firma Burton angebotenen Eleruhr Hierbei handelt es sich um ein Kunststoffei welches zusammen mit den normalen H hnereiern im Wasser erhitzt wird In dem Kunststoffei befindet sich eine mit einer roten thermochromen Substanz beschichtete Fl che die mit einer Skala versehen ist An letzterer kann man nun im Laufe des Kochvorganges anhand der allm hlichen Dunkelf rbung der Substanz ablesen wie hart das Ei bereits ist INTERNETSEITE c Um das Ph nomen der Thermochromie anhand verschiedener Substanzen und Farben interessant zu pr sentieren bietet sich ein Handversuch zur Verfolgung der Deutschlandflagge im Wechsel der Jahreszeiten an vgl Versuch 12 3 4 der auch in der Zeitschrift Chemkon pr sentiert wurde JOHANNSMEYER 2001d Dazu werden in einem Reagenzglas drei Schichten verschiedener Salze mit thermochromem Verhalten eingefullt Die untere Schicht wird durch Zinkoxid ZnO gebildet darauf wird Kaliumchromat K2CrO gegeben und f r die obere Schicht wird Kupfer l oxid Cu gt O oder rotes Eisen IIl oxid verwandt Diese Schichten stellen nun zun chst mit der Farbfolge Rot Gelb Wei die Deutschlandflagge im Winter dar vgl Abb 8 6 links Sobald das Reagenzglas nun ohne zu sch tteln erhitzt wird beginnt eine reversible Farbanderung der Schichten zu Schwarz Rot Gelb wodurch der normale Sommerzustand angenommen wird vgl Abb 8 6 rechts Nach
138. bens Anwendung findet Die wiederholte Erarbeitung des Themengebietes mit Grundschulkindern legt die Vermutung nahe dass Lernende auf der Basis dieses Konzeptes sogar in dieser fr hen Entwicklungsphase einen ersten Schritt hin zur Theorie des Diskontinuums machen k nnen 5 2 2 Fachliche Hinterg nde zum Molekularen Sieben Wie oben dargelegt soll mit Hilfe der Membranen einerseits der bergang vom Kontinuum zum Diskontinuum erarbeitet werden andererseits die Tatsache dass die kleinsten Teilchen verschiedener Stoffe unterschiedlich gro sind Hier k nnte man 41 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN prinzipiell auf zwei verschiedene Arten vorgehen indem entweder die Porenweite des Siebes also der Membranen ver ndert wird oder die Gr e der Stoffe variiert wird Da die Porenweite der Membranen im submikroskopischen Bereich nicht mehr fein genug zu differenzieren ist wurde mit Molek len unterschiedlicher Gr e gearbeitet Die Durchl ssigkeit der Membran f r ein Molek l h ngt in der Regel von zwei Faktoren ab Einerseits ist die Gr e der Poren der Membran relativ zur Gr e der durchzulassenden Substanz entscheidend andererseits k nnen Ladungstrager sowohl an den u eren Enden der Membran als evtl vorhandene Ladungen der Stoffe eine Rolle spielen Sind die u eren Membranenden und die Stoffe gleich geladen so ist von einer Absto ung derselben auszugehen Diesen Effekt macht man sich zum Beispie
139. bietet Durch die Rastertunnelmikroskopie ist es m glich einzelne Atome zu bewegen und exakt zu positionieren Sollte sich eine Reaktion lediglich durch die Umgruppierung von einzelnen Atomen beschreiben lassen so w re es auf Grundlage dieser Technik denkbar einzelne Atome von Eisen und Schwefel entsprechend so umzugruppieren dass die Anordnung eines Eisensulfidgitters entsteht Das so entstandene Produkt besteht nach wie vor aus unver nderten Atomen und ist sicherlich kein Eisensulfid Man k nnte im Falle der Reaktion eher umgekehrt argumentieren dass sich aufgrund der Ver nderung n mlich der Ladung die entstandenen lonen entsprechend anordnen F r die Reaktion von Zink mit lod k nnte eine vorl ufige Visualisierung die zun chst nur eine Umgruppierung darstellt wie in Abb 10 4 beschrieben aussehen 134 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Bo Zink s lod s Zinkiodid s Abb 10 4 Vorl ufige Visualisierung der Festk rperreaktion von Zink und lod zu Zinkiodid auf der Grundlage des DALTONschen Atommodells Betrachtet man ausgehend von dieser Darstellung jeweils die Vorg nge beim Aufl sen der Stoffe in Wasser so schlagen Sch ler vor die einzelnen Teilchen der Edukte und Produkte also die Atome bzw lonen mit Wasserteilchen zu umgeben Die so angebotene Darstellung reicht jedoch nicht aus um alle Beobachtungen zu deuten Die Darstellung der L sungsvorg nge der Produkte und Edukte ist in Abb 10 5 darg
140. bstoffschlieren exponentiell vom Produkt der Anzahl der sie bildenden Teilchen also von der Konzentration der Farbstoffmolek le die die Membran durchdringen und dem molaren Extinktionskoeffizienten des verwendeten Farbstoffs ab 48 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Die Anzahl der Teilchen die die Membran durchdringen h ngt nun ihrerseits von der Wahrscheinlichkeit ab mit der ein Farbstoffmolek l auf die Poren der Membran trifft Die Wahrscheinlichkeit steigt linear mit der Erh hung der Konzentration des Farbstoffs im Rollrandgl schen an Daher nimmt bei einer Erh hung der Konzentration des Farbstoffs im Rollrandgl schen um einen bestimmten Faktor die Auftreffwahrschein lichkeit um denselben Faktor zu Die Intensit t und damit die Sichtbarkeit der Schlieren h ngen also von einem exponentiellen Faktor der Konzentration des schlieren bildenden Farbstoffs ab Die Konzentration hat wiederum einen linearen Zusammen hang mit der Auftreffwahrscheinlichkeit der Molek le auf die Membranporen also der Ausgangskonzentration des Farbstoffs im Rollrandgl schen Dies f hrt dazu dass man zwei L sungen von verschiedenen Farbstoffen nicht miteinander vergleichen kann Dies sei am Beispiel einer KMnO L sung der Konzentration c KMnO 0 1 mol L und einer Patentblaul sung der Konzentration c Patenblau 10 mol L verdeutlicht Da beide Stoffe einen unterschiedlichen molaren Extinktionskoeffizienten haben erscheinen die beide
141. bzuleiten Er stellte sie jedoch unabh ngig davon spekulativ auf und konnte damit sp ter das Gesetz von den konstanten Proportionen best tigen JANSEN 1990 4 6 DALTON 4 6 1 Die Atomtheorie Urspr nglich f hrte JOHN DALTON Untersuchungen zu physikalischen Eigenschaften von Gasen durch wobei ihn die Frage besch ftigte wieso sich unterschiedliche Gase unterschiedlich gut in Wasser l sen DALTON vermutete dass es einen Zusammenhang zwischen der Gr e der Teilchen und ihrer L slichkeit gebe Die Masse der Teilchen wurde somit von Interesse da DALTON die Gr e der Teilchen mit Hilfe der Dichte und der Masse Dichte Masse Volumen berechnen wollte BROCK 1997 S 91ff 27 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Durch die Besch ftigung mit dieser Problematik begann DALTON sich Gedanken ber die Beschaffenheit der Materieteilchen zu machen und stellte 1803 seine Atomtheorie auf die er im 1808 erschienenen ersten Teil seines Werkes A New System of Chemical Philosophie erl uterte BROCK 1997 S 86 DALTON nahm an dass die Atome kugelf rmig und von einer W rmeh lle umgeben seien deren Gr e in den unterschiedlichen Aggregatzust nden unterschiedlich sei STRUBE 1989 S 158 Weiterhin sah DALTON die Atome als unver nderbar an was er folgenderma en beschreibt Die chemische Synthese und Analyse geht nicht weiter als bis zur Trennung der Atome und ihrer Wiedervereinigung Keine Neuerschaffung oder Zerst
142. bzw Pr konzepte durch stattfindenden Unterricht nicht eliminiert werden sondern unter bestimmten Bedingungen abrufbar bleiben In diesem Sinne dokumentieren die in den einzelnen Jahrgangsstufen gefundenen Sch lervorstellungen weniger einen conceptual change sondern eine sukzessive Ann herung an naturwissenschaftliche Erkl rungskonzepte im Sinne eines conceptual growth vgl Kapitel 2 Um die Benutzungswahrscheinlichkeit der anvisierten kognitiven Strukturen zu erh hen scheint es dringend notwendig den Sch lerinnen und Sch lern das f r den Chemieunterricht so essentielle Wechselspiel zwischen der makroskopischen der submikroskopischen und der Repr sentationsebene deutlicher herauszustellen 108 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN 8 Ermittlung der chemischen Verh ltnisformel anhand von Kupferoxiden Nachdem im Unterricht das DALTONsche Atommodell eingef hrt wurde erfolgt bald danach eine quantitative Betrachtung des Zusammentretens verschiedener chemischer Elemente in einer Verbindung Das f hrt direkt zur Behandlung der chemischen Verh ltnisformel die im Unterricht auf unterschiedlichem Wege gewonnen werden kann So besteht einerseits die M glichkeit entsprechende Gesetzm igkeiten aus den Modellen zur Atomvorstellung abzuleiten andererseits bietet sich eine experimentelle Vorgehensweise an Um den Sch lern einen experimentellen Zugang zu erm glichen sind in der Literatur u
143. chen bei diesem ersten Teilchenmodell die Kugelform nicht zu nutzen sondern eine andere stoffspezifische Form und Farbwahl zu treffen Dieses bietet den gro en Vorteil dass in Darstellungen f r Sch ler sofort ersichtlich ist ob Atome oder Reinstoffteilchen dargestellt sind Wie ausf hrlich dargelegt gelingt gerade diese Bewusstmachung der unterschiedlichen Bedeutungsinhalte von Atom und Teilchenmodell im Unterricht h ufig nicht Bei blichen Darstellungen von z B L sungsvorg ngen besteht die Gefahr dass Sch ler durch die kugelige Gestalt der dargestellten Wassermolek le auf die Existenz von Wasseratomen schlie en Weiterhin ist anzumerken dass auch nach Einf hrung des Atommodells immer wieder auf Darstellungen im einfachen Teilchenmodell zur ckgegriffen wird wenn der weitere Aufbau der Teilchen nicht von Interesse ist Da Sch ler jedoch im Gegensatz zu erfahrenen Naturwissenschaftlern nicht ad hoc die Modellebenen wechseln und entsprechend das ad quate Modell zur Einordnung einer Darstellung heranziehen k nnen JOHNSTONE 2000 soll durch die Visualisierung eine eindeutige Zuordnung geschaffen werden Das hier vorgestellte Symbolteilchenmodell orientiert sich daher m glichst an der Gestalt der u eren Umrandung eines Molek ls im Kalottenmodell um die Reinstoffteilchen darzustellen wodurch die Atommodell vorstellung dann eine Erweiterung dieser Darstellung bedeutet vgl Abb 13 2 Mit zunehmender Gr e und Komplexit t de
144. cher Weise im Unterricht zur Einf hrung und Vertiefung des Begriffs der chemischen Reaktion verwendet werden 10 5 Kl rung weiterer wichtiger Prinzipien der Chemie am Beispiel der Reaktion von Zink und lod Abschlie end sei noch darauf verwiesen dass die Reaktion von Zink und lod auch als Beispielreaktion f r eine Reihe anderer wichtiger Prinzipien der Chemie eingesetzt werden kann An dieser Stelle sei auch auf die Arbeiten von DEMEO DEMEO 1995 und FULL FULL 1981 zu diesem Thema verwiesen So kann die Reaktion von Zink und lod im Chemieanfangsunterricht auch f r die Herleitung des Gesetzes von der Erhaltung der Masse und des Gesetzes der konstanten Proportionen eingesetzt werden Beide Gesetze sind laut Rahmenrichtlinien f r Gymnasien des Landes Niedersachsen im Unterrichtsplan der Klasse 9 verankert INTERNETSEITE a RRL CHE 1994 Hier gilt nat rlich wiederum dass im Sinne des Spiralcurriculums neue Sachverhalte an einem bereits bekannten Ph nomen gezeigt werden k nnen Zudem ist es f r Lernende einsichtiger wenn sie m glichst viele Gesetze an einer Beispielreaktion beobachten da bei st ndig wechselnden Beispielreaktionen der Eindruck entstehen k nnte dass der Lehrende immer das Beispiel aussucht welches das gew nschte Ergebnis liefert 141 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Auch zum Gesetz der Erhaltung der Masse und f r das Gesetz der konstanten Proportionen sind Experimente mit den Substanzen Zink und lod en
145. chl ge zur Ausr umung der Verst ndnisschwierigkeiten bei der Erarbeitung des Redoxbegriffes angeboten Die Ansatzpunkte sind hierbei durchaus unterschiedlich So schl gt KECKI vor den Verwirrungen um die unterschiedlichen Bedeutungsinhalte des Redoxbegriffes mit einem modifizierten Vokabular entgegenzutreten welches bei der Erweiterung des Redoxbegriffes zum Einsatz kommen soll Hierbei wird versucht Begriffe zu finden die bereits aus dem Wort heraus auf den wissenschaftlichen Vorgang schlie en lassen KECKI weist zurecht darauf hin dass der Begriff der Reduktion in der Umgangssprache nicht im Sinne einer R ckf hrung sondern im Sinne einer Verminderung benutzt wird In der elektronentheoretischen Deutung werden den zu reduzierenden Atomen jedoch im Widerspruch zur Semantik Elektronen hinzugef gt Es sollen daher neue Begriffe f r die Reduktion bzw die Oxidation im elektronentheoretischen Modell eingef hrt werden Da eine Reduktion als die Aufnahme von Elektronen definiert ist schl gt KECKI vor diesen Vorgang als Elektronation zu bezeichnen Eine Oxidation wird entsprechend aufgrund der Elektronenabgabe Deselektronation genannt Der Begriff der Oxidation kann so in der LAVOISIERSChen Definition weiterexistieren Allerdings wird hier die Reduktion entsprechend als Desoxidation bezeichnet KECKI 1991 Der Vorschlag von KE KI erscheint aber wenig praktikabel denn in der Fachsprache der Chemiker ist der Redoxbegrif
146. chlich in Salzl sungen zu finden sind Im Gaszustand kurz oberhalb der Siedetemperatur l gen dagegen haupts chlich die lonenaggregate vor FLADT 1984 2002 Eine Schwierigkeit ergibt sich bei der Darstellung von L sevorg ngen da die Teilchen im einfachen Teilchenmodell nicht dissoziieren k nnen sondern als Ganzes erhalten bleiben Diese Vereinfachung muss jedoch akzeptiert werden wenn man ein einfaches Teilchenmodell benutzen m chte Es handelt sich dabei um ein generelles Problem des einfachen Teilchenmodells das im Kugelteilchenmodell siehe Abb 6 7 und im Symbolteilchenmodell gleicherma en besteht Auch im Symbolteilchenmodell stehen die Symbole also jeweils f r ein lonenaggregat so dass konsequenterweise die Salze als Reinstoffe aus einheitlichen Teilchensorten bestehen Sollen die Dissoziationsvorg nge dagegen ad quat behandelt werden muss eine andere Darstellungsweise gew hlt werden siehe hierzu Kapitel 6 5 63 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Abb 6 7 L sungsvorgang von Kochsalz im Kugelteilchenmodell nach EISNER 1995 S 51 Aufgrund der Gitterstruktur der Salze ist es nicht m glich die Form des Symbolteil chens an die u ere Form der Teilchen anzulehnen Es muss also ein willk rlich gesetztes Teilchen im Sinne eines Symbols verwendet werden Damit stellt sich die Frage ob verschiedene Symbole f r die Darstellung von Salzen verwendet werden sollten Eine M glichkeit w re die Salze nach ih
147. chlormethan Kaliumiodid Versuchsdurchf hrung In jeweils ein Reagenzglas wird wie in Versuch 12 5 1 ein Gemisch von Zink und lod gegeben und mit einigen Tropfen eines der L sungsmittel versehen Bei den L sungsmitteln bei denen nicht sofort eine Reaktion einsetzt werden nach einiger Zeit noch einige weitere Tropfen hinzugegeben und eine Spatelspitze Kaliumiodid zugef gt Beobachtungen und Auswertung Die Versuchergebnisse sind in der Tabelle 12 4 zusammengefasst Die Violettf rbung bei Verwendung von Petrolether Toluol und chloriertem Methan ist auf die Art der L sung des lods in dem betreffenden L sungsmittel zur ckzuf hren 193 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN vgl Kapitel 10 L st man lod als Blindprobe in diesen L sungsmitteln auf so erh lt man die gleiche F rbung Die Braunf rbung bei Verwendung der anderen L sungsmittel ist hingegen auf die Bildung von Charge Transfer Komplexen zur ckzuf hren die sich wie in Kapitel 10 beschrieben infolge Lewis S ure Base Reaktionen von lod mit dem L sungsmittel bilden k nnen Ein weiteres Indiz f r das Stattfinden der Reaktion ist die in allen F llen festgestellte Erw rmung der Reaktionsl sung bis hin zum kr ftigen Sieden Ob die L sung jeweils siedet h ngt aber auch von der Menge des zugegebenen L sungsmittels sowie von dessen Siedepunkt ab Zuf gen von Kaliumiodid erwirkt keine Ver nderung des Reaktionsverlaufes Die Rolle eventuell vorhandenen Restwassers
148. ction of matter in a destruction of substance can be counteracted Interviews done with over 600 students show how common this misconception is In the case of burning carbon many Sek students assume a destruction of matter takes place The learning cycle can set a good foundation in the understanding of conservation of mass both on the phenomenological level and in terms of conservation of atoms A common example to derive the chemical formula on the basis of the atom model of DALTON is the comparison between red and black copper oxide By experimentation with the two copper oxides a change of colour of red copper oxide to black through a heating process will be noted This is commonly interpreted as a oxidation from copper l oxide to copper Il oxide although a further oxidation should be neglected as an explanation since the same change of colour can be observed without the presence of oxygen during the reaction Instead the reversible character of this colour change is made clear and interpreted as a thermochrome effect Further experiments show that it is caused by a shift of the absorption band since the band gap of copper I oxide is decreased with an increase in temperature This hypothesis can further be applied to other substances For an actual oxidation of copper l oxide to take place special care has to be taken for the proper supply of oxygen and a suitable time period for the reaction to take place Well suited for the introduct
149. d Deute das Versuchsergebnis Beziehe dich dabei auch auf das Gewicht des Kolbens vor und nach der Reaktion Bei diesem Versuch reagiert der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu farblosem Kohlenstoffdioxid Die Masse ver ndert sich nicht da bei chemischen Reaktionen die Masse gleich bleibt Da der Kolben verschlossen ist kann kein Kohlenstoffdioxid entweichen Station Kohle im Kolben Durchf hrung 0 07 0 08 g Aktivkohle oder selbst verkohltes Material werden abgewogen und in den Erlenmeyerkolben gegeben Anschlie end wird der Erlenmeyerkolben vom Lehrer mit Sauerstoff gef llt und mit dem Luftballon verschlossen Der so vorbereitete Erlenmeyerkolben wird gewogen und sein Gewicht notiert Der Erlenmeyerkolben wird in die Stativklemme eingespannt und ber der Brennerflamme erhitzt Sobald die Kohle zu gl hen beginnt wird der Kolbeninhalt hin und her gesch ttelt Sollten einzelne Kohlest ckchen noch nicht brennen m ssen sie erneut ber dem Brenner zum Gl hen gebracht werden bevor der Kolben gesch ttelt wird Nach der Reaktion wird der Kolben nach etwa 1 Minute unter dem Wasserhahn auf Raum temperatur abgek hlt sorgf ltig abgetrocknet und gewogen Masse des Erlenmeyerkolbens vor der Reaktion Masse des Erlenmeyerkolbens nach der Reaktion Aufgaben 1 Gib etwas Kalkwasser in den Kolben und schwenke ihn etwas Beschreibe was passiert und welchen Stoff du mit Kalkwasser nachweisen kannst 2 Formuli
150. d das Reaktionsprodukt der Verbrennung dasselbe Volumen haben Das geringe Volumen des Kohlenstoffs welches nach der Reaktion nicht mehr im Kolben ist wird vernachl ssigt 119 9 DIE THESE VON AVOGADRO Die Sch ler lernen mit dieser Reaktion ein Beispiel daf r kennen dass bei chemischen Reaktionen an denen Gase beteiligt sind einfache Volumenverh ltnisse vorliegen Sollen weitere Beispiele herangezogen werden so kann die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff betrachtet werden welche sich im Volumenverh ltnis von 2 1 verbinden Die Durchf hrung einer solchen Reaktion in einem Eudiometer beschreiben JANSEN et al in einer historisch problemorientierten Unterrichtskonzeption JANSEN 1990 An dieser Stelle kann den Sch lern nun der erste Teil der These von AVOGADRO dass gleiche Volumina unter gleichen Bedingungen gleiche Teilchenzahlen enthalten als Erkl rungsm glichkeit f r das beobachtete Ph nomen angeboten werden Gemeinsam mit DALTONS Gesetz der multiplen Proportionen nach dem sich die Atome in bestimmten einfachen Zahlenverh ltnissen verbinden ergibt sich eine sinnvolle Deutung f r die einfachen Volumenverh ltnisse in chemischen Reaktionen F r die Sch ler liegt nun die folgende Darstellung der Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff im Atomodell zur Erkl rung des gleichbleibenden Volumens nahe Kohlenstoff 1 Volumen Sauerstoff 1 Volumen Kohlenstoff di oxid 88 i Abb 9 2 Erste Vermutung zur Erkl rung des gl
151. d eine im Experiment auf der makroskopischen Ebene beobachtete Reaktion im weiterf hrenden Chemieunterricht h ufig nur noch auf der Repr sentationsebene betrachtet Die Betrachtung der Vorg nge auf der submikroskopischen Ebene werden nicht dargestellt GABEL beschreibt eine deutliche berbetonung der Repr sentationsebene im g ngigen Chemieunterricht GABEL 1999 Hier fordert JOHNSTONE den Unterrichtsgegenstand immer wieder auf verschiedenen Ebenen zu betrachten was auch dem Konzept der multiplen Perspektiven entgegenkommt vgl Kap 2 3 JOHNSTONE 2000 Bewusstsein Realit t Original i D makroskopische Ebene Wahrnehmung Verst ndnis Modell vorstellung submikroskopische Ebene Repr sentationsebene symbolische Abstraktion Anschauungs ER 23888 Zn l gt Zul modelle Veranschaulichung Abb 3 2 Zusammenf hrung des chemischen Dreiecks und der Relation der unterschiedlichen Modellebenen am Beispiel der Reaktion von Zink mit lod STEINBUCH 1977 JOHNSTONE 2000 Die geforderte stete Bezugnahme der drei Ebenen untereinander soll ausdr cklich nicht so verstanden werden dass dem Anf nger sofort alle drei Ebenen vorgestellt werden So warnt JOHNSTONE selbst vor einer gleichzeitigen Einf hrung da es nur versierten Chemikern gelingt die Ebenen m helos zu unterscheiden Ein solches Vorgehen ist Ursache zahlreicher Fehlvorstellungen Daher sollte von der ph nomenologischen Ebene ausgehend zun chs
152. d in L sung aufgehoben ist m ssen die Eigenschaften direkt ber die z T gel sten Teilchen erkl rt werden Die Ph nomene lassen daher bereits die Ver nderung der Teilchen erkennen die durch Nutzung unterschiedlicher Gr en in der Darstellung umgesetzt werden kann Die Qualit t der Ver nderung kann im folgenden Unterricht durch Reaktionsf hrung als galvanisches Element als Elektronenabgabe und aufnahme identifiziert werden Es wird gezeigt dass sinnvollerweise eine Einf hrung des Redoxbegriffes erst an dieser Stelle im Unterricht erfolgen sollte um die in der didaktischen Literatur seit langem beschriebenen Probleme zu umgehen die durch eine vorl ufige Einf hrung des Oxidationsbegriffs im Sinne LAVOISIERS entstehen Da Sch ler die zun chst eine Oxidation als Sauerstoffaufnahme kennen lernen erwiesenerma en Schwierigkeiten bei der Aneignung der elektronentheoretischen Deutung haben kann ein Verzicht auf diesen vorl ufigen Begriff wesentlichen Schwierigkeiten vorbeugen Die Definition LAVOISIERS kann trotzdem nach Behandlung der fachlich g ltigen Deutung erl utert werden um der historischen Bedeutung Rechnung zu tragen 218 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT 14 Abstract In the course of this text an analysis of common approaches to central parts of the beginner s course in chemistry in the introduction of the level of discontinuity is taken These are evaluated according to their respective value in regard to students
153. d lod reagieren zun chst nicht sichtbar miteinander Erst nach dem Hinzuf gen von etwas Wasser setzt eine heftige exotherme Reaktion ein in der deutlich sichtbar violette loddampfe aufsteigen Die sich bildende w ssrige L sung f rbt sich braun und kann schlie lich durch Umschwenken des Reagenzglases entf rbt werden Diese Braunf rbung ist auf die Bildung von Triiodidionen Iz die gem lo 1 13 5 gebildet werden zur ckzuf hren Die lodidionen entstammen dem bei der Reaktion gebildeten Zinkiodid welches in Wasser sofort in die Ionen Zn und gem Znlz Zn aq 2 aq 6 dissoziiert Aufgrund der extrem guten L slichkeit von Zinkiodid in Wasser 437 63 g 100 g bei 25 C nach LIDE 1997 98 reicht f r den L sungsvorgang bereits eine geringe Menge Wasser aus Das Verschwinden der Braunfarbung ist durch den eingesetzten Uberschuss an Zink zu erklaren so dass alles lod bei der Reaktion verbraucht wird Nach dem Filtrieren bleibt Uberschussiges Zink im Filter zur ck die L sung ist farblos Nach dem Eindampfen bleibt ein wei er pulveriger Feststoff zur ck 12 5 2 Reaktion von Zink mit lod im Reagenzglas mit verschiedenen anderen L sungsmitteln Ger te und Chemikalien Wie in Versuch 12 5 1 zus tzlich die L sungsmittel Aceton Ethanol Petrol ether 60 80 Petrolether 40 60 Tetrahydrofuran Diethylcarbonat Essigs ureethylester Diethylether Toluol Chloroform Ethylamin Triethylamin Di
154. d mehr Zeit ben tigt Auch ist von Bedeutung ob die Sch ler mit der Methode des Stationenler nens vertraut sind oder ob zun chst eine Einf hrung in den Ablauf eines Lernzirkels erfolgen muss Weiterhin ist der Zeitumfang dieses Lernzirkels vom experimentellen Geschick der Sch ler abh ngig Damit es beim Bearbeiten des Lernzirkels nicht zu Wartezeiten kommt sollten zudem mehr Stationen als Sch lergruppen vorhanden sein Je nach Klassengr e und gew hlter Gr e der Kleingruppen wird es bei diesem relativ kleinen Lernzirkel vermutlich n tig sein alle Stationen doppelt oder sogar dreifach aufzubauen Dies sollte neben dem zus tzlichen organisatorischen Aufwand keine Probleme bereiten da nur gebr uchliche Chemikalien oder Ger te verwendet werden 7 3 3 Die Stationen des Lernzirkels Die sechs Stationen wurden im Gegensatz zu den meisten anderen Lernzirkeln nicht durchnummeriert um keine Reihenfolge vorzugeben Die Station Kohle im Kolben beinhaltet die Durchf hrung einer Abwandlung eines Versuches von ROBERT BOYLE vgl Kapitel 4 und Versuch 12 2 1 3 mit der die Er haltung der Masse bei Verbrennungen demonstriert werden kann Hierbei wird Aktivkohle in einen Erlenmeyerkolben gegeben der mit Sauerstoff aufgef llt und mit Hilfe eines Luftballons verschlossen wird Beim Erhitzen mit dem Gasbrenner gl ht die Kohle hell auf und verbrennt mit dem Sauerstoff zu farblosem Kohlenstoffdioxid Die 78 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG
155. den Luftballon auf seine urspr ngliche Gr e zur ckzubringen um korrekte Ergebnisse zu erhalten Sollte der Kolben im warmen Zustand gewogen werden so wird auf der Waage ein geringeres Gewicht abgelesen Dieser Sachverhalt liegt darin begr ndet dass die Apparatur durch 173 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN die Ausdehnung des Luftballons eine gr ere Auftriebskraft erf hrt und dadurch die auf die Waage wirkende Kraft verringert wird Weiteres Vorgehen Nachdem die W gungen erfolgt sind bietet es sich an das Verbrennungsprodukt nachzuweisen Dieses kann qualitativ geschehen indem im Kolben etwas Barytwasser oder Kalkwasser geschwenkt wird Beobachtung und Auswertung Die Kohle verbrennt beim Sch tteln unter hellem Aufgl hen vollst ndig Im Kolben bleibt lediglich Gas zur ck Teilweise bildet sich durch R ckst nde etwas Rauch Der Kolben scheint ansonsten leer zu sein Die anf ngliche und abschlie ende W gung ergeben keine Gewichtsdifferenz Wird nach dem Versuch Barytwasser oder Kalkwasser in den Kolben gegeben so tr bt sich dieses Der Kohlenstoff hat also mit dem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid reagiert Dieses kann aus dem geschlossenen Kolben nicht entweichen Es gilt die Massenerhaltung die ein wichtiges Kennzeichen chemischer Reaktionen ist 12 2 1 2 Der BoyLeE Versuch mit Kohlenstoff im Erlenmeyerkolben Variante nach JANZEN Ger te und Chemikalien Erlenmeyerkolben 300 mL Luftballon Waage
156. der Farbe des jeweiligen Stoffes entsprechen Wenn die Sch ler ber diese Art der 62 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Farbgebung erstaunt sind kann dies als Anlass f r ein Gespr ch dar ber genommen werden dass im Falle der Atome die Teilchen selbst keine Farbe haben Einige Molek le und Molek lionen erscheinen dagegen auch losgel st von einem Teilchen verband farbig z B l2 Is MnO4 Hier lie e sich eine Farbanalogie von Stoff und Teilchen vertreten die aber beim bergang zu den Atomen wieder aufgehoben werden m sste 6 4 3 Salze im Symbolteilchenmodell Im Gegensatz zu den Molek len muss bei den Salzen zun chst einmal dar ber nach gedacht werden was die kleinen Teilchen eines Salzes im Sinne eines einfachen Teilchenmodells sind da Salze aus entgegengesetzt geladenen lonen bestehen die in Gittern angeordnet sind Es m ssen also Teilchengrenzen innerhalb des Gitters festgelegt werden um Salze im Teilchenmodell darstellen zu k nnen Da im einfachen Teilchenmodell jeder Stoff nur aus einer Teilchensorte besteht k nnen hier nicht die lonen als einzelne Teilchen betrachtet werden Es bietet sich daher an die kleinste Formeleinheit als Teilchen des Salzes zu betrachten Kochsalz ist in dieser Betrachtungsweise dann aus Natriumchlorid Teilchen aufgebaut Auch FLADT pl diert daf r das lonenaggregat zum Teilchen des Salzes zu erkl ren und gibt in diesem Zusammenhang zu bedenken dass lonen unabh ngig voneinander haupts
157. der Pflanzen erneut und stellte fest dass sie im Durchschnitt bei jeder Pflanze um ca 0 4 g zugenommen hatte Versuch 2 In einem anderen Experiment wurden Kressesamen angefeuchtet und auf etwas Watte in einen Rundkolben gegeben Dieser wurde verschlossen und auf eine Waage gestellt Nach f nf Tagen sind die Kressepflanzen zu einer H he von ca 5 cm herangewachsen Aufgaben 1 Erkl re wodurch die Masse in Versuch 1 zunimmt Die Masse der Pflanzen nimmt zu da sie Fotosynthese betreibt und dabei aus dem Wasser in das ihre Wurzeln reichen und dem in der Luft vorhandenen Kohlenstoffdioxid Glucose aufbaut In Versuch 2 bleibt die Masse dagegen gleich Erkl re dies Auch die Kressepflanzen in Versuch 2 betreiben Fotosynthese Da der Kolben jedoch verschlossen ist kann sie hierzu nur Stoffe verwenden die im Kolben vorhanden sind Da keine Stoffe den Kolben verlassen k nnen und keine hinzukommen gilt auch hier die Massenerhaltung Station Pflanzenwachstum B Versuch 1 Der franz sische Wissenschaftler DE SAUSSURE stellte am Anfang des 19 Jahrhunderts Untersuchungen zum Wachstum von Pflanzen an In einem Versuch gab er drei junge Erbsenpflanzen von etwa 10 cm H he in ein Glas mit Wasser so dass nur die Wurzeln der Pflanzen in das Wasser eintauchten Vor Beginn des Versuches wog jede der Pflanzen 1 g Nach 10 Tagen bestimmte DE SAUSSURE die Masse der Pflanzen erneut und stellte fest dass sie im Durchschnitt bei
158. dersetzung mit dem DALTONschen Atommodell Das Modell in dem Teilchen kleinste diskret auftretende Einheiten bilden kann so ausdr cklich dem Atommodell gegen bergestellt werden Durch die Thematisierung der Unterschiede ist eine Differenzierung der Modellebenen f r Sch ler einsichtiger und der Umgang mit den Modellen die die Basis f r den zuk nftigen Unterricht bilden kann sicherer gelingen Der Erhaltungsgedanke der zur Atomhypothese f hrt wird durch parallele berpr fung der Massenerhaltung bei den Stoffumwandlungen w hrend des gesamten Lernzirkels gest tzt So wird verdeutlicht dass nur die eingesetzten Stoffe an den Reaktionen beteiligt sind Weiterhin wird der Fehlvorstellung vorgebeugt dass mit der Stoffvernichtung auch eine Massenvernichtung einhergehe Eine im Rahmen der Arbeit durchgef hrte Sch lerbefragung von mehr als 600 Sch lern zeigt dass viele Sch ler der Sek bei der Verbrennung von Kohlenstoff von einer Massenvernichtung ausgehen Anhand des Lernzirkels k nnen somit sowohl mit der Massenerhaltung auf der ph nomenologischen Ebene als auch in Bezug auf die Erhaltung der Atome wesentliche Grundlagen verdeutlicht und vertieft werden Auf Grundlage des DaLTonschen Atommodells wird die chemische Verh ltnisformel h ufig am Beispiel des Vergleichs von rotem und schwarzem Kupferoxid erarbeitet Im Verlauf experimenteller Untersuchungen der beiden Kupferoxide wird bei der Erw rmung von rotem Kupfer l oxid eine Schwar
159. die Betrachtung des Stromflusses auf den Sachverhalt einer Elektronen bertragung und identifiziert somit die Zink bzw lod Atome als den Unsprung bzw das Ziel dieses Elektronenflusses Daraus folgt dass die Zink Atome nach der Reaktion positiv geladen die lod Atome hingegen negativ geladen sein m ssen Diese Aussagen sind rein qualitativ und die Anzahl der bertragenen Elektronen bleibt zun chst ungekl rt Im Prinzip sind durch diese Betrachtung bereits alle f r die Einf hrung des elektronentheoretischen Redox Begriffs notwendigen Teilschritte genannt Die Elektronenabgabe des Zinks kann somit an dieser Stelle mit dem Fachterminus der Oxidation betitelt werden w hrend die Elektronenaufnahme als Reduktion bezeichnet wird Ebenso wird an dieser Reaktion deutlich dass Oxidation und Reduktion immer gemeinsam ablaufen m ssen denn die abgegebenen Elektronen m ssen an anderer Stelle wieder aufgenommen werden Daher kann der Gesamtvorgang als eine Kombination aus Reduktion und Oxidation mit dem Terminus Redox Reaktion versehen werden Die einzelnen Teilreaktionen sowie die Gesamtreaktion sind nun separat darstellbar vgl Abb 11 5 Ebenso kann der Begriff des lons als geladenes Atom definiert und eingef hrt werden 164 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT Teilreaktionen Pos Ei Elektron en Oxidation Zink Atom pos Zink lon Elektron en Ti C Elektron en Reduktion lod Atom Elektron en gt n
160. die Sch ler erste Typ einer chemischen Reaktion erweitert und vertieft Innerhalb dieses Schemas ist die Reaktion von Sauerstoff mit Metallen bzw Nichtmetallen somit vollst ndig beschrieben und es werden keine Teilreaktionen betrachte wie es im elektronentheoretisch begr ndeten Redoxbegriff der Fall ist Die Reduktion wird als weiterer Reaktionstyp eingef hrt indem Reaktionen betrachtet werden bei denen einem Oxid der Sauerstoff entzogen wird wie beispielsweise bei der Thermolyse von Silberoxid Als eine Kombination aus Reduktions und Oxidationsreaktion bildet dann die Redoxreaktion einen dritten Reaktionstypen Hierbei wird gleichzeitig einem Reaktionspartner der Sauerstoff entzogen w hrend ein anderer Reaktionsteilnehmer sich mit diesem verbindet Ein im Unterricht gebr uchliches Beispiel daf r ist das Z nden eines Thermitgemisches Da es innerhalb dieses Schemas nicht m glich ist Reaktionen der Metalle mit Schwefel oder mit Halogenen einzuordnen werden diese Reaktionen als Sulfidbildungs und Salzbildungsreaktionen bezeichnet und repr sentieren somit eigene Reaktionsklassen Auf der Basis dieser f nf Reaktionstypen werden im Unterricht daher nun Reaktionen entsprechend eingeordnet und differenziert Das angebotene Schema ist ohne n here Kenntnis des Atombaus anwendbar und l sst sich ebenfalls auf der Ebene der Wortgleichungen praktizieren F r seine Anwendung ist daher kein gr eres Theoriewissen vonn ten Auch die Gegen
161. die Teilchenzwischenr ume mit Wasser ausgef llt sind FLADT 1984 FRITSCH 1990 Und auch f r Feststoffe wie Salz findet sich die Vorstellung zwischen den Salzteilchen w re eben Salz DRIVER 1994 Es wird deutlich dass Wasser Luft und auch Salz in diesen F llen als Kontinua betrachtet werden da sie ansonsten nicht in der Lage w ren die Zwischenr ume zwischen anderen Teilchen vollst ndig auszuf llen Es liegt hier demnach die Auffassung von diskontinuierlichen Teilchen vor die sich in einem Kontinuum aufhalten Aus dem im Unterricht behandelten Teilchenmodell und der kontinuierlichen Wahrnehmung der Stoffe entsteht bei den Sch lern eine gemischte Vorstellung Die 53 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Annahme von Wasser und Luft als Kontinua stimmt mit den Alltagserfahrungen der Sch ler berein und ist somit auch f r diejenigen die ein Teilchenmodell anwenden einleuchtend Diese Ansicht l sst sich besonders schlecht ausr umen da im Alltagsgebrauch z B ein Glas das mit Luft gef llt ist als leer bezeichnet wird Spricht der Lehrer im Unter richt also vom leeren Raum zwischen den Teilchen so ist f r die Sch ler kein Wi derspruch zu der Vorstellung dort bef nde sich Luft gegeben FLADT 1984 Unterst tzt wird die Fehlvorstellung von kontinuierlichen F llmaterialien zwischen den Teilchen h ufig durch Abbildungen wie Abb 6 1 die in vielen Schulb cher zu finden sind Zucker Abb 6 1 Das L sen von Zuc
162. dl sung er x hnlich wie bei der Zugabe von destilliertem oesauigte Zinksuhatlosung Wasser jedoch nicht ganz so heftig Ges ttigte Zinkiodidl sung Keine sichtbare Reaktion Tabelle 12 5 Versuchsergebnisse der Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe verschiedener ges ttigter Salzl sungen 195 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Die Reaktion findet allem Anschein nach nur statt wenn sich das gebildete Zinkiodid in der L sung zu l sen vermag Ist die L sung bereits an Zinkiodid ges ttigt so findet keine Reaktion statt Zu erkl ren ist dieses Ph nomen durch die unterschiedlichen L slichkeiten der verwendeten Salze vgl Tabelle 12 6 In der ges ttigten Zinkiodid l sung kann sich kein weiteres Zinkiodid l sen Da die L slichkeiten der anderen Salze alle sehr viel geringer sind kann sich demgegen ber hier noch Zinkiodid aufl sen und die Reaktion ablaufen L slichkeit in 100 g Wasser bei 25 C Natriumchlorid Kaliumiodid a ce zee Tabelle 12 6 Loslichkeiten der verwendeten Salze in 100 g Wasser bei 25 C nach LIDE 1997 98 12 5 5 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von ges ttigter _ Zinkbromid bzw Zinkchloridl sung Ger te und Chemikalien 2 Uhrgl ser Spatel Zinkpulver lodkristalle ges ttigte Zinkchloridl sung ges ttigte Zinkbromidl sung Versuchsdurchf hrung Wie in 12 5 4 auf die Uhrgl ser wird je eine der beiden L sungen getropft Beobachtungen und A
163. dung von Variante 1 sprechen die folgenden berlegungen So lernen die Sch ler nach der Einf hrung des DALTONschen Atommodells dass jedes Sym bolteilchen eine bestimmte Anzahl von miteinander verbundenen Atomen repr sentiert Verwendet man ein eigenes Symbolteilchen beispielsweise f r ein Metall so steht dieses nur f r ein einziges Atom und hat in Darstellung des Stoffes auf Teilchenebene keine andere Bedeutung als die Kugel im DALTONschen Atommodell So gesehen wird mit dem Metall Symbolteilchen ein zweites Symbol f r dasselbe Teilchen geschaffen Als Konsequenz wird Sch lern bei der Einf hrung des Atommodells der Erweiterungsgedanke des Modells nicht in der Visualisierung deutlich Dies l sst sich vermeiden indem auch im Symbolteilchenmodell die Elementteilchen durch Kugeln dargestellt werden Nach der Einf hrung des DALTONschen Atommodells k nnen die Sch ler dann auch sehr schnell erfassen welche Stoffe nur aus einer Sorte von Atomen bestehen n mlich diejenigen deren Visualisierung bereits seit l ngerem in Form von Kugeln erfolgte In Absatz 6 4 2 wurde erl utert dass die Form der 65 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Symbolteilchen m glichst an die tats chliche Form des jeweiligen Stoffteilchens angelehnt sein sollte Wollte man dieses Prinzip auch auf die Elemente anwenden so m sste man die Kugelform als Symbolteilchen ausw hlen Die Darstellung der Elemente in Kugelform bereitet jedoch auch Schwierigkeiten Der Ausgangs
164. e Abb 12 9 Versuchsaufbau zum Massenerhalt beim Verkohlen Durchf hrung Zun chst wird das Rollrandgl schen etwa 1 cm hoch mit konzentrierter Schwefels ure gef llt Ein St ck W rfelzucker wird dann an einem Bindfaden befestigt und so in das Gl schen geh ngt dass das Zuckerst ck nicht in die S ure eintaucht Der Deckel wird geschlossen und das Gl schen gewogen Dann wird der Deckel vorsichtig abgehoben das Zuckerst ck wird in die S ure gegeben und der Deckel wieder verschlossen Nach Abschluss der zu beobachtbaren Reaktion wird erneut gewogen Beobachtung und Auswertung Nach dem Eintauchen des Zuckerst ckchens in die konzentrierte Schwefels ure verf rbt sich dieses innerhalb von zwei bis drei Minuten schwarz Dabei l uft die im vorangehenden Versuch beschriebene Verkohlung ab Da hier nicht erw rmt wird ist 177 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN der Prozess weniger heftig und es f llt keine Gasentwicklung auf Die W gung des gesamten Systems vor dem Eintauchen des Zuckerst ckchens ergibt dasselbe Ergebnis wie nach der Reaktion Da das Gef mit dem Deckel verschlossen ist kann keine Substanz entweichen und es gilt die Massenerhaltung 12 2 2 4_Verkohlen von Rohrzucker Traubenzucker und Starke Ger te und Chemikalien Rohrzucker Saccharose Traubenzucker Glucose St rke selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Teststabchen f r den Wassernachweis kleine Reagenzgl ser Reagenzglasklammer Bunsenb
165. e Reaktionen statt durch Zufuhr von W rmeenergie durch Zufuhr mechanischer Energie per Hammerschlag zur Reaktion gebracht werden vgl Anhang und JOHANNSMEYER 2002b So k nnen Verst ndnisschwierigkeiten vermieden werden die entstehen da bei vielen Reaktionen ein nicht unerheblicher Energiebetrag in Form von W rmeenergie zugef hrt werden muss der die Wahrnehmung des exothermen Verlaufes erschwert Wesentlicher Punkt in dieser ersten Phase der Auseinandersetzung mit chemischen Reaktionen ist die Abgrenzung der Reaktionsprodukte von Gemischen und Gemengen Hier sollen die Lernenden f r die unterschiedlichen Prozesse sensibilisiert werden die bei einer Durchmischung oder einer Reaktion durchlaufen werden Diese Diskussion wird besonders beim bergang auf die atomare Ebene schwierig da bliche Visualisierungen eine Abgrenzung von Gemenge und Reaktionsprodukt schwierig machen vgl JOHANNSMEYER 2001a 131 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 10 4 2 Deutung der chemischen Reaktion auf Basis des DaLTonschen Atommodells Das erste den Sch lern vermittelte Atommodell stellt in der Regel das DALTONsche Atommodell dar Die im zuvor benutzten einfachen Teilchenmodell z B dem Symbolteilchenmodell noch als ein Teilchen verstandenen Molek le offenbaren nun im weiteren Gang nach und nach ihre Zusammensetzung aus einzelnen Atomen Damit ergibt sich nat rlich in der Deutung von chemischen Vorg ngen eine F lle neuer M glichkeiten
166. e Denkweisen und Methoden der Erkenntnisgewinnung einf hren Es m ssen somit adressaten gerecht Grundlagen gelegt werden von denen aus im Fortschreiten des Unterrichts eine schrittweise Vertiefung des Verst ndnisses m glich ist Ein wesentlicher Aspekt der Chemie der bereits fr h im Curriculum ber cksichtigt wird ist das Arbeiten und Denken in Modellen Besonders der Anschauung unzug ngliche Bereiche sind thematisch nur auf diese Weise zu erschlie en und bearbeiten Einen besonderen Stellenwert nimmt dabei die Vorstellung eines diskontinuierlichen Aufbaus der Materie ein Themen des weiterf hrenden Chemieunterrichts werden zu einem Gro teil auf der submikroskopischen Ebene diskutiert und gedeutet indem sich eines Teilchen oder Atommodells bedient wird Als Beispiele seien hier nur die Bindungstheorien Reaktionsmechanismen oder st chiometrische Betrachtungen genannt Die Erarbeitung des Diskontinuumsbegriffs kann daher f r den Chemie unterricht sowohl als elementar als auch zentral angesehen werden Sch ler stellen sich den Aufbau der Materie zun chst kontinuierlich vor Eine K rnig keit der Materie ist aus der Erfahrungswelt unbekannt und daher wenig naheliegend Obwohl PIAGET bereits von einem zumindest impliziten Vorstellung einer Granularit t der Materie bei Kindern von etwa 11 Jahren ausgeht die f r die Erkl rung der Volumeninvarianz notwendig ist ist es fraglich ob hier bereits die Vorstellung vorgebildeter Teilchen vo
167. e Eigenschaft der Korpuskel ein Sekund re Qualit ten wie Farbe Geruch und Geschmack entstehen erst in der Wahrnehmung des Menschen HEIDELBERGER 1994 S 11f 24 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS ROBERT BOYLE 1621 1691 der als hervorragender Experimentator bekannt ist wurde sowohl von GASSENDI als auch von DESCARTES stark beeinflusst und konnte sich nie so recht zwischen Atomismus und einem blo en Korpuskularismus entscheiden HEIDELBERGER 1994 S 13 Abb 4 4 ROBERT BOYLE aus STRUBE 1989 Auch in Bezug auf die Frage ob alle Atome von gleicher Art seien oder ob es viele verschiedene spezifische Atomarten g be vertrat BOYLE im Laufe seines Lebens unterschiedliche Auffassungen HEIDELBERGER 1994 S 13f Bei einem ber hmten Versuch den ROBERT BOYLE im Jahr 1673 durchf hrte verleitete ihn seine atomistische Auffassung jedoch zu einer falschen Deutung In einem verschlossenen Kolben erhitzte er Blei oder Zinn Dabei reagierte das Metall mit dem im Luftvolumen enthaltenen Sauerstoff zu dem entsprechenden Oxid Verkalkung Vor der Reaktion hatte BOYLE den Kolben samt Inhalt ausgewogen JANSEN 1986 Er schrieb dazu Das Metall wurde eineinviertel Stunden im Schmelzen gehalten wie da mich eine Gesellschaft von Besuchern hinderte dabei zu sein der Laborant best tigte Da ich das Glas nicht l nger gef hrden wollte wurde es vom Feuer genommen und als es kalt war das verschlossene Ende abgebrochen ab
168. e S ure eintaucht Der Deckel wird geschlossen und das Gl schen gewogen Dann wird der Deckel vorsichtig abgehoben das Zuckerst ck wird in die S ure gegeben und der Deckel wieder verschlossen Nach 2 3 Minuten wird erneut gewogen Masse des Gl schens mit Inhalt und Deckel vor der Reaktion nach der Reaktion Aufgaben 1 Beschreibe was mit dem Zuckerst ckchen passiert Das Zuckerst ckchen verf rbt sich zun chst gelblich und wird innerhalb von zwei bis drei Minuten schwarz 2 Beschreibe wie sich die Masse w hrend des Experimentes verh lt Erl utere dies Die Masse ndert sich w hrend der Reaktion nicht Da das Rollrandgl schen verschlossen ist k nnen keine Stoffe entweichen Daher gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse Station Verkohlen C Sei bitte sehr vorsichtig und verhindere jeden Kontakt mit der konzentrierten Schwefels ure da diese auch die Haut zersetzt Setze eine Schutzbrille auf Durchf hrung Das Rollrandgl schen wurde bereits etwa 1 cm hoch mit konzentrierter Schwefels ure gef llt Ein St ck W rfelzucker wird nun an einem Bindfaden befestigt und so in das Gl schen geh ngt dass das Zuckerst ck nicht in die S ure eintaucht Der Deckel wird geschlossen und das Gl schen gewogen Dann wird der Deckel vorsichtig abgehoben das Zuckerst ck wird in die S ure gegeben und der Deckel wieder verschlossen Nach 2 3 Minuten wird erneut gewogen Masse des Gl schens mit Inhalt und D
169. e Zuckerr be enth lt einen anderen Zucker den Rohrzucker aus dem der normale Haushaltszucker besteht Ein wichtiger Baustoff in den pflanzlichen Zellw nden ist die Cellulose die auch zu einem gro en Teil in Holz vorhanden ist Aufgaben 1 Lies den Text 2 Auf dem Tisch befinden sich verschiedene Gegenst nde Gef e mit Kohlenstoffdioxid Sauerstoff Wasser Starke Zucker Kresse Holz Streichhdlzer K rtchen mit Reaktionspfeilen Ordne sie sinnvoll an 3 Schreibe die in Aufgabe 2 aufgestellte Anordnung auf Kohlenstoffdioxid Wasser Traubenzucker Sauerstoff Starke Rohrzucker Holz Cellulose Kresse Cellulose Station Pflanzenwachstum A Gr ne Pflanzen bilden bei Belichtung Traubenzucker in ihren Bl ttern Als Ausgangsstoffe f r den Aufbau des Traubenzuckers m ssen in den Bl ttern der Pflanze Kohlenstoffdioxid und Wasser vorhanden sein Das Wasser wird bei Landpflanzen durch die Gef e aus der Wurzel herangeleitet Das Kohlenstoffdioxid ist in geringen Mengen in der Luft enthalten und tritt durch die Spalt ffnungen in das Blatt ein Der beim Aufbau des Traubenzuckers freigesetzte Sauerstoff verl sst das Blatt durch Spalt ffnungen Der Aufbau von Traubenzucker aus Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff wird Fotosynthese genannt Der Traubenzucker wird im Blatt rasch zu St rke umgebaut die von der Pflanze gespeichert werden kann Sie ist aber nicht wasserl slich und kann desh
170. e aus kleinsten nicht sichtbaren Teilchen aufgebaut Weiterhin wird vereinfachend angenommen dass sie die Form kleiner Kugeln haben Alle Kugelteilchen eines Reinstoffes sind untereinander gleich EISNER 1995 S 50 JACKEL 1993 S 23 w hrend sich die Teilchen verschiedener Stoffe in Gr e und Masse unterscheiden EISNER 1995 S 50 Die Kugelteilchen befinden sich in Fl ssigkeiten und Gasen zudem in st ndiger Eigenbewegung und sto en h ufig zusammen BLUME 1995 S 126 Zwischen den Teilchen befindet sich der leere Raum EISNER 1995 S 50 Schmelzen oP i zeichnen sci J Erstarren b BLS AFP gv s o fl ssig Abb 5 1 Darstellung der Aggregatzust nde im Kugelteilchenmodell Asselborn 2001 In diesem Modell wird nicht zwischen den verschiedenen Teilchenarten Atom Molek l und lon unterschieden Erst sp ter erfolgt mit der Behandlung der DALTONschen Atomhypothese eine differenziertere Betrachtung des Aufbaus der Stoffe 32 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Mit diesem Kugelteilchenmodell k nnen beispielsweise die Aggregatzust nde wie in Abb 5 1 visualisiert und gedeutet werden Einige Aspekte die die Darstellung der Modellebene eines einfachen Teilchenmodells mit Hinblick auf den bergang zum Atommodell betreffen werden im Anschluss an dieses Kapitel n her beleuchtet Diese erste Einf hrung der Diskontinuumsebene war in den Rahmenrichtlinien des Landes Niedersachsen f r Gymnasien f r einen in
171. e hierzu nur Stoffe verwenden die im Kolben vorhanden sind Da keine Stoffe den Kolben verlassen k nnen und keine hinzukommen gilt auch hier die Massenerhaltung Abb 7 10 Lehrerarbeitsblatt zur Station Pflanzenwachstum B 90 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Station Verkohlen A Ger te und Chemikalien Die wei en Kupfer Il sulfat Streichh lzer selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Testst bchen verfarben sich bei Testst bchen f r den Wassernachweis kleine Kontakt mit Wasser blau Reagenzgl ser Reagenzglasklammer Bunsenbrenner Durchf hrung Der Versuch sollte wegen der Geruchsentwicklung durch entstehende Gase nach M glichkeit unter dem Abzug aufgebaut werden 4 5 Streichh lzer ohne Kopf werden in das Reagenzglas gegeben und zun chst vorsichtig ber der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzt Die im oberen Teil des Reagenzglases entstehenden Tr pfchen k nnen mit den Kupfer Il sulfat Testst bchen untersucht werden Anschlie end wird kr ftiger erhitzt bis die H lzer vollst ndig verkohlt sind Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen Bei Erhitzen im Reagenzglas werden die Streichh lzer schwarz und es steigen gelbe Gase auf und an der Wand des Reagenzglases schl gt sich gelbliche lige Fl ssigkeit nieder Bei Kontakt mit den Tr pfchen im oberen Teil des Reagenzglases verf rben sich die Kupferf Il sulfat St bchen blau daher handelt e
172. ead to a visualisation which allows a seamless transition to more differentiated models in further considerations This is apparent when looking at the case of a salt solution in which salts dissociate into their ions whereas the particles representing the smallest unit of pure substance do not This can be solved by using a definition of the simple particle model by which each discrete particle is represented In this case salts are represented by at least two types of particles A learning cycle is introduced as a new method to move from an initial simple particle model to the atomic model by using the carbon cycle as an example Here it becomes apparent that although the substance is destroyed in the cycle something has to remain to constitute the substance after a complete cycle This hypothesis leads to an analysis of the atom model of DALTON It can now be compared to the model in which particles constituted the smallest occurring units By discussing the differences of the two models the students gain a clear 219 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT understanding of the different meanings of visualisation and are better able to use them in the course of their training The idea of conservation which leads to the atom model is supported by checking the conservation of mass at every step of the learning cycle It becomes apparent that only the applicable substances are involved in reactions and the common misconception of a destru
173. eaktion auf Basis eines differenzierten Atommodells f hren sollen nun 130 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION ausf hrlich beschrieben und am Beispiel der Reaktion von Zink und lod erl utert werden 10 4 1 Die chemische Reaktion auf ph nomenologischer Ebene Wie in Kapitel 10 3 bereits beschrieben erschlie en sich den Lernenden vor Einf hrung des DALTONschen Atommodells auf der phanomenologischen Ebene die makroskopisch beobachtbaren Vorg nge der Ver nderung der Eigenschaften der Edukte im Vergleich mit dem Produkt Ferner kann der bei einer Reaktion stattfindende Energieumsatz erarbeitet werden Aus diesen Gr nden ist eine Reaktion auszuw hlen die sowohl stoffliche Ver nderungen als auch Energieumsatz in besonderer Weise sichtbar macht Wie in Abschnitt 10 3 beschrieben hat die Reaktion von Zink und lod besonders bei der Untersuchung der Eigenschaften von Edukten und Produkten gegen ber den bisher vorgeschlagenen Beispielreaktionen Vorteile Es entsteht auf der symbolischen Ebene zun chst eine Wortgleichung der Form Zink lod Zinkiodid Anhand weiterer Beispielreaktionen kann dar ber hinaus die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen eingef hrt werden Dieser Aspekt chemischer Reaktionen kann dann bei der Einf hrung der DALTONschen Atomhypothese am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufs wie in Kapitel 7 beschrieben herangezogen werden Bei der Behandlung der Rolle der Aktivierungsenergie k nnen zudem verschieden
174. eaktionen besonders gut herauszustellen wenn mit den Produkten der gew hlten Reaktion ebenfalls die Zerlegung in die Ausgangsstoffe durchgef hrt werden kann Dies ist bei der vorgeschlagenen Reaktion von Zink und lod m glich wenn geeignete Bedingungen gew hlt werden So kann zum Beispiel eine Elektrolyse einer Zinkiodidl sung in Wasser durchgef hrt werden Den Lernenden sollte an dieser Stelle das Ph nomen der L slichkeit bekannt sein und ebenso die Tatsache dass beim L sen von Salzen in Wasser keine Ver nderung der Stoffe im Sinne einer chemischen Reaktion vonstatten geht Dazu ist anzumerken dass unter der Einbeziehung der sich ndernden Koordinationssph re der lonen und dem damit verbundenen Energieumsatz auch der L sungsvorgang von Salzen in Wasser als chemische Reaktion betrachtet werden kann Im Sinne der didaktischen Reduktion wird jedoch im Chemieanfangsunterricht darauf verzichtet das L sen von Salzen im L sungsmittel als chemische Reaktion zu bezeichnen Unter diesem Aspekt ist die h ufig zur Einf hrung chemischer Reaktion herangezogene Umwandlung von blauem Kupfersulfat in wei es zumindest kritisch zu sehen Auch hier l uft eine Reaktion nur in der 128 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Koordinationssph re ab wodurch zu hinterfragen ist ob dieses Beispiel exemplarisch f r Reaktionen ist Die Elektrolyse ist bei ausreichender Ausstattung der Schule auch als Sch lerversuch einfach durchzuf hren und lie
175. eckel vor der Reaktion nach der Reaktion Aufgaben 1 Beschreibe was mit dem Zuckerst ckchen passiert 2 Beschreibe wie sich die Masse w hrend des Experimentes verh lt Erl utere dies Zusatzstation Pflanzenversuch Ger te und Chemikalien 2 Efeu Bl tter oder ein Bund frisch geschnittene Kresse 2 Bechergl ser 100 mL Standzylinder 10 mL Gl hbirne mit Fassung Frischhaltefolie Faden Gummib nder Plastikspritze Stativmaterial Natriumhydrogencarbonat L sung Kresolrot L sung 0 2 ig Kohlenstoffdioxid Vorbereitung Die Stiele der Efeu Bl tter oder der Kresse werden mit einem Faden zusammengebunden Jeweils 10 ml Reaktionsl sung werden in zwei Bechergl ser gef llt und mit 5 Tropfen Kresolrot L sung versetzt und umger hrt Danach wird in die Fl ssigkeit der beiden Bechergl ser jeweils 1 mL Kohlenstoffdioxid mit der Plastikspritze gespritzt Die L sungen werden umger hrt woraufhin sich die Fl ssigkeit gelb f rbt Die mit dem Farbstoff Kresolrot versetzte Reaktionsl sung kann als Anzeiger f r den Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Becherglas verwendet werden Vor der Zugabe von Kohlenstoffdioxid ist die L sung orange rot gef rbt danach gelb Durchf hrung Die beiden Efeubl tter werden mit einem Faden wie auf der Abbildung in eines der Bechergl ser geh ngt Die Bechergl ser werden mit Folie luftdicht verschlossen Mit einer Gl hbirne die in einer Entfe
176. eg lodid lon Gesamtreaktion Redox gt Reaktion Zink s lod s Zinkiodid s Abb 11 5 Teil und Gesamtreaktion in der Darstellung als Redoxreaktion In der Darstellung der Gesamtreaktion wurde auf die Atomkerne verzichtet um die Zeichnung nicht zu berfrachten Den Sch lern d rfte auch klar sein dass mit der Einf hrung des RUTHERFORDschen Modells eine Aussage bez glich des Aufbaus der Atome aus Kern und H lle getroffen wird die auf alle Atome gleicherma en zutrifft Daher ist jedes zuvor im DALTONschen Modell als Kugel gezeichnetes Atom nun als aus Kern und H lle bestehend zu betrachten Hierin liegt ein Unterschied zum bergang von den Symbolteilchen zum DALTONSchen Modell wo dieser innere Aufbau der Symbolteilchen stets variiert weshalb die Trennung hier strikter vorzunehmen ist Man kann dar ber hinaus deutlich machen dass sich die betrachteten Vorg nge nur in der Elektronenh lle der Atome abspielen und der Kern daher vereinfachend weggelassen wurde Selbstverst ndlich lie e sich aber auch die Gesamtreaktion mit den jeweiligen Atomkernen visualisieren Eine solche Darstellung k nnte jedoch schnell un bersichtlich werden so dass der Veranschaulichungsaspekt der Darstellung darunter leidet Zusammenfassend l sst sich feststellen dass durch die altersgem e Deutung der Vorg nge in einem galvanischen Element neben der bereits genannten M glichkeit den Lernenden zu vermitteln was die Atome in einem Reaktionsprod
177. ehrer A 2 3 Zuordnung der Schuler zu den Antwortenkategorien A 3 Stationen des Lernzirkels mit Lehrer und Sch lerarbeitsbl ttern A 4 Weitere Arbeits Informations und Ubersichtsblatter A 1 Aktivierung chemischer Reaktionen durch Hammerschlag Die chemische Reaktion und ihre Kennzeichen sind wesentlicher Bestandteil des Chemieunterrichtes der Sekundarstufe H ufig eingesetzte Reaktionen sind z B die Synthese von Eisensulfid Kupfersulfid und Zinksulfid aus den entsprechenden Elementen Bei diesen Reaktionen wird die f r den freiwilligen Ablauf erforderliche Aktivierungsenergie in Form von W rmeenergie zugef hrt Brenner Wunderkerze etc Bei den Sch lern treten h ufig Verst ndnisschwierigkeiten auf da ein nicht unerheblicher Energiebetrag in Form von W rmeenergie zugef hrt werden muss der die Wahrnehmung des exothermen Verlaufes erschwert Insofern stellen durch Hammerschlag ausgel ste chemische Reaktionen in zweierlei Hinsicht eine sinnvolle Alternative dar Zum einen wird die zum freiwilligen Ablauf notwendige Aktivierungs energie nicht in Form von W rmeenergie sondern in Form von mechanischer Energie zugef hrt Weiterhin bietet sich durch diese Vorgehensweise im Sinne eines f cher bergreifenden Ansatzes die M glichkeit aus dem Physikunterricht bekannte Inhalte zur Energieumwandlung auf ein anderes naturwissenschaftliches Fach zu bertragen und auf einen neuen Sachzusammenhang anzuwenden A 1 1 Aktivierung der Rea
178. ei der Behandlung des Kohlenstoffkreislaufs gut realisieren da die Teilprozesse Verbrennung Verkohlung Fotosynthese und Stoffwechsel der Pflanze zun chst unabh ngig voneinander be trachtet werden k nnen und f r sich gesehen sinnvoll sind Eine weitere Bedingung f r sinnvolles Stationenlernen ist dass die Inhalte der Stationen in einem Gesamtkonzept stehen ST UDEL 2000 Dies ist in diesem Fall dadurch gegeben dass sich die an den Stationen behandelten Prozesse nach dem Lernzirkel zum Kreislauf zusammensetzen lassen Der Lernzirkel zum Kohlenstoffkreislauf besteht aus sechs Stationen an denen die Wortgleichungen der Teilschritte ermittelt werden Hieraus kann nach dem Durchf hren der Stationsarbeit erarbeitet werden dass jedes Produkt einer beliebigen Reaktion als Edukt f r eine andere Reaktion dienen kann Dar ber hinaus wird die Masse der Reaktionspartner vor und nach den einzelnen Teilschritten des Kohlenstoffkreislaufs untersucht Zu jeder Station wurde ein Sch lerarbeitsblatt konzipiert s Anhang das die Versuchsanleitungen und Aufgabenstellungen enth lt und zur Ergebnissicherung verwendet werden kann Dazu findet sich in Abschnitt 7 3 7 jeweils ein Lehrerar 77 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL beitsblatt auf welchem zus tzlich zu den Inhalten der Sch lerarbeitsbl tter Ger te listen f r die Versuche und die L sungen der Aufgaben verzeichnet sind Bei den sechs Stationen handelt es sich aus
179. eichbleibenden Volumens Diese Darstellung weist zum einen den Fehler auf dass das Reaktionsprodukt nur ein Sauerstoffatom anstelle von zweien enth lt Im Unterricht wird es zwar in der Regel bereits als Kohlenstoffdioxid teilweise auch nur als Kohlenstoffoxid bezeichnet und kann als solches mittels Kalkwasser nachgewiesen werde Dies bedeutet jedoch nicht zwangsl ufig dass die Sch ler wissen wie das Molek l aufgebaut ist der Begriff ist zun chst nur ein Name des Stoffes Zum anderen ist nicht korrekt dass die Sauerstoff Atome nicht biatomar sondern einzeln in der Gasphase vorliegen Hier kann eine n here Untersuchung des Reaktionsproduktes weiterhelfen um den Sch lern zu zeigen dass ein Kohlenstoffdioxidmolek l zwei Sauerstoffatome enth lt und die zun chst einleuchtende Erkl rung nicht zutreffend sein kann Zur ex perimentellen Ermittlung der chemischen Formel von Kohlenstoffdioxid kann an dieser Stelle Versuch 12 4 durchgef hrt werden Bei diesem Versuch wird eine geringe Menge Aktivkohle in ein Quarzrohr eingewogen und im Sauerstoffstrom verbrannt Das Reaktionsprodukt wird durch zwei Waschflaschen mit Bariumhydroxid L sung geleitet und dort quantitativ absorbiert Diese Waschflaschen werden vor und nach der Reaktion gewogen wobei die Massezunahme der Flaschen der Masse des 120 9 DIE THESE VON AVOGADRO Reaktionsproduktes entspricht Aus der Differenz zwischen der Masse des Reaktionsproduktes und der Masse des eingewoge
180. eiden und diesen Sachzusammenhang einzu ben Die einzelnen Schritte innerhalb des Kohlenstoffkreislaufs sind in Abb 13 3 dargestellt Durch die Verbrennung von Kohlenstoff entsteht im ersten Schritt Kohlenstoffdioxid welches Pflanzen bei der Fotosynthese zum Aufbau von Glucose verwenden k nnen Diese und weitere Pflanzenprodukte k nnen dann verkohlt werden um wiederum Kohlenstoff zu erhalten und einen erneuten Durchgang des Kreislaufs beginnen zu k nnen N N 7 ur IQ 7 N za 4 Kohlenstoff Sauerstoff Kohlenstoffdioxid Kohlenstoff Wasser Kohlenstoffdioxid Wasser Verkohlen durch Erhitzen Kresse Holz Be 7 Glucose Sauerstoff Verkohlen durch Schwefels ure Zucker bzw St rke Traubenzucker etc Abb 13 3 Stationen im Kohlenstoffkreislauf am Beispiel Kresse Hierbei zeigt sich dass der Kohlenstoff im Verlauf des Kreislaufs als Stoff vernichtet und wieder zur ckgewonnen wird Dies ist eine Problemstellung die auf makroskopischer Ebene nicht gel st werden kann sondern nur mit Hilfe der Erhaltung der Kohlenstoffatome zu erkl ren ist die in den verschiedenen Verbindungen erhalten bleiben Der Kohlenstoffkreislauf bietet also eine Motivation f r die Sch ler mehr ber den Aufbau der Stoffe erfahren zu wollen Diese Art der Hinf hrung soll die Entwicklung einer Vorstellung von Atomen erm glichen die von dem Gedanken der Erhaltung der Atome im Verlauf von chemischen Reaktionen
181. eilchen von Verbindungen erkl rte DALTON durch die Zusammenlagerung von Atomen der Ausgangstoffe im Verh ltnis kleiner ganzer Zahlen STRUBE 1989 S 158 Dies war die entscheidende Neuerung von DALTONS Atomtheorie da es ihm nun mit einigen zus tzlichen Annahmen m glich wurde die relativen Massen der Atome zu berechnen JANSEN 1990 DALTON hatte keine M glichkeit die Verh ltnisse der sich verbindenden Atome direkt zu ermitteln und nahm daher an dass diese so einfach wie m glich seien War beispielsweise nur eine Verbindung zwischen zwei Elementen bekannt so ging er davon aus dass sie bin r sei die Elemente sich also im Verh ltnis 1 1 verb nden Kannte man dagegen zwei verschiedene Verbindungen sollte eine bin r die andere tern r sein also ein Verh ltnis von 1 2 vorliegen Bei noch mehr bekannten Verbindungen wurde dies entsprechend fortgef hrt STRUBE 1989 S 158f Als Bezugseinheit f r die Berechnung der spezifischen Gewichte der Atome w hlte DALTON den Wasserstoff das leichteste Element und setzte die Atommasse eines Wasserstoffatoms gleich eins Zusammen mit den Gewichtsanteilen in denen sich die Elemente verbinden konnte er nun die relativen Atommassen berechnen DALTON begann dabei mit der Berechnung des Wasser der einzigen Verbindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff die damals bekannt war STRUBE 1989 S 159 Weil es nur diese Verbindung zu geben schien nahm er an dass es sich dabei um eine bin re und nic
182. eilchens des Schwefels auch f r den Ss Ring stehen und nicht f r das einzelne Schwefelatom Welche von beiden Varianten die bessere ist kann in diesem Rahmen nicht abschlie end gekl rt werden da f r beide ihre Vor und Nachteile aufgezeigt werden k nnen Es muss der Einzelne die Entscheidung f llen ob f r die Bestandteile der Elemente sowohl im Symbolteilchenmodell als auch im Atommodell nur ein einziges Symbol die Kugel verwendet werden soll oder ob eine klare Trennung der beiden Modelle bevorzugt wird In Tabelle 6 1 die im Unterricht als bersicht ber die Symbolteilchen verwendet werden kann sind beide Varianten aufgef hrt F r den konkreten Unterricht m sste ein Entscheidung f r eine der Varianten getroffen werden Um die Tabelle f r Sch ler so einfach wie m glich zu gestalten sind dabei f r jede einzelne Form alle Stoffe aufgef hrt f r die das entsprechende Symbolteilchen verwendet werden kann 67 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL E Glycerin Form des Farbvorschl ge f r einige Stoffe deren Teilchen Symbolteilchens Teilchen dieses Symbol bekommen Wasser Schwefelwasserstoff Wasser Schwefel wasserstoff Sauerstoff Stickstoff C Se ee E Wasserstoff Kohlenstoff Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff monooxid Kohlenstoffdioxid Schwefeldioxid Chlor lod Brom CO amp ea Fluor Kohlen Kohlenstoff lod stoffdioxid monooxid Ammoniak OY Aceton Als al
183. eilchenvorstellung ein gr erer Zeitraum zur Verf gung steht Das einfache Teilchenmodell soll dabei bereits in der 7 Klasse zur Erkl rung von Aggregatzust nden Schmelz Siede und Sublimationsvorg ngen herangezogen werden In Klasse 8 wird das Teilchenmodell erneut aufgegriffen und anhand weiterer Beispiele vertieft bevor die Atomhypothese behandelt wird INTERNETSEITE a 6 2 Bekannte Schwierigkeiten bei der Aneignung von Teilchen modellen 6 2 1 Pr konzepte der Sch ler zum Aufbau der Stoffe Beim Erlernen von Teilchenmodellen ergeben sich f r die Sch ler verschiedene Schwierigkeiten die zum einen mit der speziellen Struktur dieses Lehrstoffs als Teil einer umfassenden Theorie FRITSCH 1990 S 118 zusammenh ngen Zum anderen spielen die Vorstellungen die sich Sch ler bereits vor dem naturwissenschaftlichen Unterricht vom Aufbau der Stoffe in ihrer Umgebung machen eine gro e Rolle FRITSCH 1990 Diese auch als Vorwissen bezeichneten Vorstellungen sind f r den Lernprozess von Bedeutung da sie bestimmen welche Informationen der Lernende verarbeitet und welche Verkn pfungen er zwischen den neuen Informationen und den vorhandenen Kenntnissen herstellt SUMFLETH 1992 S 410 In Bezug auf den Aufbau der Stoffe weichen die durchaus alltagstauglichen Vorstel lungen der Sch ler deutlich von der fachwissenschaftlichen Sichtweise ab Dies zeigt beispielsweise eine Untersuchung von FRITSCH und EHLERT die Vorstellungen
184. eim BoYLE Versuch jedes Kohlenstoffatom mit einem Sauerstoff molek l und die Anzahl der Teilchen in der Gasphase ndert sich nicht Sind beide Teile der These des AVOGADRO bekannt kann die richtige Deutung der Reaktion des BOYLE Versuches auf diskontinuierlicher Ebene erfolgen Kohlenstoff 1 Volumen Sauerstoff 1 Volumen Kohlenstoffdioxid gt BA Abb 9 4 Deutung des BoyLE Versuches auf Grundlage der Theorie des AVOGADRO Der zweite Teil der These des AVOGADRO wird auch bei der Erl uterung der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ben tigt wenn das Reaktionsprodukt Wasser ebenfalls im gasf rmigen Zustand betrachtet wird Hier entstehen n mlich aus zwei Volumina Wasserstoff und einem Volumen Sauerstoff zwei Volumina Wasserdampf und nicht nur eines wie zun chst erwartet werden w rde siehe JANSEN 1990 Mit dem Wissen dass Sauerstoff und Wasserstoff in Form kleiner Molek le aus je zwei Atomen vorliegen wird das entstehende Volumen an Wasserdampf einsichtig 122 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION 10 Einf hrung der Chemischen Reaktion In den vorangegangenen Kapiteln wurde der Weg zu einer diskontinuierlichen Anschauung der Materie beschrieben vgl Kapitel 5 7 Davon ausgehend wurden einige Stationen erl utert die unter Anwendung der DALTONschen Atomhypothese mit den Lernenden im Unterricht erarbeitet werden k nnen vgl Kapitel 8 und 9 In diesem Kapitel wird zu Anfang nochmals auf einen fr heren Zeitpunkt
185. ein Vorschlag zur berwindung Chem Sch 41 1994 6 232 237 FRITSCH L EHLERT M Vorstellungen der Sch ler vom Bau der Stoffe Chem Schule 37 1990 4 118 127 FRUHAUF D TEGEN H Hrsg Blickpunkt Chemie Schroedel Verlag GmbH Hannover 2002 FuLL R Die Charakterisierung chemischer Vorg nge Ein uraltes Unterrichtsziel im Chemieanfangsunterricht methodisch neu aufbereitet PdN Ch 30 1981 6 174 181 FuLL R Der Olfleckversuch auf einen Blick PdN Ch 44 1995 8 16 GABEL D Improving Teaching and Learning through Chemistry Education Research A Look to the Future J Chem Educ 76 1999 4 548 553 GDCH Hrsg Green Chemistry Nachhaltigkeit in der Chemie Wiley VCH GmbH amp Co KGaA Weinheim 2003 GERSTENMAIER J MANDL H Wissenserwerb unter konstruktivistischer Perspektive ZfP d 41 1995 6 867 888 225 15 LITERATURVERZEICHNIS GEYER C F Die Vorsokratiker zur Einf hrung Junius Hamburg 1995 GMELIN Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie Syst Nr 60 Kupfer Teil B 8 Auflage Verlag Chemie Berlin 1932 GREENWOOD N N lonenkristalle Gitterdefekte und Nichtst chiometrische Verbindungen Verlag Chemie GmbH Weinheim 1973 GREENWOOD N N EARNSHAW A Chemie der Elemente 1 Auflage VCH Verlagsgesellschaft mbH Weinheim 1990 837 H HNDEL J Die Oxidation und Reduktion im Anfangsunterricht Chemie NiU Ch 2 1991 8 322 331 HAUSCHILD G An
186. ein Zuf gen der Produkte die bei der Disproportionierungsreaktion 10 entstehen w rden keine Reaktion startet Reaktion 10 kann somit endg ltig als nicht relevant f r die Gesamtreaktion angesehen werden womit auch eine eventuelle Reaktion des Wassers mit dem lod ausgeschlossen werden kann Nachdem eine Reaktion des Wassers mit dem Zink bereits ausgeschlossen wurde ist folglich von einer katalytischen Einflussnahme des Wassers abzusehen Somit ist von einem physikalisch chemischen Vorgang auszugehen der die L sungseigenschaften des Wassers ber cksichtigt Versuche die diese These st tzen sind in 12 5 4 und 12 5 5 beschrieben Hierzu werden verschiedene ges ttigte Salzl sungen zum Unterst tzen der Reaktion zu dem Zink lod Gemisch getropft vgl Video 16 Es f llt auf dass die Reaktion nur dann nicht stattfindet wenn die L sung ges ttigt an Zinkiodid bzw das gel ste Salz Zn lonen enth lt und seine L slichkeit mindestens gleich der von Zinkiodid ist Beispiele f r solche Salze sind Zinkbromid und Zinkchlorid vgl Tabelle 10 6 Besonders dieser letzte Versuch st tzt die Hypothese von PARSONS so dass festgehalten werden kann 149 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Bei der Reaktion von Zink mit lod bildet sich auf dem Zink eine stabile Schicht Zinkiodid Wird diese Schicht nicht entfernt so ist die Reaktion inhibiert und kann nicht weiter ablaufen Wird diese Zinkiodidschicht jedoch durch zum Beispiel ein
187. eines einfachen Teilchenmodells z B des Kugelteilchenmodells erm glicht Um diese neue Vorstellungsebene Sch lern nahe zu bringen kann die Eigenschaft der Teilchengr e im Sinne eines einfachen Teilchenmodells Ausgangspunkt des experimentellen Ansatzes sein Weiterhin soll in diesem Zusammenhang auch eine Einordnung der Gr enordnung kleinster Reinstoffteilchen erfolgen k nnen Die Grundidee basiert hierbei auf dem Prinzip des Siebens also auf einem den Sch lern bereits aus dem Kindesalter gel ufigen Verfahren zur Stofftrennung Den Sch lern ist bekannt dass es m glich ist durch ein Sieb gro e K rper von kleineren zu trennen Auf dieses Grundprinzip wird zur ckgegriffen denn mit einem geeigneten Sieb ist es m glich Teilchen verschiedener Stoffe hinsichtlich ihrer Gr e zu unterscheiden je nachdem ob sie durch das Sieb hindurchfallen oder durch das Sieb zur ckgehalten werden Der diskontinuierliche Aufbau der Materie soll dabei mit Hilfe von w ssrigen L sungen erarbeitet werden In diesen homogenen L sungen ist mit blo amp em Auge nicht zu erkennen dass sie immer noch Teilchen der gel sten Stoffe enthalten Die L sungen erscheinen also kontinuierlich Als Sieb dienen verschiedene Membranfolien wie zum Beispiel Dialyseschl uche oder Filtereins tze Als gut geeignete kosteng nstige Alternative hat sich Einmachfolie erwiesen die aus Cellophan besteht vgl Kapitel 12 1 Es ist allerdings zu beachten dass d
188. einsatz 250 mL Quarzrohr ca 1 cm Schlauch und Stativmaterial Laborwaage Analysenwaage Glaswolle Pinzette Pipettierh tchen W gesch lchen Bunsenbrenner Bariumhydroxid Octahydrat Kaliumhydroxid Aktivkohle destilliertes Wasser Sauerstoff 189 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Sauerstoff Abb 12 18 Versuchsaufbau zur Ermittlung der Formel des Kohlenstoffdioxid Vorbereitung Um Kohlenstoffdioxid quantitativ zu absorbieren wird eine stark alkalische Bariumhydroxid L sung ben tigt 250 mL L sung werden hergestellt indem 75 g Kaliumhydroxid und 3 75 g Bariumhydroxid Octahydrat mit destilliertem Wasser bis auf 250 mL aufgef llt werden Nach dem Abk hlen der durch den L sevorgang stark erw rmten L sung wird nicht gel stes Bariumhydroxid abfiltriert Vor Beginn des Versuches wird die Aktivkohle ausgegl ht um adsorbiertes Wasser zu entfernen Zum Abk hlen der ausgegl hten Kohle wird sie in ein verschlossenes Gef gegeben Auch das Quarzrohr wird ausgegl ht um Verunreinigungen und eventuelle Feuchtigkeit zu entfernen Durchf hrung Der Versuch wird gem der Abb 12 18 aufgebaut Die beiden Waschflaschen werden mit je 125 mL Bariumhydroxid L sung gef llt und ihre Anschl sse zun chst mit Gummih tchen verschlossen um zu verhindern dass Kohlenstoffdioxid oder Wasser aus der Luft absorbiert wird Anschlie end werden sie gewogen und ihr Gewicht notiert Dann werden etw
189. eisen zu nennen 2 1 Erkenntnistheoretische Ans tze der radikal konstruk tivistischen Perspektive Als Erkenntnistheorie geht der Konstruktivismus auf Gedanken von IMMANUEL KANT zur ck Demnach sind die Gegenst nde der den Menschen umgebenden Umwelt nur als Bewusstseinsinhalt zu verstehen ber deren Existenz kann unabh ngig von der Beobachtung keine Aussage getroffen werden Die bekannte Welt ist entsprechend eine individuelle Konstruktion des Bewusstseins Es w re zwar durchaus denkbar dass eine von der Beobachtung unabh ngige Welt existiert doch ist es dem Menschen nicht m glich dar ber eine Aussage zu treffen da er diese nur durch Sinnesempfindungen erfahren kann STORK 1995 Es muss dabei jedoch bedacht werden dass dieses Prinzip keineswegs notwendig zur Konsequenz f hrt eine Realit t au erhalb von uns zu leugnen Es sagt lediglich da alles was wir ber diese Wirklichkeit wissen menschliche Konstruktion ist HAUBLER 1998 S 191 Nach KANT besitzt der Mensch bereits vor aller Erfahrung gewisse Verstandesbegriffe und Anschauungsformen mit deren Hilfe er die Erfahrungen die er durch Sinneswahrnehmung erlangt einordnen kann Raum und Zeit stellen solche Anschauungsformen dar innerhalb derer die wahrgenommenen Dinge und deren Relationen zueinander gedanklich eingeordnet und somit konstruiert werden Nachdem die einzelnen Gegenst nde demnach durch Wahrnehmung konstruiert werden werden auch die Beziehungen dies
190. eispiel lange ist das etwa her Eisenwolle Boyle mit re e sl OR E Eisenwolle Verbrennen von Streich holz im ge schlossenen RG u a einge schmolzene Streichholz k pfe 4 Jahre A 2 3 Zuordnung der Sch ler zu den Antwortenkategorien Im Folgenden finden sich die Zuordnungen der Umfrageb gen der verschiedenen Jahrgange zu den Kategorien In den Tabellen sind dabei die Codes der Schuler angegeben die aus den Initialen des Vaters und dem Tag des Geburtstages bestehen sollten Auch Angaben von Sch lern die nicht diesem Muster entsprechen sind hier aufgef hrt B gen von Sch lern die keinen Code angegeben hatten wurden mit OC ohne Code und einer zweistelligen fortlaufenden Zahl gekennzeichnet Diese Codes sind in kursiv abgedruckt Zur Einordnung ist hier nochmals die Gesamt bersicht der Ergebnisse angegeben Anzahl an Sch lern darunter Angaben bezogen auf den jeweiligen Jahrgang Jg 10 Jg 11 Jg 12 13 Gesamt Jg 8 Jg 9 Gesamizahl Bogen dungen un Begr Richtige 3 1 A 2 ezar ZOO GZIM OLMI LLAF Sess 9ZaM slar 1294 EDO SVE YLAH YLLIN 8L9H GLYM 90SF GLIO YOSH ILTA EZTV LLAY ESS 9I89 8049 971M LOHY 819A L0AM z ar 1214 8ZMH ZZYH SOOS SZAF 87M ZAN YON 909 ZL LHH 991 8cH3 ZSO Leda OMe ELH
191. eiten Beispiel lernen sie den Vorgang als Energieumsatz kennen Bei Durchf hrung in umgekehrten Reihenfolge kann zun chst die Reaktion unter Zuhilfenahme von Wasser durchgef hrt werden um mit der wasserfreien Variante zu kl ren dass Wasser nicht notwendiger Bestandteil ist Zus tzlich erfahren die Sch ler so dass der Ablauf chemischer Reaktionen variieren kann und im gewissen Rahmen steuerbar ist An dieser Stelle kann somit eine erste Definition der chemischen Reaktion auf der ph nomenologischen Ebene eingef hrt werden der die Bildung von neuen Stoffen mit neuen Eigenschaften verbunden mit einem Energieumsatz in den Vordergrund hebt Auf die genaue Rolle des Wassers kann an dieser Stelle im Unterricht nicht eingegangen werden Es sollte als Reagenz vorgestellt werden welches f r den Ablauf der Reaktion notwendig ist Zus tzlich kann darauf verwiesen werden dass auch andere L sungsmittel z B Ethanol in der Lage sind die Reaktion ablaufen zu lassen womit die These unterst tzt wird dass das Wasser hier lediglich als L sungsmittel fungiert vgl Kapitel 10 6 Die beiden M glichkeiten der Reaktionsf hrung stehen sich somit gegen ber Die Vorteile der Reaktion von Zink und lod durch Zufuhr von W rmeenergie liegen in der Unmittelbarkeit der Reaktion ohne Einsatz von Hilfsstoffen Nachteile sind dass der Energieumsatz von Sch lern nicht beobachtet werden kann und dass die Isolierung des Produktes nicht gut gelingt vgl Versuch 1
192. en Diese zentrale Stellung des aktiven Elements des Lernens soll abschlie end nochmals mit den Worten WEINERTS verdeutlicht werden Unabh ngig von den unterschiedlichen F higkeiten und Talenten der Sch ler muss alles gelernt werden was sp ter gewusst und gekonnt wird Lernen ist der m chtigste Mechanismus der kognitiven Entwicklung In vielen F llen ist dabei die didaktische Unterst tzung notwendig und wirksam Noch so gut gemeinte motivationspsycho logische oder sozialp dagogische Ma nahmen k nnen f r den eigentlichen Lernakt kein Ersatz sondern nur eine oft sehr wirksame Voraussetzung sein WEINERT 2001 S 85 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG 3 Modelle und Modellvorstellung Das Bewu tsein des Menschen ist zum Verst ndnis unserer Welt quantitativ unzureichend zwischen der Komplexit t unserer Welt und dem Fassungsverm gen unseres Bewu tseins besteht ein krasses Mi verh ltnis STEINBUCH 1977 In den Naturwissenschaften nimmt das Arbeiten an und das Denken in Modellen eine wichtige Stellung innerhalb der Forschung und Lehre ein Betrachtet man die Chemie so begegnet man Modellen sobald die direkte Ph nomenologie verlassen und eine Deutung oder das Auffinden von Prinzipien angestrebt wird Grundlegende Erkenntnisse und Beschreibungen der Chemie basieren auf Modellvorstellungen der submikroskopischen Ebene die dem Betrachter direkt nicht zug nglich ist 3 1 Aufgaben und M glichkeiten von
193. en dass auch Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffatome enth lt kann das Kohlenstoffdioxid mit Hilfe von Magnesium reduziert werden Hierbei handelt es sich um einen Versuch der in Zusammenhang mit der Einf hrung der Redoxreaktion oder der Einordnung von Kohlenstoff in die Redoxreihe in vielen Schulb chern beschrieben ist z B JACKEL 1993 S 84 und EISNER 1995 S 96 Eine M glichkeit die Reduktion des Kohlenstoffdioxids durchzuf hren besteht darin ein brennendes Magnesiumband in einen mit Kohlenstoffstoffdioxid gef llten Standzylinder zu halten Das Magnesiumband brennt in der Gas Atmosph re hell leuchtend weiter und nach Beendigung des Versuches befinden sich an den W nden des Reaktionsgef es wei es Magnesiumoxid und schwarzer Kohlenstoff Die Sch ler sehen so dass sich auch aus dem farblosen Kohlenstoffdioxid der Stoff Kohlenstoff gewinnen l sst Beim Einsatz dieses Versuches ist jedoch zu bedenken dass bei der Reaktion nicht nur Kohlenstoff und Magnesiumoxid entsteht wie dies in den meisten B chern be 85 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL schrieben wird So reagieren nur etwa 50 des eingesetzten Kohlenstoffdioxids und des Magnesiums zu Kohlenstoff und Magnesiumoxid w hrend aus den restlichen Ausgangsstoffen Magnesiumcarbide entstehen die ebenfalls eine gr uliche bis schwarze Farbe aufweisen M LLERING 1999 Neben dem Nachvollziehen des Weges der Kohlenstoffatome durch den Kreislauf sol
194. en Fachern Physik und Chemie mit dem Erweiterungsfach Informatik an der Carl von Ossietzky Universitat Oldenburg Zwischenprufung im Fach Chemie und Physik Abschluss des Lehramtsstudiums mit dem 1 Staatsexamen in den beiden Hauptfachern Abschluss der Erweiterungspr fung im Fach Informatik f r das Lehramt an Gymnasien Promotionsstudiengang im Fach Chemie Aus bung einer T tigkeit als Ausbilder der Auszubildenden im Fach Chemielaborant bei der Carl von Ossietzky Universitat Oldenburg im Angestelltenverh ltnis Studienreferendar am Seminar Wilhelmshaven Erkl rung Hiermit best tige ich dass diese Arbeit mit dem Titel Stationen auf dem Weg ins Diskontinuum im Chemieunterricht der Sekundarstufe I von mir selbst ndig angefertigt wurde und dass die Stellen der Arbeit die in wesentlichen Teilen anderen Werken entnommen sind mit genauer Angabe der Quelle gekennzeichnet sind Weiterhin best tige ich dass benutzte Hilfsmittel an entsprechender Stelle von mir angegeben wurden Die Dissertation ist weder in Teilen noch in ihrer Gesamtheit einer anderen wissen schaftlichen Hochschule zur Begutachtung in einem Promotionsverfahren vorgelegt worden ber die Teile der Arbeit die bereits in Zeitschriften ver ffentlicht wurden wurde eine Liste dieser sowie die entsprechenden Publikationen in Kopie der Arbeit beigef gt Oldenburg 29 02 2004
195. en sich demnach in der Leere permanent in Bewegung und prallten dabei gelegentlich aufeinander wodurch sie in verschiedene Richtungen zerstreut w rden Atome die in Atomaggregaten angeordnet seien bewegten sich dabei zwangsl ufig gemeinsam in dieselbe Richtung Aus der Beobachtung dass alle sichtbaren K rper in Richtung der Erdoberfl che fielen schloss EPIKUR dass auch bei den Atomen die dorthin ausgerichtete Bewegung vorherrsche Die Ursache f r dieses Verhalten liege dabei in ihrer Schwere Dennoch sei es nicht so dass letztlich alle Atome auf den Erdboden fielen da durch den Aufprall der Atome aufeinander ein Teil stets wieder nach oben geschleudert werde KRAUTZ 1980 Abb 4 3 EPIKUR aus JANSEN 2003 Ein weiterer Unterschied zur Lehre DEMOKRITs war die Ansicht EPIKURs dass die Gr e der Atome weit unterhalb der Sinnesorgane liege da es ansonsten auch sichtbare Atome geben m sse Da die Gr e der Atome beschr nkt sei hielt EPIKUR auch die Anzahl an Atomformen f r begrenzt wohingegen die Anzahl an Atomen unendlich sei KRAUTZ 1980 22 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Die Sinneswahrnehmungen wie das Riechen und das Sehen erkl rte EPIKUR mit einer stetigen Str mung von Atomen die von der Oberfl che der K rper ausginge und in der die Atome die am Festk rper vorhandene Position und Anordnung bewahrten Am Sinnesorgan riefen diese Str mungen dann eine Reizempfindung hervor EPIKURS Naturphilosophie kommt
196. en sich unter verschiedenen Gesichtspunkten zu Gruppen zusammenfassen blicherweise werden bildhafte Darstellungen von Sachzusammenh ngen der Kategorie der ikonischen Modelle zugeordnet Unter den materiellen Modellen versteht man z B r umliche Molek lmodelle verkleinerte Umsetzungen makroskopischer Objekte und Modellsubstanzen Eine dritte Kategorie bilden die symbolischen Modelle unter die z B die chemischen Symbole oder die Darstellung von Summenformeln fallen Verschiedene Autoren ordnen ebenfalls mathematisch abstrakte Beschreibungen dieser Kategorie zu BLEICHROTH 1991 S 75 Diese Gruppen bieten nat rlich nur eine grobe Kategorisierungsm glichkeit und die Grenzen sind flie end berschneidungen der Kategorien gibt es vor allen Dingen im Bereich der Computersimulationen weshalb diese teilweise als eigene Kategorie betrachtet werden PFEIFER 2002 12 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG 3 3 Einsatz von Modellen in der Schule mit Hinblick auf die submikroskopische Ebene Modelle werden in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz gebracht Sie sind in der Lage Sachverhalte zu erkl ren und zu beschreiben indem sie als Veranschaulichung einer Theorie fungieren In Bereichen in denen die Arbeit am Original schwierig umsetzbar ist da sie beispielsweise zu kostspielig zeitaufwendig oder gef hrlich ist k nnen Modelle auch als Gegenstand experimentellen Handelns verwandt werden Hier sind vor allem Simulationen zu nennen P
197. en werden Abb 6 8 Symbkolteilchen f r Salze 64 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL 6 4 4 Elemente im Symbolteilchenmodell Bisher wurden nur Verbindungen und diejenigen Elemente betrachtet die in Form kleiner Molek le vorliegen n mlich Sauerstoff Wasserstoff Stickstoff und die Halogene An dieser Stelle m ssen zus tzlich noch Symbolteilchen f r die Metalle und Halbmetalle die Feststoffe Kohlenstoff Phosphor und Schwefel und die Edelgase gefunden werden F r diese Stoffe werden im Folgenden zwei M glichkeiten der Darstellung diskutiert die in Abb 6 9 zu sehen sind Da es sich bei den kleinen Teilchen der Elemente um Atome handelt stellt sich die Frage ob es sinnvoll ist diese Teilchen bereits im Symbolteilchenmodell mit einer Kugel darzustellen Variante 1 M chte man Symbole verwenden die ausschlie lich im Symbolteilchenmodell vorkommen bietet es sich an noch einmal zwischen Metallen und Nichtmetallen zu unterscheiden Variante 2 Da die Metalle im Anfangsunterricht eine gro e Bedeutung haben und den Sch lern als eigene Stoffgruppe vertraut sind sollten sie auch ein eigenes Symbol erhalten F r Variante 2 wurden wie bei den Salzen Formen ausgew hlt die nicht durch das Aneinanderlegen von wenigen Atomen gebildet werden k nnen Variante 1 Variante 2 atomar darzustellende Elemente Metalle und andere Elemente Halbmetalle Abb 6 9 Darstellungsm glichkeiten f r Elemente im Symbolteilchenmodell F r die Verwen
198. ennoch davon ausgehen dass diese sich in einem Kontinuum gel st befinden Besondere Schwierigkeiten haben Sch ler vor allem bei Fragestellungen die sich ein wenig von den im Unterricht behandelten Aufgaben entfernen So griff in einer weiteren Befragung von FRITSCH und EHLERT ber die H lfte der Sch ler die bereits ein Jahr Physikunterricht erhalten hatten und die die Teilchenvorstellung bereits kannten bei unbekannten Problemen spontan auf kontinuierliche Erkl rungen zur ck FRITSCH 1990 Im Folgenden werden einige in der Literatur diskutierte Teilbereiche der Diskonti nuumsvorstellung vorgestellt die Sch lern sowohl beim Erlernen des einfachen Teilchenmodells als auch sp ter bei der Besch ftigung mit dem Atommodell Schwie rigkeiten bereiten Im Anschluss daran wird auf Probleme eingegangen die sich aus der Darstellung des einfachen Teilchenmodells in Form von Kugeln ergeben 6 2 2 Vorgebildete Teilchen Es ist wichtig dass Sch ler verstehen dass die Teilchen bereits in den Stoffen vorge bildet und nicht das Produkt eines Teilungsvorgangs sind Einige der blichen Versuche wie das L sen des lodkristalls in Alkohol oder das Verdampfen einer Fl ssigkeit in den gasf rmigen Zustand beinhalten jedoch einen Zerteilungsvorgang Die Substanz wird dabei in immer kleinere Teilchen geteilt bis dieser Vorgang schlie lich an einem bestimmten Punkt beendet ist und die nun kleinsten Teilchen sich in der Fl ssigkeit oder in der Gaspha
199. enschaften zugesprochen werden k nnen SONE 1987 S 127 Aus optischen Untersuchungen ist bekannt dass Halbleiter bei Temperaturerh hung eine Verschiebung der Absorptionsbandengrenze hin zu gr eren Wellenl ngen zeigen Dieses ist durch die temperaturabh ngige Verschiebung der Bandl cke zwischen Valenz und Leitungsband begr ndet so dass bei steigender Temperatur geringere Energien n tig sind um diese zu berwinden SEEGER 2002 Die Temperaturabh ngigkeit der Bandl cke ist beispielhaft f r Germanium als typischen Halbleiter in Abb 8 3 angegeben 0 100 200 300 K Abb 8 3 Abh ngigkeit der Bandl cke es in Abh ngigkeit von der absoluten Temperatur f r Germanium Licht mit h herer Kreisfrequenz als se fi wird absorbiert da die Energie ausreicht um Elektronen vom Valenz ins Leitungsband zu heben SEEGER 2002 S 328 Bezogen auf das Kupfer l oxid w rde das bedeuten dass bei Raumtemperatur alle Wellenl ngen absorbiert werden die eine geringere Wellenl nge als die des roten Lichtes besitzen Daher wird das rote Licht reflektiert und die Substanz erscheint rot Bei Erh hung der Temperatur w rden nun mehr und mehr auch Wellenl ngen aus 112 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN dem roten Spektralbereich absorbiert so dass der Stoff schwarz erscheint Mit einem solchen Erkl rungsansatz lassen sich auch Farb nderungen bei starker Abk hlung von Kupfer I oxid in fl s
200. ensiv blau bei Chinolingelb intensiv gelb gef rbt 12 1 5 Versuche mit St rkekomplexen Chemikalien St rke z B RUF Feine Speisest rke Dextrin Kaliumtriiodidl sung c Kl3 0 05 mol L dest Wasser Vorbereitung F r eine St rkel sung wird eine 1 ige St rkesuspension in destilliertem Wasser hergestellt die auf ca 70 C nicht kochen erw rmt und anschlie end hei abfiltriert wird Auf die gleiche Weise stellt man die Dextrinl sung her Die Kaliumtriiodidl6sung wird folgenderma en hergestellt Zu einer gesattigten Kaliumiodidl sung werden 0 05 mol lod hinzugegeben zum Beispiel 1 27 g lod in 100 mL ges ttigter Kaliumiodidl sung Zur Herstellung der blauen lod St rkel sung gibt man dann zu der St rkel sung soviel Kaliumtriiodidl sung hinzu bis die L sung eine intensiv blaue Farbe angenommen hat z B zu 10 mL St rkel sung ca 1 mL Klz L sung Am besten arbeitet man hierbei auf einem beleuchteten Magnetr hrer Bei Verwendung der Dextrinl sung nimmt die L sung eine rotviolette Farbe an 170 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Versuchsdurchf hrung Es werden wie beschrieben eine blaue lod St rke und eine rotviolette lod Dextrinl sung hergestellt Das Becherglas wird nun zu ca drei Vierteln mit destilliertem Wasser das Rollrandgl schen etwa zur H lfte mit der lod St rke bzw lod Dextrinl sung gef llt Anm Diese Versuche eignen sich besonders als Sch lerversuche im Vergleich mit de
201. ent bereitet jedoch an zun chst unerwarteter Stelle Probleme Sobald man das Reagenzglas aus der Brennerflamme entfernt und abk hlen l sst ist eine vollst ndige R ckf rbung zur urspr nglich roten Farbe zu beobachten Diese Beobachtung l sst sich in keiner Weise mit der vorher aufgestellten Hypothese der Weiteroxidation zu schwarzem Kupferoxid vereinbaren Im weiteren Unterrichtsgang wird das rote wie auch das schwarze Kupferoxid im Wasserstoffstrom reduziert um so ber Differenzwagung und anschlie ende Umrechnung in Teilchenzahlen auf eine Verh ltnisformel schlie en zu k nnen Hierbei wird auch problemlos im Ergebnis festgestellt dass die Elemente Kupfer und Sauerstoff in den Verbindungen im Verh ltnis 2 1 bzw 1 1 zusammentreten 109 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN Der aufmerksame Experimentator macht allerdings bei der Reduktion von rotem Kupfer l oxid im Wasserstoffstrom erneut eine verbl ffende Beobachtung vgl Versuch 12 3 2 Mit zunehmender Erw rmung des Kupfer I oxids findet ebenfalls eine deutliche Farbver nderung von Rot zu Schwarz statt bevor eine Reduktion zu elementarem Kupfer einsetzt Auch diese Beobachtung steht im Widerspruch zu der Theorie einer Weiteroxidation da unter den vorherrschenden Reaktionsbedingungen kein Sauerstoff zugegen ist 8 1 Das Ph nomen der Thermochromie Die Erkl rung f r das eigent mliche Verhalten des Kupfer l oxids steht im Zusammen
202. er dass das Wissen ber die Welt vom Menschen konstruiert wird Der lerntheoretische Ansatz des Konstruktivismus befasst sich mit der Frage wie der Lernende aus seinen eigenen Erfahrungen seine Vorstellungen entwickelt Hierbei r ckt jedoch die im erkenntnistheoretischen Konstruktivismus wesentliche Frage in den Hintergrund in welchem Verh ltnis die Konstrukte des Verstandes zur realen Welt zur Wirklichkeit an sich stehen STORK 1995 Dar ber hinaus befasst sich der pragmatisch moderate Konstruktivismus auch mit Fragen der gemeinschaftlichen Erkenntnisgewinnung und in diesem Zusammenhang auch mit der Rolle des Lehrenden Auf der Basis dieses lerntheoretischen Ansatzes wird konstatiert dass Lernen eine konstruktive Eigent tigkeit von Individuen STORK 1995 ist Der Versuch Wissen durch einfache Mitteilung weiterzugeben gelingt nicht und kann allenfalls zur Kenntnis von Einzelfakten f hren STORK 1995 Dieses w rde entsprechend lediglich zu tr gem Wissen beitragen also Wissen das nicht zur Anwendung kommt das in bestehendes Vorwissen nicht integriert wird und zu wenig vernetzt und damit zusammenhangslos ist GERSTENMAIER 1995 S 867 Anwendbares Wissen muss entsprechend vom Lernenden selbst konstruiert werden Wichtige Vorstellungen zu solcher Wissenskonstruktion gehen auf JEAN PIAGET zur ck PIAGET vertritt die Ansicht dass der Wissenserwerb ein aktiver Prozess des Lernenden ist bei
203. er Grad an Eigenverantwortung und Selbst ndigkeit der Sch ler kann beim Lernen an Stationen jedoch im Vergleich zu anderen Formen des offenen Unterrichts besonders gut vom Lehrer gesteuert werden je nachdem wie eng er die Vorgaben in Bezug auf den zeitlichen Rahmen und die inhaltliche Ausgestaltung der Aufgaben setzt LEERHOFF 2000 Der hier vorgestellte Lernzirkel wurde f r Sch ler des Chemieanfangsunterrichtes konzipiert und enth lt sehr konkrete Aufgabenstellungen Weiterhin ist der Umfang der Aufgaben an den Stationen und die Anzahl von sechs Stationen verh ltnism ig gering um eine berforderung der Sch ler zu vermeiden Bei einem berangebot an Lernstationen besteht die Gefahr dass Sch ler die nicht mit der Methode vertraut sind den berblick verlieren und oberfl chlich und fl chtig arbeiten um alle Stationen schnell zu absolvieren Dagegen bieten auch wenige Stationen bereits mehr Abwechslung als der herk mmliche Unterricht und wirken sich positiv auf die Lernmotivation aus BEUREN 2000 S 7 7 3 2 Die Durchf hrung des Lernzirkels Damit ein Thema in Form eines Lernzirkels durchgef hrt werden kann muss es sich in Teilbereiche unterteilen lassen deren Bearbeitung unabh ngig von den anderen Teilbereichen m glich ist F r einen Lernzirkel sind also solche Stationen gut geeignet die nicht aufeinander aufbauen und die bezogen auf den gesamten Lernzirkel voraussetzungslos sind ST UDEL 2000 Dies l sst sich b
204. er ehe ich den Boden herausschneiden lie wurden der Metallklumpen und der Kalk Oxid zusammen auf derselben Waage gewogen und wir fanden da sich das Gewicht um dreiundzwanzig Gran und mehr ca 1 48 g erh ht hatte obwohl der ganze Kalk den wir leicht trennen konnten nachdem er allein gewogen wurde nicht mehr als vier Skrupel oder achtzig Gran 5 1 g ausmachte zitiert nach TOUMIN 1970 S 225 Durch das ffnen des Kolbens konnte f r den nun im Oxid gebundenen Sauerstoff Raumluft in den Kolben nachstr men wodurch insgesamt eine Gewichtszunahme des Kolbens zu verzeichnen war Da die Chemiker dieser Zeit Gase noch nicht in ihre Untersuchungen einbezogen stellte BOYLE keinen Zusammenhang zwischen der 25 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS verbrauchten Luft und der Verkalkung des Metalls her Er vermutete daher folgende Ursache f r die Massenzunahme Mein Argument beruht auf der Anschauung des Leukipp Demokrit und anderer hervorragender Atomisten des Altertums die in unserer Zeit von durchaus nicht unbedeutenden Philosophen zu neuem Leben erweckt worden ist da n mlich unser K chenfeuer wie es die Chemiker benutzen aus Scharen von kleinen in rascher Bewegung befindlichen K rpern besteht die infolge ihrer Kleinheit und Beweglichkeit die festesten K rper selbst Glas durchdringen k nnen Falls diese Anschauung richtig ist ist es wohl keine widersinnige Vermutung da Mengen dieser feurigen K rp
205. er gedanklichen Repr sentationen konstruiert KANT folgert daraus dass die Naturgesetze als Verkn pfung aus Ursache und Wirkung nicht direkt der au erhalb der Wahrnehmung existierenden Welt entspringen sondern eine f r den menschlichen Verstand spezifische Form der Verkn pfung darstellen STORK 1995 Wichtige St tze dieser Aussagen sind neurobiologische Erkenntnisse die besagen da Sinnesorgane zwar die zur Wahrnehmung notwendigen Reize liefern die eigentliche Wahrnehmung aber in den Hirnregionen stattfindet die mit den Sinnesorganen vernetzt sind GERSTENMAIER 1995 S 869 Eine der Kernaussagen dieser als radikal konstruktivistische Perspektive bezeichneten Auffassung ist daher dass objektive Erkenntnis unm glich ist Der Mensch konstruiert die Wirklichkeit selbst Diese ist immer ein subjektives Modell der Realit t das auf der Basis bereits erlangter 4 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS Erkenntnisse erweitert und angepasst wird Hierzu wird nur verarbeitet was hineingelassen wird viabel d h passend ist und dem Strukturerhalt dient GERSTENMAIER 1995 S 869 Es ist nach ROTH nicht Aufgabe des Gehirns ein m glichst exaktes Abbild der Realit t zu schaffen GERSTENMAIER 1995 2 2 Lerntheoretische Ans tze des Konstruktivismus W hrend einige Standpunkte des radikal konstruktivistischen Ansatzes strittig sind besteht Einigkeit innerhalb der verschiedenen Sichtweisen dar b
206. er so weit zu sagen dass bildhafte Darstellungen der submikroskopischen Ebene im Unterricht g nzlich zu vermeiden w ren denn deren Anschaulichkeit verdecke die Andersartigkeit der submikroskopischen Ebene BUCK 1994 Dem k nnte man entgegenhalten Jedes Modell stellt eine Vereinfachung dar Aus diesem Grund kann ein Modell niemals falsch oder veraltet sein es kann allenfalls ungeeignet sein n mlich dann wenn man Fakten mit dem Modell in Zusammenhang bringt die bei der Konstruktion des Modells nicht ber cksichtigt wurden MAHL 1975 Weiterhin weist BLEICHROTH ausdr cklich darauf hin dass bildhafte Darstellungen sehr viel nachhaltiger im Ged chtnis haften und entsprechend besser reproduziert werden als verbale Aussagen BLEICHROTH 1989 Auch BARKE pl diert f r den st rkeren Einsatz solcher bildhaften und symbolischen Darstellungen um zu verhindern dass jeder Sch ler individuell seine eigene Vorstellung entwickelt Dieses f hrt zu einer F lle von Fehlvorstellungen BARKE 2002 1990 3 3 1 Das chemische Dreieck Die submikroskopische Ebene nimmt eine entscheidende Stellung in allen Bereichen der Chemie ein Modellhafte Zug nge sind hier unerl sslich und finden in den verschiedenen Bereichen Anwendung Atommodelle Bindungsmodelle etc Sch ler erfahren im Laufe ihrer schulischen Ausbildung immer mehr ber die submikro skopische Ebene und die verwendeten Modelle werden immer umfangreicher Hin
207. er voranzutreiben ist es g nstig das Amperemeter statt des Elektromotors zwischen den Elektroden eingeschaltet zu lassen wegen seines geringeren Innenwiderstandes Beobachtungen Man kann beobachten dass sich der Motor dreht und mit dem Amperemeter feststellen dass die Elektronen vom Zink zum lod wandern Nach etwa einer halben Stunde kann eine Aufhellung der lodl sung ausgemacht werden Um einen Vergleichswert zur Verf gung zu stellen empfiehlt es sich eine Probe der lodl sung in einem Reagenzglas hnlichen Durchmessers zum Vergleich bereitzustellen E Entsorgung Etwaige anfallende lodreste k nnen mit Natriumthiosulfat reduziert und dann kanalysiert werden Arbeitsblatt Name Klasse Datum Schuljahr Was passiert bei der Reaktion von Zink mit lod auf der Teilchenebene te Leiterdraht fe Y dp O x Atome des Zinkblechs lod in der L sung In der zweiten Versuchsvariante der Reaktion von Zink mit lod habt Ihr den abgebildeten Aufbau kennen gelernt Hier sind noch einmal die beiden Reaktionspartner das Zinkblech und das lod stark vergr ert dargestellt A Aufgaben 1 Zeichne in der Abbildung die Bewegungsrichtung der Elektronen im Stromkreis ein 2 Versuche beispielhaft den Weg eines Elektrons in der Abbildung darzustellen 3 Schreibe Vermutungen auf von wo genau die Elektronen kommen und wo genau sie hingehen
208. erchen durch die Poren des Glases hindurchdringen und sich mit den Teilen des gemischten K rpers auf den sie einwirken verbinden k nnen BOYLE 1929 S 58f NICOLAS LEMERY 1645 1715 ein Anh nger GASSENDIs systematisierte die atomistischen Ansichten und entwickelte die Vorstellungen BOYLEs weiter Er f hrte die Wirkung der Stoffe auf die Gestalt ihrer Teilchen zur ck So stellte er sich vor dass die Teilchen einer S ure Stacheln h tten mit denen sie in die Poren von Metallen oder alkalischen Stoffen eindringen k nnten STRUBE 1999 S 112 Die St rke einer S ure h ngt dann davon ab wie gro und wie spitz diese Stacheln sind CARRIER 1984 S 95 Diese Sichtweise zeigt noch einmal die Besonderheit des Atomismus bzw Korpuskularismus im 17 Jahrhundert Im Gegensatz zur Antike in der der Schwerpunkt der Betrachtung eher philosophischer Natur war geht es hier um die konkrete Erkl rung chemischer und physikalischer Vorg nge Dies geschieht auf rein mechanistische Weise bei der die Form und die Oberfl chen der Teilchen mit denen sie aufeinander einwirken der Ausgangspunkt sind Bei der Argumentation mit konkreten Teilchen und beispielsweise den H kchen auf ihrer Oberfl che f llt dann auch kaum ins Gewicht ob man die Teilchen f r teilbare Korpuskeln oder f r unteilbare Atome h lt Dabei erfolgt die Einrichtung der mikroskopischen Welt nach dem Muster der makroskopischen CARRIER 1984 S 95 wie die Vorstellung vo
209. ere eine Wortgleichung f r die Reaktion 3 Deute das Versuchsergebnis Beziehe dich dabei auch auf das Gewicht des Kolbens vor und nach der Reaktion Station Pflanzenwachstum A Gr ne Pflanzen bilden bei Belichtung Traubenzucker in ihren Bl ttern Als Ausgangsstoffe f r den Aufbau des Traubenzuckers m ssen in den Bl ttern der Pflanze Kohlenstoffdioxid und Wasser vorhanden sein Das Wasser wird bei Landpflanzen durch die Gef e aus der Wurzel herangeleitet Das Kohlenstoffdioxid ist in geringen Mengen in der Luft enthalten und tritt durch die Spalt ffnungen in das Blatt ein Der beim Aufbau des Traubenzuckers freigesetzte Sauerstoff verl sst das Blatt durch Spalt ffnungen Der Aufbau von Traubenzucker aus Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff wird Fotosynthese genannt Der Traubenzucker wird im Blatt rasch zu St rke umgebaut die von der Pflanze gespeichert werden kann Sie ist aber nicht wasserl slich und kann deshalb in der Pflanze nicht transportiert werden St rke wird je nach Bedarf der Pflanze wieder in einen wasserl slichen Zucker umgebaut der in der Pflanze verteilt werden kann Normalerweise k nnen die Pflanzen durch die Fotosynthese mehr Traubenzucker herstellen als sie f r ihren eigenen Energiebedarf wieder verbrauchen Den berschuss k nnen sie in viele verschiedene Stoffe umwandeln wie beispielsweise Traubenzucker und Fruchtzucker die sich im Fruchtfleisch des Apfels finden Di
210. eren Kontinua in immer weiter teilbare St cke geteilt werden k nnen KRAUTZ 1980 S 152f Er definiert das Kontinuum als eine begrenzte als ganze gegebene Gr e die unbegrenzt teilbar ist d h soweit man mit der Teilung auch kommt man st t prinzipiell niemals auf letzte Teile auf unteilbare zusammensetzende Einheiten Wie klein man die Teile auch macht sie sind weiter teilbar und zwischen allen beliebigen Teileinschnitten befindet sich wiederum unbegrenzt Teilbares ARITSTOTELES zitiert nach CRAEMER RUEGENBERG 1980 S 82 Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Bewegung ARISTOTELES stellt fest dass Bewegungen wie beispielsweise das Gr er und Kleinerwerden in Form kontinuierlicher berg nge abliefen CRAEMER RUEGENBERG 1980 Alle K rper die sich bewegten bef nden sich dabei in einem bestimmten Medium Weiterhin hielte die Bewegung eine bestimmte Zeitspanne an Daraus schlie t ARISTOTELES dass f r die sich bewegenden K rper das Medium die Bewegung und die Zeit dieselben Regeln bei der Zerteilung gelten m ssten Da die Bewegung kontinuierlich sei m ssten es auch die anderen damit verbundenen Parameter sein KRAUTZ 1980 S 151 Die K rper sind bei ARISTOTELES also auch Kontinua womit sie nicht aus unteilbaren Teilchen aufgebaut sein k nnen So wie die oben beschriebene Linie nicht aus diskreten unteilbaren Punkten aufgebaut sein kann kann sich kein kontinuierlicher K rper aus unteilbaren A
211. eren werden die Lernenden zur Auswertung selbst mit einer f r die 9 Klasse recht umfangreichen mathematischen Rechnung konfrontiert Dabei wird ein mathematisches Verst ndnis f r die Berechnung von Fl cheninhalten von Kreisen und Volumina von Zylindern sowie damit einhergehender Potenzrechnung vorausgesetzt Ist der Mathematikunterricht noch nicht an dieser Stelle angelangt so muss die Herleitung der Formeln entweder im Chemieunterricht erfolgen oder die Formeln m ssen vom Lehrer vorgegeben werden was in beiden F llen ein Vorgriff von Materie des Mathematikunterrichts zur Folge hat Auch die Rechnung selbst ist f r viele Sch ler der 9 Klasse uneinsichtig bzw kompliziert so dass die Gefahr besteht 35 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN dass mehr Zeit f r die Herleitung der Ergebnisse verwandt werden muss als f r eine anschlie ende Diskussion derselben Dies kann nat rlich nicht im Sinne eines kritischen naturwissenschaftlichen Unterrichts sein der die Sch ler zum Nachdenken ber ihre Umwelt und somit auch zum Einordnen gewonnener Erkenntnisse in einen gr eren Kontext anleiten soll 5 2 Hinf hrung zur Vorstellung der Diskontinuit t durch das Konzept des Molekularen Siebens Im Folgenden soll daher ein alternativer Weg aufgezeigt werden der in einem experimentell angelegten Unterrichtsgang die Lernenden den bergang von der Kontinuums zur Diskontinuumsvorstellung erschlie en l sst und die Einf hrung
212. erglas Rollrandgl schen Einmachfolie DETI Gummib nder Stativ mit Klemme und Muffe evtl Hebeb hne wei es Papier als Unterlage Farbstoffl sung im Rollrandgl schen Becherglas mit w ssriger L sung Abb 12 1 Versuchsaufbau zum molekularen Sieben S mtliche Versuche werden gem Abb 12 1 aufgebaut In das Rollrandgl schen bzw das Becherglas werden wie im Folgenden beschrieben die L sungen eingef llt 12 1 1 Versuche mit anorganischen Salzen Chemikalien konzentrierte Kaliumpermanganatl sung c KMnO gt 0 1 mol L konzentrierte Kaliumchromatl sung c K2CrO gt 0 1 mol L konzentrierte Kaliumdichromatl sung c K2Cr207 gt 0 1 mol L konzentrierte Kaliumtriiodidl sung c Kl3 gt 0 1 mol L dest Wasser 167 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Abb 12 2 Molekulares Sieben von Kaliumpermanganat L sung links und Kaliumchromat L sung rechts Versuchsdurchf hrung Das Becherglas wird ca zu drei Vierteln mit destilliertem Wasser das Rollrandgl schen etwa zur H lfte mit einer der konzentrierten Salzl sungen gef llt Beobachtungen Nach kurzer Zeit sieht man deutlich farbige Schlieren des betreffenden Salzes von der Folie herabsinken im Falle des Kaliumpermanganats sind diese violett bei Kaliumchromat gelb bei Kaliumdichromat orangegelb und bei Kaliumtriiodid braungelb gef rbt 12 1 2 Versuche mit S uren und Laugen Chemikalien 250 mL Becherglas anstelle des 1
213. erimente Versuche mit organischen Farbstoffen vgl Versuch 12 1 3 und Versuche mit Lebensmittelfarbstoffen vgl Versuch 12 1 4 ergibt Gibt man eine handels bliche Lebensmittelfarbstoffl sung wie bei Versuch 12 1 4 in das Rollrandgl schen so erkennt man zun chst keinen Durchtritt des Farbstoffs durch die Membran Erst nach l ngerer Zeit nimmt man eine schwache F rbung der L sung im Becherglas wahr Fullt man hingegen eine L sung des reinen Farbstoffs in hoher Konzentration wie bei Versuch 12 1 3 in das Rollrandgl schen so sieht man schon nach kurzer Zeit deutlich Schlieren von der Membran herabsinken Diese unterschiedlichen Ergebnisse bei Verwendung desselben Farbstoffs k nnen zun chst zu einer falschen Interpretation der Versuchergebnisse f hren wenn man das Experiment 12 1 4 zu fr h abbricht Eine m gliche Erkl rung f r dieses Ph nomen liefert die Theorie der Lichtdurchl ssigkeit von Farbstoffl sungen die ihre Anwendung in der auch im Unterricht zu behandelnden Photometrie findet vgl JANSEN 1984b S 49 51 Nach dieser Theorie wird ein Teil des Lichtes welches man durch eine Farbstoffl sung schickt absorbiert Schickt man einen wei en Lichtstrahl durch die L sung so ergibt sich also die Farbe der L sung als Differenz der wei en Anteile minus der absorbierten Anteile Bei einer blau erscheinenden L sung werden also alle Anteile des wei en Lichts au er dem Blauen absorbiert Die Intensit t der Farbe h
214. ern z B BLUME 1995 EISNER 1995 J RSS 1984 vor der Einf hrung des DALTONschen Atommodells verwendet werden in Form von Symbolteilchen darzustellen Dabei ist die Gestalt des Symbolteilchens nach M glichkeit an die tats chliche Au enform des dargestellten Teilchens angelehnt wodurch eine sinnvolle Beziehung zwischen der Form des Symbolteilchens und der Struktur des kleinen Teilchens f r das das Symbolteilchen steht hergestellt wird Bei der Gestaltung der Symbole werden bewusst Formen ausgew hlt die sich nicht l ckenlos aneinanderf gen lassen Wie in Abschnitt 6 2 4 erl utert sind viele Sch ler der Ansicht dass zwischen den Teilchen von Feststoffen keine Zwischenr ume bestehen H tte man nun Symbolteilchen deren geometrische Form es erlaubt sie ohne L cken zusammenzulegen so k nnten dies Sch ler in eigenen Zeichnungen auch tun Da die Existenz leerer Zwischenr ume ein wichtiger Bestandteil des Teilchenmodells ist muss hierauf bei der Auswahl der Symbolteilchen R cksicht genommen werden Grunds tzlich wird die Form der Symbolteilchen m glichst einfach gehalten damit auch Sch ler die nicht ber ausgepr gte feinmotorische F higkeiten verf gen in der Lage sind relativ schnell einige von diesen Teilchen zu zeichnen Au erdem wird darauf geachtet dass sich die Gestalt verschiedener Symbolteilchen deutlich voneinander unterscheidet so dass sie auch bei nicht ganz exakten Skizzen nicht verwechselt werden k nnen Ta
215. erricht kennen gelernt hatten zu der falschen Annahme der Massenkonstanz SUMFLETH 1992 Um zuf llig richtig angekreuzte L sungen auszuschlie en sollte in der vorliegenden Untersuchung von jedem Befragten eine Begr ndung seiner Entscheidung angegeben werden Im Rahmen dieser Untersuchung wurden 647 Sch ler in verschiedenen Jahrgangsstufen von der 8 bis zur 13 Klasse an verschiedenen Gymnasien in Niedersachsen befragt Zur Ermittlung der Vorkenntnisse der Sch ler wurde zudem ein Fragebogen an die jeweiligen Lehrer ausgeteilt s Anhang 99 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 7 4 2 Ergebnisse der Untersuchung 7 4 2 1 berblick ber die Ergebnisse Von den ausgewerteten Frageb gen wurden 60 richtig mit dem Gleichbleiben der Masse beantwortet und begr ndet 29 der Befragten waren der Meinung dass die Masse der Apparatur abnehmen m sse w hrend sich 6 f r eine Massenzunahme entschieden vgl JOHANNSMEYER 2003 Als richtig begr ndet wurden Ausf hrungen gewertet in denen die Massenerhaltung direkt erw hnt wurde oder in denen darauf hingewiesen wurde dass nichts in den Kolben hinein bzw aus ihm herausgelangen k nne Hierbei wurden auch jene Antworten als richtig gewertet die ber diesen Sachverhalt hinaus eventuell falsche Spekulationen bez glich der ablaufenden chemischen Prozesse u erten Der Versuch wurde in diesen F llen zwar nicht vollst ndig richtig erkl rt die Ideen zur Ma
216. ersuchung ein Fragebogen mit einer konkreten Skizze des Versuchsaufbaus verteilt vgl Abb 7 17 Durch die einfache und direkte Art der Fragestellung war es den Sch lern eventuell m glich durch die Oberfl chenstruktur der Frage auf die L sung zu schlie en was SUMFLETH ausdr cklich ausschlie en wollte 98 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL In dem verschlossenen mit Sauerstoff gef llten Rundkolben wird Holzkohle Kohlenstoff verbrannt Die gesamte Versuchsapparatur wiegt 300 g Nach der Reaktion ist kein Kohlenstoff mehr zu sehen Wie wird sich die Masse der Versuchsapparatur ver ndern Sauerstoff Kohlenstoff 300 000 E T Kreuze bitte an O Die Masse nimmt zu O Die Masse bleibt gleich O Die Masse nimmt ab Begr nde bitte Deine Antwort Abb 7 17 Umfrage Bogen zum BoYLE Versuch In der von SUMFLETH vorgestellten Untersuchung sollten die Sch ler angeben ob die Masse aller entstehenden Stoffe bei der Verbrennung von einem Gramm Kohlenstoff gr er geringer oder gleich der Masse des eingesetzten Kohlenstoffs sei In diesem Fall ist die richtige Antwort also die Massenzunahme da der Kohlenstoff sich mit dem Sauerstoff verbindet Um zur richtigen Antwort zu gelangen mussten die Sch ler bei SUMFLETH die Aufgabe sehr genau durchdenken Eine blo e Assoziation zum Gesetz von der Erhaltung der Masse f hrte daher bei einigen Sch lern die dies bereits im Unt
217. ertragen werden kann Zudem wird den Lernenden die M glichkeit gegeben Probleme aus multiplen Perspektiven zu betrachten Dadurch lernen sie Inhalte unter variierenden Aspekten bzw von verschiedenen Standpunkten aus zu sehen und zu bearbeiten Dies soll die flexible Anwendung von Wissen f rdern Artikulation und Reflexion Ein weiteres Mittel der Gefahr vorzubeugen da Wissen das im Kontext der L sung eines bestimmten Problems erworben wird an eben diesen Problemkontext gebunden bleibt sollen Probleml seprozesse artikuliert und reflektiert werden Damit soll die Abstrahierung des Wissens gef rdert werden Abstrahiertes Wissen in diesem Sinne unterscheidet sich von abstraktem Wissen darin da es mit Situationsbez gen verkn pft und damit anwendbar ist Lernen im sozialen Austausch Lernumgebungen sollen dem sozialen Kontext einen wichtigen Stellenwert zuweisen Kooperatives Lernen und Probleml sen in Lerngruppen soll ebenso gef rdert werden wie gemeinsames Lernen und Arbeiten von Lernenden mit Experten im Rahmen situierter Problemstellungen MANDL 1997 S 171 Diese Merkmale finden sich in verschiedenen Instruktionsans tzen konstruktivistisch orientierter Vorgehensweisen wieder z B cognitive apprehenticeship Sie bilden sozusagen einen gemeinsamen Kern der als grunds tzliche Leitidee das aktive L sen von komplexen Problemen ber cksichtigt um eine hohe Anwendbarkeit des Wissens zu erreichen und tr ges Wissen zu vermeid
218. estehen Weiterhin k nnten Gr enunterschiede zwischen den verschiedenen linearen Molek len ber cksichtigt werden In Schulbuchdarstellungen besteht die M glichkeit auf solche Unterschiede einzugehen sollen die Sch ler aber selbst zeichnen ist dies sicherlich zu aufw ndig Weitere Vereinfachungen bestehen darin dass jeweils nur ein Teilchen f r die Alkane und eines f r die Alkohole verwendet wird Eine st rkere Ausdifferenzierung dieser Teilchen die im Anfangsunterricht ohnehin haupts chlich als L sungsmittel verwendet werden w rde den Komplexit tsgrad unn tig erh hen Dieses Modell soll ja seine Hauptanwendung vor der Einf hrung des DALTONschen Atommodells finden und somit auch vor der Einf hrung komplexer Verbindungen Die Verwendung von Symbolteilchen f r organische Stoffe im Chemieunterricht der Mittelstufe ist von Vorteil da hier in der Regel nicht auf die Struktur organischer Molek le eingegangen wird und nur Reaktionen von anorganischen Stoffen betrachtet werden Danach ist es auch lange nach der Einf hrung des DALTONschen Atommodells nicht m glich beispielsweise Alkoholteilchen mithilfe des Atommodells zu visualisieren M chte man diesen Stoff dennoch auf Teilchenebene darstellen kann immer noch auf das Symbolteilchen zur ckgegriffen werden Bisher wurde nur die Form der Teilchen diskutiert Neben der Form gibt es nat rlich auch die M glichkeit die Symbole farbig zu gestalten und somit den Stoffteilchen eine
219. estellt Hierbei sind Zink lod und Zinkiodid jeweils auf Basis des DALTONschen Atommodells dargestellt w hrend die Wasserteilchen im Symbolteilchenmodell visualisiert werden Hier erweist sich die unterschiedliche Darstellungsweise der Modellebenen als sinnvoll denn anhand der Form der Wasserteilchen ist sofort ersichtlich dass es sich hierbei um Teichen einer kleinsten Reinstoffeinheit handelt w hrend die Atome durch Kugeln dargestellt sind Daher besteht nicht die Gefahr dass Sch ler die Teilchen des L sungsmittels als Wasseratome ansehen lt gt y A 4 3 lt P VE wa Se Stine amp a Zink c Zinkiodid Abb 10 5 Vorl ufige Visualisierung w ssriger L sungen von Zink lod und Zinkiodid auf der Grundlage des DALTONSchen Atommodells Die Lernenden haben im vorhergehenden Unterricht herausgefunden dass sich die Atome des Zinks nicht im Wasser zu l sen verm gen Die des lods l sen sich nur sehr schlecht mit brauner Farbe Wenn diese Atome nun in der Verbindung Zinkiodid fortbestehen und sich nur umgruppiert haben dann gelangen die Lernenden an dieser Stelle an einen logischen Konflikt welcher aber hier erw nscht ist Da in der w ssrigen L sung die Ordnung der Atome keine Rolle spielt ist nach diesem Modell 135 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION die extrem gute Wasserl slichkeit des Zinkiodids nicht zu erkl ren Dazu ergibt sich das Problem der Farbigkeit der L sung des lods da
220. estst bchen deren Herstellung in Kapitel 12 2 2 1 beschrieben ist Wasser nachgewiesen werden Die Sch ler sind also in der Lage f r die vorliegende Reaktion die Wortgleichung Holz Kohlenstoff Wasser mit Hilfe ihrer Beobachtung aufzustellen Hierbei handelt es sich um eine Vereinfachung des Vorgangs da Holz im engeren Sinne nicht als einheitlicher Stoff aufgefasst werden kann und die Verkohlung von Holz ein sehr komplizierter Vorgang ist bei dem neben Kohlenstoff und Wasser viele weitere Stoffe entstehen vgl Kapitel 7 3 8 2 Bei der Erarbeitung des einfachen Kohlenstoffkreislaufs ist es sinnvoll sich zugunsten einer h heren bersichtlichkeit auf die Produkte Kohlenstoff und Wasser zu beschr nken Wegen der entstehenden Gase sollte der Versuch nach M glichkeit unter dem Abzug durchgef hrt werden Wurde allerdings die Einf hrung der chemischen Reaktion bereits am Beispiel der Holzverkohlung vollzogen so sind den Sch lern weitere gasf rmige Reaktionsprodukte bekannt so dass diese zus tzlich in der Wortgleichung ber cksichtigt werden k nnen z B Holz Kohlenstoff Wasser Gas Einen hnlichen Versuch beinhaltet die Station Verkohlen B vgl Abb 7 11 an der die Sch ler Kresse in einer Abdampfschale verkohlen sollen vgl Versuch 12 2 2 7 Auch hier kann freiwerdendes Wasser mit Hilfe eines Testst bchens nachgewiesen und eine einfache Wortgleichung aufgestellt werden Dabei ist zu bedenken dass das Wasser
221. eteiligten Stoffe insbesondere des Schwefels fehlerhaft Bez ge sich die Abbildung auf das Kugelteilchenmodell so w re die obere Abbildung in welcher das Produkt aus einer eigenen Teilchenart besteht die L sung Eine solche Abbildung findet sich jedoch in keinem Buch als Darstellung der chemischen Reaktion im Kugelteilchenmodell da das Verschmelzen von Kugeln jedem der mit dem DALTONSchen Atommodell vertraut ist widerstrebt denn im Atommodell ist die Erhaltung der Atome eine zentrale Aussage Die Sch ler m ssen f r eine erfolgreiche Deutung von Abb 6 5 von der ihnen vertrauten Modellebene der Kugelteilchen zur Modellebene der Atome wechseln Im Gegensatz zur Situation im zuvor diskutierten Schulbuchabschnitt aus Eisner 1995 in dem Abb 6 4 eingesetzt wurde erfahren die Sch ler aus der Beschriftung von Abb 6 5 aus J CKEL 1993 S 58 dass die Ebene der Atome und nicht die der einfachen Teilchen betrachtet werden soll Der Atombegriff wird jedoch erst auf der vorangehenden Doppelseite des Schulbuches mit der Definition der Atome als kleinste Teilchen der Elemente eingef hrt Die Behandlung des Atoms im Sinne des DALTONSchen Atommodells erfolgt dagegen erst sp ter Somit ist davon auszugehen dass die Sch ler erst eine sehr vage Vorstellung von den Atomen haben und ihnen der Modellwechsel vom Kugelteilchenmodell zum Atommodell sehr schwer fallen wird Weiterhin ist verwirrend dass in Abb 6 5 von der chemischen Reaktion
222. eu gewonnenen Sichtweisen legitimiert indem sie auf eine m glichst gro e Anzahl von Beispielen angewandt werden und sich dabei als fruchtbar erweisen Aus den Ans tzen des gem igten Konstruktivismus wird klar dass jeder Lernende eigenst ndig sein Wissen konstruiert Dieser Prozess muss vom Lernenden aktiv vollzogen werden so dass die Rolle der Lehrperson unter neuen Gesichtspunkten betrachtet werden muss Der Lehrende kann dabei als Experte verstanden werden der in die Wissenskonstruktion des Lernenden an geeigneten Stellen eingreift und diese durch Bereitstellung entsprechender Informationen lenken kann In Anlehnung an handwerkliche Ausbildungen ist hier ein Instruktionsansatz unter dem Begriff der kognitiven Meisterlehre cognitive apprenticeship entwickelt worden wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll dass der Experte den Neuling auf dem Weg zu einer wissenschaftlichen Sichtweise begleitet H URLER 1998 Hierbei leitet der Experte den Neuling zun chst an um diesen in die neue naturwissenschaftliche Kultur einzuf hren was als Coaching bezeichnet wird Dem Neuling wird dann eine Hilfestellung gegeben sich eigenst ndig die neue Kultur zu erschlie en was als Scaffolding bezeichnet wird W rtlich bersetzt handelt es sich um das Bauen eines Ger stes das dem Neuling das eigenst ndige Erklimmen des Geb udes der neuen Kultur er ffnet den Einstieg zu erm glichen H u ler 1998 S 196 Im letzten Stadi
223. f fest etabliert und eine gro e Anzahl von Folgebegriffen sind aus ihm hervorgegangen Diese m ssten nun durch entsprechende Wortneubildungen ersetzt werden was wohl kaum eine Chance der Realisierung hat JANSEN 1991 Es ist ebenso nicht w nschenswert dass f r die Schule ein eigenes Vokabular geschaffen wird welches im Alltag und in der Fachwelt keine Verwendung findet 159 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT H HNDEL hingegen beschreibt einen Weg wie auch im Anfangsunterricht ein erweiterbarer Redoxbegriff eingef hrt werden kann ohne Elektronen berg nge oder Sauerstoff bertragungen heranzuziehen Ausgehend von einer Atommodellvorstellung in der Ver nderungen an den Atomen vorstellbar sind greift er die Ver nderungen auf Teilchenebene auf die bei einer Oxidation bzw Reduktion ablaufen Wie man an der Erhaltung der Masse sieht verschwinden die Atome der verbrannten Stoffe nicht Wenn ein Stoff mit einem anderen verbrennt oder allgemein wenn Stoffe miteinander reagieren ndert sich etwas an den Atomen HAHNDEL 1991 Die Deutung chemischer Reaktionen wird also wie es H HNDEL ausdr ckt im Sinne eines ph nomenologisch begr ndeten Redoxbegriffes vorgenommen H HNDEL 1991 Konkret schl gt H HNDEL in seiner Unterrichtskonzeption vor Reaktionen der Metalle im Anfangsunterricht nicht nur mit Sauerstoff sondern auch mit Chlor Brom lod und Schwefel durchzuf hren Aus den im Prinzip immer gleichar
224. f wiegt ja etwas und wenn kein Kohlenstoff mehr da ist kann das auch nichts mehr wiegen Also wird die Apperatur leichter Sch ler KI 11 Weil sie vergl ht wenn man sie erhitzt Dadurch wird sie weniger und das Gewicht wird weniger Sch lerin KI 8 Auch diese Erkl rung der Massenabnahme durch Verbrennen des Kohlenstoffs entspricht der allt glichen Erfahrung der Sch ler in welcher Verbrennungen mit 104 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Vernichtung in Zusammenhang gebracht werden Die Vorstellung von der Vernichtung stimmt dabei mit der ph nomenologischen Beobachtung des Verbrennungsvorganges berein da der Kohlenstoff nach Versuchsende nicht mehr zu sehen ist SCHMIDT 2003 Damit ist der Kohlenstoff auch nicht mehr im Sinne WENINGERS wonach ein Stoff ausschlie lich ber seine Eigenschaften definiert wird als Stoff vorhanden WENINGER 1982a b Erst die Einbeziehung des Reaktionsprodukts in welchem die Atome des Kohlenstoffs erhalten bleiben zeigt dass keine Masse verloren geht Neben der Massenverminderung durch Verbrennen des Kohlenstoffs nennen einige Sch ler auch den Verbrauch von Sauerstoff als Ursache daf r Die Masse nimmt ab weil der Kohlenstoff beim verbrennen Sauerstoff verbraucht Sch lerin KI 8 Diese Ausf hrung ist vermutlich ebenfalls dem blichen Sprachgebrauch entnommen bei dem davon gesprochen wird dass Lebewesen bei ihrer Atmung Sauerstoff verbrauchen
225. fangsunterricht Teil 5 Die chemische Reaktion PdN ChiS 51 2002 1 29 31 H USLER K PFEIFER P SCHMIDKUNZ H Elemente der Zukunft Chemie Ausgabe N Oldenbourg Verlag GmbH M nchen 1996 H URLER P B NDER W DUIT R GR BER W MAYER J Perspektiven f r die Unterrichtspraxis Naturwissenschaftliche Forschung IPN Kiel 1998 HEIDELBERGER M Atombegriff und Erfahrung Zur Auseinandersetzung zwischen Instrumentalismus und Realismus in H GELE P C Hrsg Die Entwicklung unserer Atom und Molek lvorstellungen Universit tsverlag Ulm Ulm 1994 HEIMANN R HARSCH G Sch lervorstellungen zur Verbrennung von Kohlenstoff im geschlossenen System NiU Ch 13 2002 72 305 307 HEINECKE C Sch lervorstellungen ber chemische Vorg nge Ausgangspunkt der Lernstrategie Chem Sch 44 1997 5 184 189 HOLLEMANN A F WIBERG E Lehrbuch der Anorganischen Chemie 91 100 verb u st erw Auflage de Gruyter Berlin New York 1985 HUNTEMANN H HONKOMP H PARCHMANN I JANSEN W Die Wasserstoff Luft Brennstoffzelle mit Methanolspaltung zur Gewinung des Wasserstoffs Der Fahrzeugantrieb der Zukunft Chemkon 8 2001a 1 15 21 HUNTEMANN H M LLENCAMP H JANSEN W Das pulsierende Galinstan eine Alternative zum pulsierenden Quecksilberherz Chemkon 8 2001b 2 76 80 226 15 LITERATURVERZEICHNIS H TTNER R Kaugummiaroma versus Eisensulfid Chem Sch 40 1993 10 35
226. fert gute Ergebnisse da beide Stoffe einfach zu erkennen sind Gegebenenfalls muss man f r das Zink an dieser Stelle einen Nachweis einf hren so zum Beispiel die Reaktion mit Salzs ure zu elementarem Wasserstoff F r die gute Eignung der Elektrolyse an dieser Stelle des Chemieunterrichts spricht sich auch K HMSTEDT aus vgl KUHMSTEDT 1999 F r den Unterrichtsgang w re an dieser Stelle jedoch eine direkte Zerlegung des Zinkiodids in die Elemente durch Zufuhr von W rmeenergie vorteilhafter also eine Thermolyse Diese ist jedoch in einer Sauerstoffatmosph re nur bedingt m glich da sich Zinkoxid bildet vgl Versuch 12 6 1 lod hingegen ist ohne Schwierigkeiten durch Bildung violetter D mpfe und nach Abk hlung schwarzer Kristalle nachweisbar Zink ist hingegen nicht in so einfacher Weise erkennbar F hrt man die Thermolyse jedoch unter Schutzgasbedingungen durch zum Beispiel in einer Stickstoffatmosph re so l uft die Reaktion kaum merklich ab Die genauen Vorg nge hierf r sind in Kapitel 10 6 3 erl utert Zudem w rde bei einer Thermolyse unter Schutzgas die Tauglichkeit als Sch lerversuch entfallen Im Unterricht bietet demnach die Elektrolyse der Salzl sung die als Sch lerversuch durchgef hrt werden kann die besseren Voraussetzungen vgl Versuch 12 6 4 siehe Video 12 Die Eigenschaften der Produkte werden mit den Eigenschaften von Zink und lod verglichen und die beiden Produkte k nnen dann als Zink und lod identifizier
227. fes passiert Den Sch lern sollte aus dem vorangegangenen Unterricht bereits bekannt sein dass es sich bei Kohlenstoff um ein Element handelt also um einen Stoff der nicht weiter zerlegt werden kann Dies ist der Element Begriff im Sinne LAVOISIERs vgl Kapitel 4 die Auffassung dass ein Element ein Stoff ist der nur aus einer Sorte von Atomen besteht wird in diesem Zusammenhang erst erarbeitet F r die Sch ler wird es somit einleuchtend sein den Weg des Kohlenstoffs durch den Kreislauf zu verfolgen und nicht etwa den des Kohlenstoffdioxids oder einer anderen Verbindung Dabei bietet es sich an mit dem elementaren Kohlenstoff und dessen Verbrennung im BOYLE Versuch zu beginnen Betrachtet man den Kreislauf von hier aus gesehen steht an seinem Anfang und an seinem Ende jeweils elementarer Kohlenstoff welcher dazu verwendet werden k nnte einen neuen Durchgang durch den Kreislauf zu beginnen Zur Vertiefung dieser Erkenntnis besteht die M glichkeit den Versuch Kohle im Kolben noch einmal mit verkohltem Holz oder verkohlter Kresse aus der Lernzirkelarbeit durchzuf hren Geschieht dies in Form eines Demonstrationsexpe riments kann als Reaktionsgef statt des Erlenmeyerkolbens auch ein gro er Rundkolben verwendet werden worin der Versuch besonders eindrucksvoll ist vgl Versuch 12 2 1 2 und Video 04 Da sowohl am Anfang als auch am Ende des Kreislaufes trotz der vielf ltigen Um wandlungen Kohlenstoff vorhanden ist wird deutl
228. folgenden Schulbuch Abbildungen Abb 6 2 und Abb 6 3 deutlich W hrend die blauen Kugeln im linken Bild eine Anordnung von Wasserteilchen des Eises darstellen handelt es sich bei den orangen Kugeln rechts um eine Anordnung von Kupferatomen Dar ber hinaus ist an beiden Darstellungen problematisch dass die tats chliche Gitterstruktur in der die Stoffe vorliegen nicht ber cksichtigt wurde Abb 6 2 Wasserteilchen im Eis aus Abb 6 3 Kupferatome nach EISNER J cKEL 1993 S 27 1995 S 106 Weitere Schwierigkeiten ergeben sich wenn versucht wird die chemische Reaktion auf submikroskopischer Ebene zu erkl ren So findet sich in einem Schulbuch EISNER 1995 nach Behandlung des Kugelteilchenmodells und der ph nomenologischen Betrachtung der chemischen Reaktion das Kapitel chemische Reaktion und Teilchenmodell Hier wird die chemische Reaktion mit Hilfe von Abb 6 4 als Umgruppierung der kleinsten Teilchen gedeutet welche im Text folgenderma en erl utert wird Nach unserer Vorstellung bestehen alle Elemente aus kleinsten kugelf rmigen Teilchen Geht man davon aus dass bei einer chemischen Reaktion diese kleinsten Teilchen nicht zerst rt werden so m ssen z B im Silbersulfid die kleinsten Teilchen des Silbers und des Schwefels noch enthalten sein Bei einer chemischen Reaktion geht die Anordnung der kleinsten Teilchen in den Ausgangsstoffen verloren daf r bauen sie im neuen Stoff dem Reaktionsprodukt eine neue A
229. gabe von W rmeenergie zur Reaktion zu bringen vgl Versuch 12 5 8 Da Zinkiodid stark hygroskopisch ist ist es m glich ein an der feuchten Luft stehendes Zink lod Gemisch reagieren zu lassen wobei die Reaktion jedoch sehr langsam voran geht und 151 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION auch keine Erw rmung feststellbar ist wie bei einer absichtlichen Wasserzugabe zu dem Gemisch Der Mechanismus ist demnach derart dass Zink und lod miteinander an der Oberfl che des Zinks zu Zinkiodid reagieren Das entstandene Zinkiodid vermag aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaft Luftfeuchtigkeit also Wasser aus der Umgebungsluft anzuziehen In diesem Wasser l st es sich auf so dass die Oberfl che wieder freiliegt und die Reaktion weiterlaufen kann Die Tatsache dass dieses Experiment funktioniert best tigt die oben aufgestellte Hypothese wonach die Reaktion zwar startet aber nur weiterlaufen kann wenn die gebildete Zinkiodidschicht entfernt wird Da die beiden Edukte Zink und lod nicht hygroskopisch sind muss der Reaktionsverlauf wie beschrieben erfolgen weil im Experiment schon nach wenigen Minuten eine Wasseransammlung im Reaktionsgef beobachtet werden kann 10 6 3 Zerlegung von Zinkiodid in Zink und lod Nach der Synthese von Zinkiodid soll jetzt dessen Analyse fachlich gedeutet werden Bei der Analyse kann man auf verschiedene Arten vorgehen wobei sich in diesem Fall aufgrund der Eigenschaften des Zinkiodids entwede
230. gel st Volumenverh ltnis ca 1 1000 bis 1 2000 Nachdem das Volumen eines einzelnen Tropfens dieser L sung bestimmt wurde wird ein Tropfen auf eine best ubte Wasseroberfl che getropft Die ls ure breitet sich nach Kontakt mit der Wasseroberfl che zu einer ann hernd monomolekular dicken Schicht aus Durch Bestimmung des Fl cheninhaltes soll nun mit Hilfe des bekannten Volumens des Tropfens diese Schichtdicke bestimmt werden Abb 5 3 Der lfleckversuch Durchf hrung und modellhafte Darstellung FRUHAUF 2002 S 120 Der so durchgef hrte lfleckversuch hat jedoch einige Schw chen Zum einen wird f r eine gelungene Auswertung verlangt dass sich bei dem Versuch ein regelm iger geometrischer K rper wie ein Kreis oder ein Viereck auf der Wasseroberfl che ausbildet H ufig ist dieses jedoch nicht der Fall sondern es erscheint vielmehr eine unregelm ige Sternfigur mit der eine sch lergem e Auswertung nicht m glich ist Auch wenn BRINKMANN zur besseren Ausbildung kreisf rmiger Flecken eine variierte Versuchsdurchf hrung durch Auftropfen auf einen Schmierdlfilm beschreibt BRINKMANN 1983 wird der Versuch dadurch zunehmend komplexer Vielen Sch lern ist nicht unmittelbar einsichtig dass das verwandte L sungsmittel der ls ure trotz seines gro en berschusses vernachl ssigt werden kann da es als schnell verdampfendes L sungsmittel nur der besseren Dosierbarkeit einer geringen ls uremenge dient Zum and
231. gen KAMINSKI 1994a Einen Ansatzpunkt zur Behandlung dieses Themas bietet der BOYLE Versuch der im Lernzirkel zum Kohlenstoffkreislauf zur Demonstration des Massenerhalts eingesetzt wird vgl Kapitel 7 Im Sinne eines Spiralcurriculums ist es vorteilhaft neue Sach verhalte an einer bereits bekannten Reaktion aufzuzeigen Die Sch ler k nnen sich besser auf das neue Ph nomen konzentrieren da ihnen die durchgef hrte Reaktion bereits bekannt ist Beim BoYLE Versuch Versuch 12 2 1 2 wird Kohlenstoff in einem mit Sauerstoff gef llten und mit einem Luftballon verschlossenen Rundkolben verbrannt Der Ballon dient hierbei zum Druckausgleich da beim Erhitzen eine Ausdehnung des Gases im Kolben erfolgt Nach dem Abk hlen der Apparatur liegt dagegen wieder das urspr ng liche Volumen vor Da f r jedes Sauerstoff Molek l ein Molek l Kohlenstoffdioxid entsteht ndert sich die Anzahl an Teilchen in der Gasphase nicht und damit bleibt entsprechend der These des AVOGADRO das Volumen unver ndert F r Sch ler die die These des AVOGADRO noch nicht kennen oder nicht erkennen dass sie hier zur An wendung kommen m sste liegt jedoch die Vermutung nahe dass mit der chemischen Reaktion auch eine Volumenveranderung einhergeht Dies zeigte sich in der Sch lerbefragung zum BOYLE Versuch siehe Kapitel 7 4 Obwohl hier ausschlie lich nach dem Verhalten der Masse gefragt wurde u erten einige Sch ler die Vermutung dass sich der auf der Apparat
232. gen Mutterlauge des Chilesalpeters wobei die folgenden Reaktionen zugrunde liegen 142 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION HIO3 3 HsSO3 HI 3 HS0 1 und 5 HI HIO3 3 H20 3 2 bzw 2 HIO 5 H280 l2 3 H2S0 H2O 3 Diese Reaktionen sind unter kinetischen Gesichtspunkten betrachtet auch als LANDOLT Reaktion bekannt LANDOLT 1886 Das so gewonnene lod wird durch Sublimation gereinigt Bei Normalbedingungen ist es fest und bildet grauschwarze metallisch glanzende halbleitende Schuppen Wie alle Halogene ist es in elementarem Zustand biatomar Die Dichte betr gt bei Normalbedingungen 4 942 g cm der Schmelzpunkt 113 60 C Trotz des relativ hohen Siedepunktes von 182 24 C ist es schon bei Zimmertemperatur fl chtig Bei Temperaturerh hung nimmt diese Eigenschaft stark zu so dass es bei gen gend langsamer Erhitzung sublimiert bevor es schmilzt HOLLEMANN 1985 S 399 401 lod bildet ein Schichtengitter aus was auch schon aus der Schuppenbildung hervorgeht Innerhalb dieser Schichten liegen die l2 Molekule alle in einer Ebene Der intramolekulare Atomabstand betr gt in festem Zustand 0 2715 nm der k rzeste intermolekulare Abstand 0 3496 nm vgl Abb 10 11 Da dies bedeutend k rzer als der doppelte van der Waals Abstand 2r 0 43 nm ist muss man von bedeutenden elektronischen Wechselwirkungen ausgehen welche die zweidimensionalen Halbleitereigenschaften sowie den metallischen Glanz erkl ren
233. gen der Sch ler berein wonach Wachstum f r gew hnlich mit einer Massenzunahme assoziiert wird Dagegen ist vermutlich das Ergebnis des zweiten Versuches bei dem das Wachstum von Kressesamen in einem geschlossenen Rundkolben betrachtet wird berraschen der Innerhalb von f nf Tagen wachsen die Kressesamen zu etwa 5 cm hohen Pflan zen heran wobei sich die Masse des Kolbens nicht ndert vgl Versuch 12 2 3 2 Abb 7 4 Wachstum von Kresse im geschlossenen Kolben Die Sch ler k nnen hier erkennen dass eine Massenzunahme auch beim Wachstum der Pflanze nur dann eintritt wenn Stoffe von au en aufgenommen werden In einem geschlossenen System wie es in Versuch 2 in Abb 7 10 beschrieben wird gilt dagegen auch f r die Fotosynthese das Gesetz von der Erhaltung der Masse 80 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL An den drei Stationen zum Verkohlen wird jeweils ein Pflanzenprodukt durch die Einwirkung von Hitze bzw konzentrierter Schwefels ure verkohlt Hierbei k nnen die Sch ler erkennen wie der jeweilige Stoff zersetzt wird und Kohlenstoff der an der schwarzer Farbe vgl Abb 7 5 identifiziert werden kann zur ckbleibt Haushaltszucker Abb 7 5 Verkohlte Pflanzenprodukte In der Station Verkohlen A vgl Abb 7 11 werden Streichh lzer im Reagenzglas mit dem Bunsenbrenner erhitzt vgl Versuch 12 2 2 5 In den aufsteigenden D mpfen kann mit Hilfe von Kupfersulfat T
234. gibt ausdr cklich zu bedenken dass beispielsweise der Mischvorgang von Aceton mit Hexan eine Volumenexpansion zur Folge hat was durch Berufung auf die Teilchen gr e kugeliger Teilchen nicht erkl rbar ist Eine solche Volumenexpansion l sst sich im Modellexperiment nur mit unterschiedlich geformten Teilchen erreichen Es werden daher durch eine solche Vorgehensweise Erkenntnisse aus der makroskopischen Ebene unzulassigerweise auf die submikroskopische Ebene bertragen OKAMIYA 1982 Die Verwendung dieses Mischungsexperimentes ist also an dieser Stelle des Curriculums bedenklich da den Lernenden eine zwar einsichtige aber fachlich nicht zutreffende Anschauung vermittelt wird In einem in der neunten Jahrgangsstufe beginnenden Chemieunterricht kann sogar die absolute Gr e der kleinsten Teilchen von ls ure mit dem sogenannten lfleckversuch n herungsweise bestimmt werden Dieses Ziel ist begr enswert denn ein absoluter wenn auch sehr kleiner Zahlenwert ist f r die Sch ler weitaus einsichtiger als eine noch abstraktere Angabe wie zum Beispiel so klein dass man die Teilchen nicht einmal mit einem sehr guten Mikroskop sehen kann Verschiedene Autoren schlagen einen sehr hnlichen Unterrichtsgang mit zum Teil identischen Versuchen vor vgl z B FREIMANN 2001 FULL 1995 LANGENSIEPEN 1989 34 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Beim lfleckversuch wird ls ure in einem berschuss Benzin oder Heptan
235. gl Abb A 2 Um das Reaktionsprodukt Kupfersulfid zu erhalten kann das Reaktionsgemisch auch in ein St ck Papier einge schlagen werden Nach dem Hammerschlag ist dann eine W rmeentwicklung festzu stellen und es steigen u U Schwefeld mpfe auf Selten beginnt das Papier auch zu brennen Nach der Reaktion befindet sich das blauschwarze Kupfersulfid im Papier briefchen c Die Reaktion von Zink mit Schwefel F r diese Reaktion ist ein sehr kr ftiger Hammerschlag notwendig Das Gemisch reagiert dann unter heller Flammenerscheinung und z T auch mit lautem Knall d Die Reaktion von Magnesium mit Schwefel Unter lautem Knall reagiert das Gemisch heftig mit heller Flamme Abb A 3 Im Vergleich zu den oben beschriebenen Reaktionen ist hier der geringste Kraftaufwand notwendig A 1 2 Aktivierung der Reaktion von Aluminium mit lod durch Hammerschlag Ger te und Chemikalien analog Versuch A 1 1 zus tzlich Aluminiumfolie lod Durchf hrung In mehrere Lagen Aluminiumfolie wird 1 g lod eingeschlagen Im Abzug wird mit dem Hammer kr ftig auf das Aluminiumbriefchen geschlagen Es empfiehlt sich das Briefchen mit etwas Klebeband auf der Schlagunterlage zu fixieren Beobachtung Auswertung Unmittelbar nach dem Schlag steigen violette D mpfe aus dem Briefchen auf das Reaktionsprodukt ist allerdings schwierig zu identifizieren Durch den Hammerschlag kann die Aluminiumfolie rei en und nicht abreagiertes lod wird freigesetzt A 2 Det
236. h bereits zu Versuchsbeginn darin befinden Dies sind zum einen das zugegebene Wasser zum anderen das bereits in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid Dazu kommt weiterhin dass in den Kressesamen bereits Kohlenstoffverbindungen enthalten sind die zum Aufbau der Pflanze genutzt werden k nnen Baustoffwechsel Ein Teil wird von der Pflanze w hrend der Keimung zur Energiegewinnung veratmet Energiestoffwechsel Hierbei entsteht weiteres Kohlenstoffdioxid welches wiederum f r die Fotosynthese zur Verf gung steht 182 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Die Masse des Kolbens ver ndert sich nicht w hrend die Kresse w chst vgl Abb 12 13 Da der Kolben geschlossen ist kann keine Substanz verloren gehen F r die Stoffwechselreaktionen der Pflanze gilt daher auch das Gesetz von der Erhaltung der Masse 12 2 3 2 Verfolgung der CO2 Aufnahme von Pflanzen mittels Indikator Betreibt eine Pflanze in einer geschlossenen Apparatur Fotosynthese so assimiliert sie dabei Kohlenstoffdioxid wodurch der Kohlenstoffdioxid Gehalt im Gasraum der Apparatur abnimmt Diese Abnahme l sst sich ber die pH Wert nderung einer Hydrogencarbonat L sung die sich mit der Gasphase im Gleichgewicht befindet verfolgen Dabei kann die pH Wert nderung der L sung wie in diesem Versuch mittels Indikator siehe auch DIRKS 1999 S 59f oder mit Hilfe eines pH Meters siehe Versuch 12 2 3 3 verfolgt werden Ger t und Chemikalien 2 Bechergl ser 10
237. h der Reaktion kann die Menge des verbrannten Kohlenstoffs bestimmt werden Die Ergebnisse der W gungen aus drei Versuchsdurchg ngen sind in Tabelle 12 1 aufgef hrt Vor der Reaktion Differenz m g T Nach der Reaktion m g Versuch 1 12 8937 12 6724 Quarzrohr 486 633 Flasche 2 487 080 487 172 Summe FI 1 Fl 2 Versuch 2 Quarzrohr 12 8528 12 6604 0 1924 Flasche 2 454 339 454 372 0 032 12 8805 12 6803 0 2002 Tabelle 12 1 Ergebnisse der Wagungen Sind die Kohlenstoff Einwaage und die Masse des Reaktionsproduktes bekannt lasst sich aus deren Differenz die Masse des Sauerstoffs berechnen die jeweils mit dem Kohlenstoff reagiert hat Die Massen von Kohlenstoff und Sauerstoff die jeweils miteinander reagiert haben finden sich in Tabelle 12 2 191 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Tie mg m Kohlenstoff mg m Sauerstoff mg durchgang Tabelle 12 2 Massen der Reaktionspartner Um das Verh ltnis von Kohlenstoff und Sauerstoffatomen zu ermitteln m ssen die Stoffmengen n mit Hilfe der molaren Massen M nach n m M berechnet werden Versuchs M n Kohlenstoff M n Verh ltnis durchgang Kohlenstoff mmol Sauerstoff Sauerstoff der Atome gmo __ 15 9994 Tabelle 12 3 Verh ltnis von Kohlenstoff und Sauerstoff im
238. hang mit einem Ph nomen das als Thermochromie bezeichnet wird blicherweise wird unter diesem Begriff eine reversible Farb nderung einer Substanz oder einem System aus Substanzen verstanden die bei einer bestimmten Temperatur oder einem mehr oder minder wohldefinierten Temperaturbereich abl uft Hierbei muss jedoch erw hnt werden dass der Begriff der Thermochromie nicht streng definiert ist SONE et al f hren zus tzlich an dass es unter bestimmten Umst nden sinnvoll sein kann auch irreversibel ablaufende Prozesse unter diesem Begriff zu subsumieren da es Systeme gibt in denen eine solche Terminologie den Sachverhalt sch rfer fasst SONE 1984 S 1 2 Daher wird von den Autoren eine Trennung in irreversible und reversible Thermochromie vorgenommen In vielen anderen Lehrb chern z B RIEDEL 1994 S 739 HOLLEMANN 1985 S 1050 wird nur die von SONE et al als reversible bezeichnete Thermochromie unter diesem Begriff verstanden Bei dem oben beschriebenen Ph nomen handelt es sich ebenfalls um einen reversiblen Vorgang da sich die temperaturabh ngige Farbver nderung des Kupfer I oxids beliebig oft wiederholen l sst 8 2 Einordnung der thermochromen Erscheinungen an Kupfer l oxid Die Ursachen fur eine solche Farb nderung k nnen vielf ltig sein Bekannt ist beispielsweise das thermochrome Verhalten von Quecksilber Il iodid das auf eine temperaturabh ngige nderung der Atomanordnung zur ckzuf hren ist Insofern k nnte
239. hendes Symbol repr sentiert werden EILKS 2002 6 2 4 Die Leere zwischen den Teilchen Besondere Schwierigkeiten haben Sch ler weiterhin mit der Vorstellung des leeren Raumes der sich zwischen allen Teilchen befindet KIRCHER 1986 FLADT weist darauf hin dass der leere Raum doch eigentlich das Unglaubliche an der Diskontinuumsvorstellung ist und nicht gen gend Beachtung in Schulb chern findet FLADT 1984 S 355 Das Nichts ist eben etwas das man sich schlecht vorstellen kann Dies zeigt auch ein Blick in die Geschichte wo die Existenz des Leeren von der die Atomisten ausgingen besonders umstritten war vgl Kapitel 4 Einige Sch ler haben die Vorstellung dass zumindest in Feststoffen die Teilchen l ckenlos aneinander angrenzen Den Teilchen wird dann eine W rfelform oder eine andere geometrische Form zugeschrieben die dies erm glicht Sch ler die dem Kugelteilchenmodell entsprechend von einer kugeligen Gestalt der Stoffe ausgehen erkennen dagegen dass zwischen diesen Teilchen Zwischenr ume sind Bei gasf rmigen Stoffen sind die Freir ume zwischen den Teilchen sogar f r die meisten Sch ler vorstellbar PFUNDT 1981 FRITSCH 1990 Dennoch ist den Sch lern in der Regel nicht bewusst dass zwischen diesen Teilchen wirklich nichts also keine Materie ist Vielmehr findet sich die Vorstellung dass zwischen den Teilchen in Feststoffen und Gasen Luft ist Bei Fl ssigkeiten gehen viele Sch ler davon aus dass
240. hiedenen Zwischenprodukten die im Laufe des CALVIN Zyklus auftreten kann eine Vielzahl verschiedener Verbindungen z B Fetts uren Aminos uren Lipid Bausteine Nucleins ure Komponenten u a hergestellt werden Diese Produkte bzw deren Vorstufen werden ber spezifische Carrier aus den 95 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Chloroplasten in die Zelle transportiert Verlauft die Bildung von Fotosyntheseprodukten schneller als ihr Export in die Zelle werden die Zucker in den Chloroplasten in St rke umgewandelt und dort in dieser Form gespeichert Im Dunkeln wird die St rke durch Umwandlung in Zucker wieder mobilisiert und aus den Fotosynthese Organen abtransportiert L TTGE 1994 S 134f 7 3 8 2 Die Verkohlung von Holz 7 3 8 2 1 Der chemische Aufbau von Holz Als Pflanzenprodukt ist Holz von der chemischen Zusammensetzung her sehr uneinheitlich Es besteht gr tenteils aus Cellulose Lignin und Hemicellulosen FALBE 1995 Cellulose ist ein Polysaccharid das aus einer einzigen Zuckerart der B D Glucose aufgebaut ist Zwischen den linear angeordneten Glucosemolek len bestehen 1 4 Verkn pfungen VOLLHARDT 1995 S 1113 H H C OH H OH H C OH r m 13 K Hs 0 QO 3 5 rw As FEN A H H H H OH 3 i H Abb 7 15 Cellulose nach L TTGE 1994 S 153 Lignin ist nach Cellulose der zweith ufigste organische Stoff der Erde Es besteht aus verschiedenen Phenylpropanderivaten die
241. hier kontr r zueinander F r eine solche Vorgehensweise ist es wesentlich bei den Lernenden einen kognitiven Konflikt zu initiieren Der Lernende muss somit erkennen dass sein Vorwissen an der entsprechenden Stelle unzureichend ist so dass die fachliche Erkl rung eine sinnvolle Alternative bieten kann Besondere Schwierigkeit ist hierbei dass dieser Konflikt von den Lernenden als f r sie bedeutsam empfunden werden muss um eine Auseinandersetzung zu motivieren Es bleibt ansonsten die Gefahr dass das neue Wissen als f r den Lernenden irrelevant einfach ignoriert wird und die vorunterrichtliche Vorstellung uneingeschr nkt vorhanden bleibt STORK beschreibt als unterrichtliche Orientierung wie ein Konzeptwechsel gelingen kann den auf PIAGET Theorien zur ckgehenden Lernzyklus Learning cycle der sich in drei Phasen gliedert STORK 1995 1 In der ersten Phase der Exploration werden die Lernenden mit Erfahrungen konfrontiert die eine Erklarung mit Alltagskonzepten nicht zulassen Um ein 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS solches kognitives Ungleichgewicht zu erzeugen sind Erfahrungen aus erster Hand g nstig wie sie z B eigenes Experimentieren bieten 2 Es folgt die Phase der Konzept Einf hrung wobei dieses Ungleichgewicht reflektiert und thematisiert wird und so am besten durch die Lernenden selbst ein neues Denkmuster entwickelt werden kann 3 Durch Konzept Anwendung werden nun die n
242. hl ssigt wurde Hierbei erfolgte die Gr enberechnung mit dem Programm Chem3D der Firma Cambridge Software Sie ergibt keinen exakten Wert die errechneten Werte stimmen jedoch mit den experimentell gemachten Beobachtungen gut berein r 0 8 nm L SO N C2Hs C2H5 2N l r 0 75 nm Abb 5 9 Patentblau V Molek ldurchmesser max 1 6 nm links Chinolingelb Molek ldurchmesser max 1 5 nm rechts Man erkennt dass die organischen Farbstoffmolek le alle in einem Gr enbereich liegen der jedoch noch um den Faktor 2 unter der maximalen Gr e der Poren der Membran liegt Nat rlich spiegelt die zweidimensionale Darstellung in Abb 5 9 Abb 5 10 und Abb 5 12 nicht die Realit t wider Da die Farbstoffmolek le aber ein gro es System delokalisierter z Elektronen aufweisen sind diese Molek le alle relativ starr und im Prinzip nur zweidimensional Die Ausdehnung in der dritten Dimension kann vernachl ssigt werden und man kann davon ausgehen dass die Wirklichkeit durch die zweidimensionale Darstellung zumindest zufriedenstellend dargestellt wird Man kann also annehmen dass die Farbstoffmolek le kleiner sind als die Poren der Membranen so dass insgesamt die Durchl ssigkeit der Membranen f r diese Molek le nicht verwundert In einem weiteren Versuch k nnen verschiedene Haushaltsfarbstoffe wie Tees z B Hagebuttentee gr ner Tee Pfefferminztee schwarzer Tee oder Tinte z B LAMY untersucht
243. hoden als das Sieben angewandt werden Als Lernziel gelangen die Sch ler zu der These dass die Stoffe sich nicht beliebig oft in kleinere Einheiten zerlegen lassen und die kleinsten Einheiten unterschiedlicher Stoffe unterschiedlich gro sind Zusammenfassend ist festzuhalten dass mit dem Konzept des Molekularen Siebens das Problemfeld des bergangs vom Kontinuum auf das Diskontinuum den Lernenden in besonderer Weise erschlossen werden kann Durch die hier aufgezeigten Methoden k nnen die Sch ler durch Auswerten und Interpretieren der von ihnen selbst gemachten Beobachtungen zu dem Ergebnis kommen dass die Materie aus kleinen einheitlichen und vorgebildeten Teilchen aufgebaut ist Es ist zu beachten dass die Teilchen nach wie vor nicht direkt erfahrbar werden da sie nicht zu sehen sind Die 40 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Vorstellung eines diskontinuierlichen Aufbaus der Materie wird auch hier nur aus dem Versuchsergebnis abgeleitet Eine weitere Hilfe zur Veranschaulichung der Diskontinuumsvorstellung kann an dieser Stelle die Rastertunnelmikroskopie bieten welche im Zusammenhang mit der Einf hrung der DALTONschen Atommodellvorstellung ebenfalls zur Veranschaulichung herangezogen werden kann EILKS 2001c WENCK 1993 5 2 1 Anmerkungen zu Einsatzm glichkeiten der experimentellen Vorgehensweise in weiteren Themenfeldern Mit dem in Abb 5 6 vorgestellten Versuchsaufbau lassen sich eine Reihe weiterer
244. hsaufbau zum molekularen Sieben Durch die Auswahl geeigneter Farbstoffe kann man nun zeigen dass es Stoffe gibt die durch das Sieb vollst ndig zur ckgehalten werden w hrend andere schon nach kurzer Zeit die Poren des Siebes durchdringen und im unteren Becherglas sichtbar werden Der Effekt k nnte von manchen Lernenden m glicherweise auf die Farbe der Stoffe zur ckgef hrt werden da die Farbe f r viele Kinder eine merkw rdige Eigenexistenz PFunD 1982 f hrt Die Farbigkeit ist demnach keine Stoffeigenschaft sondern die Stoffe sind gef rbt Die Farbe wird beim L sen in Wasser gleichsam vom Stoff abgewaschen Hier bietet sich also zudem eine Stelle im Unterricht an diese Fehlinterpretation auszur umen vgl dazu PFUND 1982 Dieses ist in diesem Unterrichtsansatz durch Verwendung von Stoffen ann hernd gleicher Farbe m glich Diese Stoffe sind so zu w hlen dass einer durch das Sieb zur ckgehalten wird w hrend der andere dieses passiert Ein Beispiel hierf r ist die Gegen berstellung von k nigsblauer Tinte z B LAMY k nigsblaue Tinte und dem blauen lod St rke Komplex vgl Abb 5 7 siehe Versuche 12 1 5 und 12 1 6 Im Unterricht k nnte dieser Versuch als Sch lerversuch durchgef hrt werden wobei sich eine Gruppenarbeit anbietet Den Lernenden werden jeweils beide Farbstoff l sungen ausgeh ndigt und der Versuchsaufbau gem Abb 5 6 vorgestellt W hrend des Experiments beobachten die Lernenden das
245. ht JANSEN 1986 DALTON erkannte bereits im Jahr 1804 dass seine Atomhypothese dazu geeignet war das Gesetz von den konstanten Proportionen zu erkl ren da beim Zusammentreten der Atome in ganzzahligen Verh ltnissen selbstverst ndlich ihre Massen in einem bestimmten konstanten Verh ltnis zueinander stehen m ssten Bei der Untersuchung von Methan CH und Ethen C2H4 entdeckte DALTON selbst das Gesetz von den multiplen Proportionen welches durch die verschiedenen Verh ltnisse in denen die Atome zusammentreten k nnen sehr gut erkl rt werden kann JANSEN 1990 4 6 2 Symbolhafte Darstellung der Atome DALTON entwickelte auch ein System mit dem er die Atome symbolhaft darstellte F r jedes Atom stand dabei ein Kreis der ein Symbol enthielt F r Wasserstoff nahm er beispielsweise einen Kreis mit einem Punkt in der Mitte der Kreis f r Sauerstoff blieb leer siehe Abb 4 6 Nr 1 und Nr 17 Der Unterschied zu fr heren alchimistischen Symbolen die f r einen bestimmten Stoff standen war dass die Zeichen DALTONs auch eine quantitative Bedeutung hatten und jeweils ein Atom mit einem spezifischen Gewicht symbolisierten STRUBE 1989 S 162 Verbindungen konnten dargestellt werden indem mehrere Atomkreise aneinander gelegt wurden wobei auch die Konstitution die DALTON sich vorstellte ersichtlich wird Er ging bei Verbindungen von drei oder mehr Atomen davon aus dass diese den gr tm glichen Abstand voneinander haben sollten
246. ht erkannt dass eine chemische Reaktion mit dem Sauerstoff vorliegt Mit zunehmender Jahrgangsstufe nimmt der Anteil der Sch ler zu die auch den Sauerstoff mit in ihre berlegungen einbeziehen und h ufig erkennen dass eine Reaktion zu Kohlenstoffdioxid vorliegt siehe Kategorie 3b Das Gesetz von der Erhaltung der Masse wird am h ufigsten in Jahrgang 11 genannt damit argumentieren hier 60 der Sch ler die eine richtige Antwort gegeben haben Die Sch ler der Jahrg nge 8 und 9 die befragt wurden kannten dieses Gesetz zum gr ten Teil noch nicht aus dem Unterricht Dagegen liegt seine Behandlung f r Sch ler der Kursstufe vermutlich schon zu lange zur ck so dass viele Sch ler es nicht mehr explizit erw hnen Eine Schwierigkeit bei der Beurteilung der Antworten war dass viele Probanden aus Klassen in denen die Massenerhaltung bereits Unterrichtsgegenstand war lediglich angaben dass das Gesetz der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen gelte ohne dieses n her auszuf hren Insofern k nnten bedingt durch die Oberfl chenstruktur der Aufgabe richtige Antworten provoziert worden sein 102 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Dennoch kann festgestellt werden dass sich die Sch lerinnen und Sch ler der h heren Jahrgangsstufen zunehmend f r eine Massenkonstanz entscheiden die auch verst rkt mit einer Erhaltung der Atome bei einer chemischen Reaktion begr ndet wird Die Masse bleibt gleich weil
247. ht um eine tern re Verbindung handelt also je ein Wasserstoffatom und ein Sauerstoffatom verbunden seien Zun chst verwendete DALTON Analysen von LAVOISIER zur Wasserzusammensetzung von 1786 wonach dieses aus 15 Wasserstoff und 85 Sauerstoff bestand Damit l sst sich ein spezifisches Atomgewicht von 5 7 f r den Sauerstoff errechnen Sp ter verwendete DALTON auch eigene Analysen oder die anderer Wissenschaftler vor allem die von GAY LUSSAC und HUMBOLDT wodurch sich immer etwas andere Atommassen f r die Elemente ergaben Mit der heute ermittelten Wasserzusammensetzung und dieser Berechnungsweise erg be sich ein Gewicht von 7 94 f r den Sauerstoff Weitere Atomgewichte wie z B das des Kohlenstoffs errechnete er auf vergleichbare Weise aus den spezifischen Gewichten von Wasserstoff und Sauerstoff JANSEN 1990 Diese Vorgehensweise bei der Ermittlung der relativen Atommassen f hrte wegen einiger falscher Annahmen bez glicher der Zusammensetzung der Stoffe wie hier bereits am Beispiel des Sauerstoffs deutlich wird zu einer Reihe falscher Ergebnisse Dennoch brachte sie f r die Chemie viele neue Impulse da nun die Berechnung von Atommassen berhaupt m glich wurde Auch DALTON wusste dass seine Annahme von der einfachsten Zusammensetzung der Verbindungen keine absolut sicheren Werte lieferte Im zweiten Teil seines New System of Chemical Philosophie von 1810 f hrte er aus dass Wasser auch eine tern re Verbindung sein k nnte Bei
248. hwarz und das Gef kann erneut gewogen werden wodurch die Sch ler den Massenerhalt auch f r die Verkohlung nachweisen k nnen Dieser Versuch sollte wegen des Einsatzes der konzentrierten Schwefels ure nur unter der Aufsicht des Lehrers durchgef hrt werden 7 3 4 M glichkeiten zur Erweiterung des Lernzirkel M chte man den hier vorgestellten Lernzirkel erweitern so k nnen zus tzliche Stati onen angeboten werden wodurch der Zeitbedarf f r den Lernzirkel steigt In Kapitel 12 2 sind neben den in den Arbeitsbl ttern verwendeten Versuchen weiter Experimente zu den Themen Fotosynthese Verbrennen und Verkohlen zu finden F r weitere Stationen bieten sich das Verkohlen weiterer Stoffe wie Rohrzucker Traubenzucker und St rke im Reagenzglas Versuch 12 2 2 4 und das Verfolgen der Kohlenstoffdioxid Aufnahme von Pflanzen mittels Indikator siehe Zusatzstation Pflanzenversuch Abb 7 13 W hrend das Verkohlen von weiteren Stoffen im Reagenzglas eine Vertiefung eines bereits im Lernzirkel enthaltenen Versuchs bedeutet ist die Verfolgung des Kohlenstoffdioxid Verbrauches ein ganz neuer sehr anspruchsvoller Versuch Es muss hier ein Zusammenhang zwischen dem Farbumschlag der L sung und dem Kohlenstoffdioxid Verbrauch der Pflanze hergestellt werden was an Sch ler die den Umgang mit Indikatoren nicht gewohnt sind eine hohe Anforderung stellt Auch die Durchf hrung des Versuches bei der die Fl ssigkeitsmenge abgemessen und Gas mit der Spri
249. hwindigkeit zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen Kinetik Gr enordnung Massen des chemischen Umsatzes und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens Tabelle 11 1 Zusammenstel Reaktionen PFEIF 11 5 Photochemische Reaktionen Elektrochemische Reaktionen Kombinationsreaktionen direkte Vereinigung Synthesen Zersetzungsreaktionen Analysen Umsetzungsreaktionen Additionsreaktionen Assoziationsreaktionen Eliminierungsreaktionen Dissoziationsreaktionen Substitutionsreaktionen lsomerisationsreaktionen S ure Base Reaktionen Gruppen bertragungsreaktionen in der Biochemie Schnelle langsame Reaktionen Katalysierte nichtkatalysierte Reaktionen Chemische Reaktionen 1 2 Ordnung Kinetisch bedingte thermodynamisch bedingte Reaktionen Gro technische Verfahren Reaktionen im Laboratoriumsma stab Mikroreaktionen Exemplarische lung wichtiger ER 1978 Darstellung der Einteilungsm glichkeiten Wichtig vor allem unter dem Gesichtspunkt der Teilweise bew hrte Einteilungsprinzipien im Anfangsunterricht Unbedingte Voraussetzung f die Anwendung dieses Prinzips sind Kenntnisse ber Molek lstrukturen und einfache Bindungsmodelle Hauptanwendungsgebiete k nnen auch als Sonderf lle des vorausgehenden Prinzips gelten Hauptanwendungsgebiet z B im Hinblick auf lonenreaktionen der anorganischen Chemie und i Hydrolysen i
250. i Elektronenabgabe die H lle schrumpft und bei Elektronenaufnahme die H lle ausgeweitet wird 139 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Leiterdraht Kohlestab Atome des Zinkblechs lod in der L sung Abb 10 9 Darstellung zur Erarbeitung der Elektronen Aus einer Betrachtung der Ladungsbilanzen der einzelnen Atome ergibt sich unmittelbar dass die Atome die Elektronen abgegeben haben positiv geladen sein m ssen Entsprechendes gilt f r die Aufnahme der Elektronen Obwohl die Anzahl der bergehenden Elektronen noch nicht gekl rt werden kann kann der Ladung der entstehenden lonen wie in Abb 10 10 gezeigt Rechnung getragen werden Durch die zun chst nur qualitativ eingef hrte Ladung wird der Lernstoff nicht berfrachtet und es besteht so die M glichkeit einen zus tzlichen Zwischenboden im Erkenntnisgang oo de Zink s lod s Zinkiodid s Abb 10 10 Visualisierung der Festk rperreaktion von Zink und lod zu Zinkiodid auf der Basis eines Kern H lle Modells In der Darstellung wurden die positiven und negativen Ladungen bewusst nicht durch die Symbole und angezeigt um zu verhindern dass bei der Aneignung der tats chlichen quantitativen lonenladung Missverst ndnisse entstehen Auch hier soll 140 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION wie im Symbolteilchenmodell durch eine klare Abgrenzung der Darstellung die Gefahr einer falschen Zuordnung von Darstellung zu entsprechender
251. iante der lfleckmethode unter kosequenter Anwendung von Gr engleichungen PdN Ch 32 1983 7 207 211 BROCK W H Viewegs Geschichte der Chemie Fried Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig Wiesbaden 1997 BUCHHEIM T Die Vorsokratiker Ein philosophisches Portr t Beck M nchen 1994 Buck P Ist Volumen eine Eigenschaft von Molek len Atomen und Elementarteilchen Chim Did 8 1982 1 43 58 Buck P Vorstellungen hinter dem Begriff Stoff NiU P C 34 1986 13 136 140 Buck P Reaktion von Schwefel mit Eisen Ein Unversuch Chem Sch 40 1993a 3 90 92 Buck P Verstehen lehren statt Begriffe einpr gen Chem Sch 40 1993b 2 134 139 Buck P Die Teilchenvorstellung ein Unmodell Chem Sch 41 1994 11 412 416 BUNDESVERBAND DER UNFALLKASSEN Richtlinien zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht Empfehlung der Kultusministerkonferenz M nchen 1995 CAMPBELL N Biologie Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford 1997 CARRIER M Atome und Kr fte Die Entwicklung des Atomismus und der Affinitatstheorie im 18 Jahrhundert und die Methodologie Imre Lakatos Inaugural Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Philosophischen Fakult t der Westf lischen Wilhelms Universit t zu M nster Westf 1984 COOGAN C K REES A L G The Nature of the Thermal Change in Zinc Oxide J Chem Phys 20 1952 1650 1651 CRAEM
252. ich dass etwas vom Kohlenstoff erhalten bleibt In Form des Stoffes Kohlenstoff liegt er jedoch nur am Anfang und am Ende des Kreislaufes vor wenn man den Anfang und das Ende entsprechend w hlt Denn als Stoff wird er nur ber seine Eigenschaften definiert wie WENINGER WENINGER 1982a b ausf hrt Da die Sch ler den Kohlenstoff anhand dessen makroskopischer Erscheinung insbesondere der schwarzen Farbe identifizieren die nur zu Beginn und zu Ende des Kreislaufs vorliegt deckt sich ihre Beobachtung des Verschwindens des Kohlenstoffes bei der Bildung des Kohlenstoffdioxids mit der Vernichtung des Stoffes im Sinne WENINGERS Dennoch muss irgendetwas vom Kohlenstoff den Kreislauf durchwandern denn sonst k nnte aus den ph nomenologisch v llig unterschiedlichen Stoffen die sich im Laufe des Kreislaufes bilden nicht erneut Kohlenstoff erhalten werden 84 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Aus dieser Problemsituation bietet nur die DALTONsche Atomhypothese vgl Kapitel 4 6 1 einen Ausweg die den Sch lern an dieser Stelle des Unterrichts vom Lehrer vorgestellt werden kann Der Kohlenstoffkreislauf bietet den Sch lern also nicht die M glichkeit selbst die Existenz von Atomen zu erschlie en er bietet aber eine Motivation f r die Sch ler mehr ber den Aufbau der Stoffe erfahren zu wollen Das im Kohlenstoffkreislauf zu beobachtende Ph nomen dass ein Stoff der bereits in einer Reaktion ve
253. ich die griechischen Naturphilosophen mit der Frage nach der Ursache aller stofflichen Ver nderungen STRUBE 1974b S 1823 Eine Antwortm glichkeit entwickelten die Atomisten die den Begriff des Atoms schufen und das erste System einer atomistischen Welterkl rung erdachten Insbesondere sind hier DEMOKRIT der als erster ein bis in alle Einzelheiten durchgearbeitetes System des Atomismus schuf und EPIKUR der die atomistische Lehre erweiterte zu nennen J RSS 1984 S 5 Eine wichtige Grundlage f r das Entstehen der Theorie des Atomismus war die Suche der Naturphilosophen nach einem Urstoff aller Dinge THALES VON MILET hielt das Wasser f r diesen Urstoff w hrend HERAKLIT VON EPHESOS das Feuer als Grundelement der Welt betrachtete JURSS 1984 S 11 Wieder andere Denker bevorzugten andere oder auch mehrere Stoffe als Ursubstanz Gemeinsam ist ihnen dass sie der Meinung waren dass die von ihnen benannten Urstoffe von ewiger Existenz STRUBE 1974b S 1824 seien EMPEDOKLES AUS AKRAGAS etwa 500 bis 430 v Chr und sein in Athen wirkender Zeitgenosse ANAXAGORAS etwa 500 bis 425 v Chr besch ftigten sich n her mit dem Aufbau der Stoffe J RSS 1984 S 12 EMPEDOKLES ging von den vier Elementen Feuer Wasser Luft und Erde aus von denen jedes aus gleichartigen nicht wahrnehmbaren Urteilchen best nden Die Vielfalt der Stoffe erkl rte EMPEDOKLES mit seiner Theorie der Mischung nach der alle Stoffe sich aus unterschiedliche
254. icht abl uft In L sungsmitteln wie Petrolether Gemisch aus Pentanen und Hexanen oder chlorierten Methanen kann die Reaktion ebenfalls nicht ablaufen da die L sungsmittel in hohem Ma e unpolar sind und so das entstehende Zinkiodid nicht zu l sen verm gen Zudem reicht die Elektronegativit t der Chloratome zur Bildung von CT Komplexen nicht aus Die CT Komplexbindung ist in mancher Hinsicht der Wasserstoffbr ckenbindung sehr hnlich denn auch bei dieser Bindungsart kann Chlor den Wasserstoff nur schwach polarisieren HOLLEMANN 1985 S 401 Fu note 33 und S 280 286 Bei Verwendung dieser L sungsmittel kommt es daher auch nicht mehr zur Bildung von Charge Transfer Komplexen Die beobachtete Violettfarbung der L sung beruht hier auf solvatisierten sehr fein verteilten Iodmolek len in der L sung Einen weiteren Beweis daf r dass die Disproportionierungsreaktion 10 keinen Einfluss auf den Reaktionsverlauf hat zeigt die Tatsache dass ein Zuf gen von lodidionen zu den L sungen im Versuch 12 5 2 keine Reaktion initiiert Ebenfalls konnte gezeigt werden dass eine Zugabe von verd nnter S ure anstelle von Wasser den Reaktionsverlauf nur dahingehend ver ndert dass die Reaktion geringf gig schneller anspringt vgl Versuch 12 5 3 Dies ist mit einer Aufl sung der auf dem Zink in normalem Zustand anhaftenden Passivschicht in saurer L sung zu erkl ren womit das Zink besonders aktiviert wird Damit ist bewiesen dass auch
255. icht wird nun durch Differenzw gung auf die st chiometrische Zusammensetzung von Kupfer I oxid geschlossen 12 3 3 Untersuchung der Thermochromie von Kupfer l oxid durch Abk hlen Ger te und Chemikalien Verbrennungsl ffel Dewar Gef fl ssigen Stickstoff Kupfer l oxid Cu20 Durchf hrung Kupfer I oxid wird in einen Verbrennungsl ffel gegeben und langsam in ein Gef mit fl ssigem Stickstoff getaucht Beobachtung und Auswertung Nachdem das Kupfer I oxid im thermischen Gleichgewicht mit dem fl ssigen Stickstoff ist zeigt ein Vergleich der Farbe mit Kupfer l oxid bei Raumtemperatur eine leichte Farbaufhellung Dieses ist mit einer Verschiebung der Absorptionsbande des Kupfer I oxids erkl ren vgl Kapitel 8 2 12 3 4 Nutzung der Thermochromie als Showversuch Die Deutschlandflagge im Wechsel der Jahreszeiten Ger te und Chemikalien Reagenzglas Klammer Brenner Zinkoxid ZnO Kaliumchromat K2CrO und Kupfer I oxid Cu20 oder Eisen IIl oxid Fe203 188 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Durchf hrung In einem Reagenzglas werden drei Schichten aus folgenden Substanzen von je etwa 0 5 cm 1 cm Dicke eingef llt Als unterste Schicht wird Zinkoxid ZnO verwandt darauf wird Kaliumchromat K2CrO gegeben und die oberste Schicht wird durch Kupfer l oxid Cu20 gebildet Statt des Kupfer l oxides l sst sich auch rotes Eisen IIl oxid verwenden da sich Kupfer l oxid nach l ngerem Erhi
256. ichtes er ffnen 215 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT 14 Zusammenfassung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zu verschiedenen zentralen Abschnitten des Chemieanfangsunterrichtes im Themenkreis der Einf hrung der Diskontinuumsebene eine Bestandsaufnahme blicher Vorgehensweisen durchgef hrt um diese unter dem Gesichtspunkt einer adressatengerechten Umsetzung kritisch zu diskutieren Durch die Erarbeitung alternativer Zugangsweisen zu problembehafteten Schl sselstellen werden L sungen angeboten bekannte Schwierigkeiten zu reduzieren bzw zu beseitigen Das Sieben als ein Trennverfahren dessen Prinzip den Sch lern auf makroskopischer Ebene bekannt ist wird mit Hilfe von Membranfiltern auf der submikroskopischen Ebene genutzt um eine erste Konfrontation mit der Diskontinuit t der Materie zu erreichen Durch Analogiebetrachtungen zwischen Membranfiltern und Sieben wird auf die Diskontinuit t der Materie geschlossen indem Stoffe bez glich des Membran durchtritts verglichen wurden Hierdurch ist ebenfalls eine grobe Betrachtung der Gr enordnung der untersuchten Stoffe m glich Durch eine genaue Analyse erster Modelldarstellungen der Diskontinuumsebene wird deutlich dass die analoge Visualisierung der kleinsten diskret auftretenden Teilchen eines Reinstoffes im Kugelteilchenmodell und sp ter der Atome im DALTONschen Modell eine klare Abgrenzung der beiden Modelle erschwert und so Missverst ndnisse entstehen k nnen Es wi
257. ichtige Begr ndungen A 2 3 2 Begr ndungen einer Massenabnahme A 2 3 3 Begr ndungen einer Massenzunahme A 3 Stationen des Lernzirkels mit Lehrer und Sch lerarbeitsbl ttern A 4 Weitere Arbeits Informations und bersichtsbl tter ANLAGE CD Rom Die CD Rom enth lt Videosequenzen ausgew hlter Experimente An den entsprechenden Stellen finden sich im Text Verweise auf diese Filme Vil 1 EINLEITUNG 1 Einleitung Wenn in einer Sintflut alle wissenschaftlichen Kenntnisse zerst rt w rden und nur ein Satz an die n chste Generation von Lebewesen weitergereicht werden k nnte welche Aussage w rde die gr te Information in den wenigsten Worten enthalten Ich bin davon berzeugt dass dies die Atomhypothese oder welchen Namen sie auch immer hat w re die besagt dass alle Dinge aus Atomen aufgebaut sind aus kleinen Teilchen die in permanenter Bewegung sind einander anziehen wenn sie ein klein wenig voneinander entfernt sind sich aber gegenseitig absto en wenn sie aneinander gepresst werden FEYNMAN 1974 Die Anfangsphase nimmt im Chemieunterricht eine in vielfacher Hinsicht besondere Stellung ein Die Schiller begegnen hier zun chst einer f r sie neuen unbekannten Disziplin Daher soll zun chst den Sch lern die Faszination der Chemie nahe gebracht werden und eine grunds tzliche Vorstellung vermittelt werden was Chemie aus macht Andererseits muss der Anfangsunterricht in die fachspezifisch
258. iden Chemkon 8 2001d 4 183 186 JOHANNSMEYER F SCHNEIDER J OETKEN M Sch lervorstellungen zum Boyle Versuch Chemkon 10 2003 2 73 74 JOHANNSMEYER F WILLUMSOHN F FRIEDRICH J OETKEN M Die chemische Reaktion im Anfangsunterricht ein Hammer Chemkon 9 2002b 3 141 JOHNSTONE A H Teaching of Chemistry logical or psychological CERPIE 1 2000 1 9 15 JURSS F Griechische Atomisten Texte und Kommentare zum materialistischen Denken der Antike Verlag Das Europ Buch Westberlin 1984 KAMINSKI B FLINT A Avogadro einmal anders eingef hrt NiU Ch 5 1994a 25 25 26 KAMINSKI B FLINT A JANSEN W Chemische Formeln im Anfangsunterricht Chemkon 1 1994b 4 183 188 KARLSON P DOENECKE D KOOLMANN J Kurzes Lehrbuch der Biochemie f r Mediziner und Naturwissenschaftler Thieme Stuttgart New York 1994 14 neubearbeitete Auflage KECKI Z Didaktische Schwierigkeiten mit den Begriffen Oxidation Reduktion NiU Ch 2 1991 8 340 341 228 15 LITERATURVERZEICHNIS KIRCHER E Vorstellungen ber Atome NiU P C 34 1986 13 132 135 KLAUTKE S Stoffkreisl ufe Unterricht Biologie 199 1994 4 13 KRAMB V PROSKE W WISKAMP V Eisen Calcium und Kupfer Kreisl ufe NiU Ch 32 1996 7 59 61 KRAUTZ H W Hrsg Epikur Briefe Spr che Werkfragmente Griechisch Deutsch Phillip Reclam Verlag Stuttgart 1980 K HMSTEDT J Diiodpentaoxid
259. iden ease Magnesium Magnesium re eg Semy chemische Eigenschaftsunter _ Sauerstoff oxid Sch lerexperiment suchungen mit schulischen Mitteln BD geeignet Produkt rein Mont gut m glich SO DE N Long nur als Demonstrationsexperiment Wasserstoff erkennbar Produktrein i_ p Wasser einsetzbar zwei farblose Gase als Sauerstoff und allen Lernenden gut Edukte a bekannt als Sch lerexperiment einsetzbar chemische Zink _Eigenschaftsuntersuchung Reaktion muss mit dem Hilfsstoff lod Zinkiodid gut m glich Produkt rein Wasser gef hrt werden wenn und farblich gut von den man den Energieumsatz Kan ag Edukten abzugrenzen verdeutlichen will exotherme Reaktion gut Tabelle 10 1 bersicht ber einige Synthesereaktionen 124 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Edukt Produkte Vorteile Nachteile Gu sle Gefahrenpotential Entsorgung Quecksilber teuer nicht als Sch lerexperiment silber II oxid sehr deutliches Ergebnis f E Video 09 Sauerstoff geeignet RUckreaktion nicht deutliches Ergebnis teuer Silber als solches nicht zu erkennen auch Schwefel schlecht Silber I sulfid Schwefel Synthese auch m glich identifizieren Kupfer nur als schwarzer Synthese auch m glich R ckstand Kupfer Il Kupfer Kupfer sehr gut sichtbar acetat Gasgemisch i
260. ie Eigenschaften der Teilchen nicht mit den makroskopischen Eigenschaften des zugeh rigen Stoffes gleichzusetzen sind RRL CHE 1994 S 24 Mit der Definition des Teilchens von FLADT als Element einer Reinstoffportion l sst sich dies im Unterricht verdeutlichen da die Eigenschaften eines Systems v llig andere sein k nnen als die des einzelnen Elementes Ein Beispiel hierf r ist dass Sch ler als Elemente des Systems Schule intelligent sein k nnen die gesamte Schule dagegen nicht FLADT 1984 Auch f r den Baustein von PFUNDT lassen sich hnliche Vergleiche aufstellen So hat der einzelne Baustein andere Eigenschaften als das ganze Haus 6 3 Kritische Auseinandersetzung mit dem Kugelteilchenmodell Aus der Darstellung der einfachen Teilchen in Form von Kugeln k nnen sich Verst ndnisprobleme ergeben Diese treten nicht sofort sondern bei der Einf hrung des Atommodells in Erscheinung da die kugelige Darstellung dann sowohl f r die einfachen Teilchen eben die Kugelteilchen als auch sp ter f r die DALTONschen Atome verwendet wird So wird dasselbe Symbol f r zwei verschiedene Begriffe und 55 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL zwei unterschiedliche Modellebenen benutzt wodurch hohe Anforderungen an das Abstraktionsverm gen der Sch ler gestellt werden vgl Kapitel 10 Es ist f r die Sch ler danach u erst schwierig bei Abbildungen festzustellen welche Modellebene vorliegt MARX 2002 Dieses wird anhand der beiden
261. ie Entstehung von Kohle aus pflanzlichen Materialien ein Prozess der ber Jahrmillionen abl uft Durch Erhitzen unter Sauerstoffmangel oder durch Zugabe von konzentrierter Schwefels ure ist eine Verkohlung im Experiment dagegen sehr schnell zu erreichen Somit ist der einfache Kreislauf geschlossen und weitere m gliche Verzweigungen die im nat rlichen Kohlenstoffkreislauf bestehen wie die Bildung und Freisetzung von Carbonaten und der Vulkanismus werden nicht ber cksichtigt Auch die Atmung die ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufes ist wird nicht in den einfachen Kohlenstoffkreislauf einbezogen da sie im Prinzip die Umkehrung der Fotosynthese darstellt und der Kreislauf somit sehr schnell geschlossen werden k nnte F r den Anfangsunterricht ist es einfacher einen Kreislauf zu w hlen der m glichst wenige Abzweigungen enth lt Es besteht sogar die M glichkeit den Kreislauf auf drei Stufen zu reduzieren indem das Fotosyntheseprodukt Glucose und nicht die entstehenden pflanzlichen Produkte verkohlt werden In Abb 7 3 ist diese M glichkeit mit einem gestrichelten Pfeil gekennzeichnet F r Sch ler ist der Weg ber die bekannten Pflanzenprodukte wie das Holz jedoch vermutlich einsichtiger als der ber die Glucose Die Erarbeitung des Atommodells mit einem hnlichen einfachen Kohlenstoffkreislauf ist auch Ziel der Unterrichtseinheit von erw nschten Verbrennungen und 74 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZU
262. iele Atome und ebenso eine unendliche Anzahl von Atomsorten gebe Dabei seien die unterschiedlichen Eigenschaften der Atome f r die Unterschiede zwischen den Stoffen verantwortlich Glenauso behaupten auch diese Philosophen Leukipp und Demokrit da die Unterschiede im Bereich der Prim rk rper Ursache f r alles brige sind Solche Unterschiede gebe es drei Gestalt Lage und Anordnung ARISTOTELES zitiert nach J RSS 1984 S 114 Die erste Eigenschaft die bei verschiedenen Atomsorten unterschiedlich ausgepr gt sein kann ist demnach die Gestalt welche sich aus der Form und der Gr e des Atoms ergibt DEMOKRIT beschreibt Atome als schief mit Haken versehen mit Ausbuchtungen oder mit Beulen was nach GEYER jedoch wohl metaphorisch zu sehen ist GEYER 1995 S 134 Eine Angabe der absoluten Gr e von Atomen war den damaligen Philosophen nicht m glich Es ist umstritten ob DEMOKRIT der Ansicht war dass es Atome gebe die aufgrund ihrer Gr e unter bestimmten Verh ltnissen sichtbar seien LEUKIPP hielt dagegen die Kleinheit der Atome f r die Ursache ihrer Unteilbarkeit DEMOKRIT argumentierte in diesem Punkt anders f r ihn seien die Atome wegen ihrer Kompaktheit unteilbar Da alle Atome aus derselben harten einheitlichen Materie best nden gebe es keine Unterschiede in der H rte Somit sei kein Atom in der Lage ein anderes zu zerbrechen JURSS 1984 S 27f Neben den Unterschieden in Form u
263. iese Folien eher eine Schwammstruktur als die eines Siebes aufweisen Das bedeutet dass die Poren untereinander keine konstante Gr e besitzen und die Porenkan le nicht unbedingt in gerader Linie verlaufen vgl Abb 5 4 und Abb 5 5 Im Folgenden wird aber dennoch von einem Sieb gesprochen 36 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Abb 5 4 Rasterelektronenmikroskop REM Aufnahmen von Celluloseacetat und Cellulosemischester SCHLEICHER amp SCHUELL 2000 me K etg Poe ui pr A gt gt y lt m gt x Abb 5 5 Rasterelektronenmikroskop REM Aufnahmen von Cellulosenitrat SCHLEICHER amp SCHUELL 2000 Prinzipiell wurde dazu der in Abb 5 6 dargestellte Versuchsaufbau gew hlt Die Versuchsl sungen sind berwiegend Farbstoffl sungen denn diese haben den Vorteil dass sie ohne Zugabe eines Indikators sofort f r jeden sichtbar anzeigen ob sie durch das Sieb zur ckgehalten werden oder nicht Damit kann man auf den Einsatz von Indikatoren die den Sch lern in dieser Phase des Unterrichts noch unbekannt sind verzichten und vermeidet damit eine berladung des Lernstoffs Die berlegungen der Sch ler k nnen somit auf das Wesentliche fokussiert werden und eine berlastung der Lernenden durch unn tig komplizierte Versuche wird vermieden 37 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Farbstoffl sung im Rollrandgl schen Becherglas mit w ssriger L sung Abb 5 6 Versuc
264. ige Verschiebung der Absorptionsbande erf hrt wodurch mit steigender Temperatur Licht immer gr erer Wellenl ngen absorbiert wird Im Rahmen dieser Deutung absorbiert Kupfer l oxid bei Raumtemperatur bereits alle Wellenl ngen des sichtbaren Bereichs die kleiner sind als die des roten Spektralbereichs Mit steigender Temperatur werden schlie lich auch diese absorbiert und die Substanz erscheint schwarz F r Zinkoxid welches bei Raumtemperatur das gesamte sichtbare Spektrum reflektiert bedeutet die Erw rmung eine Absorption im blauen Spektralbereich wodurch die Komplement rfarbe Gelb sichtbar wird Derartiges Verhalten ist halbleiter typisch wobei aufgrund der Defektstrukturen von Zinkoxid und Kupfer l oxid gewisse Halbleitereigenschaften angenommen werden k nnen COOGAN 1952 SEEGER 2002 Im Rahmen der Untersuchungen wurden noch verschiedene weitere Systeme mit 210 13 ERGEBNIS BERBLICK thermochromen Erscheinungen vorgestellt sowie M glichkeiten der ansprechenden Demonstration aufgezeigt Die urspr nglich intendierte Weiteroxidation des Kupfers zu Kupfer Il oxid kann erreicht werden indem entsprechend lange in einem offenen Gef erhitzt wird in dem der Zutritt des Luftsauerstoffs beg nstigt ist z B Abdampfschale Eine Reaktion zu Kupfer Il oxid ist bei der herk mmlichen Durchf hrung im Reagenzglas kaum zu erreichen Mit der Einf hrung und Behandlung der chemischen Reaktion wurde im Rahmen dieser Arbeit ein
265. igung von Kreislaufgeschehen zur ckzuf hren sind SCHMIDKUNZ 1993 Bei Ber cksichtigung von Kreisl ufen kann die Verschmutzung der Umwelt dagegen beispielsweise durch die Wiederverwertung von Abfallstoffen verringert werden weshalb bereits seit Jahren in den Haushalten Verpackungen gesammelt werden und das Bem hen besteht einen m glichst gro en Anteil davon zu recyceln Das Vorbild f r die Wiederverwertung der Rohstoffe ist dabei die Natur in welcher s mtliche Stoffkreisl ufe miteinander verkn pft sind und alle Stoffe zur ckgewonnen werden k nnen KRAMB 1996 Neben der Umweltbildung sieht SCHMIDKUNZ f r den Chemieunterricht eine weitere Einsatzm glichkeit von Kreisprozessen Die Veranschaulichung chemischer Prozesse in Form von Kreisl ufen sieht er als didaktisches Prinzip an da Sch ler des Anfangsunterrichtes hierdurch wichtige Prinzipien der Chemie kennen lernen k nnen Den Anf ngern soll gezeigt werden was Chemie ist was Chemie kann und welche Ph nomene damit verbunden sind SCHMIDKUNZ 1996 S 55 W hlt man beispielsweise einen einfachen Kupferkreislauf wie in Abb 7 1 bei dem aus elementarem Kupfer ber einige Zwischenstufen wieder Kupfer gewonnen wird so sehen die Sch ler dass das Kupfer nur scheinbar verschwindet aber auf irgendeine Weise noch in den Verbindungen vorhanden sein muss SCHMIDKUNZ 1996 Weitere Varianten von Kupferkreisl ufen beschreiben BAUMGARTNER und PFEIFFER BAUMG RTNER 1996
266. ile der entwickelten Konzeptionen Herrn MICHAEL PIENTKA danke ich f r die Gespr che ber Halbleiterfragen sowie Herrn STEFFEN KRUSE f r die umfangreiche Hilfe bei den bersetzungsarbeiten Ich bedanke mich bei der Arbeitsgruppe Chemiedidaktik der CARL VON OSSIETZKY Universit t Oldenburg f r die Unterst tzung und die angenehme Arbeitsatmosph re insbesondere bei Frau HILKE FICKENFRERICHS und Frau RENATE PEPER BIENZEISLER Herrn Dr PETER HAUPT Herrn Dr ANDREAS KOMETZ und Herrn WILLI RATHJE Mein freundschaftlicher Dank gilt auch meinen Kolleginnen und Kollegen Dr ANTJE PASCHMANN DIRK H LTKEMEIER HENDRIK VENNEMANN Dr HOLGER KUNZ JOHANNES BERG MAREIKE WILMS MARTIN FACH SILVIA SCHMIDT und T NJES DE VRIES f r die stete Gespr chs und Hilfsbereitschaft Nicht zuletzt m chte ich alle jenen danken die w hrend der ganzen Zeit f r mich da waren insbesondere meinen Freunden und meiner Familie INHALT 10 11 12 13 14 15 INHALTS BERSICHT EINLEITUNG srseniieuns rie sonen nennen en cysciedcande cove Vines Seeuseduevedeseus isdetatsattennvestesvvedsis DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS 0 ccccceeeceeeceeeeeeneeees MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG nuassuannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS uususasnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN nunuauuunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn
267. im Gegensatz zu der Philosophie des ARISTOTELES ohne eine Gottheit aus da bei ihm die Atome ewig sind und es somit keines Sch pfers bedarf Weiterhin ging er davon aus dass auch die Seele aus Atomen aufgebaut sei und sich nach dem Tod des Menschen in ihre Bestandteile aufl se Aus der Erkenntnis heraus dass den Menschen somit nur eine kurze Lebensspanne zur Verf gung stehe lehrte EPIKUR dass die Menschen nach einem zufriedenen lustvollen Leben streben sollten Dieses sei jedoch nur m glich wenn sie sich einsichtsvoll und gerecht verhielten KRAUTZ 1980 Das entscheidende Punkt der Lehre EPIKURS mit der sich die ARISTOTELISCHE Vorstellung widerlegen lie war das grunds tzlich unterschiedliche Verhalten der Natur gegen ber rein mathematischen Betrachtungen W hrend man innerhalb der Lehre des ARISTOTELES mit den Teilungsschritten der Materie immer weiter fortschreiten konnten ging Epikur davon aus dass die Natur von ihm als Allgesetzlichkeit bezeichnet bei einem gewissen Punkt Halt macht Die Teilung bis ins Unendliche sei somit mathematischen Betrachtungen vorbehalten JANSEN 2003 4 5 Die Wiederentdeckung des Atomismus In der Sp tantike und im Mittelalter verlor der Atomismus an Bedeutung und wurde schlie lich ganz berdeckt von mystisch irrationaler Philosophie und Theologie J RSS 1984 S 49 Die Elementlehre des ARISTOTELES war dagegen allgemein anerkannt Dass die Atomidee im Mittelalter dennoch einige Anh
268. influss auf den Durchtritt durch die Membran haben z B el Wechselwirkung der Teilchen mit der Membran Im Verh ltnis zu den Gr enunterschieden der gegen bergestellten Substanzen sind diese Effekte jedoch zu vernachl ssigen Kaliumpermanganat L sung lod Dextrin Komplex L sun Kaliumchromat L sung lod St rke Komplex L sung Abb 13 1 Gegen berstellung verschiedener Farbstoffl sungen Im Rahmen der Untersuchungen wurden eine Vielzahl von verschiedenen Farbstoffen farbigen Komplexen sowie der Durchtritt von S uren und Basen untersucht Auf Basis der vom Membranhersteller angegebenen Porengr en kann zus tzlich durch die vorgestellte Vorgehensweise die Gr enordung der betrachteten Farbstoffe grob eingeordnet werden so dass die Sch ler hier erstmals mit den Dimensionen der submikroskopischen Ebene konfrontiert werden k nnen Nachdem die Sch ler prinzipiell mit der Diskontinuit t der Materie vertraut gemacht wurden findet dieses neue Modell im Unterricht erste Anwendungen So werden z B Aggregatzustands berg nge und L sungsvorg nge zun chst auf submikroskopischer 206 13 ERGEBNIS BERBLICK Ebene gedeutet indem sie durch Teilchen visualisiert werden die jeweils kleinste Reinstoffeinheiten der Stoffe repr sentieren Die Darstellung solcher Teilchen erfolgt im herk mmlichen Curriculum durch eine kugelige Gestalt In der Diskussion in Kapitel 6 wurde gezeigt dass verschiedene Punkte daf r spre
269. innerhalb des Curriculums zur ckgegriffen zu dem die Reaktion zun chst ohne Kenntnis der submikroskopischen Ebene unter ph nomenologischen Gesichtspunkten eingef hrt wird Im weiteren Gang des Kapitels wird die zu diesem Zweck vorgestellte Reaktion im Sinne eines Spiralcurriculums erneut auf der Diskontinuumsebene diskutiert und schlie lich auf einer ber das DALTONsche Modell hinausgehende Ebene gedeutet 10 1 Didaktische Einordnung der Reaktion von Zink mit lod als Beispielreaktion f r den Begriff der chemischen Reaktion im Chemieunterricht Der Begriff der chemischen Reaktion ist einer der zentralen Inhalte des Chemie unterrichtes Er begr ndet die Wissenschaft als solche und setzt sie gegen ber den anderen Naturwissenschaften als Theorie der Ver nderung der Stoffe ab Aus diesem Grund kommt der Vermittlung des Begriffes entscheidende Bedeutung zu und sollte besondere Aufmerksamkeit erfahren Das Ausw hlen treffender Beispielreaktion ist im Sinne des exemplarischen Unterrichtens dabei von au erordentlicher Wichtigkeit da die Zeit im Curriculum meistens nicht ausreicht eine gro e Zahl verschiedener Reaktionen ausf hrlich zu betrachten und ihre Gemeinsamkeiten herauszuarbeiten Die Rahmenrichtlinien des Landes Niedersachsen sehen f r den Themenbereich Stoffe und Reaktionen aus ph nomenologischer Sicht mit 28 Stunden mehr als die H lfte der in Klasse 9 zur Verf gung stehenden Zeit vor Der Themenbereich ist aber durch seine
270. innung von elementarem Zink wichtigste Erz ist das Zinksulfid welches in zwei Modifikationen als hexagonaler Wurtzit und als kubische Zinkblende vorkommt vgl Abb 10 12 und Abb 10 13 Die Zinkgewinnung findet hierbei nach dem R streaktionsverfahren nach den Reaktionsgleichungen ZnS 1 5 O ZnO SO 4 und ZnO C Zn CO 5 statt Das so gewonnene Rohzink wird durch fraktionierende Destillation gereinigt Ein anderes wichtiges Verfahren zur Herstellung von Zink ist die Elektrolyse von Zinksulfatl sungen HOLLEMANN 1985 S 1034 1036 Abb 10 12 Wurtzit Struktur hell die Abb 10 13 Zinkblende Struktur hell die Zn lonen dunkel die S Zn Ionen dunkel die S lonen nach FALBE 1995 lonen nach FALBE 1995 Zink ist ein bl ulich wei es Metall der Dichte 7 140 g cm Es bildet eine fast hexagonal dichteste Kugelpackung die in Richtung der sechsz hligen Achse gestreckt ist vgl Abb 10 14 Der Schmelzpunkt von Zink betr gt 419 6 C der Siedepunkt 908 5 C Verwendung findet Zink haupts chlich in Legierungen zum Beispiel Messing und beim Verzinken HOLLEMANN 1985 S 1037 1038 144 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Abb 10 14 Hexagonale Struktur von elementarem Zink Links die Koordinationssph re eines jeden Atoms in der Mitte die Elementarzelle mit dem Atomabstand a Rechts das Schichtengitter mit dem Atomabstand a nach FALBE 1995 10 6 1 3 Eigenschaften und Merkmale des Zinkiodids
271. ion of chemical reactions is the reaction of zinc and iodine This reaction allows for a good comparison of the properties of the two substances on a phenomenological level as opposed to reactions which result in oxides or sulfides since in the former case simple analytic methods for the products and educts are possible The reaction is initiated by adding water to the reactants and the exothermic nature of the reaction becomes apparent since no further energy has to be supplied for the reaction to take place Water is needed to break down the passivating layer of zinc iodide which would prevent the reaction from continuing otherwise Another approach is the use of molten zinc In this case the formation of a passivating layer is prevented by the continual renewal of surface so the reaction can take place It is important to note the differences between mixtures of substances and products of reactions for their characterisation A differentiation becomes difficult when using common means of visualisation on a sub microscopic level since products of chemical reactions are represented by unchanged regrouped atoms which is similar to the visualisation of mixtures Further differentiation of zinc iodide and the educts in the 220 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT visualisation is made possible when taking a change in the atoms into account This becomes apparent when comparing the substances different solubility as well as the resulting solutions a
272. it wurden verschiedene Schl sselstellen des Anfangs unterrichtes im Fach Chemie n her beleuchtet an denen Grundkenntnisse und wichtige Modellvorstellungen vermittelt werden die die Basis f r den weiteren Erkenntnisgang bilden Das Hauptaugenmerk wurde dabei auf den Unterrichtsabschnitt gelegt in dem der diskontinuierliche Aufbau der Materie den Lernenden nahegebracht wird und die Sch ler Deutungen auf Basis erster Teilchen und Atommodelle vornehmen Bestehende Vorgehensweisen wurden hierbei zun chst kritisch betrachtet und auftretende Probleme diskutiert Wesentliches Anliegen der vorliegenden Arbeit ist die Ausarbeitung alternativer Wege und Zug nge zu den unterschiedlichen Problemfeldern durch die bekannte Schwierigkeiten vermieden bzw reduziert werden k nnen Nach der Darstellung grundlegender theoretischer Hintergr nde zur Modellbildung und zum Wissenserwerb folgte zun chst eine Beschreibung der historischen Entstehung und Entwicklung von Vorstellungen ber den diskontinuierlichen Aufbau der Materie bis hin zum DaLTonschen Atommodell Um den f r Sch ler schwierigen bergang von einer Kontinuums zu einer Diskontinuumsvorstellung im Unterricht anschaulich werden zu lassen wurde ein neuartiger Zugang auf experimenteller Basis erarbeitet Dabei wurde das Sieben als ein im makroskopischen Bereich den Sch lern gel ufiges Trennverfahren auf molekularer Ebene angewandt um so ber das Prinzip der Trennung nach Korngr e eine Konti
273. kann m ssen diese auf die einzelnen zum Teil aquatisierten Teilchen zur ckgef hrt werden W rden die Zinkatome somit w hrend der Reaktion nicht ver ndert m ssten sie nach wie vor einen unl slichen R ckstand bilden Auch der Farbunterschied zwischen lod und Zinkiodidl sung l sst sich ohne Ver nderung der Teilchen nicht erkl ren 212 13 ERGEBNIS BERBLICK Ze BB gt 3388 Zink s lod s Zinkiodid s Abb 13 5 Visualisierung der Reaktion von Zink und lod zu Zinkiodid auf der Grundlage des DaLTonschen Atommodells unter Ber cksichtigung der Ver nderung der Teilchen Die zun chst nur qualitativ festgestellte Ver nderung kann erst auf Basis eines differenzierten Atommodells wie dem RUTHERFORDschen Kern H lle Modell n her beschrieben werden Es ist daher m glich die Einf hrung eines solchen Modells durch die Untersuchung der Art der Ver nderung zu motivieren Hierzu bietet sich die Reaktionsf hrung der Zinkiodidbildung als galvanisches Element an Durch die Identifikation des auftretenden Stromflusses als einer aus dem Physikunterricht bekannten Elektronenbewegung kann die Quelle und das Ziel dieser Bewegung als die Zink bzw lodatome bestimmt werden Die Behandlung des Kern H lle Modells erw chst so einer unterrichtlichen Problemsituation Teilreaktionen Pos Elektron en Oxidation Zink Atom pos Zink lon Elektron en U C Elektron en gt Reduktion lod Atom
274. keit atomar vorliegenden Elementen bereits im Symbolteilchen eine kugeliges Symbol zuzuweisen um sp ter nicht zwei Modelldarstellungen gleichen Inhaltes vorliegen zu haben Zum anderen k nnen diese Elemente mit speziellen Symbolteilchen dargestellt werden wobei es sich aufgrund der gro en Bedeutung der Metalle im Anfangsunterricht anbietet f r diese ein eigenes Symbolteilchen zu verwenden F r diese Variante spricht dass die Trennung der Modellebenen stringent f r alle Vertreter des Symbolteilchenmodells angewandt wird Sollen L sungsvorg nge von Salzen in Bezug auf die Dissoziation ad quat dargestellt werden so muss f r Anionen und Kationen jeweils eine eigene Teilchensorte verwendet werden Damit ergibt sich einerseits ein Konflikt zu der Definition nach der im einfachen Teilchenmodell jedem Reinstoff nur ein Teilchen zugewiesen wird FLADT 1984 MARX 2002 Andererseits ist diese Art der Darstellung anschlussf hig in Bezug auf die sp tere Vermittlung des Dissoziationsvorganges Das einfache Teilchenmodell muss dann nicht ber die kleinste Reinstoffeinheiten sondern ber die diskret vorkommenden Teilchen definiert werden EILKS 2002 Der bergang von diesem ersten Modell im Diskontinuumsdenken zur DALTONschen Atommodellvorstellung wird h ufig in Schulb chern nicht explizit vollzogen das Atommodell l st das einfache Teilchenmodell ab ohne die Unterschiede aufzuzeigen und so eine Abgrenzung zu erm glichen MARX 2002 Das Symb
275. ker in Wasser aus HAUSLER 1996 S 23 Die Abbildung zeigt das L sen von Zucker in Wasser im Kugelteilchenmodell Dabei sind die Zuckerteilchen mit gr eren gr nen und die Wasserteilchen mit kleineren blauen Kugeln dargestellt Dar ber hinaus ist das gesamte Glas hellblau hinterlegt wodurch der Wasserstand innerhalb des Gef es gekennzeichnet wird Nicht nur Sch ler k nnen hier schnell zu der Assoziation verleitet werden dass es sich bei dem hellblau Unterlegtem um Wasser handelt Dieses erf llt die Zwischenr ume zwischen den Teilchen vollst ndig ist also eine kontinuierliche Masse Dass dar ber hinaus Wasserteilchen dargestellt sind ist in der Vorstellung der Sch ler kein Widerspruch DRIVER und SCOTT schlagen vor der Vorstellung vom Diskontinuum im Kontinuum bei den Sch lern mit einer Diskussion dar ber zu begegnen welche Schlussfolgerungen sich daraus erg ben wenn tats chlich Luft zwischen den Luftteilchen w re Hierdurch sei es ihnen im Unterricht bereits gelungen Sch ler zu der Einsicht zu bewegen dass zwischen den Teilchen nichts sein k nne da die Zwischenr ume ansonsten wiederum von Luftteilchen ausgef llt werden m ssten DRIVER 1994 54 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL 6 2 5 Das Verh ltnis von Teilcheneigenschaft und Stoffeigenschaft Sch ler nehmen vor der Behandlung des Teilchenmodells im Unterricht an dass jeder Anteil einer Stoffprobe dieselben Eigenschaften wie der gesamte Stoff hat HEINECKE 1997
276. kte voneinander zu trennen da das lod verdampft und sich an den k hlen Teilen des Glasrohres in r umlicher Entfernung vom Zink niederschl gt So ist eine R ckreaktion gehindert Allerdings ist die Ausbeute sehr gering und das Zink ist als solches schlecht zu erkennen 154 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT 11 Der Redoxbegriff im Unterricht 11 1 Die Einf hrung des vorl ufigen Oxidationsbegriffes im LAVoisiERschen Sinne Im Anfangsunterricht wird die chemische Reaktion in der Regel anhand von Verbrennungs Sulfidbildungs und Salzbildungsreaktionen eingef hrt Diese sind zun chst nur auf der ph nomenologischen makroskopischen Ebene zug nglich Anhand verschiedener Beispiele werden typische Merkmale chemischer Reaktionen herausgestellt wie die Stoffumwandlung verbunden mit einem Energieumsatz sowie der Massenerhaltung Die Vorg nge auf der atomaren Ebene k nnen zun chst nur basierend auf dem DALTONschen Atommodell gedeutet werden das h ufig erst in diesem Zusammenhang eingef hrt wird Ein erweitertes Atommodell ist noch nicht vorhanden Wenig sp ter wird mit den Verbrennungsreaktionen ein Klassifizierungsschema eingef hrt welches basierend auf dem LAVoIsiERschen Oxidationsbegriff Reaktionen mit Sauerstoff als Oxidation bezeichnet Solche Oxidationen bilden damit eine eigenst ndige Reaktionsklasse Anhand verschiedener Beispielreaktionen zwischen Metallen wie auch Nichtmetallen mit Sauerstoff wird dieser f r
277. ktionen verschiedener Metalle mit Schwefel durch Hammerschlag Ger te und Chemikalien Schlagfeste Unterlage z B kleiner Amboss Eisenbahnschiene oder F ustel schwerer Handhammer Waage M rser mit Pistill Schwefel Magnesiumpulver Aluminiumpulver Zinkpulver Kupferpulver Versuchsdurchf hrung Eines der Metallpulver Aluminium Kupfer Magnesium oder Zink wird in st chiometrischem Verh ltnis mit gem rsertem Schwefel intensiv gemischt 1 g dieses Gemisches wird auf die feste Schlagunterlage gegeben Mit einem Handhammer wird nun kr ftig auf den Pulverhaufen geschlagen Beobachtungen a Die Reaktion von Aluminium und Schwefel Das Gemisch reagiert bei treffsicherem Hammerschlag unter lautem Knallen und heller Flammenerscheinung Hierf r ist ein relativ geringer Kraftaufwand notwendig Das Reaktionsprodukt kann h ufig nicht erhalten werden da durch das Schlagen und die heftige Reaktion das Reaktionsprodukt zu den Seiten versprengt wird vgl Abb A 1 Abb A 2 Reaktion eines Kupfer Schwefel Gemisches nach dem Hammerschlag Abb A 3 Entz ndung eines Magnesium Schwefel Gemisches durch Hammerschlag b Die Reaktion von Kupfer mit Schwefel Sofort nach dem Hammerschlag reagiert auch hier das Reaktionsgemisch Die Reaktion von Kupfer und Schwefel verl uft weniger heftig als die Reaktion von Aluminium mit Schwefel Deutlich ist zu erkennen dass das Kupfer Schwefel Gemisch auch nach dem Reaktionsstart weiterreagiert v
278. l beim Membranverfahren in der Chlor Alkalielektrolyse JANSEN 1994 oder bei der PEM Brennstoffzelle einer speziellen Wasserstoff Sauerstoff Brennstoffzelle zu Nutze Huntemann 2001a Aufgrund der Experimente die sowohl mit negativ geladenen als auch mit positiv geladenen lonen durchgef hrt wurden ist davon auszugehen dass die hier verwendeten Membranen f r lonen jeglicher Ladung durchl ssig sind vgl Kap 12 1 Die F higkeit zur Durchl ssigkeit eines Stoffes h ngt demnach nur von dessen Gr e relativ zur Porengr e der Membran ab Als Membranen wurde zum einen Dialyseschlauch der Firma MEDICELL International Ltd benutzt Sorte Dialysis Tubing Visking Size 3 der eine deklarierte Porengr e von ca 2 7 2 8 nm hat Diesen Wert errechnet man aus dem angegebenen MWCO Wert von 12000 14000 Dalton nach dem in Tabelle 5 1 angegebenen Schl ssel Zum anderen wurde Einmachfolie der Firma DETI DETI Qualit tsprodukte 74909 Meckesheim Art Nr 5050 aus Cellophan verwendet die in allen F llen die gleichen Versuchsergebnisse gezeigt hat so dass davon ausgegangen werden kann dass sich die Porengr en in etwa entsprechen Das Cellophan der Einmachfolie besteht aus Cellulosexanthogenat dem Natriumsalz des Esters von Cellulose mit der Dithiokohlens ure vgl Abb 5 8 INTERNETSEITE b a Q OH Q O 5 O o oO O s n S Na S S Na s O HO 2 SNa Abb 5 8 Struktur von Cellulosexanthogenat Cellophan
279. len von Rohrzucker mit Schwefels ure 177 12 2 2 4 Verkohlen von Rohrzucker Traubenzucker und St rke 178 12 2 2 5 Verkohlen von Streichh lzern 179 12 2 2 6 Abbrennen von Streichh lzern 180 12 2 2 7 Verkohlen von Kresse 180 12 2 3 Versuche zur Fotosynthese 182 12 2 3 1 Der Massenerhalt bei der Fotosynthese 182 12 2 3 2 Verfolgung der CO2 Aufnahme von Pflanzen mittels Indikator 183 12 2 3 3 pH metrische Verfolgung der CO2 Aufnahme von Pflanzen 185 12 3 Untersuchungen zur Thermochromie 187 12 3 1 Thermochrome Erscheinungen beim Erhitzen von Kupfer I oxid 187 12 3 2 Erhitzen von Kupfer l oxid im Wasserstoffstrom und Umwandlung zu elementarem Kupfer nach MATUSCHEK 1994 187 12 3 3 Untersuchung der Thermochromie von Kupfer I oxid durch Abk hlen 188 INHALT 13 14 15 12 3 4 Nutzung der Thermochromie als Showversuch Die Deutsch landflagge im Wechsel der Jahreszeiten 12 3 5 Umwandlung von Kupfer I oxid zu Kupfer Il oxid 12 4 Ermittlung der Formel von Kohlenstoffdioxid 12 5 Experimentelle Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Zink und lod 12 5 1 Reaktion von Zink mit lod in w ssriger L sung 12 5 2 Reaktion von Zink mit lod im Reagenzglas mit verschiedenen anderen L sungsmitteln 12 5 3 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von S ure 12 5 4 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von verschiedenen ges ttigten Salzl sungen 12 5 5 Reaktion von Zink mit lod nach Zugabe von gesattigter Zinkbromid bzw Zinkchloridl sung
280. ler 1998 S 164 Wenn nun ein neuer Begriff hinzukommt so spricht man auch von einer Erweiterung des semantischen Netzes wobei dieses Netz die gespeicherte Wissensstruktur darstellt Eine Erweiterung dieses Netzes ist zum einen durch eine neue Verkn pfung zum bereits vorhandenen Wissen m glich d h ein neuer Begriffsin 157 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT halt wird durch eine neue Verbindung in das bereits vorhandene Begriffsnetz integriert Die zweite M glichkeit der Modifizierung des Netzes ist eine Umstrukturierung der vor handenen Verbindungen zwischen den Begriffsinhalten was in der Regel zu einer grundlegenden Umgestaltung des bisherigen Begriffsnetzes f hrt und als Konzeptwechsel vgl Kapitel 2 bezeichnet wird Ein solcher Konzeptwechsel wird von Lernenden aber nur unter ganz bestimmten Bedingungen wie u a der Unzufriedenheit mit bisherigen Wissensstrukturen vollzogen siehe Kapitel 2 Anderenfalls wird immer wieder auf bereits zuvor vorhandenes Wissen zur ckgegriffen denn der Konzeptwechsel ist nicht gleichbedeutend mit einer L schung alter Vorstellungen Bezugnehmend auf die zu lernenden Begriffe Oxidation Reduktion und Redoxreaktion handelt es sich bei der sogenannten Erweiterung des Redoxbegriffes zu einer Elektronen bertragungsreaktion jedoch nicht um eine Erweiterung des semantischen Netzes sondern vielmehr liegt hier ein solcher Konzeptwechsel vor Das Kennzeichen einer Erweiterung besteht darin dass z
281. llig ist dass bei denjenigen die die Massenzunahme ankreuzten mit 38 ein sehr gro er Anteil keine Begr ndung angab oder der verfasste Text keine nachvollziehbare Erkl rung dieser Antwort enthielt Die genaue Verteilung ist Tabelle 7 4 zu entnehmen Begr ndungen f r eine Massenzunahme Anzahl an Sch lern darunter Angaben bezogen auf den jeweiligen Jahrgang Jg 8 Jg 9 Jg 10 Jg 11 Jg 12 1 Kategorie Gesamt Es entsteht Gas dadurch nimmt die 1 5 0 0 asse zu 15 as Verbrennungsprodukt 9 ohlenstoffdioxid ist schwerer als elne Ausgangsstoffe im Kolben a a Is der Kohlenstoff as Verbrennungsprodukt ist schwerer tals Sauerstoff Luft Das Verbrennungsprodukt hat eine here Dichte als der Sauerstoff 5 s findet eine Ausdehnung des Ballons 7 att und mit zunehmendem Volumen mmt die Masse zu icht zuzuordnen keine Begr ndung Tabelle 7 4 Einteilung der Begr ndungen f r eine Massenzunahme 7 4 3 Fazit Die Untersuchung hat ergeben dass viele Sch lerinnen und Sch ler insbesondere in der Sekundarstufe Schwierigkeiten mit dem Erkennen der Massenkonstanz bei der Verbrennung haben Dabei waren die meisten Falschantworten im Bereich einer Massenabnahme zu finden Den Begr ndungen der falschen Antworten war immer wieder zu entnehmen dass die Befragten aller Jahrgangsstufen der Vorstellung erliegen dass Gase grunds tzlich
282. lod l uft nach Zugabe einiger Tropfen Wasser ab ebenso die Reaktionen von Zink und Magnesium mit Brom Die Erkl rung dieses Ph nomens verschweigen jedoch die meisten Autoren ROESKY und M CKEL erw hnen nicht welche Auswirkung die Zugabe von Wasser hat sie beschreiben lediglich dass die Reaktion durch Spuren von Wasser initiiert wird ROESKY 1996 S 32 Auch andere Autoren die die Reaktionen von Metallen mit lod beschreiben erw hnen nur dass die Zugabe von Wasser die Reaktion startet aber nicht warum dieses geschieht DEMEO 1995 FULL 1981 NOYES 1902 Einen ersten Hinweis zur Kl rung des Ph nomens erh lt man in einem Artikel von PARSONS der ausf hrt dass das Wasser den Film festen lodids von der Oberfl che des Metalls abl s PARSONS 1925 Aufbauend auf dieser Hypothese wurden verschiedene Experimente zur Kl rung des Ph nomens durchgef hrt die im Folgenden beschrieben und er rtert werden Bei einer fachlichen Auseinandersetzung mit diesem Ph nomen muss also die Rolle des Wassers untersucht werden Zwei m gliche Einflussnahmen des Wassers sind dabei denkbar Vermutungen das Wasser k nne im klassischen Sinne als Katalysator 146 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION fungieren indem es mit einem der beiden Reaktionspartner zun chst eine Zwischenreaktion eingeht und ein die Aktivierungsenergie der Hauptreaktion herabsetzendes Zwischenprodukt bildet haben sich jedoch aus im Folgenden beschriebenen
283. ls ure kommen sollte der Lehrer f r jede Gruppe ein Rollrandgl schen vorbereiten dass etwa 1 cm hoch mit Schwefels ure gef llt ist Durchf hrung Das Rollrandgl schen wurde bereits etwa 1 cm hoch mit konzentrierter Schwefels ure gef llt Ein St ck W rfelzucker wird nun an einem Bindfaden befestigt und so in das Gl schen geh ngt dass das Zuckerst ck nicht in die S ure eintaucht Der Deckel wird geschlossen und das Gl schen gewogen Dann wird der Deckel vorsichtig abgehoben das Zuckerst ck wird in die S ure gegeben und der Deckel wieder verschlossen Nach 2 3 Minuten wird erneut gewogen Masse des Gl schens mit Inhalt und Deckel vor der Reaktion nach der Reaktion Aufgaben 1 Beschreibe was mit dem Zuckerst ckchen passiert Das Zuckerst ckchen verf rbt sich zun chst gelblich und wird innerhalb von zwei bis drei Minuten schwarz 2 Beschreibe wie sich die Masse w hrend des Experimentes verh lt Erl utere dies Die Masse ndert sich w hrend der Reaktion nicht Da das Rollrandgl schen verschlossen ist k nnen keine Stoffe entweichen Daher gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse Abb 7 12 Lehrerarbeitsblatt zur Verkohlung mit konzentrierter Schwefels ure 92 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Zusatzstation Pflanzenversuch Ger te und Chemikalien 2 Efeu Bl tter oder ein Bund frisch geschnittene Kresse 2 Bechergl ser 100 mL Standz
284. lte Sch ler u erungen belegen diese Einsch tzung sehr deutlich Warum bringen uns Chemielehrer es in Klasse 8 falsch bei und in Klasse 11 m ssen wir wieder was Neues lernen bzw Gilt der alte Begriff jetzt nicht mehr Ein Sch ler fand gravierend dass eine Oxidation nach altem Begriff jetzt keine Oxidation mehr ist BERGER 2002 Den empirischen Untersuchungen ist zu entnehmen dass Sch ler h ufig nicht in der Lage sind eine Sauerstoff bertragung auch als eine Elektronen bertragungsreaktion zu interpretieren SUMFLETH 1991 1992 1995 SUMFLETH kommt schlie lich zu folgender Einsch tzung 158 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT Die Ergebnisse zeigen dass die Umdeutung von einmal Gelerntem nicht gelingt Daher sollte m glichst darauf verzichtet werden zun chst ein Konzept einzuf hren um es zu einem sp teren Zeitpunkt zu revidieren SUMFLETH 1994 Eine M glichkeit wie an dieser Stelle im herk mmlichen Curriculum ein nicht sinnvoller Konzeptwechsel bei der Erarbeitung des erweiterten Redoxbegriffes in einfacher Weise umgangen werden kann soll im Folgenden ausgef hrt werden Hierzu m ssen die Modellvorstellungen der Sch ler dann im Sinne einer Begriffserweiterung bei der Deutung der chemischen Reaktion modifiziert werden 11 4 Vorschl ge zur berwindung der bekannten Schwierigkeiten Angesichts dieser Probleme im Chemieanfangsunterrichtes wurden von verschiedenen Autoren L sungsvors
285. lte bei der Auswertung des Kohlenstoffkreislaufes auch die Massenerhaltung die f r alle Teilreaktionen des Kohlenstoffkreislaufs experimentell nachgewiesen wurde auf Grundlage der neu eingef hrten Atomtheorie durchdacht werden Dehnt man n mlich die Betrachtung der Atome vom Verfolgen der Kohlenstoffatome auf die Atome aller beteiligten Stoffe aus so kann den Sch lern verdeutlicht werden dass bei einer Erhaltung von Atomen die jeweils eine spezifische Masse haben auch die Gesamtmasse von Edukten und Produkten bereinstimmen muss Somit k nnen sie das zuvor lediglich gelernte und experimentell nachgewiesene Gesetz von der Er haltung der Masse auf einer tieferen Ebene verstehen Hieran ankn pfend k nnten dann im Unterricht anhand geeigneter Versuche die Ge setze der konstanten und multiplen Proportionen und deren Deutung mittels DALTONSchen Atommodells behandelt werden 7 3 6 Darstellung des Kreislaufes im Symbolteilchenmodell und im Atommodell Bei der Erarbeitung des Kreislaufes besteht die M glichkeit die ablaufenden Reakti onen auf Teilchenebene grafisch darzustellen Dabei muss zun chst ein einfaches Teilchenmodell verwendet werden da die Sch ler die Atome in diesem Zusammen hang erst kennen lernen In Abb 7 7 auf S 87 sind Reaktionen des Koh lenstoffkreislaufs im Symbolteilchenmodell zu sehen welches in Kapitel 6 vorgestellt wird Dabei finden sich zwei verschiedene Varianten da zwei M glichkeiten f r die Darstellung vo
286. lulose Kresse Cellulose Verkohlen Holz Kohlenstoff Wasser Kresse Kohlenstoff Wasser Nach dem Sammeln der Wortgleichungen erhalten die Sch ler die Aufgabe die Re aktionen in eine sinnvolle Anordnung zu bringen Eine m gliche Reihenfolge beginnt mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Verbrennung Dieses kann als Ausgangsstoff in der Fotosynthese eingesetzt werden Das Fotosynthese Produkt Glucose wird wiederum im Stoffwechsel der Pflanze in die verschiedenen Pflanzenprodukte wie St rke Rohrzucker und Cellulose umgewandelt deren Verkohlung Kohlenstoff ergibt Eine solche Reihe kann aber mit jedem beliebigen Teilschritt begonnen werden so dass von den Sch lern vier verschiedene Anordnungen genannt werden k nnten 83 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL A Verbrennen Fotosynthese Stoffwechsel der Pflanze Verkohlen B Fotosynthese Stoffwechsel der Pflanze Verkohlen Verbrennen C Stoffwechsel der Pflanze Verkohlen Verbrennen Fotosynthese D Verkohlen Verbrennen Fotosynthese Stoffwechsel der Pflanze Aus der Erkenntnis dass jeder beliebige Teilschritt als Anfang f r eine Reaktionsfolge gew hlt werden kann folgt die M glichkeit diese Teilschritte in Form eines einfachen Kreislaufs anzuordnen siehe Abb 7 3 Nach dem Aufstellen des einfachen Kreislaufs sollte der Blick der Sch ler darauf gerichtet werden was mit dem Kohlenstoff w hrend des Kreislau
287. lungen als auch in der Realit t vorhandenes Baumaterial angesehen werden BLEICHROTH 1989 Die fehlende Einsicht der Diskrepanz zwischen Original und Modell f hrt im Zusam menspiel mit der Einf hrung leistungsf higerer Modelle zu weiteren Schwierigkeiten So beschreibt TOUCHE dass Sch ler die mit unterschiedlichen Atommodellen in der Physik und Chemie arbeiten nicht erkennen dass beiden Modellen die gleichen Originale zugrunde liegen Die Modellvorstellungen der unterschiedlichen Disziplinen stehen beziehungslos nebeneinander Der Autor spricht sich daher f r die Verwen dung eines einheitlichen Modells in allen Naturwissenschaften aus TOUCHE 1989 Durch die Aufgabe des Unterrichts Modelle so auszuw hlen dass sie adressaten gerecht sind muss h ufig auf Modelle zur ckgegriffen werden die nur Teilausschnitte des heutigen Erkenntnisstandes abdecken Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der Beobachtung von NAUMER et al bei den Atommodellen die sich auf viele Modelle 13 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG bertragen l sst n mlich dass ein Anwachsen der Leistungsf higkeit gekoppelt ist mit einer Abnahme der Anschaulichkeit NAUMER 1979 Daher kann der Vorwurf erhoben werden dass diese Modelle nicht in geb hrendem Ma e den aktuellen Stand wissenschaftlicher Erkenntnis repr sentieren Einzelne Aspekte dieser Modelle entsprechen nicht mehr der heutigen Vorstellung und sind daher als falsch zu betrachten BUCK geht dah
288. m entsprechenden Farben aus Versuch 12 1 6 Abb 12 4 Molekulares Sieben von lod Dextrin Komplex L sung links lod Starke Komplex L sung rechts Beobachtungen Auch nach langer Zeit Versuch wurde nach einer Woche abgebrochen ist im Becherglas keine Blauf rbung bzw Rotf rbung bei Verwenden der Dextrinl sung zu beobachten Eine Probe aus dem Becherglas zeigt mit Kaliumtriiodidl sung versetzt keine Blauf rbung bzw Rotf rbung 12 1 5 1 Aussieben eines der Farbstoffe aus einem Farbstoffgemisch Chemikalien gr ne lod St rkel sung St rke z B RUF Feine Speisest rke Kaliumtriiodidl sung c Kl3 0 05 mol L dest Wasser Vorbereitung F r die gr ne lod St rkel sung wird zu der blauen aus Versuch 12 1 5 soviel Kaliumtriiodidl sung hinzugegeben bis die L sung eine gr ne Farbe angenommen hat z B zu 10 mL St rkel sung ca 3 mL Kl L sung 171 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Versuchsdurchf hrung Das Becherglas wird zu ca drei Vierteln mit destilliertem Wasser das Rollrandgl schen etwa zur H lfte mit der gr nen lod St rkel sung gef llt Beobachtungen Nach einiger Zeit f rbt sich die L sung im Becherglas gelb w hrend sich die L sung im Rollrandgl schen langsam von gr n nach blau f rbt Die Bildung von Schlieren ist in der Regel nicht zu beobachten da die Konzentration an la zu gering ist Will man den Versuch ber l ngere Zeit stehen lassen so ist es ratsam
289. m Prinzip von LE CH TELIER und der Indikator schl gt zu gelb um Abb 12 15b Zwischen der CO Konzentration in der Gasphase und dem in der L sung bildet sich dabei in dem geschlossenen Gef ein Gleichgewichtszustand aus Dabei steht das gel ste CO selbst wiederum im Gleichgewicht mit den Hydrogencarbonat lonen BENGART 1979 CO g CO aq 3 und CO aq 2 H20 1 HCOs aq H30 aq 4 Nach dem Einh ngen der Efeubl tter verf rbt sich der Indikator im Laufe von 60 Minuten von gelb ber orange nach purpurrot Abb 12 15 c d e w hrend sich die Farbe der Vergleichsl sung nicht ndert Der Farbumschlag des Indikators l sst erkennen dass der pH Wert der L sung w hrend des Versuches steigt Ursache hierf r ist dass das beleuchtete Efeu Blatt Fotosynthese betreibt und somit dem Gasraum Kohlenstoffdioxid entzieht vgl Kapitel 7 3 8 1 Aufgrund der bestehenden Gleichgewichte wird somit auch der L sung Kohlenstoffdioxid entzogen und der pH Wert steigt 12 2 3 3 pH metrische Verfolgung der CO2 Aufnahme von Pflanzen Ger te und Chemikalien Wie in Versuch 12 2 3 2 zus tzlich pH Meter mit pH Elektrode Eichl sungen Computer mit Messprogramm Cassy Stein Tesafilm Durchf hrung Das pH Meter wird geeicht und ein Becherglas wie in 12 2 3 2 beschrieben mit Hydrogencarbonat L sung Indikator und Kohlenstoffdioxid bef llt Die pH Elektrode 185 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN wird so in ein Stativ ei
290. min gelb orange gelb 30 min orange rot gelb 40 min hellrot gelb Auswertung Die L sung im Becherglas mit Pflanze ist nach der Zugabe von Kohlenstoffdioxid gelb gef rbt Im Laufe des Versuches verf rbt sich die L sung rot Dies zeigt an dass der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Becherglas abnimmt Die Ursache f r die Abnahme des Kohlenstoffdioxid Gehalts ist dass die Pflanze Fotosynthese betreibt und sie dabei Kohlenstoffdioxid aufnimmt Im Becherglas ohne Pflanze bleibt der Gehalt an Kohlenstoffdioxid gleich weshalb sich die Farbe der L sung nach der Kohlenstoffdioxid Zugabe nicht mehr ndert Abb 7 13 Lehrerarbeitsblatt zur Zusatzstation in der der Umsatz von Kohlenstoffdioxid nachgewiesen werden kann 93 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 7 3 8 Fachliche Hintergr nde zu den Versuchen des Kohlenstoffkreislaufs 7 3 8 1 Die Fotosynthese Direkt oder indirekt ern hrt die Photosynthese fast die gesamte Welt des Lebendigen CAMPBELL 1997 S 199 Pflanzen und andere foto autotrophe Organismen sind in der Lage Lichtenergie in stabile chemische Energie umzuwandeln LUTTGE 1994 S 115 Dies geschieht indem aus den anorganischen Substanzen Kohlenstoffdioxid und Wasser organische Substanzen wie z B Kohlenhydrate aufgebaut werden Dieser Prozess wird als Fotosynthese bezeichnet Die entstehende organische Substanz enth lt sowohl die gewonnene Energie als auch die aufgenommene Substanz
291. n Durch Kenntnis der m glichen Schwierigkeiten durch Thermochromieeffekte bei der Durchf hrung kann das Experiment in beschriebener Weise so umgestaltet werden dass ein gutes und widerspruchsfreies Ergebnis garantiert ist Es bietet sich vielleicht sogar an das Ph nomen der Thermochromie etwas sp ter zu problematisieren und anhand der oben genannten Beispiele zu vertiefen 117 9 DIE THESE VON AVOGADRO 9 Die These von AVOGADRO Nach der Einf hrung des DALTONschen Atommodell und der chemischen Reaktion wird im Zusammenhang mit dem Molek lbegriff der Aufbau der Gase n her betrachtet Durch die Behandlung der These von AVOGADRO soll den Sch lern ein besseres Verst ndnis von Reaktionen an denen Gase beteiligt sind erm glicht werden Dieses Verst ndnis wird im weiteren Unterricht zur quantitativen Deutung von Gasreaktionen und in Zusammenhang mit der Elementaranalyse ben tigt die bei der Einf hrung der organischen Chemie im Unterricht eine wichtige Rolle spielt RALLE 1994 Die Schwierigkeit bei der Vermittlung des Gesetzes von AVOGADRO besteht darin dass den Sch lern hier zwei kausal miteinander verkn pfte Inhalte n her gebracht werden m ssen Dies ist zum einen die Tatsache dass gleiche Volumina verschiedener Gase unter gleichen Bedingungen die gleiche Anzahl an Teilchen enthalten Zum anderen m ssen die Sch ler lernen dass die Stoffe die bei Raumtemperatur gasf rmig sind mit Ausnahme der Edelgase molekular vorlie
292. n LIDE 1997 98 Kap 4 S 97 Wie bereits angesprochen reicht aber bereits eine Temperatur von ca 450 C aus um Zink mit lod ohne Zusatz von Hilfsstoffen durch Zufuhr von Warmeenergie zur Reaktion zu bringen Der Reaktionsablauf lasst sich demnach wie in Abb 10 16 gezeigt beschreiben endotherm gt 625 C Znl gt Zn l gt exotherm ZnO gt 420 C Abb 10 16 Reaktionsablauf bei der Thermolyse von Zinkiodid Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird das entstehende Zink bestandig aus dem Gleichgewicht entfernt Bei der Thermolyse in einer Sauerstoffatmosphare wird das entstehende Zink nun bestandig durch Reaktion mit dem Sauerstoff aus dem Gleichgewicht entfernt so dass die Reaktion auf die Seite der Produkte hin verschoben wird Bei der Thermolyse von Zinkiodid in einer Schutzgasatmosphare verbleiben aber die beiden Produkte Zink und 153 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION lod im Reaktionsgef und k nnen somit sofort wieder miteinander reagieren da die notwendigen Bedingungen hierf r vorliegen F r eine gelungene Thermolyse ist also ein Versuchsaufbau zu w hlen in dem eines der beiden Produkte Zink und lod aus dem Reaktionsraum entfernt wird Dieses ist zum Beispiel der Fall wenn man Zinkiodid in einer Schutzgasatmosph re in ein Glasrohr einbringt und dieses anschlie end in einem Muffelofen erw rmt Durch die gleichm ige Erw rmung eines gro en Teils des Reaktionsgef es gelingt es die beiden Produ
293. n Unterrichtskonzept und den Einsatz in der Schule ung nstig da kein elementares Zink entsteht Es bietet sich eine Thermolyse unter Schutzgas an wobei als m gliche Schutzgase Stickstoff oder Edelgase in Frage kommen Kohlendioxid ist nicht 152 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION geeignet da gebildetes Zink mit dem Kohlendioxid unter den hier vorherrschenden Bedingungen gem Zn CO gt ZnO CO 14 zu Kohlenstoffmonooxid und Zinkoxid reagieren w rde F hrt man die Thermolyse jedoch unter Stickstoff oder Argonatmosph re durch vgl Versuche 12 6 2 und 12 6 3 so beobachtet man keine Ver nderung der Stoffe Man sieht lediglich dass das Zinkiodid erst schmilzt und schlie lich in die Gasphase bergeht Auf diese Weise erh lt man beim Erkalten sehr reines Zinkiodid Die Begr ndung hierf r ergibt sich aus der genauen Betrachtung der Reaktionsbedingungen Die Zerlegung von Zinkiodid stellt eine Gleichgewichtsreaktion dar F r die Reaktion Zn Zn 15 wird eine Standardbildungsenthalpie von AG 209 0 kJ mol bei 25 C nach LIDE 1997 98 Kap 5 S 19 angegeben Bei Zufuhr von Warmeenergie sollte es nun aber dennoch m glich sein Zinkiodid in die Elemente Zink und lod zu zerlegen da die Entropie im Verlauf der Reaktion zunimmt Da dies nicht beobachtet wird muss es demnach noch eine zweite Bedingung geben In der Literatur wird eine Zersetzungstemperatur f r Zinkiodid von T 625 C angegebe
294. n Verh ltnissen der Element Teilchen zusammensetzten STRUBE 1974b S 1827 ANAXAGORAS ging dagegen von unzahlig vielen Elementen aus wobei jeder qualitativ unterschiedliche Stoff aus qualitativ unterschiedlichen Teilchen bestehen sollte STRUBE 1974b S 1829 Die Teilchen von EMPEDOKLES und ANAXAGORAS sollten ins Unendliche teilbar aber nicht in Nichts aufl sbar und damit letztlich unverg nglich JURSS 1984 S 12 sein Die Vorstellung von der unendlichen Teilbarkeit der Teilchen war jedoch in sich widerspr chlich da sie die Substanz aus dem Bereich des Vorstellbaren r ckte STRUBE 1974b S 1829 Mit diesen berlegungen wurde das Entstehen des Atomismus beg nstigt da damit der Blick auf die Bestandteile der Stoffe gerichtet wurde Das Problem das die unendliche Teilbarkeit aufwarf wurde von den Atomisten durch die Annahme unteilbarer Teilchen gel st 17 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS 4 2 LEUKIPP und DEMOKRIT Von LEUKIPP der h ufig als Begr nder des Atomismus betrachtet wird ist wenig bekannt Er lebte um die Mitte und in der zweiten H lfte des 5 Jahrhunderts v Chr und verfasste vermutlich nur ein einziges Werk Megas diakosmos Die gro e Weltordnung Der etwa zehn Jahre j ngere DEMOKRIT ca 460 370 v Chr der gemeinsam mit LEUKIPP in Abdera lehrte soll dagegen ber 50 Werke geschrieben haben BUCHHEIM 1994 S 183 Gebleiben sind Fragmente d h Zitate in den Werken anderer Autoren
295. n nach wie vor herausgestellt werden indem nach der Einf hrung des elektronentheoretischen Redoxverst ndnisses diese Begriffsbildung beleuchtet wird Mit dem Verzicht des LAVOISIERschen Oxidationsbegriffes besteht die M glichkeit eine wesentliche Verstehensbarriere auszur umen FRITSCH u ert lediglich die Bef rchtung Probleme g be es vielleicht im Denken der lteren die mit beiden Begriffen und dem Wandel der Wortbedeutungen aufgewachsen sind FRITSCH 1994 162 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT Kriterien 1 Stoffliche Natur der Reaktionspartner Reaktanden und Reaktionsprodukte Energiebilanz aus dem Energieinhalt der Ausgangsstoffe und Endprodukte Einteilung in Reaktionen der anorganischen organischen Chemie Reaktionen der ges ttigten Kohlenwasserstoffverbindungen Alkane Reaktionen der Alkalimetalle Exotherme Reaktionen Endotherme Reaktionen Bemerkungen Es sind beliebig viele Klassifikationsans tze denkbar je nachdem welche Voraussetzungen zur Stoffklassifikation vorhanden sind Unentbehrliches Einteilungsprinzip das auf jede zu formulierende Reaktion i angewandt werden sollte Vergleich des der Reaktanden mit dem den Reaktionsprodukt en nach dem Bruttoumsatz Konstitutionsver nderungen der reagierenden Teilchen lonen Molek le Teilstrukturen im Sinne von Transferreaktionen Donator Akzeptor Prinzip Reaktionsgesc
296. n verkohlt werden Traubenzucker besteht aus dem Monosaccharid Glucose w hrend St rke ein relativ kompliziert aufgebautes Polysaccharid aus unterschiedlich verkn pften Glucose Resten ist 178 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN HOCH o OH OH HO OH Abb 12 10 Struktur der B D Glucose aus KARLSON 1994 S 225 Wie an den entstehenden Gasen und der gelblichen Fl ssigkeit zu erkennen ist findet hier wie bei der Verkohlung des Rohrzuckers keine vollst ndige Zerlegung der Ausgangsstoffe in Kohlenstoff und Wasser statt Neben diesen beiden Produkten entstehen weitere organische Verbindungen die zum Teil brennbar sind Die unter schiedliche Dauer des Verkohlungsprozesses l sst sich sehr gut mit der unter schiedlichen Struktur von Rohrzucker Traubenzucker und St rke erkl ren Die St rke mit ihrem komplexen Aufbau ist wesentlich schwieriger zu zersetzen als das Mono saccharid Glucose in welchem weniger Verbindungen zu l sen sind Die Zeit die die Verkohlung des Disaccharids Saccharose ben tigt liegt dazwischen Hinweis Je l nger erhitzt wird desto trockener wird der Kohlenstoff Wenn der Kohlenstoff weiterverarbeitet werden soll sollte so lange erhitzt werden bis keine D mpfe mehr aufsteigen Au erdem sollte der Kohlenstoff m glichst ohne die ligen Niederschl ge aus dem Reagenzglas geholt werden 12 2 2 5 Verkohlen von Streichh lzern Ger te und Chemikalien Streichh lzer selbst hergestellte Kupfer Il
297. n Elementen im Symbolteilchenmodell bestehen Weiterhin sind die entsprechenden Reaktionen im DALTONschen Atommodell gezeigt Nach der Einf hrung des Atommodells kann die Darstellung im Symbolteilchenmodell durch diejenige im Atommodell ersetzt werden wenn die Formeln der beteiligten Stoffe bekannt sind F r die Glucose deren Aufbau im Anfangsunterricht nicht behandelt wird kann weiterhin das Symbolteilchen verwendet werden 7 3 7 Lehrerarbeitsbl tter Im Anschluss an Abb 7 7 folgen die Lehrerarbeitsbl tter zur Stationsarbeit die neben den Versuchsaufbauten und Sch leraufgaben auch Zusatzinformationen wie eine Ger te und Chemikalienliste sowie die Beispielantworten enthalten Abb 7 8 bis Abb 7 13 Die Sch lerarbeitsbl tter sind im Anhang beigef gt 86 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Der Kohlenstoffkreislauf ei r Darstellung der diskontinuierlichen Ebene a m B e l S p I el Kresse im Symbolteilchenmodell unter Einbeziehung der Kugelform im Symbolteilchenmodell bei Vorbehalt der Kugelform f r das Daltonsche Modell im Daltonschen Atommodell Verbindungen deren Aufbau noch unbekannt ist verbleiben zun chst in Symbolteilchen Darstellung N A N Kohlenstoff Sauerstoff Kohlenstoffdioxid O a gt S 4 4 Oo 2 f Kohlenstoff Wasser Kohlenstoffdioxid Wasser Cc A ki a emp
298. n Kabelenden ber hrt so dass der Stromkreis ber die Substanz geschlossen wird Arbeitsblatt Versuch 3 berpr fung der L slichkeit in Wasser und in Alkohol Ger te und Chemikalien Reagenzgl ser Reagenzglasst nder Ethanol Wasser Zinkpulver lod Zinkiodid Versuchsdurchf hrung Eine Spatelspitze Zink lod und Zinkiodid werden jeweils in ein Reagenzglas mit Wasser und ein Reagenzglas mit Ethanol gegeben Versuch 4 Nachweis von lod mit lod St rkel sung Ger te und Chemikalien Pasteurpipette mit H tchen w ssrige lod und Zinkiodidl sung aus Versuch 3 St rkel sung Versuchsdurchf hrung Zu der w ssrigen lodl sung und der w ssrigen Zinkiodidl sung werden einige Tropfen St rkel sung zugetropft A Aufgaben 1 Trage die Versuchsergebnisse in folgender Tabelle zusammen Elektrische L slichkeit L slichkeit in Leitf higkeit in Wasser Alkohol Zink lod Zinkiodid Sur nicht zu empfehlen da dadurch der elektrische gt bersichtsblatt Versuch Die Reaktion von Zink und lod 2 M glichkeit 7 p c ei Hinweise W Fe Ger te und Chemikalien Kleinelektromotor U Rohr Watte Kohleelektrode o e Krokodilklemme Kabel Stativmaterial Zinkblech lod Kaliumiodidl sung cxci ca 0 5 mol L Amperemeter Vorbereitung lodl sung In 100 mL der Kaliumiodidl sung werden etwa 0 1 g lod gel st Zinkblech Das Zinkblech sollte
299. n L sungen etwa gleich intensiv Trotzdem beobachtet man in einem Siebversuch dass die KMnO L sung sofort unter Schlierenbildung in das Becherglas herabsinkt w hrend man bei der Patentblaul sung erst nach einiger Zeit eine schwache Blauf rbung im Becherglas erkennt Dies liegt daran dass die Auftreffwahrscheinlichkeit der Molek le der beiden Stoffe auf die Membran um den Faktor 1000 verschieden ist Pro Zeiteinheit diffundieren also ungef hr 1000 mal mehr Kaliumpermanganatmolek le durch die Membran Da die Sichtbarkeit der Schlieren aber exponentiell von der Anzahl der die Membran durchdringenden Molek le abh ngt sind die Schlieren bei der Patentblaul sung nicht zu erkennen obwohl der molare Extinktionskoeffizient von Patentblau gr er ist als der von Kaliumpermanganat Der umgekehrte Fall ergibt sich wenn man die Anfangskonzentrationen beider L sungen etwa gleich w hlt zum Beispiel c KMnO c Patentblau 10 mol L In diesem Fall ist die Auftreffwahrscheinlichkeit f r die Molek le beider L sungen auf die Membran gleich gro Die L sung von Patentblau erscheint aber viel farbintensiver da der molare Extinktionskoeffizient von Patentblau gr er als der von Kalium permanganat ist Somit sind in diesem Fall die Schlieren der Patentblaul sung deut licher zu erkennen da eine gleiche Anzahl Molek le von Patentblau intensiver f rbt als Molek le von Kaliumpermanganat Die beiden Farbstoffe sind also nicht mitein
300. n S uren die im Makroskopischen bei Hautkontakt ein stechendes Gef hl hervorrufen denen dann im Mikroskopischen Stacheln zugeschrieben werden zeigt CARRIER 1984 S 95 Ab dem Ende des 17 Jahrhunderts hatte sich unter den Chemikern die Ansicht vom Aufbau der Materie aus festen harten undurchdringlichen und beweglichen Partikeln allgemein durchgesetzt Diese Vorstellung bot zwar Erkl rungsm glichkeiten f r gewisse Vorg nge wie das Aufl sen der Metalle durch stachelbesetzte S ureteilchen hatte aber kaum praktische Auswirkungen auf die Chemie BROCK 1997 S 84 So erfolgte die Neudefinition des chemischen Elementes durch JOACHIM JUNGIUS 1587 1657 ohne dass dabei auf die Teilchenebene eingegangen wurde Diese Definition wurde auch von ANTOINE LAURENT LAVOISIER 1743 1794 im Rahmen seiner Ausf hrungen die die Phlogistontheorie widerlegten bernommen und erlangte dadurch noch gr ere Verbreitung Ein Element war demnach jeder Stoff der auf chemischem Wege nicht zerlegt werden konnte Mit diesem Elementverstandnis nach 26 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS dem beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff und nicht mehr Wasser und Erde als Elemente betrachtet wurden wurde die Lehre des ARISTOTELES endg ltig berwunden BROCK 1997 S 84 Hatte die Chemie bis dahin haupts chlich qualitative Ver nderungen untersucht besch ftigte die Chemiker im letzten Drittel des 18 Jahrhunderts die Frage nach den Mengenverh lt
301. n also lediglich mit dieser Anzahl multipliziert werden und diese zueinander in Verh ltnis gesetzt werden ee 107 in1 mg Kohlenstoff 107 int mg Sauerstoff der Atome Kohlenstoff Atome 10 Sauerstoff Atome 10 co _ 110942 212440 1 1 91 502 376 100400 188752 1 1 88 Tabelle 9 2 Verh ltnis der Atome im Kohlenstoffdioxid Aus diesen Versuchsergebnissen kann geschlossen werden dass im Kohlenstoffdioxid die Atome von Kohlenstoff und Sauerstoff im Verh ltnis von 1 2 vorliegen da nach der DALTONSchen Atomtheorie die Atome in Verbindungen immer im Verh ltnis ganzer Zahlen vorliegen In einem Kohlenstoffdioxid Molek l befinden sich also zwei Sauerstoff Atome 121 9 DIE THESE VON AVOGADRO Wird nun erneut das konstante Volumen des BOYLE Versuches unter dieser Vorraussetzung betrachtet so ergibt sich zun chst ein Konflikt Durch die Verbindung von einem Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen m sste es unter den bisher ingen Vorraussetzungen zu einer Halbierung der Teilchenanzahl in der Gasphase kommen und damit zu einer Halbierung des Volumens Kohlenstoff 1 Volumen Sauerstoff Volumen Kohlenstoff di oxid e gt Abb 9 3 Konflikt der Volumenabnahme bei Annahme von atomar vorliegendem Sauerstoff Die L sung dieses Konfliktes bietet der zweite Teil der These des AVOGADRO wonach alle gasf rmigen Elemente mit Ausnahme der Edelgase biatomar vorliegen Somit verbindet sich b
302. n der organischen Chemie Gesichtspunkte der gymnasialen Oberstufe Besonderheiten der chemischen Reaktion im gro technischen Ma stab sollten im ChU exemplarisch zur Sprache kommen chemischer Einf hrung des elektronentheoretischen Redoxbegriffs anhand der Reaktion von Zink und lod Es l sst sich auf der Basis der beschriebenen Gesichtspunkte die These aufstellen dass Sch ler die von Anfang an gelernt haben dass unter einer Oxidation und Reduktion immer nur die Abgabe und Aufnahme von Elektronen in einer Reaktion zu verstehen ist und dass Oxidation und Reduktion immer nur gemeinsam ablaufen 163 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT k nnen nicht am Verlust der klassischen Begriffsinhalte zu tragen haben Ausgehend von dieser These soll anhand der bereits angesprochenen Reaktion von Zink mit lod eine m gliche Einf hrung des Redoxbegriffes skizziert werden Wie bereits in Kapitel 10 beschrieben kann die Reaktion von Zink mit lod zu einem geeigneten Zeitpunkt im Curriculum genutzt werden um einerseits auf phanomenologischer Ebene den Begriff der chemischen Reaktion einzuf hren und andererseits um im DALTONschen Atommodell die wesentlichen Merkmale chemischer Reaktionen hervorzuheben Die Ver nderung der Teilchen sowie deren Um gruppierung Mit dem Experiment der Zink lod Batterie ist es m glich den weiteren Auf bau der Atome zu problematisieren Wie in Kapitel 10 4 3 beschrieben gelangt man durch
303. n dieser Weise auf Basis eines Modells erhalten werden haben somit ebenfalls Modellcharakter 3 2 Verschiedene Modellkategorien und deren Relation Modelle lassen sich zun chst grob zwei unterschiedlichen Kategorien zuordnen Einerseits den Denkmodellen als nur im Bewusstsein vorhandenen Vorstellungen zu einem Original Daneben stehen die Anschauungsmodelle die in der Realit t das Original modellhaft repr sentieren Um ein Anschauungsmodell zu entwickeln muss der originale Sachverhalt zun chst gedanklich modelliert werden bevor davon ausgehend ein Anschauungsmodell erstellt werden kann In Abb 3 1 ist die Beziehung der drei Ebenen des Originals sowie des Denk und Anschauungsmodells schematisch dargestellt Basierend auf der Wahrnehmung werden Denkmodelle entwickelt wobei die Komplexit t der Sachverhalte im Modell vereinfacht repr sentiert wird Die Vereinfachung des Originals f hrt zur Vernachl ssigung einzelner Aspekte der Originale Diese sind durch die Problemsituation in der das Modell eingesetzt werden soll bestimmt Dar ber hinaus sind diese Denkmodelle gepr gt von bereits gemachten Erfahrungen und vorhandenen Modellvorstellungen des Modellbildners Je mehr Denkmodelle zur Verf gung stehen desto mehr wird versucht die Wahrnehmungen mithilfe bereits vorhandener Vorstellungen zu deuten STEINBUCH 1977 Nach STEINBUCH sind daher Denkmodelle bestimmt durch folgende Aspekte Erstens die Realit t die das Modell abbilden
304. nd Gr e weisen die Atome auch eine bestimmte Lage und Anordnung auf Diese lassen sich nun nicht mehr durch einzelne Atom beschreiben sondern nur in Gruppierungen von Atomen JURSS 1984 S 30 Die Entstehung solcher Gruppierungen ist bei DEMOKRIT von der Bewegung der Teilchen abh ngig STRUBE 1974b S 1830 Zur Ursache der Bewegung bei DEMOKRIT gibt es widerspr chliche berlieferungen In einer Darstellung sind die Atome selbst bewegungslos und werden erst durch einen Schlag angetrieben in einer anderen sind die Atome von Ewigkeit an bewegt STRUBE 1999 S 28 Die Bewegung w re somit eine Eigenschaft der Teilchen selbst In jedem Fall ist Bewegung die Ursache daf r dass die Atome DEMOKRITS aufeinander treffen und dann entweder voneinander abprallen oder sich miteinander verbinden Verbindungen kommen dabei besonders leicht zwischen Teilchen der gleichen Atomsorten die also die gleiche Gestalt aufweisen zustande GEYER 1995 S 134 Dabei stellt sich die Frage was mit den Atomen beim Eingehen einer Verbindung geschieht DEMOKRIT vertrat hierzu die Ansicht dass die Atome in der Verbindung unver ndert nebeneinander vorliegen und ihre Natur erhalten bleibt STRUBE 1974b S 1830 Weiterhin besch ftigte sich DEMOKRIT mit der Frage nach dem Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Atome und der makroskopischen Struktur der Stoffe Er erkannte dass die Eigenschaften der Stoffe dem Menschen lediglich durch die Sinnesorgane zug
305. nd suspensions As opposed to atoms of zinc in the zinc suspension ions of zinc in a zinc iodide solution do not leave an insoluble residue and a solution with iodide ions is not brown in colour as is the case in a solution of the educts This has to be explained with the properties of the dissolved particles since there is no lattice in solution The change in the particles is apparent and can be visualised by using different scales The quality of change can be identified with the reaction in a galvanic element as loss and gain of electrons in the course of further lessons The definition of a Redox reaction should only be introduced at this point to resolve the well know problems when the definition of an oxidation is prematurely introduced as a gain of oxygen Students who are taught that oxidation constitutes an acceptance of oxygen commonly have problems with the interpretation of this process in terms of an electron transfer LAVOISIER s definition can still be introduced after the correct explanation is understood to appreciate its historical importance 221 15 LITERATURVERZEICHNIS 15 Literaturverzeichnis ASSELBORN W Alternativen zur Thermolyse von Quecksilberoxid bei der Einf hrung der Begriffe Element und Verbindung MNU 47 1994 6 368 370 ASSELBORN W J CKEL M RISCH K T Hrsg Chemie heute Sekundarbereich I Gesamtband Nordrhein Westfalen Schroedel Verlag GmbH Hannover 2001 BARKE H D pH neutr
306. ndern dass ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt die Abl ufe in der Elektronenh lle der Atome sind Dieser Aspekt findet jedoch in herk mmlichen Schulb chern bei der Einf hrung der chemischen Reaktion bisher keinerlei Ber cksichtigung FRANIK pl diert ebenfalls daf r dass im Anfangsunterricht neben der Umgruppierung die Ver nderung der Teilchen als Merkmal chemischer Reaktionen eingef hrt werden soll um nicht durch zu starke didaktische Reduktion Missverstandnisse zu f rdern FRANIK 1998 Auch wenn der n here Aufbau der Atome aus Kern und H lle erst in einem erweiterten Atommodell eingef hrt wird k nnen Sch ler hier diese Vorg nge in den Elektronenh llen qualitativ als Ver nderung der Atome kennen lernen Hierdurch kann die Abgrenzung eines Gemisches von einem Reaktionsprodukt auf der submikroskopischen Ebene auch in der Visualisierung deutlich und einsichtig dargestellt werden Durch die experimentelle Erarbeitung der Art dieser Ver nderung kann dar ber hinaus im weiteren Unterrichtsgang auf den Zusammenhalt der Teilchen eingegangen werden In Bundesl ndern in denen der Chemieunterricht erst in Klasse 9 beginnt kann auch u U der erste Schritt entfallen und mit den Sch lern direkt die Art der Ver nderung an den Teilchen erarbeitet werden Wie wesentlich der Aspekt der Ver nderung der Teilchen ist wird deutlich wenn man ein kurzes Gedankenexperiment anstellt das sich auf Basis der Technik der Rastertunnelmikroskopie an
307. nen hellblau lagern sich in die Amylosehelix violett der St rke ein nach LIENING 1993 S 30 St rke selbst besteht aus Molek len mit zum Teil mehreren hunderttausend Atomen Daher sind St rkemolek le nat rlich betr chtlich gr er als die Farbstoffmolek le So bestehen die Hauptbestandteile der St rke Amylose und Amylopektin aus etwa 45 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN 300 1200 bzw aus etwa 1500 12000 Glucoseeinheiten FALBE 1995 Ein Glucosemolek l besitzt einen Molek ldurchmesser von ca 0 7 nm vgl Abb 5 12 Hier ist eine gewisse Starrheit des Molek ls durch die Ringstruktur gegeben Es w re allerdings falsch den Gr enwert eines Glucosemolek ls mit der Anzahl derselben zu multiplizieren um auf die Gr e der St rkemolek le zu kommen da die St rkemolek le zum Teil stark verzweigt Amylopektin vgl Abb 5 13 bzw in Form einer Helix Amylose aufgewickelt sind Abb 5 12 a D Glucosemolek l max Molek ldurchmesser ca 0 7 nm HOCH gt o HO OH HOCH rs Amylopektin 7 CH O HO o OH HO OH o H HOCH 5 HOCH o HO O Amylose OH O 3 HO K OH O Abb 5 13 Verzweigte Struktur von Amylopektin in Gegen berstellung zu Amylose GDCH 2003 Dennoch kann man die Gr enordnung zufriedenstellend absch tzen und gelangt auf jeden Fall auf einen gr eren Wert als die maximale Porengr e der Membranen Beim lod Dextrin Komplex verh lt es sich hnlich da De
308. nen Kohlenstoffs kann die Masse des Sauerstoffs der sich mit dem Kohlenstoff verbunden hat errechnet werden Einen hnlichen Versuch zur Ermittlung der chemischen Formel des Kohlenstoffdioxid beschreibt KAMINSKI KAMINSKI 1994b Hierbei wird jedoch die Anzahl der Sauerstoff Atome aus dem verbrauchten Volumen an Sauerstoff berechnet Die Angabe wieviele Sauerstoff Atome sich in einem Milliliter Sauerstoff befinden beruht jedoch bereits auf der Theorie von AVOGADRO die in diesem Zusammenhang erst erarbeitet wird Die Auswertung von Versuch 12 4 erfolgt dagegen anhand der Massenverh ltnisse in denen sich Kohlenstoff und Sauerstoff miteinander verbinden Drei m gliche Versuchsergebnisse zeigt die folgende Tabelle 9 1 m Reaktionsprodukt m Kohlenstoff mg m Sauerstoff mg durchgang Tabelle 9 1 Massenverh ltnisse der Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff Eine M glichkeit hieraus das Verh ltnis von Kohlenstoff und Sauerstoffatomen zu ermitteln f hrt ber die Berechnung der Stoffmengen mit Hilfe der molaren Massen Diese M glichkeit ist in Kapitel 12 4 beschrieben Sch ler im Anfangsunterricht haben jedoch h ufig Schwierigkeiten beim Rechnen mit molaren Massen Daher wird hier alternativ eine teilchenbezogene Auswertung vorgestellt bei der die Sch ler wie dies in KAMINSKI 1994b vorgeschlagen wird die Angaben erhalten wieviele Atome sich in 1 mg des Stoffes befinden Die ermittelten Massen m sse
309. nenden in selbstgesteuertem Lernen verarbeitet wird DUBS 1995 2 3 Didaktische Folgerungen der konstruktivistischen Sicht Schon aus PIAGETs Ans tzen folgt dass Lernen und Wissenszuwachs immer nur auf Basis bereits vorhandener Vorstellungen geschehen kann Diese bestehenden Wissensstrukturen werden durch quilibration entsprechend ver ndert und erweitert Das bedeutet dass ein erfolgreiches Lernen und Lehren nur unter Ber cksichtigung der bereits vorhandenen Vorstellungen der Lernenden geschehen kann STERN sieht daher einen wesentlichen Ansatzpunkt in der Grundschuldidaktik da bereits dort entsprechende Vorstellungen vermittelt werden die Ausgangspunkt sp terer Lernprozesse sind INTERNETSEITE e F r den naturwissenschaftlichen Unterricht ist von gro er Bedeutung wie Lernende ausgehend von ihren vorunterrichtlichen lebensweltlichen Erkl rungsans tzen der Ph nomene zu einer wissenschaftlichen Sichtweise gef hrt werden k nnen Dieser 6 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS bergang wird als Konzeptwechsel bezeichnet Ein solcher Konzeptwechsel kann nach POSNER et al nur dann erfolgreich vollzogen werden wenn die bereits vorhandenen Wissensstrukturen als Ausgangspunkt dienen und die folgenden vier Kriterien erf llt werden 1 Die Lernenden m ssen mit den bereits vorhandenen Vorstellungen unzufrieden sein die neue Vorstellung mu logisch verst ndlich sein sie mu einleuchtend plausibel sein 4
310. ng verschiedener Teilchen innerhalb eines Salzes bietet dann die M glichkeit anschlussf hig in Bezug auf die Vermittlung des Dissoziationsvorganges zu arbeiten Bei der Einf hrung des lonenbegriffes m ssen lediglich die Ladungen hinzugef gt werden w hrend der Zerfall in unterschiedliche Teilchen den Sch lern bereits vertraut ist BARKE hat in einer Sch lerbefragung in den Klassenstufen 11 und 12 bez glich der Elektronenneutralitat und der pH Neutralit t von Salzen festgestellt dass selbst Sch ler dieses Alters teilweise unzutreffende Vorstellungen von den Teilchen haben die in Salzen vorliegen So gingen etliche Sch ler davon aus dass sich die Ladungen der lonen beim Auskristallisieren einer Kochsalzl sung gegenseitig aufheben und neutrale Salzmolek le entstehen BARKE 1990 Die Behandlung eines differenzierteren Aufbaus der Salze zu einem sehr fr hen Zeitpunkt des Unterrichts k nnte dazu beitragen den Sch lern ein besseres Verst ndnis der Salzstruktur zu vermitteln Die Gestalt der Anionen und Kationen soll sich wie bei den Symbolteilchen der Molek le an der u eren Form der Teilchen orientieren F r einatomige lonen wie Natrium lonen oder Chlorid Ionen bedeutet dies dass sie in Form von Kugeln dargestellt werden Hierdurch wird auf der einen Seite die Abgrenzung zum 69 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL DALTONSchen Atommodell ebenso wie bei der Darstellung der Elemente in Form von Kugeln erschwert Auf der
311. nge betrachtet Vom verzweigten nat rlichen Kohlenstoffkreislauf der in Abb 7 2 dargestellt ist werden f r den Lernzirkel vereinfachend einzelne Teile ausgew hlt und etwas abgewandelt Der einfache Kohlenstoffkreislauf der mit dem Lernzirkel erarbeitet werden soll findet sich in Abb 7 3 Bildung n CO2in Luft und Wasser Verwitterung Atmung von Pflanzen Tieren Pilzen und Bakterien s Q Organische S Kohlenstoff Verbindungen Fotosynthese der gr nen Pflanzen Abb 7 2 Globaler Kohlenstoffkreislauf nach BAYERHUBER 1989 73 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Traubenzucker lt 0 x Q Pflanzliche Produkte el z B Holz St rke g d S gt N NS N QS Kohlenstoff Abb 7 3 Einfacher Kohlenstoffkreislauf Beginnt man die Betrachtung des einfachen Kohlenstoffkreislaufs beim elementaren Kohlenstoff so entsteht durch Verbrennung mit Sauerstoff Kohlenstoffdioxid Diese Reaktion entspricht der Verbrennung fossiler Rohstoffe im globalen Kohlenstoff kreislauf Aus dem Kohlenstoffdioxid bauen die Pflanzen in der Fotosynthese Glucose auf welche im weiteren Stoffwechsel der Pflanze zu allen anderen Pflanzenbe standteilen umgewandelt wird Durch das Verkohlen kann aus allen diesen kohlen stoffhaltigen Pflanzenbestandteilen wieder Kohlenstoff gewonnen werden Im nat r lichen Kohlenstoffkreislauf ist d
312. ngespannt dass sie in die Fl ssigkeit eintaucht Damit sie tief genug eintaucht wird ein Stein auf den Boden des Becherglases gelegt so dass der Fl ssigkeitsspiegel steigt Die Efeubl tter werden eingeh ngt und das Glas mit Folie verschlossen Mit Hilfe des Programms Cassy wird alle 10 Sekunden ein Messwert aufgezeichnet Beobachtung und Auswertung Nach Zugabe des Kohlenstoffdioxid hat die L sung einen pH Wert von 6 5 Dieser steigt innerhalb der ersten 3 Stunden des Versuches relativ gleichm ig bis zu einem pH Wert von 7 7 an Wie bereits in der Auswertung von Versuch 12 2 3 2 erl utert ist dies gleichbedeutend mit der Kohlenstoffdioxid Assimilation des Efeublattes Die folgenden 15 Stunden bewegt sich der pH Wert zwischen 7 6 und 7 8 vgl Abb 12 16 Das zugegebene Kohlenstoffdioxid ist hier verbraucht und da von au en kein weiteres aus der Luft hinzutreten kann stellt sich hier bei der Pflanze allm hlich ein Gleichgewicht zwischen Atmung und Fotosynthese ein 7 8 7 6 7 4 pH 7 2 6 8 6 6 6 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12 143 14 15 16 17 48 t h Abb 12 16 Die Ver nderung des pH Wertes in Abh ngigkeit von der Zeit 186 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 3 Untersuchungen zur Thermochromie 12 3 1 Thermochrome Erscheinungen beim Erhitzen von Kupfer I oxid Ger te und Chemikalien Reagenzglas Klammer Brenner Kupfer l oxid Cu20 Durchf hrung
313. nglich seien welche den jeweiligen Eindruck hervorriefen Die Farbempfindung beispielsweise werde dabei durch die Anordnung die Gestalt und die Lage der Atome ausgel st die selbst v llig farblos seien J RSS 1984 S 34 19 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Auf der anderen Seite sei es dennoch m glich von der Art wie ein Stoff wirke auf die Form der Atome zu schlie en Feuer bestehe demnach aus sch rferen oder spitzeren Atomen w hrend Wasser aus stumpferen oder dumpferen Atomen aufgebaut sei BUCHHEIM 1994 S 194 4 3 ARISTOTELES Abb 4 2 ARISTOTELES aus STRUBE 1989 ARISTOTELES 384 322 v Chr der Sch ler des PLATONs besch ftigte sich ausf hrlich mit den naturphilosophischen Theorien seiner Vorg nger und gelangte zu der Ansicht dass deren Theorien den Prozess der Ver nderung der Stoffe nicht ausreichend erkl rten Die Sichtweise der Atomisten dass die Ver nderungen durch Umlagerungen von unver nderbaren Atomen erfolgten erschien ihm zu mechanistisch um qualitative Ver nderungen erkl ren zu k nnen STRUBE 1974a S 1841 Daher entwickelte ARISTOTELES eine eigene Theorie zur Erkl rung der Umwandlung der Stoffe die Elementlehre Im Mittelpunkt dieser Lehre standen die aus einem einheitlichen Grundstoff bestehenden Elemente Feuer Wasser Luft und Erde Zudem definierte ARISTOTELES die vier Grundprinzipien das Warme das Kalte das Trockene und das Fl ssige von denen jeweils zwei zur
314. nissen in denen sich Stoffe miteinander verbinden So untersuchte der Chemiker JEREMIAS RICHTER 1762 1807 der als Begr nder der St chiometrie betrachtet werden kann die Mengenverh ltnisse in denen S uren und Basen miteinander reagieren BROCK 1997 S 84f Er stellte fest dass bei der Neutralisation einer bestimmten Menge einer bestimmten S ure unterschiedlich gro e Mengen verschiedener Basen ben tigt werden Diese Mengen bezeichnete er als einander quivalent Die Untersuchung RICHTERs fand zun chst kaum Beachtung bis CLAUDE LOUIS BERTHOLLET sie 1803 aufgriff um sie anzugreifen BERTHOLLET bezweifelte dass Stoffe in konstanten Verh ltnissen zu chemische Verbindungen zusammentr ten Vielmehr hinge die quantitative Zusammensetzung des Produktes von den eingesetzten Massen der Edukte ab Hierin wurde ihm heftig durch JOSEPH LOUIS PROUST 1754 1826 widersprochen der zeigen konnte dass die Ergebnisse BERTHOLLETS nicht aussagekr ftig seien STRUBE 1989 S 156f In der Zeit von 1799 1802 formulierte PROUST das Gesetz von den konstanten Proportionen der Elemente bei chemischen Verbindungen Das Gesetz von der Erhaltung der Masse war bereits 1756 von MICHAEL W LOMONOSSOW aufgestellt worden und wurde von LAVOISIER 1774 als allgemeing ltig vorausgesetzt Vom Gesetz von der Erhaltung der Masse und dem Gesetz von den konstanten Proportionen ausgehend w re es JOHN DALTON 1766 1844 nun m glich gewesen seine Atomhypothese induktiv a
315. nordnung auf EISNER 1995 S 63 56 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Anordnung der Anordnung der Anordnung der kleinsten Teilchen kleinsten Teilchen kleinsten Teilchen in Element A in Element B in der Verbindung Abb 6 4 Einfache Modellvorstellung zur chemischen Reaktion nach EISNER 1995 S 63 Diese Abbildung und der zugehorige Text sind jedoch nur im Atommodell zulassig Und selbst dann ist die Ver nderung der Elektronenh llen der Atome die bei einer chemischen Reaktion eintritt noch nicht ber cksichtigt Es kann sich nicht um eine Darstellung im Kugelteilchenmodell handeln da nur Atome in chemischen Reaktionen erhalten bleiben f r Kugelteilchen gilt diese Eigenschaft nicht vgl Kapitel 6 1 Die Sch ler kennen zu dem Zeitpunkt zu dem diese Abbildung eingesetzt wird jedoch ausschlie lich das Kugelteilchenmodell und auch der Ausdruck kleinste kugelf rmige Teilchen deutet auf das Vorliegen einer Darstellung in dieser Modellebene hin Das DALTONSche Atommodell wird erst zu einem sp teren Zeitpunkt im Unterricht behandelt Es ist f r die Sch ler also nicht ersichtlich dass hier ein unbenannter Modellwechsel vom Kugelteilchenmodell zum Atommodell erfolgt da weiterhin einfach von Teilchen gesprochen wird In Abb 6 4 kann es sich jedoch nicht um die Darstellung einer chemischen Reaktion im Kugelteilchenmodell handeln Dies wird deutlich wenn man berleg wie die oben beschriebene Reaktion im Kugelteilchenmodell
316. nsatz von Modellen in der Schule mit Hinblick auf die submikroskopische Ebene Das chemische Dreieck DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Die Anf nge des Atomismus LEUKIPP und DEMOKRIT ARISTOTELES EPIKUR Die Wiederentdeckung des Atomismus DALTON Die Atomtheorie 4 6 2 Symbolhafte Darstellung der Atome 5 1 5 2 5 2 1 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Betrachtung herk mmlicher Vorgehensweisen Hinf hrung zur Vorstellung der Diskontinuit t durch das Konzept des Molekularen Siebens Anmerkungen zu Einsatzm glichkeiten der experimentellen Vorgehensweise in weiteren Themenfeldern 5 2 2 Fachliche Hinterg nde zum Molekularen Sieben 5 2 2 1 Einfluss des molaren Extinktionskoeffizienten auf die 6 6 1 Beobachtungen DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Die Einf hrung eines einfachen Teilchenmodells im Unterricht oa 10 10 11 13 14 17 17 18 20 22 23 27 27 30 32 32 36 41 41 47 50 50 INHALT 6 2 6 2 1 6 2 2 6 2 3 6 2 4 6 2 5 6 3 6 4 6 4 1 6 4 2 6 4 3 6 4 4 6 5 Bekannte Schwierigkeiten bei der Aneignung von Teilchenmodellen Pr konzepte der Sch ler zum Aufbau der Stoffe Vorgebildete Teilchen Der Begriff des kleinsten Teilchens Die Leere zwischen den Teilchen Das Verh ltnis von Teilcheneigenschaft und Stoffeigenschaft Kritische Auseinandersetzung mit dem Kugelteilchenmodell Das Symbolteilchenmodell als Alternative zum Kugelteilchenmodell Gestaltungsgrunds
317. nterschiedliche Konzeptionen und Einstiegsexperimente vorgeschlagen worden Eine h ufig eingesetzte problemorientierte Erarbeitung des Begriffs der chemischen Formel mit einfach und schnell durchzuf hrenden Experimenten ist die Untersuchung von rotem Kupfer l oxid und schwarzem Kupfer Il oxid JANSEN 1984a MATUSCHEK 1994 KAMINSKI 1994b Dieses Experiment wird auch in Nordrhein Westfalen durch die g ltigen Lehrpl ne vorgeschlagen RRL CHE 1993 Die Existenz zweier sich offenbar unterscheidender Verbindungen die beide als Kupferoxid bezeichnet werden erzeugt eine Problemsituation aus der die Sch ler nun auf experimentellem Wege eine L sung erarbeiten k nnen In diesem Zusammenhang wird von den Sch lern h ufig vorgeschlagen die beiden Kupferoxide thermisch zu zerlegen in Anlehnung an bereits bekannte Zersetzungsreaktionen z B von Silberoxid Hierzu wird ein Reagenzglas etwa zu einem Viertel mit dem jeweiligen Kupferoxid bef llt und dann ber der Brennerflamme erhitzt W hrend schwarzes Kupfer Il oxid bei Erw rmung keine Ver nderungen zeigt beobachtet man bei rotem Kupfer I oxid dass eine deutliche Farb nderung der Substanz von Rot zu Schwarz stattfindet vgl Versuch 12 3 1 Die Sch ler kommen nun schnell zu der Hypothese dass sich das rote Kupferoxid thermisch offensichtlich nicht zerlegen l sst sondern in einer chemischen Reaktion mit dem Luftsauerstoff zu schwarzem Kupferoxid reagiert Dieses einfach scheinende Experim
318. nuumsvorstellung an ihre Grenzen zu f hren Grundlegende berlegung war dabei dass Stoffe die in L sung zun chst kontinuierlich erscheinen je nach Molek l oder lonengr e entweder durch Membranfolien hindurch treten oder von diesen zur ckgehalten werden Durch Verwendung von Substanzen die sich in Bezug auf den Durchtritt durch die Membran unterschiedlich verhalten liefert an dieser Stelle die Annahme dass Materie eine gewisse K rnigkeit besitzt eine m gliche Erkl rung f r die Ph nomene Die Membran wird den Sch lern dabei als ein sehr engmaschiges Sieb vorgestellt Als Chemikalien bieten sich farbig erscheinende Stoffe an deren Wanderung von Sch lern direkt verfolgt werden kann In Abb 13 1 sind Beispiele verschiedener Farbstoffsl sungen gegeben die ein unterschiedliches Durchtrittsverhalten aufweisen Die Untersuchungen haben ergeben dass sich neben Dialyseschlauchmembranen auch kosteng nstige Cellophan Einmach Folien anbieten um die Versuche im Unterricht umzusetzen F r beide Membranen ist zu beachten dass sie eher eine Schwammstruktur besitzen als Poren definierter Gr e Diese Tatsache ist aber f r die Betrachtung nebens chlich denn die Membran entspricht somit einem Sieb mit unterschiedlich gro en Maschen wobei entsprechend die gr ten Maschen die maximale Gr e durchtretender Molek le angibt 205 13 ERGEBNIS BERBLICK Es ist anzumerken dass ber die Gr e hinaus weitere Parameter einen E
319. ogie der Oxidation legt eine semantische Verkn pfung mit Sauerstoff zwar nahe doch ist dieser Zusammenhang historisch bedingt und in der heute g ltigen Definition nicht mehr zu finden Zink lod Zinkiodid Salzbildungs reaktion Reduktion Loo 2 Zink lod Zinkiodid Redox Reaktion eee Oxidation Abb 11 2 Reaktion von Zink mit lod in der vorl ufigen Klassifikation oben und in der elektronentheoretischen Deutung unten Es lasst sich somit festhalten dass mit der Einfuhrung der neuen Theorie alle zuvor differenzierten Reaktionstypen gleicherma en als Redox Reaktionen klassifiziert werden Oxidation und Reduktion stehen nicht mehr f r vollst ndig ablaufende Reaktionen sondern beschreiben lediglich Teilprozesse eines Redoxvorganges Die Begriffsinhalte dieses zentralen Ordnungsschemas der Sekundarstufe werden so durch die Erweiterung des Redoxbegriffes deutlich ver ndert 11 3 Schwierigkeiten der Lernenden bei der Aneignung des Erweiterten Redoxbegriffes In der didaktischen Literatur sind Schwierigkeiten bei der Aneignung des erweiterten Redoxbegriffes bekannt und vielfach diskutiert Aus der Lernpsychologie ist bekannt dass ein langfristiges Behalten eines neuen Unterrichtsgegenstandes gef rdert wird wenn eine Vernetzung des vorhandenen Wissens mit dem neuen stattfindet Es basiert auf der Vorstellung dass ein Begriff seine Bedeutung erst dadurch erh lt dass er in Beziehung zu anderen Begriffen steht Hau
320. ohlen stoffs aus einer einzigen Atomsorte eingef hrt wird Auf Basis des DALTONschen Atommodells kann nun im weiteren Unterricht die Verh ltnisformel chemischer Verbindungen experimentell ermittelt werden H ufig wird dazu in einem problemorientierten Unterrichtsgang die Untersuchung von rotem Kupfer l oxid und schwarzem Kupfer Il oxid vorgeschlagen z B RRL CHE 1993 Diese zwei offensichtlich unterschiedlichen Stoffe werden den Sch lern zun chst gleicherma en als Kupferoxid vorgestellt wobei im weiteren Unterricht eine aufkl rende Untersuchung mit den Sch lern erarbeitet wird Bei dem Versuch der Thermolyse der Oxide wird das f r Sch ler berraschende Ergebnis erzielt dass das Kupfer l oxid sich nicht zersetzt sondern bei Erw rmung schwarz verf rbt Dieses Ergebnis wurde in der fachdidaktischen Literatur bisher als Weiteroxidation mit Luftsauerstoff zu schwarzem Kupfer Il oxid gedeutet welches sich bei Erw rmung nicht ver ndert Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine wesentliche experimentelle Schwierigkeit dieses Experimentes lokalisiert und Auswege zur Vermeidung aufgezeigt H ufig wird bei den Versuchen bersehen dass eine R ckf rbung des Kupfer l oxids erfolgt sobald die Substanz abk hlt Es ist dann keine Umsetzung mit Luftsauerstoff erfolgt sondern es handelt sich um das reversible Ph nomen der Thermochromie Es konnte gezeigt werden dass Kupfer l oxid bei Erw rmung hnlich dem Zinkoxid eine temperatur abh ng
321. olekularen erweiterbar zu sein Hier m ssten die Sch ler bei der Einf hrung der Molek le im sp teren Unterricht die einatomare Darstellung korrigieren Andererseits w rde das Vorgeben der molekularen Natur des lods von den Sch lern unverstanden bernommen werden m ssen da diese Verbindungsklasse noch unbekannt ist In der Abb 10 6 sind beide Visualisierungsm glichkeiten gegen bergestellt wobei im Sinne der Argumentation die M glichkeit favorisiert ist Durch diese Vorgehensweise bei der Erarbeitung der chemischen Reaktion gelangen die Lernenden also zu der folgenden Definition einer chemischen Reaktion auf submikroskopischer Ebene Bei einer chemischen Reaktion ver ndern sich die Atome der Ausgangsstoffe Die ver nderten Atome des Reaktionsproduktes gruppieren sich um Zus tzlich zu der in Abb 10 6 gezeigten Darstellung der w ssrigen L sungen der drei Stoffe Zink lod und Zinkiodid kann nun auch die Festk rperreaktion erneut berdacht werden Dies ist in Abb 10 7 beispielhaft gezeigt so dass auch hier die Ver nderung durch Variation der Atomgr en dargestellt ist 136 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION M glichkeit ETF 77 Aver Oo ca FPO J3 VA Ya A Kano a LOOO IB ETON A 7 CaN e P SODA b lod c Zinkiodid DEILNA a SR iF er AARS J vru G F3 OO 1563 Ka JGR 7 YA 35 a Zink c Zinkiodid Abb 10 6 Endg ltige Visualisierung w ssriger L sungen von
322. ollst ndig verkohlt sind Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen 2 Formuliere eine Wortgleichung f r die Verkohlung des Holzes Station Verkohlen B Durchf hrung Bis zu 5 g Kresse wird in die Abdampfschale gelegt und mit dem Brenner erhitzt bis sie vollst ndig verkohlt ist Dabei wird ein Uhrglas mit Hilfe der Tiegelzange ber die Abdampfschale gehalten Hieran kondensierende Tropfen k nnen mit den Testst bchen nachgewiesen werden Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen 2 Stelle eine Wortgleichung auf Station Verkohlen C Konzentrierte Schwefels ure entzieht Pflanzenprodukten das Wasser und zersetzt sie dabei Sei bitte sehr vorsichtig und verhindere jeden Kontakt mit der konzentrierten Schwefels ure da diese auch die Haut zersetzt Setze eine Schutzbrille auf Ger te und Chemikalien W rfelzucker konzentrierte Schwefels ure Rollrandgl schen mit Deckel Bindfaden Waage Schutzbrille Vorbereitung Damit die Sch ler nicht in Kontakt mit der konzentrierten Schwefels ure kommen sollte der Lehrer f r jede Gruppe ein Rollrandgl schen vorbereiten dass etwa 1 cm hoch mit Schwefels ure gef llt ist Durchf hrung Das Rollrandgl schen wurde bereits etwa 1 cm hoch mit konzentrierter Schwefels ure gef llt Ein St ck W rfelzucker wird nun an einem Bindfaden befestigt und so in das Gl schen geh ngt dass das Zuckerst ck nicht in di
323. olteilchenmodell kann hier erste Hilfestellung zu einer transparenteren Vermittlung der einzelnen Stationen auf dem Weg ins Diskontinuum geben Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine M glichkeit entwickelt durch eine experimentelle Problematisierung die Behandlung des DALTONsSchen Atommodells zu motivieren Hierzu wurde die grunds tzliche Idee eines Stoffkreislaufs herangezogen In einem Stoffkreislauf kreisen die Atome der einzelnen Elemente jedoch werden die aus den Atomen bestehenden Stoffe im Durchlauf vernichtet Auf Grundlage dieses Ansatzes wurde f r den Kohlenstoff kreislauf am Beispiel Kresse ein Lernzirkel mit dazugeh rigen Sch lerversuchen und Arbeitsmaterialien entwickelt Wesentliche gedankliche Voraussetzung w hrend des Durchschreitens des Kreislaufs ist die Massenerhaltung w hrend der verschiedenen ablaufenden chemischen Reaktionen Die beschriebenen Versuche werden alle unter diesem Aspekt durchgef hrt um f r Sch ler explizit zu verdeutlichen dass ausschlie lich die eingesetzten Edukte an der Reaktion teilnehmen k nnen Die Massenerhaltung ist f r Sch ler durchaus nicht selbstverst ndlich und selbst Sch ler die die Atomerhaltung bereits kennen gelernt haben wenden dieses Wissen nicht immer konsequent an wie 208 13 ERGEBNIS BERBLICK mit der durchgef hrten Umfrage von 647 Sch lern gezeigt werden konnte Eine solche Verdeutlichung ist daher hilfreich um Lernschwierigkeiten im weiteren Gang zu verm
324. onen 214 13 ERGEBNIS BERBLICK besonders bei Beteiligung von Sauerstoff immer wieder auf den vorl ufigen LAVOISIERSchen Begriff zur ck Die Notwendigkeit einer Behandlung des historischen Oxidationsbegriffes ist vor dem Hintergrund zahlreicher alternativ m glicher Ordnungs prinzipien die an dessen Stelle treten k nnten nicht gegeben PFEIFER 1978 Auch ist die h ufige Argumentation einer Legitimation aufgrund der historischen Bedeutung unverst ndlich denn dieser kann nach wie vor Rechnung getragen werden wenn die Einf hrung nach heutigem Verst ndnis erfolgt und gefestigt ist Der Verzicht auf den vorl ufigen Oxidationsbegriff im Sinne LAVOISIERS bietet an dieser Stelle in einfacher Weise die M glichkeit wesentliche Barrieren auf dem Erkenntnis gang der Sch ler zu beseitigen Die vorgestellte Vorgehensweise bietet z B anhand der Reaktion von Zink und lod dar ber hinaus die M glichkeit mit Sch lern in abgestuften Schritten zur Redoxreaktion zu gelangen und diese noch vor Kenntnis der Oktettregel einzuf hren Die Kapitel dieser Arbeit f gen sich somit zu einer Reihe wichtiger Punkte im Erkenntnisgang der Sch ler auf dem Weg ins Diskontinuum zusammen Unbenommen von der Gesamtkonzeption lassen sich jedoch auch die einzelnen Bestandteile in ein bestehendes Curriculum integrieren Es bleibt daher zu hoffen dass mit dieser Arbeit Anregungen gegeben werden konnten die dem Einzelnen neue M glichkeiten des Chemieunterr
325. onzept Oder Rastertunnelmikroskopie im Anfangsunterricht Chemkon 2 2001c 8 81 85 EISNER W GIETZ P JUSTUS A SCHIERLE W STERNBERG M elemente chemie Ausgabe A Ernst Klett Verlag GmbH Stuttgart Dusseldorf Leipzig 1995 2 Aufl FACH S M Untersuchungen zum Reaktionsverhalten der Metalle Zink Aluminium und Magnesium mit lod in w ssrigen L sungen Examensarbeit unver ffentlicht Carl von Ossietzky Universit t Oldenburg 2002 224 15 LITERATURVERZEICHNIS FALBE J REGITZ M Hrsg CD R mpp Chemie Lexikon Thieme Verlag Stuttgart 1995 FEYNMAN R P LEIGHTON R B SANDS M The Feynman Lectures on Physics Feynman Vorlesungen ber Physik Band I TI 1 Oldenbourg M nchen 1974 1 3 FISCHLER H LICHTFELDT M Teilchen und Atome Modellbildung im Unterricht NiU P 8 1997 41 180 184 FLADT R Kurskorrektur im Chemieunterricht Dargestellt an der Einf hrung und Anwendung des Teilchenmodells in der Sekundarstufe I MNU 37 1984 6 354 362 FLADT R Zu Neue Wege zu einem f cher bergreifenden Verst ndnis des Teilchenkonzeptes MNU 55 2002 2 114 116 FRANIK R Automatisch authentisch Akrobatisch akribisch Systematisch systemisch PdN Ch 47 1998 3 1 FREIMANN T SCHLIEKER V HABELITZ TKOTZ W VEITH B Abgestufte Lernhilfen NiU Ch 12 2001 64 65 160 167 FRITSCH L Verst ndnisschwierigkeiten bei der Aneignung des Redoxbegriffes
326. orm der Stoffmischung Die Kapitel 10 und 11 besch ftigen sich daher eingehend mit dieser Problematik und es soll dort nach m glichen L sungen gesucht werden Abschlie end soll in Kapitel 11 ein bereits seit langer Zeit in der didaktischen Literatur diskutiertes Problemfeld beleuchtet werden Es handelt sich hierbei um die Erarbeitung des elektronentheoretischen Redoxbegriffs Es ist belegt dass der bergang von der LAVOISIERSchen Deutung einer Oxidation als Sauerstoffaufnahme hin zu einer Elektronenabgabe nach heutigem Verst ndnis nur wenigen Sch lern gelingt SUMFLETH 1988 Es sollen daher experimentelle und curriculare Alternativen erarbeitet werden wie ein Verst ndnis nachhaltiger als bisher bei Sch lern erreicht werden kann 1 im Folgenden wird aus Gr nden der Lesbarkeit nur von Sch lern und Lehrern gesprochen womit beide Geschlechter gemeint sind Sollte eine Differenzierung der Geschlechter notwendig sein so ist dieses im Text expliziert 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS 2 Die konstruktivistische Sichtweise des Lernens Unter der Vielzahl lerntheoretischer Ans tze ist dem konstruktivistischen in neuerer Zeit ein immer gr erer Stellenwert beizumessen Es ist zu beachten dass es eine Reihe von Str mungen innerhalb des Konstruktivismus gibt die eine Vielzahl von Varianten desselben hervorgebracht haben Hierbei sind beispielsweise die erkenntnis theoretischen sowie die lerntheoretischen Sichtw
327. orophyll vom Auge als gr n wahrgenommen L TTGE 1994 S 113 120 Aber auch bei Wellenl ngen die vom Chlorophyll a nicht absorbiert werden kann durchaus Fotosynthese stattfinden Hier absorbieren die akzessorischen Pigmente wie zum Beispiel Chlorophyli b und die Carotinoide Licht und bertragen die Energie auf die Prim rpigmente Dadurch kann nahezu das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes f r die Fotosynthese nutzbar gemacht werden L TTGE 1994 S 177 120 Mit Hilfe der vom Chlorophyll aufgenommenen Lichtenergie werden in der Lichtreaktion Wasserstoffionen und Elektronen vom Wasser auf den Akzeptor NADP Nicotinamid Adenin Dinucleotidphosphat bertragen wobei Wassermolek le gespalten werden Ein Wasserstoffion aus dem Wassermolek l und ein Elektronenpaar werden auf das NADP bertragen so dass dieses zu NADPH reduziert wird Das zweite Wasserstoffion geht als H30 in L sung w hrend der Sauerstoff frei wird und ber die Spalt ffnungen der Pflanze abgegeben wird Der Sauerstoff der bei der Fotosynthese gebildet wird ist also ein Produkt der Lichtreaktion und stammt aus dem von der Pflanze aufgenommenen Wasser und nicht aus dem Kohlenstoffdioxid CAMPBELL 1997 S 203f Ein weiterer wichtiger Schritt der Lichtreaktion ist die Produktion von ATP Adenosintriphosphat wobei endotherm eine Phosphatgruppe an ADP Adenosindiphosphat gebunden wird Die Lichtenergie wird also in zweierlei Form als chemische Energie gespeichert
328. punkt f r die berlegungen zur Abl sung des Kugelteilchenmodells durch das Symbolteilchenmodell bestand darin dass sich die graphische Gestaltung von Vorg ngen im einfachem Teilchenmodell von denen im DALTONschen Atommodell deutlich unterscheiden sollte siehe Abschnitt 6 3 Verwendet man nun auch im Symbolteilchenmodell die Kugel als Symbol so ist die Trennung der beiden Modelle in Bezug auf die Elemente wieder aufgehoben In diesem Fall k nnte Abb 6 3 in der laut Bildunterschrift Kupferatome gezeigt werden auch eine Darstellung von Kupferteilchen im Symbolteilchenmodell sein In Abschnitt 6 3 wurden insbesondere Probleme der fehlenden Trennung der Modell ebenen bei der Darstellung der chemischen Reaktion auf submikroskopischer Ebene angesprochen W hrend im einfachen Teilchenmodell nur das Entstehen eines neuen Stoffes dargestellt werden kann f hrt im DALTONschen Atommodell eine Umlagerung und Verbindung der Atome zu dem neuen Produkt Abb 6 10 zeigt die Reaktion zwischen Eisen und Schwefel im DALTONschen Atommodell und in den beiden hier diskutierten Varianten des Symbolteilchenmodells Die Reaktion im Atommodell unter Ber cksichtigung der Ver nderung der Elektronenh llen eo gt OR O44 Eisen Schwefel Eisensulfid Die Reaktion im Symbolteilchenmodell Variante 1 X AYA m Eisen Schwefel Eisensulfid Die Reaktion im Symbolteilchenmodell Variante 2 NK AyA u Zu Eisen Schwefel Eisensulfid Abb 6
329. r Molek le steigt der Grad der Abstraktion in der Darstellung denn die Teilchen sollen weiterhin in einfacher Weise f r Sch ler zu zeichnen sein Wasser lineare Molek le Ammoniak DI Alkane Alkohole Aceton EEE ir gt Glycerin Glucose gt Abb 13 2 Auswahl einiger Reinstoffteilchen in der Symboldarstellung Verschiedene Molek le gleicher u erer Gestalt werden farblich voneinander abgesetzt wobei zu beachten ist dass eine bereinstimmung makroskopisch erfahrbarer Farbigkeit der Stoffe und Farbe der Darstellung die Fehlvorstellung f rdert dass Farbigkeit eine Eigenschaft der Teilchen sei Bei der Wahl der Formen wurde weiterhin darauf Wert gelegt dass sich die Teilchen nicht l ckenlos aneinanderf gen lassen Im Falle von Feststoffen werden so Darstellungen vermieden die den im Atommodell wesentlichen Punkt der Leere zwischen den Teilchen unber cksichtigt 207 13 ERGEBNIS BERBLICK lassen Da salzartige Verbindungen nicht aus Molek len aufgebaut sind ist hier die M glichkeit der Orientierung am Kalottenmodellumriss an seine Grenze gef hrt Statt dessen kann hier die kleinste Formeleinheit als beliebig geformtes Teilchen repr sentiert werden Die Darstellung der Elemente l sst sich in zwei verschiedenen Varianten realisieren die beide Vor und Nachteile besitzen wie ausf hrlich in Kapitel 6 dargestellt Der Einzelne muss abw gen f r welche Variante er sich entscheidet Einerseits besteht die M glich
330. r eine Elektrolyse oder eine Thermolyse anbietet Die Zerlegung von Zinkiodid in die Elemente Zink und lod per Elektrolyse ist aus einer L sung des Salzes m glich der Versuch ist in 12 6 4 beschrieben vgl auch Video 12 Man erh lt an den Elektroden zum einen elementares Zink zum anderen elementares lod welches sich aber sofort in der iodidischen L sung gem der Triiodidionenbildung 11 mit braun gelber Farbe aufl st Dieser Farbumschlag kann aber als Indikator f r die lodbildung genutzt werden Weiterhin ist eine Thermolyse m glich da sich Zinkiodid oberhalb von 625 C in die Elemente zersetzt vgl Kapitel 10 6 1 3 HOLLEMANN 1985 S 1039 F hrt man die Thermolyse unter Luftatmosph re durch vgl Versuch 12 6 1 entsteht als eines der Produkte lod welches unschwer an der violetten Farbe zu erkennen ist Das zweite Reaktionsprodukt ist ein wei er pulveriger Feststoff der sich in der Hitze gelb f rbt und in Wasser unl slich ist In S uren l st er sich hingegen ohne Gasentwicklung auf so dass er hinreichend als Zinkoxid identifiziert werden kann F r die Thermolyse von Zinkiodid unter Luftatmosph re kann man also die folgende Reaktionsgleichung aufstellen 2 Zul 0 2 ZnO 21 13 Die Thermolyse unter Luftatmosph re ist demnach aufgrund des anwesenden Sauerstoffs in der Bruttoreaktion eine Verdrangungsreaktion Zwischenzeitlich eventuell gebildetes Zink reagiert zu Zinkoxid demnach ist dieser Versuch f r ei
331. r komplexere organische Molek le wie die Glucose Abb 6 6 zeigt eine bersicht ber die verschiedenen Formen von Molek len im Symbolteilchenmodell Das Kugelteilchen wird hier nicht nur durch ein einziges Symbol ersetzt sondern durch mehrere verschiedene Formen Hierdurch werden die Darstellungen von Vorg ngen auf der Teilchenebene abwechslungsreicher und die Sch ler sehen dass es bei der Gestalt der kleinen Teilchen der chemischen Stoffe auf submikroskopischer Ebene eine Vielfalt an unterschiedlichen Formen gibt So besteht auch nicht die Gefahr dass die Sch ler infolge einseitiger Darstellungen zu der Ansicht gelangen es g be auf dieser Welt nur eine einzige Art von Teilchen FLADT 1984 S 356 Wasser lineare Molek le Ammoniak ONS gt Alkane Alkohole Aceton D db Glycerin Glucose gt Abb 6 6 bersicht ber Molek le im Symbolteilchenmodell In Abb 6 6 wird ersichtlich dass viele der Formen f r mehrere Teilchenarten stehen Dies ergibt sich zum einen aus der Orientierung an der tats chlichen Struktur der Molek le zum anderen aus dem Bestreben das System der Symbolteilchen 61 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL bersichtlich zu gestalten So gibt es mehrere kleine lineare Molek le wie Stickstoff und Sauerstoff deren Symbolteilchen dann auch die gleiche Form haben Hierbei best nde die M glichkeit die Molek le die aus drei Atomen bestehen l nger zu gestalten als solche die aus zwei Atomen b
332. rd daher f r die Teilchen im Sinne kleinster diskret vorkommender Einheiten eine alternative Darstellung vorgeschlagen die die Kugelform zun chst nicht bzw nur im Falle chemischer Elemente vorsieht Durch diese Darstellung bei der die u eren Konturlinien der Teilchen im Kalottenmodell als Orientierung f r die Teilchenform dient kann eine deutliche Abgrenzung und damit Unterscheidbarkeit erreicht werden die den sicheren Umgang mit den verschiedenen Bedeutungsinhalten beider Modelle in der Visualisierung unterst tzt Es ist zu beachten dass im ersten Teilchenmodell die bliche Definition eines Teilchens als kleinster Einheit eines Reinstoffes im Falle der Salzaufl sung keine anschlussf hige Visualisierung erlaubt da die Dissoziation der den Reinstoff Salz konstituierenden lonen nicht dargestellt werden kann Dieses kann durch die Darstellung jedes einzelnen diskret vorkommenden Teilchens umgangen werden wodurch Salze durch mindestens zwei Teilchensorten repr sentiert werden Eine neue M glichkeit des bergangs von einem ersten Teilchenmodell zum Atommodell wird am Beispiel eines einfachen Kohlenstoffkreislaufs durch einen Lernzirkel vorgestellt Hierdurch kann expliziert werden dass in einem Kreislauf die Stoffe vernichtet dennoch aber etwas erhalten geblieben sein muss das nach einem kompletten Durchlauf die Ausgangsstoffe konstituiert Diese Hypothese f hrt dann zu 216 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT einer Auseinan
333. ren Der Thermochromieeffekt l sst zudem nicht zu anhand der Farbe das Fortschreiten der Oxidation zu verfolgen Dieses Problem kann in einfacher Weise umgangen werden indem das Kupfer l oxid in einer offenen Abdampfschale in d nnen Schichten etwa 5Minuten an der Luft erhitzt wird Durch gelegentliches R hren wird die Sauerstoffzufuhr noch weiter unterst tzt Hierdurch wird schlie lich s mtliches Kupfer I oxid zu Kupfer Il oxid umgesetzt Interessant ist in diesem Zusammenhang dass bei dem Versuch schwarzes Kupfer Il oxid direkt aus elemtarem Kupfer darzustellen keine vollst ndige Oxidation erfolgt Dabei ist es unerheblich ob im Sauerstoffstrom oder an der Luft gearbeitet wird Bei 116 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN der Reaktion bildet sich lediglich ein gesintertes Mischoxid dass nach eigenen Untersuchungen ein Cu O Verh ltnis von 1 623 1 bzw 1 0 616 aufweist Es bilden sich wie die R ntgenstrukturanalyse zeigt keine Mischkristalle Vielmehr liegen hier Kupfer l oxid neben Kupfer Il oxidkristallen vor wobei letzteres in einem Gitter kristallisiert das Abb 8 7 zeigt Abb 8 7 Die Gitterstruktur von Kupferf Il oxid WELLS 1984 Zusammenfassend kann festgestellt werden dass der geschilderte motivierende Einstieg in die Thematik der chemischen Verh ltnisformel mit rotem und schwarzem Kupferoxid nach wie vor uneingeschr nkt seine Bedeutung im Schulalltag behalten kan
334. ren Anionen zusammenzufassen und beispielsweise ein gemeinsames Symbol f r alle Chloride und ein anderes f r alle Oxide zu verwenden Eine solche Einteilung w re jedoch relativ willk rlich und f r die Sch ler nicht nachzuvollziehen Die Sch ler k nnten sogar zu der Vorstellung verleitet werden dass beispielsweise der Bestandteil Chlorid der entscheidende am Natriumchlorid ist Dabei h tten statt der Anionen auch die Kationen als Kriterium f r die Zuordnung ausgew hlt werden und beispielsweise alle Natriumsalze in einer gemeinsamen Form dargestellt werden k nnen Ein weiterer Punkt der gegen diese Darstellungsweise der Salze spricht ist dass hier relativ hohe Anforderungen an die zeichnerischen F higkeiten der Sch ler gestellt werden m ssten da auf immer komplexere Symbole zur ckgegriffen werden m sste Aufgrund der dargestellten Schwierigkeiten und in dem Bem hen um ein bersicht liches Symbolteilchenmodell wird es daher bevorzugt nur ein einziges Symbol f r die Darstellung von Salzen zu verwenden Dabei wurde das in Abb 6 8 dargestellte Symbol ausgew hlt da es relativ einfach zu zeichnen ist Weiterhin l sst sich diese Form nicht mit wenigen Atom Kugeln ausf llen wie dies bei den Symbolteilchen der kleineren Molek le wie Kohlenstoffdioxid m glich ist So werden die Sch ler durch diese Form nicht zu der Assoziation verleitet aus der Struktur des Salzsymbols k nne auf die Struktur der Salzteilchen geschloss
335. renner Spatel Durchf hrung Der Versuch sollte unter dem Abzug durchgef hrt werden 1 g Rohrzucker 1 g Traubenzucker oder 1 g St rke wird in ein Reagenzglas gegeben und zun chst sehr vorsichtig ber der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzt Die im oberen Teil des Reagenzglases entstehenden Tr pfchen k nnen mit Hilfe der Kupfer Il sulfat Testst bchen untersucht werden Anschlie end wird kr ftiger erhitzt bis die jeweilige Probe vollst ndig verkohlt ist Nach Abk hlen des Reagenzglases kann der Kohlenstoff mit Hilfe eines Spatels aus dem Reagenzglas entnommen werden Beobachtung Zun chst steigt Wasserdampf auf der die Testst bchen blau f rbt Bei st rkerem Erhitzen verf rben sich der Zucker bzw die St rke zun chst gelblich und werden dann schwarz Dabei werden gelbliche brennbare D mpfe frei Die Zucker bzw die St rke sch umen dadurch etwas auf Weiterhin ist zu beobachten dass sich an der Wand des Reagenzglases eine geringe Menge gelber liger Fl ssigkeit niederschl gt Die Verkohlung l uft bei Traubenzucker am schnellsten ab bei der St rke dauert sie am l ngsten Auswertung Neben der Einwirkung von konzentrierter Schwefels ure ist auch das Erhitzen unter Sauerstoffmangel eine M glichkeit organische Stoffe zu verkohlen Es l uft dann eine unvollst ndige Verbrennung ab Wie Saccharose siehe Versuch 12 2 2 2 zur Schwefels ureverkohlung sind auch Glucose und St rke Kohlenhydrate und k nne
336. rhanden ist PIAGET 1969 Der bergang von einer Kontinuums zu einer Diskontinuumsvorstellung ist daher bekannterma en mit besonderen Lernschwierigkeiten verbunden vgl z B PFUND 1981 Die Vermittlung der Thematik muss somit besonders sorgf ltig durchdacht und geplant werden um die 1 EINLEITUNG neue Vorstellung der submikroskopischen Ebene nachhaltig an die Lernenden zu vermitteln Die Einf hrung der grunds tzlichen Idee einer aus vorgebildeten Teilchen kon stituierten Materie ist jedoch nur eine erste Station auf dem Weg ins Diskontinuum Eine weitere Ausdifferenzierung zun chst zur Atomhypothese und sp ter zu einer Betrachtung des subatomaren Aufbaus ist notwendig um im fortgeschrittenen Unter richt ad quat Fachkenntnisse zu erlangen Die Vermittlung dieser fundamentalen Einsichten erfolgt dabei ber mehrere Zwischenstufen um den Lerninhalt nicht zu berfrachten So wird ein blicherweise eingef hrtes Kugelteilchenmodell das der kleinsten Reinstoffeinheit ein kugeliges Teilchen zuweist FLADT 1984 zun chst vom DALTONSchen Atommodell abgel st das sp ter eine Erweiterung zum Kern H lle Modell erf hrt Anwendungs und Vertiefungsphasen der einzelnen eingef hrten Modelle sollen zun chst zur Bildung einer gesicherten Basis beitragen bevor das Betreten der n chsten Ebene in Angriff genommen wird Trotzdem treten an verschiedenen Stellen des herk mmlichen Curriculums wiederholt Probleme und Missverst ndnisse in
337. rhindert wird Um im n chsten Schritt die chemische Reaktion auf der atomaren Ebene zu behandeln ist es im Unterricht zun chst wichtig die Sch ler daf r zu sensibilisieren chemische Reaktionsprodukte von Gemischen und Gemengen abzugrenzen Die Reaktion wird in diesem Zusammenhang blicherweise als eine Umgruppierung der Atome der Edukte definiert Die angebotenen Visualisierungen des Reaktionspro duktes in denen die unver nderten Eduktatome alternierend angeordnet sind legen f r viele Sch ler den Eindruck eines optimalen Gemisches nahe Zur deutlichen Abgrenzung der Darstellungen von Gemischen von denen des Reaktionsproduktes k nnen Sch ler an dieser Stelle von der Tatsache profitieren dass sich die Atome der Edukte im Verlaufe einer Reaktion auch ver ndern hier lonenbildung Diese Ver nderung sollte daher in der Visualisierung und in der Definition der chemischen Reaktion im DALTONschen Atommodell Ber cksichtigung finden s Abb 13 5 Auch hierzu bietet sich f r die Erarbeitung die Betrachtung der Stoffe Zink lod und Zinkiodid an Bereits das unterschiedliche Ergebnis der lod St rke Reaktion f r lod und Zinkiodidl sungen deutet darauf hin dass die Teilchen eine Ver nderung erfahren haben Ebenso zeigt sich die reaktionsbedingte Ver nderung der Zink und lodatome im unterschiedlichen L sungsverhalten der Produkte und Edukte Da der Teilchenverband in L sung nicht zur Erkl rung der Eigenschaften herangezogen werden
338. riationsreich und bewusst beliebig zu halten EILKS 2001c 59 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Aber auch bei einer solchen Vorgehensweise muss in einer konkreten Abbildung beispielsweise in einem Schulbuch eine konkrete Form f r jedes Teilchen gew hlt werden Ist dann beispielsweise die Form von Wasserteilchen im gesamten Schulbuch in jeder Abbildung dieselbe so besteht trotzdem weiterhin die M glichkeit dass die Sch ler die gew hlte Darstellungsweise mit der Form des Teilchens verkn pfen Wechselt sie dagegen von Seite zu Seite ist dies schnell verwirrend In jeder Abbildung m ssten die Sch ler neu herausfinden welcher Stoff durch welche Figuren dargestellt ist wodurch sie vom eigentlichen Inhalt der jeweiligen Darstellung abgelenkt werden Weiterhin w re kein R ckbezug auf andere Darstellungen in denen der Stoff bereits zuvor verwendet wurde m glich Schlie lich k nnte sogar der Eindruck entstehen Wasserteilchen h tten keine feste Form sondern n hmen in verschiedenen Zusammenh ngen unterschiedliche Gestalten an Ein weiteres Problem besteht darin dass Zeichnungen von Sch lern die unterschiedliche Symbole verwenden im Unterricht schlecht miteinander verglichen werden k nnen Daher sollte die Form der Teilchen trotz der damit verbundenen Schwierigkeit f r jede Teilchensorte festgelegt werden Im Folgenden soll eine M glichkeit aufgezeigt werden die g ngigen Stoffe des An fangsunterrichtes welche in Schulb ch
339. richt bekannt 138 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION Kohleelektrode Zinkblech Kaliumiodidl sung lodl sung Watte Abb 10 8 Die Reaktion von Zink mit lod im galvanischen Element Durch Einbringen eines Verbrauchers in den Stromkreis k nnen sich die Lernenden vom Fluss eines elektrischen Stromes berzeugen Der elektrische Strom ist den Sch lern zu diesem Zeitpunkt aus dem Physikunterricht als ein Elektronenfluss bekannt Eine n here Betrachtung der Stromrichtung z B mit einem Messger t zeigt dass die Elektronen von der Seite des Zinkbleches zur lodhalbzelle flie en Nun kann die Frage aufgeworfen werden woher die Elektronen stammen Um die Atome als Ursprung zu lokalisieren kann Abb 10 9 hilfreich sein Es ergibt sich somit dass der Elektronen bergang von den Zinkatomen zu den lodatomen derart stattgefunden hat dass die Zinkatome Elektronen abgegeben und die lodatome diese aufgenommen haben Diese Aussage impliziert dass die Atome noch einen inneren Aufbau jenseits der im DALTONSchen Modell dargestellten festen Kugel haben Das Kern H lle Modell kann so nun nochmals thematisiert werden Mit Feststellung dass die Elektronen von den Zinkatomen abgegeben und den lodatomen aufgenommen werden wird auch die zuvor postulierte Gr en nderung konkretisiert denn die Aufnahme bzw Abgabe von Elektronen hat eine Deformation der Atomh lle zur Folge so dass be
340. rkategorien unterteilt die mit Kleinbuchstaben gekennzeichnet sind Die Sch leranzahlen der Kategorien ergeben sich aus der Summe der jeweiligen Unterkategorien Nur f r die Kategorien werden Prozentangaben gemacht die sich auf die Gesamtzahl der Sch ler des jeweiligen Jahrganges beziehen die eine richtige Begr ndung angegeben haben Tabelle 7 2 Einteilung der richtigen Begr ndungen 103 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL 7 4 2 3 Begr ndungen f r eine Massenabnahme Bei denjenigen die f r eine Massenabnahme stimmten begr ndeten dies mit 47 in etwa die H lfte der Sch ler damit dass die entstehenden Gase leichter seien als Feststoffe Kategorie 6 5 der Sch ler erkl rten die Massenabnahme explizit damit dass das Gewicht des Gases aufgrund der geringeren Dichte geringer sei Kategorie 7 Ein Teil der Befragten argumentierte mit der Vernichtung oder dem Verbrauch von Kohlenstoff Kategorie 8 11 oder Sauerstoff Kategorie 9 5 Weiterhin gab es zu 8 die Vorstellung ein Teil der Substanzen steige in den Ballon auf bef nde sich somit nicht mehr im Rundkolben und k nne dort nicht gewogen werden Kategorie 10 Und schlie lich f hrten 8 der Sch ler an dass durch das Aufsteigen der Gase in den Ballon die Apparatur angehoben werde und somit weniger w ge Kategorie 11 Die Verteilung der Begr ndungen der Sch ler zur Massenabnahme auf die einzelnen Kategorien ist in Tabelle 7 3 aufgef
341. rkl rungsans tze in der Literatur sind analog zu jenen bei Zinkoxid SONE 1987 S 127 TiO Wie auch das Zinkoxid zeigt Titandioxid wahrend des Erhitzens eine Farb nderung von Wei nach Gelb 114 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN PbO Das bei Raumtemperatur gelbe Bleioxid ndert die Farbe zu Orangerot bei Erw rmung CdO Cadmiumoxid durchl uft verschiedene Farben von gr nlich Gelb bis hin zu Braun manchmal auch Schwarz SONE 1987 S 127 Fe 0 Die Farbe des Eisen Ill oxids ndert sich von ihrem urspr nglichen Rot zu Schwarz Da verschiedene Eisen IIl oxid Modifikationen existieren ist hier eine Farb nderung aufgrund der Strukturver nderung denkbar Hgl Diese Substanz zeigt einen Farbwechsel von Rot nach Gelb bei Erw rmung Hier wird der Farbeffekt erkl rt durch eine nderung der Gitterstruktur von einer tetragonalen Anordnung bei Raum temperatur hin zu einer rhombischen Hochtemperaturmodifikation Die Umwandlungstemperatur liegt bei 127 C SONE 1987 S 9 Im Alltag findet man Substanzen mit thermochromen Eigenschaften beispielsweise als Farben oder Klebestreifen die auf Gef e oder fen gebracht werden um durch Farbver nderung eine Thermometerfunktion zu erf llen und eventuell vor hei en Oberfl chen zu warnen Hierbei handelt es sich teilweise um organische Substanzen deren thermochrome Eigenschaften auf andere Ursachen zur ckzuf hren sind als die oben beschrie
342. rnichtet wurde wiedergewonnen werden kann kann mit dem gegenw rtigen Wissen der Sch ler nicht erkl rt werden In diesem Zusammenhang wird der Blick der Sch ler f r den wesentlichen Unterschied zwischen der stofflichen makroskopischen Ebene gegen ber der atomaren Ebene gesch rft denn aus der Diskussion heraus wird bereits deutlich dass Atome selbst keine Stoffeigenschaften besitzen Erst ein Teilchenverbund kann als Stoff angesehen werden Nach der Einf hrung der Atomhypothese sind die Sch ler in der Lage nachzuvoll ziehen was mit den Kohlenstoffatomen im Verlauf des Kreislaufs passiert Sie sollten erkennen dass im Kohlenstoffkreislauf in jeder beteiligten Verbindung Kohlen stoffatome vorhanden sind F r die Pflanze und die Pflanzenprodukte wird dies in der Stationsarbeit durch das Verkohlen nachgewiesen Im Kohlenstoffdioxid muss es zwangsl ufig der Fall sein da der Kreislauf sonst nicht geschlossen werden k nnte Die Vorstellung dass ein farbloses Gas jedoch Kohlenstoffatome enthalten kann und dass aus ihm eine R ckgewinnung von Kohlenstoff m glich ist ist f r Sch ler be sonders schwer nachzuvollziehen wie das folgende Zitat zeigt Der Formel nach m sste sich nat rlich aus Kohlendioxid wieder Kohlenstoff herstellen lassen Aber in Wirklichkeit ist es nat rlich unm glich aus einem farblosen Gas einen festen schwarzen Stoff herauszuholen Sch ler 16 Jahre PFUNDT 1975 Um den Sch lern zu verdeutlich
343. rnung von etwa 10 cm aufgestellt wird werden die Bechergl ser von der Seite her beleuchtet Alle 10 Minuten werden die Bechergl ser leicht hin und her bewegt und ihre Farbe notiert Beobachtung Zeit Farbe der L sung im Becherglas Farbe der L sung im Becherglas mit Pflanze ohne Pflanze 0 min gelb gelb 10 min gelb gelb 20 min gelb orange gelb 30 min orange rot gelb 40 min hellrot gelb Auswertung Die L sung im Becherglas mit Pflanze ist nach der Zugabe von Kohlenstoffdioxid gelb gef rbt Im Laufe des Versuches verf rbt sich die L sung rot Dies zeigt an dass der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Becherglas abnimmt Die Ursache f r die Abnahme des Kohlenstoffdioxid Gehalts ist dass die Pflanze Fotosynthese betreibt und sie dabei Kohlenstoffdioxid aufnimmt Im Becherglas ohne Pflanze bleibt der Gehalt an Kohlenstoffdioxid gleich weshalb sich die Farbe der L sung nach der Kohlenstoffdioxid Zugabe nicht mehr ndert Zusatzstation Pflanzenversuch Vorbereitung Die Stiele der Efeu Bl tter oder der Kresse werden mit einem Faden zusammengebunden Jeweils 10 ml Reaktionsl sung werden in zwei Bechergl ser gef llt und mit 5 Tropfen Kresolrot L sung versetzt und umgeruhrt Danach wird in die Fl ssigkeit der beiden Bechergl ser jeweils 1 mL Kohlenstoffdioxid mit der Plastikspritze gespritzt Die L sungen werden umger hrt woraufhin sich die Fl ssigkeit gelb f rb
344. ronenh lle zu ber cksichtigen ist zum einen eine tiefere Einsicht in die Vorg nge auf der submikroskopischen Ebene und zum anderen eine greifbarere Visualisierungsm glichkeit die die angesprochene Differenzierung erleichtert 10 4 3 Deutung der chemischen Reaktion auf Grundlage eines erweiterten Atommodells Die Kl rung dessen was sich w hrend einer chemischen Reaktion an den Teilchen ver ndert kann erst auf Basis eines erweiterten Atommodells erfolgen Hier bietet es sich an das RUTHERFORDsche Kern H lle Modell einzuf hren da dieses auch im Physikunterricht Verwendung findet Um eine Besch ftigung mit dem erweiterten Atommodell zu motivieren bietet sich eine experimentelle Vorgehensweise durch Verwendung eines galvanischen Elementes an Dazu kann im Sinne eines Spiralcurriculums wiederum die Reaktion von Zink mit lod eingesetzt werden Den Sch lern wird dabei ein alternativer Reaktionsweg f r die bereits bekannte Reaktion zwischen Zink und lod vorgestellt indem diese als galvanisches Element gef hrt wird vgl Abb 10 8 Auch bei dieser Variante der Reaktion kann deren Fortschreiten anhand der allm hlichen Entf rbung der lodl sung verfolgt werden Die zus tzlichen Bestandteile des Versuchs wie die Graphitelektrode und die Salzl sung k nnen als notwendig f r den Aufbau eines geschlossenen Stromkreises vorgestellt werden Die Leitf higkeit von Graphit und Salzl sungen ist den Sch lern bereits aus dem vorhergehenden Unter
345. rschiedlichen Substanzen steht So wird beim Wasserkreislauf der Weg einer Verbindung ber verschiedene Stationen betrachtet ohne dass es dabei zu che mischen Reaktionen kommt Beim Blutkreislauf liegt dagegen ein Transportsystem f r eine ganze Reihe von N hr und Abfallstoffen vor SCHMIDKUNZ 1996 In den kologisch bedeutsamen Kreisl ufen wie dem Kohlenstoffkreislauf wird hingegen das Zirkulieren der Atome eines Elementes ber verschiedene Verbindungen hinweg betrachtet Weiterhin ist es auch m glich Kreisl ufe unter energetischen Gesichts punkten zu betrachten insbesondere in Bezug auf die Speicherung und Abgabe von Warmeenergie SCHMIDKUNZ 1996 Eine gemeinsame Definition f r diese sehr verschiedenen Prozesse formuliert SCHMIDKUNZ 71 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Ein Kreisprozess ist also ein Vorgang der von einem bestimmten Zustand ausgeht und ber einen oder mehrere Zwischenzust nde zum urspr nglichen Zustand zur ckkommt Man kann dabei nicht von einem Anfangs und Endzustand sprechen denn alle Zust nde h ngen innerlich zusammen Mit dem Begriff Zustand kann sowohl ein materielles System als auch ein energetisches Niveau gemeint sein SCHMIDKUNZ 1993 S 234 Eine gro e Bedeutung kommt der Behandlung von Kreislaufprozessen im Unterricht in Bezug auf die Umweltbildung der Schuler zu da Umweltprobleme in der Regel auf lineares Denken und Handeln und die Vernachlass
346. rsteht man unter Analogien nur Gemeinsamkeiten die v llig unterschiedlichen Bereichen entstammen wie etwa das Schl ssel Schloss Prinzip im Kontext mit der Enzymatik Ein homologes Modell dagegen entstammt dem gleichen Bereich des zu 10 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG modellierenden Originals wie z B die Deutung der radikalischen Substitution anhand von Strukturmodellen PFEIFER 2002 Die geforderte Steigerung der Denk konomie erreichen Modelle unter anderem durch Veranschaulichung und Heraushebung wesentlicher Teilaspekte Diese Anschaulichkeit spielt in der Chemie z B bei Strukturmodellen eine gro e Rolle Veranschaulichung und Transparenz ist vor allem in Bereichen unerl sslich in denen die Betrachtung des Originals nicht m glich ist Hier ist im Besonderen die submikroskopische Ebene zu nennen die aufgrund ihrer betrachterischen Unzug nglichkeit prinzipiell nur modellhaft beschrieben werden kann Je nachdem zu welchem Zweck das Modell herangezogen werden soll sind nun verschiedene Modelle hilfreich und der Grad der Reduktion ist entsprechend unterschiedlich PFEIFER 2002 Die Gewichtung der unterschiedlichen Teilaspekte wie Veranschaulichung Reduktion etc ist in den unterschiedlichen Modellen je nach Einsatz desselben verschieden Modelle sind daher immer zweckm ig pragmatisches Merkmal konstruiert um zur Erkenntnisgewinnung sowie zur Erkenntnisvermittlung zu dienen STACHOWIAK 1973 Erkenntnisse die i
347. rung liegt im Bereich chemischer Wirkung Wir k nnen ebensowohl versuchen einen neuen Planeten dem Sonnensystem einzuverleiben oder einen vorhandenen zu vernichten als ein Atom Wasserstoff zu erschaffen oder zu zerst ren DALTON 1996 S 16 DALTON nahm an dass jedes Element aus einer eigenen Atomsorte aufgebaut sei die ein spezifisches Gewicht aufwiese STRUBE 1999 S 158 Dabei ging er davon aus dass die unterschiedlichen Atomsorten nicht aus einem prim ren homogenen Stoff best nden sondern dass zwischen ihnen qualitative Unterschiede existierten BROCK 1997 S 89 Auch die Bausteine von Verbindungen die er als zusammengesetzte Atome bezeichnete BROCK 1997 S 86 betrachtete DALTON als untereinander gleich wozu er aufgrund der folgenden berlegung kam Ob die letzten Theilchen eines Stoffes wie Wasser alle gleich sind d h von derselben Gestalt demselben Gewicht etc ist eine Frage von einiger Wichtigkeit Aus dem was wir wissen haben wir keinen Grund eine Verschiedenheit dieser Theile zu vermuthen W ren einige Wasserteilchen leichter als andere und wird ein Theil der Fl ssigkeit bei irgendeiner Gelegenheit von solchen leichteren Theilchen gebildet so m ssten sie das spezifische Gewicht des Wassers beeinflussen ein Umstand der nicht bekannt ist DALTON 1996 S 15 Abb 4 5 JOHN DALTON aus STRUBE 1989 28 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS Die Entstehung dieser einander gleichen T
348. s tzlichkeit von Oxidation und Reduktion findet so Ber cksichtigung 155 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT 11 2 Die Abl sung des klassischen Oxidationsbegriffes durch eine elektronentheoretisch begr ndete Deutung Im Verlauf der 9 bzw 10 Klasse abh ngig vom Bundesland wird mit dem RUTHERFORDschen Streuexperiment der Weg zu einer tiefergehenden Betrachtung des atomaren Aufbaus geebnet Hierzu sind verschiedene Ans tze unterrichtlicher Umsetzung erarbeitet worden z B EILKS 2001a SCHMOLDT 1997 Als Folgerung wird nun das bekannte DALTONsche Atommodell ausgesch rft und beispielsweise zun chst zum sogenannten Kern H lle Modell erweitert Hierbei werden dann auch die Bausteine der Atome als Protonen Neutronen und Elektronen identifiziert Protonen bilden dabei in Feststoffen als positive Ladungstr ger zusammen mit Neutronen den ortsfesten Kern wobei Elektronen als negative Ladungstr ger bertragbar oder in Metallen beweglich sind Erst vor diesem Hintergrund ist es m glich den Sch lern den in der Fachwelt gebr uchlichen Redoxbegriff zu vermitteln der auf der Elektronen bertragung beruht Entsprechend wird nun eine Oxidation als Elektronenabgabe und eine Reduktion als Elektronenaufnahme definiert Weiterhin wird deutlich dass sowohl Oxidation als auch Reduktion immer nur gemeinsam ablaufen k nnen und somit nur Teilprozesse einer Reaktion sind Die Gesamtreaktion muss daher immer eine Redoxreaktion sein Eine Gegen ber
349. s die Tintenl sung die Membran durchdringt w hrend die lod St rke L sung dieses nicht vermag Die lod St rke L sung sollte an dieser Stelle zweckm iger Weise nur als blaue Farbstoffl sung vorgestellt werden Das ist gerechtfertigt da die Lernenden trotz ihres st ndigen Umgangs mit Tinte auch noch nicht wissen woraus diese chemisch besteht 38 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN we o u x Pd odi Tinte _St rke ARTE L sung 13 x ARD a ie y Abb 5 7 Molekulares Sieben von Tinte und lod St rke Komplexl sung Hier gelangt die Vorstellung von der Kontinuit t der Teilbarkeit der Materie an ihre Grenzen Beide L sungen erscheinen homogen die lod St rke L sung kann jedoch die Poren der Membran nicht durchdringen da der Farbstoff zu gro ist Jetzt kann der bergang zum Diskontinuum gelingen denn diese Beobachtungen lassen sich nur dann befriedigend erkl ren wenn man davon ausgeht dass der Farbstoff aus kleinen Einheiten definierter Gr e besteht welche gr er sind als die Poren der Membranen Im Gegenzug kann f r die Tintenl sung festgehalten werden dass die Teilchen in dieser L sung kleiner sein m ssen Es l sst sich somit festhalten dass es trotz der analogen Erscheinung der beiden Farbstoffe in L sung einen wesentlichen Unterschied zwischen beiden Farbstoffen zu geben scheint Dieser besteht in dem unterschiedlichen Verhalten gegen ber dem eingesetzten
350. s hei t er k nnte fliegen denn das Prinzip ist das gleiche wie beim Hei luftballon Sch lerin KI 9 Auch Sch lerinnen und Sch ler in h heren Jahrg ngen denen nat rlich ein Atommodell bekannt ist greifen auf Alltagserkl rungen zur ck obwohl sie angeben dass sich Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid verbinden Ich denke die Masse nimmt ab weil nach der Reaktion kein Kohlenstoff mehr vorhanden ist C und O haben miteinander reagiert und es ist ein Gas entstanden das eigentlich nichts wiegen d rfte Sch lerin LK 12 105 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Obwohl bereits chemische Formeln und quantitative Zusammenh nge bei Stoffums tzen behandelt wurden ist es offenbar nicht gelungen ein stabiles atomares Erhaltungskonzept in den Vorstellungen dieser Sch lerin zu verankern Begr ndungen f r eine Massenabnahme Anzahl an Sch lern darunter Angabe bezogen auf den jeweiligen Jahrgang Kategorie 6 Es entstehen Gase die prinzipiell leichter __als der Feststoff Kohlenstoff sind en inem Gas zu Kohlenstoffdioxid 6c Es entstehen Gase Verbrennungsgase _ Luft Rauch 7 Entstehende Gase sind wegen ihrer geringeren Dichte leichter als der Kohlenstoff 7a Es entsteht gasf rmiger Kohlenstoff 7b Keine weitere Erkl rung 8 Die Masse nimmt ab da die Holzkohle zum Teil verschwindet 8
351. s sich um Wasser 2 Formuliere eine Wortgleichung f r die Verkohlung des Holzes Holz Kohlenstoff Wasser Station Verkohlen B Ger te und Chemikalien Kresse Abdampfschale Tondreieck Bunsenbrenner Uhrglas selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Testst bchen f r den Wassernachweis SS eee Durchftihrung Bis zu 5 g Kresse wird in die Abdampfschale gelegt und mit dem Brenner erhitzt bis sie vollstandig verkohlt ist Dabei wird ein Uhrglas mit Hilfe der Tiegelzange ber die Abdampfschale gehalten Hieran kondensierende Tropfen k nnen mit den Testst bchen nachgewiesen werden Aufgaben 1 Beschreibe deine Beobachtungen Die Kresse wird schwarz und schrumpft zusammen Am Uhrglas kann Wasser nachgewiesen werden 2 Stelle eine Wortgleichung auf Kresse Kohlenstoff Wasser Abb 7 11 Lehrerarbeitsblatt zur Verkohlung verschiedener Stoffe mit dem Brenner 91 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Station Verkohlen C Konzentrierte Schwefels ure entzieht Pflanzenprodukten das Wasser und zersetzt sie dabei Sei bitte sehr vorsichtig und verhindere jeden Kontakt mit der konzentrierten Schwefels ure da diese auch die Haut zersetzt Setze eine Schutzbrille auf Ger te und Chemikalien W rfelzucker konzentrierte Schwefels ure Rollrandgl schen mit Deckel Bindfaden Waage Schutzbrille Vorbereitung Damit die Sch ler nicht in Kontakt mit der konzentrierten Schwefe
352. schlie lich um Pflichtstationen was bedeutet dass jeder Sch ler jede Station bearbeiten muss Ansonsten ist es durchaus blich den Sch lern beim Stationenlernen einige oder sogar alle Stationen zur Wahl anzubieten und nur die Mindestanzahl der zu bearbeitenden Stationen festzulegen BEUREN 2000 Dabei k nnen die Sch ler dann nach ihren Vorlieben ausw hlen und die Sch ler k nnen weitere Stationen bearbeiten wenn sie schneller vorgehen als andere und besonders interessiert sind In diesem Lernzirkel besteht jedoch keine Wahlm glichkeit bez glich der zu bearbeitenden Stationen da die Bearbeitung aller Aspekte zum Aufstellen des Kohlenstoffkreislaufes erforderlich ist und zugleich der Umfang des Lernzirkels berschaubar bleiben sollte Eine Erweiterung w re aber vor allem f r Klassen denkbar die mit der Methode des Stationenlernens bereits vertraut sind vgl Abschnitt 7 3 4 F r die Durchf hrung des Lernzirkels wird in etwa eine Doppelstunde ben tigt an die sich noch eine weitere Stunde zur Auswertung des Kreislaufes anschlie t Diese Zeitangabe kann jedoch nur als Richtwert angesehen werden da der Zeitbedarf von mehreren Faktoren abh ngt So spielt es eine Rolle in wie weit der Lernzirkel vom Lehrer vorbereitet wird also ob er beispielsweise die Versuche vor dem Unterricht aufgebaut hat bernehmen dies die Sch ler denen die Materialien f r die Stationen z B in Schuhkartons bereit gestellt werden k nnen BEUREN 2000 wir
353. se verteilen F r die Sch ler die ohnehin gr tenteils von einem kontinuierlichen Aufbau der Stoffe ausgehen liegt dann die Vorstellung nahe die Teilchen w rden erst beim L sen oder Verdampfen entstehen PFUND erl utert dieses Problem in Zusammenhang mit der Einf hrung der Atomhypothese es gilt aber in selber Weise f r die Einf hrung eines einfachen 51 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL Teilchenmodells Um st rker zu betonen dass die Teilchen bereits in den Stoffen vorhanden sind schl gt PFUND vor den Sch lern bewusst zu machen dass es sich bei den Teilchen der Stoffe um deren Bausteine und nicht um ihre letzten Teilungsst cke handelt PFUND 1981 Mit Hilfe des Baustein Begriffs lassen sich anschauliche Vergleiche zum Aufbau der Stoffe finden So ist der Baustein in einer Mauer immer in der Mauer vorhanden und entsteht nicht erst wenn die Mauer mechanisch in St cke geteilt wird Bei der Haus mauer ist dies f r jeden einsichtig da der Stein sichtbar ist Die Teilchen der Stoffe sind jedoch so klein dass man sie nur mit einem gr eren apparativen Aufwand wie dem Raster Tunnel Mikroskop sichtbar machen kann 6 2 3 Der Begriff des kleinsten Teilchens Allein der Begriff des kleinsten Teilchens der sich in nahezu allen Schulb chern in Zusammenhang mit dem einfachen Teilchenmodell findet ist irref hrend Spricht man im einfachen Teilchenmodell von kleinsten Teilchen so k nnen damit sowohl Atome als auch Molek
354. sen dass die Kohle r ckstandslos verbrennt Es ist daher nicht zwingend erforderlich den Versuch vorzuf hren w rde jedoch gerade in den unteren Jahrgangsstufen dazu beitragen Missverst ndnissen vorzubeugen und eine gr ere Motivation f r die Beantwortung zu schaffen Sollten Sie sich entscheiden den Versuch der Klasse vorzuf hren ist es selbstverst ndlich erforderlich den Fragebogen vor der berpr fung der Massenkonstanz ausf llen zu lassen F r eine m glichst exakte Zuordnung der einzelnen Erhebungsergebnisse sind einige Angaben zu den bis dahin behandelten Unterrichtsinhalten n tig Daher m chten wir sie bitten die folgenden Fragen kurz zu beantworten Wurde den Sch lern der Versuch der Gegenstand des Fragebogens ist vor der Bearbeitung des Fragebogens vorgef hrt O Nein O Ja incl W gung LI Ja ohne W gung Wurde die chemische Reaktion bereits im Unterricht behandelt O Nein Oi Ja Ist der Balkenwaagenversuch durchgefuhrt worden O Nein OJa Wie lange ist das etwa her Wurde die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen bereits im Unterricht behandelt 0 Nein Ja Wenn ja an welchem Beispiel Welche Bearbeitungszeit hatten die Schtler fur den Fragebogen min In welchem Jahrgang wurde der Fragebogen bearbeitet 18 Jg 09 Jg 010 Jg 011 Jg 012 Jg 013 Jg Die Frageb gen k nnen sie kostenfrei an folgende Adresse senden Universit t Oldenburg Carl von
355. senergie nicht durch Erhitzen zugef hrt werden muss Die Rolle des Wassers ist dabei in der Aufl sung der sich an der Zinkoberfl che bildenden Passivschicht aus Zinkiodid zu sehen die eine 217 14 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT Weiterreaktion im Trockenen verhindert Wird das Zink jedoch in geschmolzenem Zustand mit lod zusammengegeben so wird ebenfalls die Ausbildung der Passivschicht verhindert und eine Reaktion kann erfolgen Zur Charakterisierung chemischer Reaktionsprodukte ist es wesentlich diese deutlich von Stoffgemischen abzugrenzen Die blichen Visualisierungen auf der submikroskopischen Ebene die Reaktionsprodukte lediglich durch unver nderte umgruppierte Atome der Edukte darstellen erschweren hier eine Differenzierung da Darstellungen von Gemischen diesen sehr hneln Auf Basis der am Zinkiodid sowie an den Ausgangsstoffen m glichen Eigenschaftsuntersuchungen kann auf der submikroskopischen Ebene mit der Ver nderung der Atome ein zus tzliches Kriterium erarbeitet werden das die Differenzierung von Reaktionsprodukten und Gemischen in der Darstellung erleichtert Die Ver nderung der Eduktatome wird deutlich indem man das L sungsverhalten der Stoffe vergleicht Die Zinkionen in der Zinkiodidl sung bilden im Gegensatz zu den Zinkatomen in der Zinksuspension keinen unl slichen R ckstand ebenso wie die iodidionenhaltige L sung im Vergleich zur entsprechenden Eduktl sung nicht braun gef rbt sind Da der Teilchenverban
356. sigem Stickstoff vereinbaren vgl Versuch 12 3 3 Hierbei zeigt sich eine deutliche Farbaufhellung vgl Abb 8 4 so dass eine Verschiebung zu Wellenl ngen des orangen und gelben Spektralbereichs denkbar ist Der Effekt ist allerdings nicht so deutlich wie bei Erw rmung was aber durch den geringeren Temperaturunterschied bei der Abk hlung AT 200 K im Vergleich zur Erhitzung mit einem Bunsenbrenner AT 1200 K zu erkl ren ist Kupfer I oxid i Nach Eintauchen in fl ssigen Stickstoff per Uap rae Abb 8 4 Vergleich der Farbe von Kupfer l oxid bei niedrigen Temperaturen und bei Raumtemperatur Eine Erkl rung der Thermochromieerscheinung auf Basis der Absorptionsbanden verschiebung setzt voraus dass dem Kupfer l oxid gewisse Eigenschaften eines Halbleiters zukommen In der Literatur ist beschrieben dass Kupfer l oxid ebenso wie Zinkoxid eine nichtst chiometrische Zusammensetzung und damit einhergehend Halb leitereigenschaften besitzt GMELIN 1932 S 47 Hier ist aber im Gegensatz zu Zinkoxid Sauerstoff im berschuss vorhanden und es werden nicht Zwischengitterpl tze be setzt sondern es wandern Kupferatome unter Zur cklassen von Gitterleerstellen nach au en Eine solche Struktur w re hnlich einem SCHOTTKY Defekt in einer st chio metrischen Verbindung vgl Abb 8 5 113 8 ERMITTLUNG DER CHEMISCHEN VERH LTNISFORMEL ANHAND VON KUPFEROXIDEN x Ga X Met X Met X Me t X Met Met X Met Met X Me
357. situated cognition und des situierten Lernens situated learning an Demnach ist Denken Wissen und Lernen immer in Kontexten situiert die sowohl von pers nlichen Standpunkten als auch von u eren Gegebenheiten sowie sozialen Komponenten gebildet werden Die Situation in der gelernt wird sowie der Vorgang des Lernens ist untrennbar mit dem Gelernten verbunden MANDL 1997 Der Lernumgebung kommt innerhalb der Theorie des situated learning somit ein besonderer Stellenwert zu Im Zusammenhang der Gebundenheit an einen sozialen Kontext wird weiterhin die Rolle der Lehrperson n her betrachtet Da radikal konstruktivistische Ans tze von reiner Subjektivit t des Wissens ausgehen fordern sie in Ausschlie lichkeit ein selbstgesteuertes kollektives Lernen in welchem alle Denk und Lernvorg nge in subjektiver Weise diskutiert werden DUBS 1995 S 894 Demgegen ber wird die Notwendigkeit der Instruktion durch eine Lehrperson innerhalb der pragmatisch moderaten Sichtweise des Konstruktivismus anerkannt Die Lernenden sollen ihr Wissen vielmehr f r sich selbst rekonstruieren wobei der Lehrer diese Rekonstruktion anleitet und lenkt denn ungelenkte Aktivit ten der Lernenden teilen sich vielfach auf enden ohne Erfolgserlebnis im Unwissen und wirken frustrierend STORK 1995 S 19 Die Lehrperson vermittelt in diesem Sinne gewisserma en objektives Wissen in Form fertiger Informationen oder Demonstrationen das durch die Ler
358. soll zweitens das Bewu tsein insbesondere dessen Vorrat an verf gbaren Modellen und drittens das Problem zu dessen L sung das Modell benutzt wird STEINBUCH 1977 11 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG c 9 Zusatzinformationen 7 Kenntnisse abstraktes 5 k Denkmodell 3 09 am Wahrnehmungssieb a u a a welches nur das Wesentliche durchl sst gt Irrelevante konkretes 2 Sachverhalt Zutaten T AM gt Anschauungs D das Original oc modell Abb 3 1 Beziehung von Original Denk und Anschauungsmodell nach STEINBUCH STEINBUCH 1977 Das abstrakte Denkmodell kann nun in der Realitat umgesetzt werden um eine Veranschaulichung des Denkmodells zu erreichen Dabei kommt es wiederum zur Hinzuf gung irrelevanter Daten die im Denkmodell nicht enthalten sind Ein Beispiel hierf r sind die verbindenden St be zwischen den Kugeln im Strukturmodell eines lonenkristalls BLEICHROTH 1989 Andererseits k nnen nicht alle Aspekte eines Denkmodells in einem Anschauungsmodell realisiert werden so dass auch in der Darstellung oder baulichen Umsetzung nur die f r das Problem wesentlichen Aspekte des Denkmodells verwirklicht werden Als Beispiel kann hier die in Teilchendarstellungen h ufig vernachl ssigte Eigenbewegung angef hrt werden PFEIFER 2002 Die Abbildung eines Denkmodells in ein Anschauungsmodell bietet eine Vielzahl von Umsetzungsvarianten Die Anschauungsmodelle lass
359. ssenerhaltung enthalten jedoch einen richtigen Ansatz Dieses Problem tauchte wie zu erwarten vornehmlich in den Jahrgangsstufen 8 und 9 auf Bei den Anteilen an richtigen und falschen Antworten finden sich gro e Unterschiede zwischen den verschiedenen Klassenstufen Der Anteil an richtig begr ndeten Antworten steigt von 34 in Jahrgang 8 auf 84 in den Jahrg ngen 12 13 Demgegen ber sind 56 der Sch ler in Jahrgang 8 der Ansicht dass die Masse in diesem Versuch abnehmen m sse eine Vorstellung die immerhin noch bei 11 der Sch ler der Jahrg nge 12 13 zu finden ist F r eine Zunahme der Masse stimmten dagegen insgesamt nur wenige Sch ler in Jahrgang 12 13 findet sich diese Ansicht berhaupt nicht mehr Das Ergebnis der Befragung in den 9 Klassen fiel signifikant besser aus als in den 8 Klassen Chemische Reaktionen waren den meisten der Befragten Sch lerinnen und Sch lern des Jahrgangs 9 zu diesem Zeitpunkt bereits bekannt die Massenerhaltung wurde jedoch nur in zwei der sieben Klassen behandelt Von Jahrgang 9 zu Jahrgang 10 in dem alle Sch ler das Gesetz von der Erhaltung der Masse kennen findet der st rkste Anstieg richtiger Antworten von 45 in Jahrgang 9 auf 76 in Jahrgang 10 statt Die einzelnen Teilergebnisse der Untersuchung sind Tabelle 7 1 zu entnehmen 100 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Anzahl an Sch lern darunter Angaben bezogen auf den jeweiligen Jahrgang 39 9
360. st wie viel Zeit sie f r ein zelne Stationen aufwenden und in welcher Reihenfolge sie die Stationen bearbeiten Dabei m ssen die Sch ler daf r sorgen dass sie alle erforderlichen Aufgaben erledi gen und auch die Sicherung der Ergebnisse und in manchen F llen sogar deren Kontrolle ist hier die Aufgabe der Sch ler Das Angebot von unterschiedlichen Materialien wie Informationstexten Grafiken Versuchsanleitungen Experimentiermaterialien und Anschauungsobjekten er ffnet dabei verschiedene Zug nge zum Thema so dass unterschiedliche Interessen und unterschiedliche Lerntypen bei den Sch lern angesprochen werden BEUREN 2000 Beim gemeinsamen Bearbeiten der Stationen in der Kleingruppe ist gegenseitige R cksichtnahme erforderlich und es besteht die M glichkeit sich bei Schwierigkeiten gegenseitig zu helfen Der Lehrer hat dabei neben dem Entwerfen des Lernzirkels die Rolle des Beobachters des Beraters und bei Bedarf die des zur ckhaltenden Helfers BEUREN 2000 Bei der Durchf hrung von Versuchen ist in einigen F llen eine etwas 76 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL gr ere Hilfestellung durch den Lehrer erforderlich da Sch ler nicht mit allen Ger ten und Chemikalien selbstst ndig umgehen k nnen oder d rfen Insgesamt erlernen die Sch ler bei der Lernzirkelarbeit nicht nur fachliche Inhalte sondern erhalten auch die M glichkeit methodische und soziale Kompetenzen zu entwickeln BEUREN 2000 D
361. stellung der Deutung einer Beispielreaktion im klassischen und erweiterten Redoxverst ndnis zeigt in welcher Form die Verwendung der Begriffe Oxidation Reduktion und Redoxreaktion eine Ver nderung erf hrt In Abb 11 1 wird die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff vergleichend betrachtet Magnesium Sauerstoff Magnesiumoxid Oxidation Reduktion Magnesium Sauerstoff Magnesiumoxid Redox Reaktion Oxidation Abb 11 1 Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff in der LAvoisierschen oben und in der elektronentheoretischen Deutung unten Wird die Reaktion im LAVoIsIERschen Sinne klassifiziert so handelt es sich bei der Gesamtreaktion um eine Oxidation da Magnesium sich mit Sauerstoff verbindet Demgegen ber wird in der elektronentheoretisch begr ndeten Interpretation derselbe Vorgang als Redoxreaktion bezeichnet Hier wird nur noch das Magnesium als Teilschritt der Gesamtreaktion oxidiert w hrend der Sauerstoff ebenfalls in einem Teilschritt reduziert wird 156 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT Analog werden die zuvor als Suldfidbildungs und Salzbildungsreaktionen klassifizierten Vorg nge ebenfalls als Redoxreaktionen bezeichnet Gerade bei diesen Reaktionen wird deutlich dass der Sauerstoff als Charakteristikum f r die klassische Einteilung und Benennung chemischer Reaktionen im erweiterten Redoxbegriff diese Sonderrolle nicht mehr inne hat vgl Abb 11 2 Die Terminol
362. swertung Nach kurzer Zeit f rbt sich die L sung am Pluspol braun am Minuspol scheidet sich an der Elektrode ein metallisch gl nzender Niederschlag in Form eines Baumes ab Am Pluspol bildet sich elementares lod nach 201 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Dir 8 welches mit den noch in L sung vorhandenen lodidionen Triiodidionen nach 5 bildet und so die braune F rbung hervorruft Am Minuspol bildet sich nach Zn 2e Zn 9 elementares Zink 12 6 5 Die Zink lod Batterie Ger te und Chemikalien Kleinelektromotor U Rohr Watte Kohleelektrode Krokodilklemme Kabel Stativmaterial Zinkblech lod Kaliumiodidl sung c KCI ca 0 5 mol L Ampere meter Vorbereitung lodl sung In 100 mL der Kaliumiodidl sung werden etwa 0 1 g lod gel st Zinkblech Das Zinkblech sollte vor der Versuchsdurchf hrung mit Schmirgelpapier gl nzend geschliffen werden Versuchsdurchf hrung Zun chst wird in das U Rohr ein Wattebausch gegeben um die beiden Schenkel voneinander zu trennen Die Verwendung eines U Rohres mit Fritte ist nicht zu empfehlen da dadurch der elektrische Widerstand so stark steigt dass u U der Motor nicht betrieben werden kann Aus dem gleichen Grunde sollte die Watte nicht zu fest gestopft werden 202 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Kohleelektrode Zinkblech Kaliumiodidl sung lodl sung Watte Abb 12 20 Zink lod Batterie Nun wird in einen Schenkel
363. t Die mit dem Farbstoff Kresolrot versetzte Reaktionsl sung kann als Anzeiger f r den Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Becherglas verwendet werden Vor der Zugabe von Kohlenstoffdioxid ist die L sung orange rot gef rbt danach gelb Durchf hrung Die beiden Efeubl tter werden mit einem Faden wie auf der Abbildung in eines der Bechergl ser geh ngt Die Bechergl ser werden mit Folie luftdicht verschlossen Mit einer Gl hbirne die in einer Entfernung von etwa 10 cm aufgestellt wird werden die Bechergl ser von der Seite her beleuchtet Alle 10 Minuten werden die Bechergl ser leicht hin und her bewegt und ihre Farbe notiert Beobachtung Zeit Farbe der L sung im Becherglas Farbe der L sung im Becherglas mit Pflanze ohne Pflanze 0 min 10 min 20 min 30 min 40 min Auswertung A 4 Weitere Arbeits Informations und Ubersichtsblatter Arbeitsblatt zur Durchfuhrung der Reaktion von Zink mit lod im Schulerversuch 2 Seiten Ubersichtsblatt f r die Durchf hrung der Reaktion von Zink mit lod als galvanisches Element Arbeitsblatt zur Ermittlung der Herkunft der Elektronen bei der Zink lod Batterie Informationsblatt fur eine auf dem Kern H lle Modell basierenden Oktettregel Zusammenstellung ausgewahlter Elemente des Periodensystems Arbeitsblatt Name Datum Klasse Seite Versuchsreihe Untersuchungen zur Reaktion von Zink mit lod
364. t werden Die fachlichen Hintergr nde der Reaktion sollen ebenfalls kurz dargelegt werden Dieses erfolgt auch deshalb da die Reaktionsf hrung der Reaktion von Zink mit lod durch Zugabe von Wasser zun chst ungew hnlich erscheint und in der Literatur hierzu keine Erkl rungen geliefert werden Eine genaue Betrachtung der Reaktion erfolgt daher in Kapitel 10 6 2 Die Analyse von Zinkiodid ist in Kapitel 10 6 3 ausf hrlich beschrieben 10 4 Deutung der chemischen Reaktion auf verschiedenen Ebenen am Beispiel von Zinkiodid Das Curriculum unterliegt st ndiger Beobachtung und demzufolge Ver nderung bzw Angleichung an neue Erkenntnisse So wurde in Niedersachsen beispielsweise der Anfang des Chemieunterrichts von Klasse 9 auf Klasse 7 vorverlegt was mehrere Konsequenzen nach sich zieht Einerseits wurde auf diese Weise auch die Nettostundenzahl des Chemieunterrichts erh ht so dass mehr Zeit f r die Erarbeitung der Unterrichtskonzepte zur Verf gung steht Andererseits beginnen die Lernenden nun bereits im Alter von etwa 13 Jahren sich mit den Inhalten der Chemie auseinander zu setzen und nicht mehr im Alter von 15 Jahren Nach der Theorie von PIAGET 129 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION welche besagt dass das Abstraktionsverm gen von Kindern mit dem Alter immer mehr zunimmt hat dieses Vorverlegen des Startpunktes der Besch ftigung mit der Chemie f r die Vermittlung der chemischen Inhalte gro e Konsequenzen Der Vorgang
365. t die submikroskopische Ebene erschlossen werden bevor abschlie end mit der Symbolschreibweise in die 15 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG Repr sentationsebene eingef hrt wird Wenn alle drei Ebenen eingef hrt sind ist es wesentlich dass immer wieder an verschiedenen Beispielen der Wechsel zwischen den Ebenen vollzogen wird JOHNSTONE 2000 Nur so kann gesichert werden dass Sch ler sicher auf der Modellebene arbeiten k nnen und individuelle Fehlvorstellungen vermieden werden Da die submikro skopische Ebene nur durch bildhafte Darstellungen zug nglich ist ohne auf die abstrakte Symbolik der Repr sentationsebene zur ckgreifen zu m ssen kommt der Visualisierung besondere Bedeutung zu Hier sind mit Hinblick auf die von BUCK eingewandten Punkte stets Abbildungen zu hinterfragen da Darstellungen als Anschauungsmodelle bereits vom Denkmodell der submikroskopischen Ebene abweichen Als Beispiele m gen Teilchengrenzen Massivit t aber auch Farbigkeit in den Darstellungen dienen Die zentrale Rolle des Umgangs mit Modellen wird deutlich wenn man ber cksichtigt L dass mit Chemieverst ndnis die F higkeit umrissen wird auf zwei verschiedenen Ebenen zu argumentieren sowohl auf der makroskopischen als auch auf der submikroskopischen PFEIFER 2002 S 40 16 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS 4 Die Geschichte des Atomismus 4 1 Die Anf nge des Atomismus Bereits vor ber 2000 Jahren besch ftigten s
366. t folgender Definition einzuf hren Ein Teilchen ist ein Element des Systems Reinstoffportion Diese sehr theoretische Definition soll den Sch lern mit Hilfe von Beispielen wie ein Schaf ist ein Element des Systems Schafherde nahegebracht werden Bei einer solchen Auffassung des Teilchenbegriffs wird die Vorstellung das Teilchen sei ein kleinster Bestandteil des Stoffes vermieden FLADT zeigt dieses anhand des Beispiels von der Schafherde auf Das einzelne Schaf ist eben nicht die absolut kleinste Einheit der Herde an ihm lassen 52 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL sich noch kleinere Teile wie ein Widderhorn oder ein L mmerschwanz unterscheiden FLADT 1984 S 358 Zur Verdeutlichung dass die Teilchen in den Stoffen bereits vorgebildet sind l sst sich nochmals der Vergleich mit der Herde heranziehen hnlich wie am Beispiel der aus Bausteinen bestehenden Mauer wird hier jedem Sch ler einsichtig sein dass eine Schafherde aus diskreten Schafen besteht die nicht erst bei einer Teilung der Herde gebildet werden Es bleibt zu hinterfragen ob eine Definition auf der Basis des Systembegriffs und des abstrakten Begriffes des Elementes adressatengerecht f r Sch ler im Anfangs unterricht vermittelbar ist Zudem treten bei L sungsprozessen von Salzen weitere Probleme auf wie in Kapitel 6 5 erl utert An dieser Stelle hilft eine von EILKS vorgenommene Definition weiter nach der alle diskret vorkommenden Teilchen durch ein entsprec
367. t wird Es ist daher f r die Sch ler hilfreich die unterschiedlichen Modellebenen auch in der Darstellung deutlich werden zu lassen Ein m glicher Ansatz hierzu ist die Kugelform f r das DALTONsche Atommodell zu reservieren und im einfachen Teilchenmodell anders geformte Symbole zu verwenden 6 4 Das Symbolteilchenmodell als Alternative zum Kugelteilchen modell 6 4 1 Gestaltungsgrunds tze der Symbolteilchen Im Folgenden soll ein Symbolteilchenmodell entworfen werden mit dem das Kugelteilchenmodell ersetzen werden kann Damit stellt sich die Frage wie die Teilchen im Symbolteilchenmodell aussehen k nnten Bei Verwendung der Kugelform wird eine generelle Vereinfachung in Bezug auf die Teilchenform vorgenommen und somit noch keine Aussage in Bezug auf die Form der Teilchen getroffen Werden aber Symbole gew hlt die keine Kugeln sind m ssen sie zwangsl ufig eine differenziertere Form haben Damit k nnte bei Sch lern der Eindruck entstehen dass das jeweilige Symbol tats chlich die u ere Form des Teilchens des jeweiligen Stoffes zeigt EILKS und M LLERING sehen selbst bei Verwendung des Kugelteilchenmodells die Gefahr dass die Sch ler die Vorstellung entwickeln dass die kleinen Teilchen aller Stoffe tats chlich kugelf rmig seien Hieran k nne h ufig auch eine Diskussion ber den Modellcharakter des Kugelteilchenmodells nichts ndern Sie halten es daher f r sinnvoll die Darstellung der einfachen Teilchen va
368. t x 1 2 X9 X Met X Met X Met X Met Met X Met x Met X Met x N I Kationenleerstelle Abb 8 5 Schematische Darstellung einer scHoTTKYdefektahnlichen Struktur in einer nichtst chiometrischen Verbindung Die Verh ltnisformel f r die nichtst chiometrische Verbindung kann durch CuzxO beschrieben werden GREENWOOD 1973 S 111 Neuste Untersuchungen haben gezeigt dass im Falle des Kupfer I oxids tats chlich die f r Halbleiter typische Verschiebung der Absorptionsbande f r das thermochrome Verhalten verantwortlich ist PATENT 1998 8 3 Weitere Salze mit auftretenden thermochromen Erscheinungen Im Folgenden sollen einige Substanzen vorgestellt werden die ebenfalls das Ph nomen der Thermochromie zeigen Diese k nnen auch im Unterricht dazu dienen thermochrome Erscheinungen an unterschiedlichen Beispielen zu verdeutlichen Es sei darauf hingewiesen dass einige der Stoffe aufgrund ihrer Toxizit t f r die Schule weniger von Bedeutung oder nur als Lehrerversuch durchf hrbar sind z B CdO ZnO Ein bekanntes Beispiel f r Thermochromie Die bei Raumtemperatur farblose Substanz ndert bei Erw rmung die Farbe zu Gelb Erkl rungsans tze wurden weiter oben im Text bereits gegeben SONE 1987 S 127 K CrO Bei diesem Stoff der auch in vielen Schulen vorhanden sein d rfte kann man besonders deutliche und intensive Farbeffekte beobachten Die zitronengelbe Farbe wechselt bei Erw rmung ber Orange bis hin zu Rot Die E
369. te Teil der Zellwand der Kresse aus Cellulose vgl Kapitel 7 3 8 2 besteht die letztendlich aus Glucose Einheiten zusammengesetzt ist ist auch hier eine Verkohlung m glich In Bezug auf den Wassernachweis ist zu ber cksichtigen dass hier nicht nur das Wasser aus der Zerlegung der Cellulose nachgewiesen wird Die frische Pflanze selbst enth lt einen hohen Anteil an Wasser in ihren Zellen und Gef en das in diesem Versuch ebenfalls verdampft Abk 12 11 Pflanzenprodukte Abk 12 12 Verkohlte Pflanzenprodukte 181 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 2 3 Versuche zur Fotosynthese 12 2 3 1 Der Massenerhalt bei der Fotosynthese Ger te und Chemikalien Kressesamen schnellwachsende Sorte Watte Leitungswasser Rundkolben 1L mit Stopfen Korkring Waage Pinzette Glasrohr ca 20 cm lang Durchf hrung Etwas Watte wird angefeuchtet und mit Hilfe einer Pinzette auf den Boden des Rundkolbens gelegt Durch das Glasrohr werden anschlie end einige Kressesamen auf die Watte gegeben Der Kolben wird mit dem Stopfen verschlossen und auf den Korkring auf die Waage gestellt Beobachtung und Auswertung a b Abk 12 13 Vergleich der Masse des geschlossenen Kolbens am Tag 1 a und Tag 5 b Nach etwa 2 Tagen beginnt die Kresse zu keimen nach 5 7 Tagen ist die Kresse ausgewachsen und hat etwa eine H he von 4 cm Da der Kolben geschlossen ist kann die Pflanze f r ihren Biomasseaufbau nur Stoffe verwenden die sic
370. te und Chemikalien Reagenzglas Spatel Bunsenbrenner Zinkiodid verd nnte Salzs ure c HCI ca 2 mol L 199 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Versuchsdurchf hrung Etwa drei Spatelspitzen Zinkiodid ca 2 g werden in das Reagenzglas gegeben und kr ftig in der Brennerflamme erhitzt Der R ckstand wird mit etwas verd nnter Salzs ure c HCI ca 2 mol L behandelt Beobachtungen und Auswertung Nach kurzer Zeit entweichen violette lodd mpfe die sich an den k hleren Reagenzglasteilen als schwarze Kristalle abscheiden Als R ckstand bleibt ein in der Hitze gelber nach Erkalten wei er Feststoff zur ck der sich in verd nnter Salzs ure l st Hierbei handelt es sich um Zinkoxid welches in einer Redoxreaktion mit dem Luftsauerstoff nach 2 Znlp O2 gt 2ZnO 21 7 entsteht 12 6 2 Thermolyse von Zinkiodid unter Stickstoffatmosph re Ger te und Chemikalien 100 mL Zweihalsrundkolben langes Glasrohr mit Schliffans tzen Gaseinleitungsrohr mit Hahn und Olive Adapter von Schliff auf Olive Stativmaterial mit Muffen und Klemmen Spatel Bunsenbrenner durchbohrter Stopfen Luftballon Zinkiodid Stickstoffgas Versuchsdurchf hrung Die Apparatur wird gem Abb 12 19 aufgebaut Es ist darauf zu achten dass die Apparatur m glichst waagerecht eingespannt wird damit das entstehende lod entweichen kann und so die R ckreaktion verhindert wird In den Kolben werden etwa drei Spatelspitzen Zinkiodid ca
371. tellten Testst bchen k nnen f r den Nachweis von Wasser verwendet werden da sich bei Zugabe von Wasser wieder das blaue Kupfert Il sulfat Pentahydrat bildet In einem trockenen verschlossenen Gef k nnen sie einige Zeit aufbewahrt werden 12 2 2 2 Verkohlen von Rohrzucker mit konzentrierter Schwefels ure Ger te und Chemikalien Haushaltszucker Saccharose konzentrierte Schwefels ure Becherglas 50 mL B rettentrichter Pipette 1 mL Stativmaterial F hn selbst hergestellte Kupfer Il sulfat Testst bchen 175 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Abb 12 7 Aufbau zum Verkohlen von Zucker mit konzentrierter Schwefels ure Durchf hrung Der Versuch sollte unter dem Abzug durchgef hrt werden In das Becherglas werden 1 g Rohrzucker und 0 75 mL konzentrierte Schwefels ure gegeben Das Becherglas und der Trichter werden dann gem Abb 12 7 eingespannt und der Boden des Becherglases mit Hilfe eines F hns erw rmt Am B rettentrichter kondensierende Fl ssigkeit kann mit den Testst bchen untersucht werden Beobachtung Bereits unmittelbar nach der S urezugabe setzt eine Schwarzf rbung des Zuckers ein Nach wenigen Minuten des Erw rmens ist eine Gasentwicklung zu beobachten die zu einem Aufsch umen der Masse f hrt Dabei ist ein stechender Geruch wahrzunehmen Im Burettentrichter bilden sich Fl ssigkeits Tr pfchen die die Testst bchen blau verf rben
372. tig verlaufenden Verbrennungsreaktionen von z B Magnesium mit diesen Elementen wird geschlossen dass sich die Magnesiumatome bei der Verbrennungsreaktion in prinzipiell gleicher Weise ver ndert haben Die Ver nderung an den Atomen des Magnesiums wird Oxidation genannt w hrend die Ver nderung der Reaktionspartner als Reduktion bezeichnet wird vgl Abb 11 3 Auch W HRMANN versucht in analoger Weise so den bergang von klassischem zu erweitertem Redoxbegriff plausibel zu machen W HRMANN 1978 Reduktion Elementare Reduzierte Form Form Magnesium Chlor gt Magnesiumchlorid Redox Reaktion Elementare Oxidierte Form Form Oxidation Abb 11 3 Deutung der Reaktion von Magnesium und Chlor nach HAHNDEL H HNDEL 1991 Ebenso ist es m glich innerhalb dieses Konzeptes den Begriff Oxidations bzw Reduktionsmittel einzuf hren Interessant erscheint dieser Vorschlag insbesondere deshalb weil nicht nur Reaktionen mit Sauerstoff sondern auch mit anderen Nichtmetallen fr hzeitig klassifizierbar werden Die Erweiterung des Redoxkonzeptes von H HNDEL auf Elektronen bertragungsreaktionen stellt dann eine wirkliche Erweiterung bzw Konkretisierung dar Die angesprochenen Probleme der Sch ler bei 160 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT der Aneignung des erweiterten Redoxbegriffs w ren umgangen Lediglich Reaktionen der Nichtmetalle untereinander sind f r Sch ler nicht einzuordnen denn stellt man beispielsweise die
373. tigt Das andere Becherglas dient als Vergleichsprobe und wird nicht mit einer Pflanze versehen Die Bechergl ser werden mit Folie luftdicht verschlossen Mit einer Gl hbirne die in einer Entfernung von etwa 10 cm aufgestellt wird werden die Bechergl ser von der Seite her beleuchtet Alle 10 Minuten werden die Bechergl ser leicht geschwenkt und die Farbe der L sung notiert a vor der Zugabe von CO b Versuchsbeginn c nach 20 Minuten d nach 40 Minuten e nach 60 Minuten Abk 12 15 Farbumschlag der Indikatorl sung links Vergleichsl sung rechts Probe 184 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN Beobachtung Innerhalb von 60 Minuten schl gt die L sung in dem Becherglas welches das Efeu Blatt enth lt von gelb nach purpurrot um siehe Abb 12 15 Bei Kresse dauert es etwa 20 Minuten l nger bis der Umschlag vollst ndig erfolgt ist Die L sung im leeren Becherglas bleibt w hren des gesamten Versuches gelb Auswertung Der in diesem Versuch verwendete Indikator Kresolrot o Kresolsulfonphtalein schl gt im pH Wert Bereich von 7 0 bis 8 8 von gelb auf purpurrot um FALBE 1995 Beim L sen der Hydrogencarbonat lonen entstehen in einer Gleichgewichts Reaktion Hydroxid lonen und CO wird frei HCO H2O H2O COzt OH 2 Dadurch wird die Losung leicht basisch und farbt sich nach Zugabe von Kresolrot rotorange vgl Abb 12 15a Durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid sinkt der pH Wert der L sung nach de
374. tionen in Bildungs und Zerlegungsreaktionen FRITSCH 1994 Die Kombination aus Bildungs und Zerlegungsreaktionen bildet das Pendant zur Redoxreaktion des herk mmlichen Unterrichts Hierbei ist die Anzahl der Edukte gleich der der Produkte und der Energieumsatz wird entsprechend durch die Differenz der bei den Einzelreaktionen freiwerdenden Energien erhalten Neben dem von FRITSCH vorgeschlagenen Klassifizierungsschema zeigt PFEIFER eine ganze Reihe von M glichkeiten auf Reaktionen gewissen Gruppen zuzuordnen vgl Tabelle 11 1 Er unterstreicht die zentrale Rolle die die Vermittlung von Ordnungsprinzipien im Chemieunterricht besitzt indem er herausstellt Heute gelten die F higkeiten vergleichen zuordnen und einteilen zu k nnen als wesentliche fachspezifische Arbeits und Denkweisen der Chemie PFEIFER 1978 Auch wenn die von PFEIFER zusammengestellten Systematisierungsprinzipien nicht alle auf den Chemieanfangsunterricht bertragbar sind so zeigen sie doch eindrucksvoll dass eine Einteilung unter sehr unterschiedlichen Gesichtspunkten erfolgen kann Reaktionen k nnen entsprechend mehreren Gruppen zugeordnet werden Vor diesem Hintergrund ist auch die Einteilung nach dem herk mmlichen Redoxverst ndnis nur eine von vielen denkbaren M glichkeiten der Systematisierung Es ist daher zu berdenken ob eine Einf hrung des Redoxbegriffes in der LAvoisiERschen Definition erforderlich ist Die historische Bedeutung der Theorie kan
375. tionspfeilen aus Pappe zur Reaktionsgleichung verbunden werden Die so erzielte Anordnung soll dann zur Ergebnissicherung notiert werden 79 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL Kohlenstoffdioxid Wasser Traubenzucker Sauerstoff A St rke Rohrzucker Holz Cellulose Kresse Cellulose Diese Vorgehensweise ist f r Sch ler vermutlich motivierender als das reine Notieren der Reaktionsgleichung da die Sch ler hier die an der Reaktion beteiligten Stoffe in die Hand nehmen k nnen Zudem stellt sie eine methodische Abwechslung zur blichen Vorgehensweise dar In der Station Pflanzenwachstum B vgl Abb 7 10 wird betrachtet was mit der Masse der Pflanzen im Laufe der Fotosynthese geschieht Auf dem Arbeitsblatt sind dazu zwei Pflanzenversuche beschrieben die wegen ihres hohen Zeitbedarfs nicht von den Sch lern durchgef hrt werden k nnen Bei Versuch 1 in Abb 7 10 handelt es sich um einen historischen Versuch des Chemikers DE SAUSSURE Er bestimmte die Masse junger Erbsenpflanzen deren Wurzeln in ein Glas Wasser eintauchten im Abstand von 10 Tagen und konnte dabei einen Massenzuwachs feststellen DE SAUSSURE 1890 S 21 Die Sch ler k nnen den Massezuwachs der Erbsenpflanzen mit dem Aufbau von Glucose aus dem Kohlenstoffdioxid welches sich in der Luft befindet und dem Wasser in welchem die Wurzeln der Pfl nzchen stehen erkl ren Das Ergebnis dieses Versuches stimmt mit den Alltagserfahrun
376. tmetalle Schwefel und lod im Periodensystem ist dieser Sachverhalt verbl ffend da beide Elemente eine hnliche Reaktivit t besitzen und demnach mit dem reaktiven Zink hnlich reagieren sollten Auch die anderen Halogene Brom und Chlor reagieren mit Zink nicht wie erwartet in einer heftigen Reaktion sondern man kann im Gegenteil mit dem blo en Auge keine Reaktion feststellen Wandelt man den Versuch leicht ab und benutzt anstelle des Zinks vergleichbar reaktive Metalle wie Magnesium oder Aluminium so ergibt sich ein ganz hnliches Bild mit Schwefel findet eine u erst heftige Reaktion statt mit lod hingegen keine sichtbare Trotzdem sind die Reaktionen der unedlen Metalle mit Halogenen bekannt und f r ihre Imposanz wegen ihrer Heftigkeit bei Vorf hrungen beliebt So findet sich zum Beispiel in einem Werk von ROESKY und MOCKEL welches den Untertitel Spektakul re Experimente und geistreiche Zitate f hrt die Vorschrift f r die Aluminium lod Reaktion ROESKY 1996 S 31 32 Studiert man hier jedoch aufmerksam die Versuchsvorschrift so f llt auf dass die Autoren zu dem Gemisch von Aluminium und lod 2 3 Tropfen Wasser hinzuf gen um die Reaktion zu starten Wiederholt man nun die Reaktion von Zink mit lod und f gt dem Gemisch ebenfalls 2 3 Tropfen Wasser zu so ergibt sich sofort eine heftige Reaktion Die Reaktion von Zink mit Schwefel hingegen l sst sich auf diese Weise nicht initiieren Auch die Reaktion von Magnesium mit
377. tomen zusammensetzen Denn bei der Zusammenlagerung von zwei unteilbaren l sst sich das entstehende Produkt nur entlang der Teilchengrenzen teilen W re ein Kontinuum entstanden so w re es an jeder beliebigen Stelle teilbar Weiterhin wies ARISTOTELES die Existenz des Unendlichen zur ck Er stellte sich die Welt begrenzt vor wobei der Raum au erhalb dieser Grenzen einer Gottheit vorbehalten sei Diese Gottheit ist auch die Ursache der Bewegung in der Elementlehre des ARISTOTELES der die Materie selbst als passiv ansah JURSS 1984 S 46 Gegen die Unendlichkeit von Raum und Masse brachte ARISTOTELES hervor dass sie jenseits des Vorstellbaren liege Sie k nne nicht wirklich erfasst werden sondern nur als das was jenseits des Aktualisierbaren liegt JURSS 1984 S 74 21 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS 4 4 EPIKUR Der Philosoph EPIKUR 341 271 v Chr und seine Sch ler sorgten daf r dass der Atomismus auch in den folgenden Jahrhunderten in Griechenland und seit dem 1 Jahrhundert v Chr in Rom verbreitet wurde JURSS 1984 S 49ff EPIKUR kn pfte dabei an die Lehre des DEMOKRIT an und entwickelte sie in einigen Punkten weiter Eine wichtige Erweiterung war dass EPIKUR den Atomen die Schwere heute w rde man von Masse sprechen als grundlegende Eigenschaft neben Gr e und Gestalt zuwies Diese Eigenschaft kommt besonders in der Erkl rung die EPIKUR f r die Bewegung von Atomen findet zum Tragen Die Atome bef nd
378. twickelt worden die sich sehr gut als Sch lerexperimente eignen und ebenso in hohem Ma e einsichtige Ergebnisse liefern siehe z B FuLL 1981 10 6 Fachliche Untersuchungen zur Reaktion von Zink mit lod 10 6 1 Die Merkmale und Eigenschaften der Elemente Zink und lod sowie des Reaktionsproduktes Zinkiodid Im Chemieunterricht bietet sich nach der Definition des Begriffs der chemischen Reaktion eine Untersuchung der Eigenschaften der drei Stoffe an um das Produkt eindeutig von den Edukten abgrenzen zu k nnen Hierzu k nnen Schmelz und Siedepunkte bestimmt bzw nachgeschlagen werden die L slichkeit in verschiedenen L sungsmitteln und die Leitf higkeit kann ermittelt werden In Tabelle 10 4 sind einige Merkmale der drei Stoffe vergleichend gegen bergestellt Zinkiodid Elektrische Leitf higkeit L slichkeit in L slichkeit in Alkohol sehr gut farblose L sung Schmelzpunkt Siedepunkt 908 5 C 182 24 C 625 C Zersetzung Tabelle 10 4 Einige Eigenschaften von Zink lod und Zinkiodid LIDE 1997 98 HOLLEMANN 1985 Dar ber hinaus sollen die drei Stoffe etwas tiefergehend charakterisiert werden 10 6 1 1 Eigenschaften und Merkmale des lods lod ist das seltenste Element unter den zerfallsstabilen Halogenen ist aber dennoch global verteilt Es tritt in Gebirgen und Gew ssern in jeweils kleiner Konzentration auf Gewonnen wird es vor allem aus der iodat halti
379. tze eingef llt werden muss 82 7 EXPERIMENTELLE HINF HRUNG ZUM DALTONSCHEN ATOMMODELL erfordert einiges handwerkliches Geschick Auf der anderen Seite ist dieser Versuch aber auch sehr motivierend da der Prozess der Fotosynthese der ansonsten nur theoretisch behandelt wird ber die Farbver nderung sichtbar wird Die gr te Schwierigkeit besteht bei diesem Versuch darin dass er nach dem Aufbau mindestens noch 40 Minuten stehen muss um ein eindeutiges Versuchsergebnis zu erbringen Damit ist der Zeitumfang im Vergleich zu den anderen Stationen und der insgesamt vorgesehenen Zeit f r den gesamten Lernzirkel sehr hoch M chte man diesen Versuch dennoch einsetzen besteht die M glichkeit ihn zu Beginn der Stati onsarbeit von einer Sch lergruppe aufbauen zu lassen und die anderen Gruppen no tieren nach und nach die Farbver nderung an einem bei der Station ausliegenden Arbeitsblatt Am Ende k nnen dann alle Sch ler die gesammelten Ergebnisse Uber nehmen 7 3 5 Die Auswertung der Stationsarbeit Zur Auswertung des Lernzirkels m ssen die Ergebnisse der Sch ler zun chst zu sammengetragen werden An der Tafel oder auf einem weiteren Arbeitsblatt werden dazu die Wortgleichungen der Teilreaktionen so oder hnlich gesammelt Verbrennen Kohlenstoff Sauerstoff Kohlenstoffdioxid Fotosynthese Stoffwechsel der Pflanze Kohlenstoffdioxid Wasser gt Traubenzucker Sauerstoff 4 St rke Rohrzucker Holz Cel
380. tzen schlie lich doch in das schwarze Kupfer Il oxid umwandelt Diese Schichten stellen nun zun chst mit der Farbfolge Rot Gelb Wei die Deutschlandflagge im Winter dar Beobachtung und Auswertung Sobald das Reagenzglas ohne zu sch tteln erhitzt wird beginnt eine reversible Farb nderung der Schichten zu Schwarz Rot Gelb wodurch der normale Sommerzustand angenommen wird vgl Abb 8 5 in Kapitel 8 Nach dem Abk hlen wird die urspr ngliche Farbfolge erneut erhalten und der Versuch kann beliebig oft wiederholt werden da keine Stoffumwandlungen stattfinden sondern nur die Farb nderungen durch Thermochromie beobachtet werden k nnen 12 3 5 Umwandlung von Kupfer I oxid zu Kupfer Il oxid Ger te und Chemikalien Abdampfschale Dreifu mit Tondreieck Brenner Spatel Kupfer l oxid Cu20 Durchf hrung Kupfer l oxid wird in einer d nnen Schicht in die Abdampfschale gebracht und unter R hren ber der Brennerflamme ca 5 min erhitzt Beobachtung und Auswertung Beim Erhitzen ist eine rasche Schwarzf rbung der Substanz zu beobachten die aber zun chst durch das reversible Thermochromieph nomen zu erkl ren ist Die Reaktion mit dem Luftsauerstoff geschieht nur allm hlich Durch l ngeres Erhitzen ist jedoch gew hrleistet dass rotes Kupfer l oxid quantitativ zu schwarzem Kupfer Il oxid umgesetzt wird 12 4 Ermittlung der Formel von Kohlenstoffdioxid Ger te und Chemikalien 2 Waschflaschen mit Fritten
381. u von Atomen ausgew hlter Elemente 1 Das Atom Magnesium im Kern H lle Modell 3 3 Vereinfachte Darstellung amp Anmerkung Die Gr enverh ltnisse von H lle und Kern stimmen in der Darstellung nicht mit den tats chlichen Verh ltnissen berein Da der Kern in einer korrekteren Darstellung aber nur einige zehntausendstel mm gro w re muss er zur Sichtbarmachung gr er gezeichnet werden 2 Protonen und Elektronenzahlen von Atomen verschiedener Elemente Atom des Elementes Protonenzahl p Elektronenzahl e Aluminium 13 13 Argon 18 18 Brom 35 35 Chlor 17 17 Eisen 26 26 lod 53 53 Kohlenstoff 6 6 Kupfer 29 29 Magnesium 12 12 Sauerstoff 8 8 Schwefel 16 16 Stickstoff 7 7 Wasserstoff 1 1 Zink 30 30 Pers nliche Angaben Geburtsdatum Geburtsort Staatsangeh rigkeit Eltern FALKO JOHANNSMEYER 15 07 1974 Osnabr ck Deutsch Manfred Johannsmeyer Lieselotte Johannsmeyer geb B hning Schulischer Werdegang Aug 1981 Aug 1985 Aug 1985 Aug 1987 Aug 1987 Aug 1994 Studium Okt 1994 Aug 1996 Dez 1999 Jun 2000 Mai 2000 Sonstiges Mai 2000 Okt 2003 Seit Nov 2003 Grundschule Fr chteburg in Emden Orientierungsstufe Wallschule Emden Gymnasium am Treckfahrtstief Emden Abschluss mit der allgemeinen Hochschulreife Beginn des Studiums fur das Lehramt an Gymnasien in d
382. ualisiert Bei der Beschreibung des L sevorgangs in diesem Modell siehe Abb 6 8 bleibt das Teilchen als Ganzes bestehen so dass die eintretende Dissoziation nicht dargestellt werden kann An dieser Stelle soll nun eine M glichkeit aufgezeigt werden wie Salze auf Teilchenebene so visualisiert werden k nnten dass der Zerfall in die einzelnen lonen in Darstellungen ber cksichtigt werden kann Eine von EILKS angef hrte Definition des Kugelteilchenmodells kann dann f r das Symbolteilchenmodell angewandt werden so dass alle diskret vorkommenden Teilchen durch ein Symbol dargestellt werden EILKS 2002 Dabei wird jedes Anion und jedes Kation des Salzes durch eine eigene Teilchensorte visualisiert Somit k nnen diese Teilchen in Abbildungen von w ssrigen L sungen auch getrennt voneinander vorliegen Die Verwendung dieser Art von Teilchen steht jedoch ein Konflikt zu der blichen Festlegung nach der alle Reinstoffe im einfachen Teilchenmodell aus einer einheitlichen Sorte von Teilchen bestehen Es muss daher hinterfragt werden ob eine solche Definition der Teilchen ausreicht um anschlussf hig den L sevorgang von Salzen beschreiben zu k nnen Innerhalb dieses Modells m sste f r Salze eine Sonderstellung einger umt werden die aus der blichen Definition ausbricht Die Definition nach EILKS bietet somit an dieser Stelle den Vorteil dass sie konsistent auf alle Stoffe anwendbar ist und chemische Vorg nge korrekt beschreibt Die Darstellu
383. ucose Diese f r das Leben auf der Erde grundlegenden Prozesse haben einen hohen Stellenwert im Biologieunterricht Die Einf hrung dieser Thematik kann daher nicht im Chemieunterricht und erst recht nicht als einer von vielen Punkten innerhalb eines Lernzirkels erfolgen Die Durchf hrung dieser Lernzirkelstationen ist somit nur dann sinnvoll wenn die Fotosynthese bereits im Biologieunterricht behandelt wurde und die Sch ler auf entsprechende Kenntnisse zur ckgreifen k nnen Dies sollte aber keine Probleme ergeben da die Fotosynthese im Biologieunterricht in Klasse 7 in Zusammenhang mit den Grundlagen des Stoffwechsels und der Zellenlehre behandelt wird RRL BIO 1994 S 18 und das DALTONsche Atommodell selbst bei Beginn des Chemieunterrichts in Klasse 7 erst in Klasse 8 behandelt werden soll Die Station Pflanzenwachstum A vgl Abb 7 9 enth lt zun chst einen Informations text der einen berblick ber die Fotosynthese und die Umwandlung der Glucose bietet und den Sch lern Gelegenheit gibt ihr Wissen ber die Fotosynthese aufzufrischen Nach dem Lesen dieses Textes ist es die Aufgabe der Sch ler die zugeh rigen Reaktionsgleichungen in Form von Wortgleichungen aufzustellen Die Sch ler sollen die Gleichungen jedoch zun chst nicht formulieren sondern durch das Anordnen von Gef en die die an der Fotosynthese beteiligten Stoffe enthalten auf dem Tisch zusammenstellen Nach dem Sortieren der Gef e k nnen diese mit Reak
384. ues Pulver lod liegt in Form violett schwarzer Kristalle vor und das sich bildende Zinkiodid ist ein heller in der Farbe zwischen wei gelb und hellbraun liegender Feststoff wobei die gelbe bzw braune Farbe von Spuren ber sch ssigen lods herr hrt vgl Abb 10 1 Wei es Zinkiodid kann ebenfalls erhalten werden indem das Rohzinkiodid vorsichtig in einer Stickstoffatmosph re zum Sieden erhitzt wird Neben der Farbe und dem Aggregatzustand kann das Produkt schlie lich noch auf andere physikalische Eigenschaften untersucht werden zum Beispiel Ver halten beim Erhitzen Beschaffenheit der Oberfl che Leitf higkeit L sungsverhalten in Wasser etc Danach wird klar dass es sich um einen neuen Stoff handelt dessen Eigenschaften sich sehr von denen der Edukte unterscheiden Zink lod gt Zinkiodid Abb 10 1 Die drei Stoffe Zink lod und Zinkiodid Problematisch an der direkten Reaktion der Feststoffe ist lediglich dass der bei der Reaktion stattfindende Energieumsatz nicht ohne weiteres beobachtet werden kann wenn die Reaktion durch Zufuhr von Warmeenergie unterst tzt wird Um diesen 126 10 EINF HRUNG DER CHEMISCHEN REAKTION wesentlichen Faktor der chemischen Reaktion zu erarbeiten muss wieder auf die Reaktion durch Zugabe von Wasser zur ckgegriffen werden Die Lernenden k nnen am Beispiel der wasserfreien Reaktionsf hrung den ersten wichtigen Punkt n mlich die Bildung neuer Stoffe erarbeiten beim zw
385. ukt zusammenh lt nun auch die Begriffe der Oxidation Reduktion und Redoxreaktion 165 11 DER REDOXBEGRIFF IM UNTERRICHT sofort in der heute g ltigen Formulierung eingef hrt werden k nnen Dieses kann bereits qualitativ auf Basis eines Atommodells geschehen das lediglich auf die Erkenntnisse RUTHERFORDs aufbaut und den Aufbau eines Atoms aus Kern und Elektronenh lle beschreibt Hierbei ist es zun chst unerheblich eine genaue Anzahl der bergehenden Elektronen w hrend einer betrachteten Reaktion zu bestimmen Wesentlich ist nur dass von einem Reaktionspartner Elektronen abgegeben werden die ein anderer Reaktionspartner aufnimmt Diese qualitativ konstatierte Elektronenabgabe der Atome eines der Edukte wird nun als Oxidation bezeichnet die Elektronenaufnahme der Atome des Reaktionspartners entsprechend als Reduktion Der Oxidationsbegriff im LAVOISIERSchen Sinne sollte im Unterricht zun chst noch nicht eingef hrt worden sein wie oben dargelegt Er kann aber nach der Einf hrung der elektronentheoretischen Deutung und der Ein bung derselben den Sch lern vorgestellt werden um seiner historischen Bedeutung Rechnung zu tragen und um den Wortstamm plausibel werden zu lassen Durch eine derartige Vorgehensweise k nnten vielfach beschriebene Lernprobleme umgangen werden 166 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 Experimentelle Untersuchungen 12 1 Versuche zum Molekularen Sieben Ger te und Chemikalien 50 mL Bech
386. um Teil heftiger Reaktion Zun chst sieht man die typischen violetten loddampfe aufsteigen beim Kupfer entsteht dann ein beigebraunes Pulver bei Blei ein intensiv gelbes bei Antimon ein rot orangenes Bei dem Versuch mit Zink beobachtet man dass nach dem Aufsteigen der loddampfe die Zinkgranalien schmelzen bevor von ihrer Oberfl che ein wei er Feststoff entweicht der als Zinkiodid nachgewiesen werden kann Hier kann bersch ssiges lod mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe abgesaugt werden so dass das Reaktionsprodukt leichter zu erkennen ist Falls keine Wasserstrahlpumpe zur Hand ist k nnen die loddampfe auch einfach ausgesch ttet werden Dazu wird die ffnung des Reagenzglases einfach nach unten gehalten so dass die lodd mpfe aus dem Reagenzglas herausflie en k nnen Magnesium reagiert hnlich allerdings dauert die Reaktion l nger Bei Aluminiumpulver beobachtet man zun chst nur dass das lod verbraucht wird Ein Reaktionsprodukt ist erst zu sehen wenn man das Reagenzglas wieder abk hlen l sst 12 5 8 Reaktion von Zink mit lod ohne Zugabe von Wasser Ger te und Chemikalien Uhrglas Spatel Zinkpulver lodkristalle Versuchsdurchf hrung Auf einem Uhrglas werden eine Spatelspitze Zinkpulver ca 1 g und eine Spatelspitze lodkristalle ca 1 g miteinander vermengt Das Gemisch wird dann stehen gelassen Beobachtungen und Auswertung Nach ca 5 Minuten erkennt man dass sich Wasser auf dem Uhrglas sammelt An
387. um des Fading wird die Hilfestellung des Experten schrittweise vermindert und der Neuling muss zunehmend eigenst ndig Probleme l sen Der Lernende wird zudem zur Reflexion und Artikulation seiner berlegungen bei der Problembearbeitung veranlasst und ein Austausch und Vergleich der Gedanken und Strategien mit anderen Lernenden sowie mit Experten wird angestrebt H URLER 1998 GERSTENMAIER 1995 Aufgrund der dargelegten Situiertheit des Lernens ergibt sich weiterhin die Notwendigkeit Lernsituationen und Lernumfelder zu schaffen die einen Lernprozess f rdern MANDL et al stellen hierzu folgende Aspekte einer konstruktivistischen Lernumgebung zusammen die ber die Aspekte des oben beschriebenen Lernzyklus hinausgehen Komplexe Ausgangsprobleme Als Ausgangspunkt des Lernprozesses soll ein interessantes und intrinsisch motivierendes Problem dienen Die Aneignung des Wissens soll durch das L sen Wollen des Problems motiviert sein Authentizit t und Situiertheit Die Lernumgebung soll den Lernenden erm glichen mit realistischen Problemen und authentischen 2 DIE KONSTRUKTIVISTISCHE SICHTWEISE DES LERNENS Situationen umzugehen und damit einen Rahmen und Anwendungskontext f r das zu erwerbende Wissen bereitstellen Multiple Perspektiven Die Lernumgebung soll dem Lernenden multiple Kontexte anbieten um sicherzustellen da das Wissen nicht auf einen Kontext fixiert bleibt sondern flexibel auf andere Problemstellungen b
388. umindest Teile der alten Theorie in der neuen wiederzufinden sind und nichts von ihrer G ltigkeit eingeb t haben Wie man aber an dem Reaktionsbeispielen deutlich erkennen konnte handelt es sich um eine v llig neue Klassifizierung chemischer Reaktionen verbunden mit einem Wechsel bekannter Begriffsinhalte F r Sch ler hat die neue Klassifizierung der Oxidation als Elektronenabgabe nichts mehr mit der bisherigen der Sauerstoffaufnahme gemeinsam Es wird somit eine neue leistungsf higere Klassifizierungsvariante eingef hrt die sich allerdings derselben Terminologie bedient Eine derartige Korrektur von Wissen im Sinne einer Umstrukturierung des semantischen Netzes soll m glichst vermieden werden vgl PFEIFER 2002 Empirische Untersuchungen haben gezeigt dass viele Sch ler der Sek Il gro e Schwierigkeiten haben den erweiterten Oxidationsbegriff vom alten abzugrenzen SCHMIDT 1994 Die Ursache ist vor allem darin zu sehen dass die Sch ler eine Oxidation aus ihren Alltagsvorstellungen z T auch aus dem Biologieunterricht und nicht zuletzt aus der Chemieausbildung der Sek I fest mit der Sauerstoffaufnahme im Ged chtnis verankert haben FRITSCH 1994 SUMFLETH et al formulieren daher auf Basis ihrer empirischen Untersuchungen folgende These Die Sch ler empfinden den bergang zur Elektronen bertragung mehr als einen Sprung denn als eine Erweiterung der bekannten Deutung SUMFLETH 1988 Einige von BERGER gesamme
389. unterteilt die von den Sch lern anhand verschiedener Materialien an verschiedenen Stellen im Klassenraum den Stationen bearbeitet werden Dabei arbeiten die Sch ler in der Regel in Kleingruppen zusammen und k nnen die Reihenfolge der Stationen und die Bearbeitungszeit an den einzelnen Stationen innerhalb bestimmter Vorgaben selbst w hlen EILKS 2003 In Bezug auf die Thematik des Kohlenstoffkreislaufes ist dabei insbesondere die Tat sache dass die Sch ler die Stationen in unterschiedlicher Reihenfolge durchf hren vorteilhaft In einem Unterricht bei dem alle Sch ler gleichzeitig denselben Versuch durchf hren m sste sich der Lehrer f r eine Anordnung der Versuche entscheiden und somit gewisserma en einen Anfang des Kreislaufes vorgeben Im Stationslernen beginnen alle Sch ler an einer anderen Stelle des Kreislaufes und sehen an schlie end dass jeder Versuch als Einstieg in die Versuchsabfolge geeignet ist da es in einem Kreislauf keinen Anfang und kein Ende gibt Dar ber hinaus bietet die Lernzirkelarbeit generell eine M glichkeit den Chemie unterricht methodisch zu bereichern und zu ffnen Das Lernen in einem Lernzirkel fordert die Aktivit t der Sch ler heraus da sie eine verh ltnism ig hohe Verant wortung f r das eigene Lernen bernehmen m ssen und es bei den Stationen immer solche gibt die Elemente von Handlungsorientierung enthalten ST UDEL 2000 Innerhalb der Vorgaben des Lehrers entscheiden sie selb
390. ur befindliche Ballon w hrend der Reaktion aufblasen w rde Damit l ge also eine Volumenzunahme des Gases in der Apparatur vor Da Kohlenstoffdioxid entstanden ist sieht man den Kohlenstoff nicht mehr Der Luftballon wird aufgeblasen durch das Kohlenstoffdioxid Da das Gas nirgendwo entweichen kann bleibt die Masse gleich Sch ler Klasse 8 Hierbei ist zu ber cksichtigen dass die Fehlvorstellungen in Bezug auf das Volumen nicht nur auf die Unkenntnis der These des AVOGADRO zur ckzuf hren sind sondern haufig bei solchen Schtlern auftreten die nicht genau wissen welche Reaktion bei 118 9 DIE THESE VON AVOGADRO diesem Versuch abl uft So erwarteten einige Sch ler dass eine Volumenzunahme dadurch zustande komme dass der Kohlenstoff durch das Erhitzen in den gasf rmigen Zustand bergehe und dort neben dem Sauerstoff im Kolben vorliege Der Kohlenstoff verdampft und das Gas steigt auf Der Luftballon wird sich aufbl hen und damit dem Kolben anheben und das Gewicht wird weniger Sch ler KI 8 In einer Befragung von HEIMANN et al HEIMANN 2002 die ebenfalls Sch lervorstellungen zur Verbrennung von Kohlenstoff im geschlossenen System ermittelte wurde explizit die Frage gestellt welche Ver nderungen das Volumen bei diesem Versuch erfahre Die befragten Neunt und Zehntklassler konnten hierzu zwischen den Alternativen Ballon wird schlapper Ballon bleibt gleich und Ballon wird praller
391. uswertung Man stellt in beiden F llen keine sichtbare Reaktion fest Die L slichkeiten von Zinkbromid und Zinkchlorid sind gr er oder gleich der von Zinkiodid so dass das L slichkeitsprodukt von Zinkiodid schnell berschritten wird vgl Tabelle 12 7 L slichkeit in 100 9 Wasser bei 25 C Zinkchlorid Tabelle 12 7 L slichkeiten von Zinkchlorid Zinkbromid und Zinkiodid in 100 g Wasser bei 25 C nach LIDE 1997 98 196 12 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 12 5 6 Reaktion verschiedener Metalle mit lod Ger te und Chemikalien Reagenzglaser Spatel Reagenzglasst nder Aluminiumpulver Antimonpulver Bleipulver Eisenpulver Kobaltpulver Kupferpulver Magnesiumspane Nickelpulver Zinkpulver lodkristalle destilliertes Wasser Versuchsdurchftihrung In die Reagenzglaser gibt man je eine Spatelspitze Metallpulver und eine Spatelspitze lodkristalle Man sch ttelt leicht ein Vermengen der Substanzen etwa im M rser ist nicht n tig und gibt einige Tropfen destilliertes Wasser in jedes Reagenzglas Beobachtungen und Auswertung Bei den folgenden Metallen ist eine Reaktion so wie sie im Falle von Zinkiodid beschrieben ist zu beobachten Aluminium Eisen Kobalt Magnesium Nickel Zink Die Heftigkeit der Reaktion korreliert dabei in etwa mit dem nach der Redoxreihe erwarteten Reaktionsverhalten der Metalle so dass die Reaktionen von Magnesium und Aluminium au erordentlich heftig ablaufen die der anderen Met
392. von Sch lern am Anfang der 6 Klasse ermittelten die bis dahin weder im Physik noch im Chemieunterricht ein Teilchenmodell kennen gelernt hatten Dabei stellten sie fest dass nahezu alle Sch ler K rper als kontinuierlich auffassten Die Sch ler stellten sich 50 6 DAS SYMBOLTEILCHENMODELL die Zerteilung der ganzheitlichen Stoffe dabei so vor dass mittels mechanischer Methoden immer kleinere St cke gewonnen werden k nnten die dann dieselben Eigenschaften aufwiesen wie die urspr ngliche Stoffprobe Bei einem fortgesetzten Teilungsprozess w rden die Teilchen dann so klein dass sie m glicherweise nicht mehr zu sehen seien Dabei gehen die meisten Sch ler davon aus dass die Zerteilung an einem bestimmten Punkt nicht mehr fortgesetzt werden k nne Als Ursache hierf r gaben sie an dass die verwendeten Mittel zur Zerteilung an ihre Grenzen gelangten FRITSCH 1990 PFUNDT fand bei lteren Sch lern ganz hnliche Vorstellungen wobei diese als Ur sache f r die Begrenzung der Teilbarkeit die Kleinheit der entstehenden Teilchen angaben PFunD 1981 Der Stoff wird also als Kontinuum aufgefasst in dem sich keine inneren Grenzen befinden der aber dennoch nicht unbegrenzt teilbar ist Beim Erlernen des Teilchenmodells integrieren Sch ler h ufig die Teilchenvorstellung zun chst in ihre Vorstellungen vom kontinuierlichen Aufbau der Stoffe Ein Beispiel hierf r ist dass Sch ler die Existenz von Teilchen verinnerlichen k nnen und d
393. wie etwa denen des Aristoteles Die Lehren des LEUKIPP und des DEMOKRIT lassen sich kaum voneinander trennen da sie in der antiken berlieferung h ufig gemeinsam behandelt werden JURSS 1984 S 14 20 Abb 4 1 DEMOKRIT aus STRUBE 1997 Eine wichtige Annahme in der Philosophie der Atomisten war die Existenz des Nichtseienden der Leere Ohne die Leere hielten sie Bewegung nicht f r m glich da sich kein Gegenstand an einen Ort bewegen kann an dem sich bereits ein anderer befindet Neben dem Nichtseienden gibt es das Seiende welches sich aus unteilbaren kleinsten Bau oder Bestandteilen der Materie griechisch atoma zusammensetzt Dazu ist anzumerken dass der Materiebegriff nicht von DEMOKRIT sondern erst sp ter von ARISTOTELES verwendet wurde vgl JURRS 1984 S 466 Anmerkung 81 GEYER 1995 S 133 Das Entstehen und Vergehen von Stoffen welches das zentrale Thema der griechischen Philosophie vor ARISTOTELES war wird von den Atomisten als willk rliche Vereinigung und Trennung der Atome gedeutet Sind die Atome aber ewig dann sind Entstehen und Vergehen nur Oberfl chenph nomene GEYER 1995 S 134 Die Atome LEUKIPPs und DEMOKRITS sind alle von gleicher Qualit t bestehen also aus der gleichen Ursubstanz wodurch sich die Frage aufwirft wie hieraus die Vielfalt der Stoffe entstehen kann STRUBE 1974b S 1830 Die Atomisten nahmen hierzu an 18 4 DIE GESCHICHTE DES ATOMISMUS dass es unendlich v
394. xtrine die ersten Abbauprodukte der St rke sind also Kohlenwasserstoffe etwas k rzerer Kettenl nge ungef hr 20 250 Glucosemolek le FALBE 1995 Die Einschlussverbindungen sind im Falle des lod St rke Komplexes intensiv blau gef rbt im Falle des lod Dextrin Komplexes je nach Abbaugrad des Dextrins entweder ebenfalls blau rot bis braun oder bei sehr kurzen Dextrinbruchst cken farblos Das verwendete Dextrin der Firma Merck ergab rot gef rbte Komplexe 46 5 DER EINSTIEG INS DISKONTINUUMSDENKEN Interessant f r das oben beschriebene Unterrichtskonzept ist die Tatsache dass man durch Ubertitrieren einer lod St rke L sung mit weiterer Triiodidl sung eine gr ne L sung erhalten kann da sich die gelbbraune Farbe der Triiodidionen mit der blauen Farbe des lod St rke Komplexes zu gr n vermischt Die Triiodidionen sind aber wie oben schon vermerkt so klein dass sie durch die Poren der Membranen hindurchpassen w hrend die lod St rke Molek le dieses nicht verm gen Durch den hier vorgeschlagenen Versuchsaufbau vgl Versuch 12 1 5 1 ist es demnach m glich dieses Gemisch zu entf rben wobei allerdings eine v llige Entf rbung aufgrund des Verteilungsgleichgewichtes nicht erreicht wird Der Versuch zeigt aber zufriedenstellende Ergebnisse 5 2 2 1 Einfluss des molaren Extinktionskoeffizienten auf die Beobachtungen Abschlie end soll noch das Ph nomen er rtert werden dass sich bei genauerer Betrachtung der Exp
395. ylinder 10 mL Gl hbirne mit Fassung Frischhaltefolie Faden Gummib nder Plastikspritze Stativmaterial Natriumhydrogencarbonat L sung Kresolrot L sung 0 2 ig Kohlenstoffdioxid Vorbereitung Die Stiele der Efeu Bl tter oder der Kresse werden mit einem Faden zusammengebunden Jeweils 10 ml Reaktionsl sung werden in zwei Bechergl ser U gef llt und mit 5 Tropfen Kresolrot L sung versetzt und umger hrt Danach wird in die Fl ssigkeit der beiden Bechergl ser jeweils 1 mL Kohlenstoffdioxid mit der Plastikspritze gespritzt Die L sungen werden umger hrt woraufhin sich die Fl ssigkeit gelb f rbt Die mit dem Farbstoff Kresolrot versetzte Reaktionsl sung kann als Anzeiger f r den Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Becherglas verwendet werden Vor der Zugabe von Kohlenstoffdioxid ist die L sung orange rot gef rbt danach gelb Durchf hrung Die beiden Efeubl tter werden mit einem Faden wie auf der Abbildung in eines der Bechergl ser geh ngt Die Bechergl ser werden mit Folie luftdicht verschlossen Mit einer Gl hbirne die in einer Entfernung von etwa 10 cm aufgestellt wird werden die Bechergl ser von der Seite her beleuchtet Alle 10 Minuten werden die Bechergl ser leicht hin und her bewegt und ihre Farbe notiert Beobachtung Zeit Farbe der L sung im Becherglas Farbe der L sung im Becherglas mit Pflanze ohne Pflanze O min gelb gelb 10 min gelb gelb 20
396. zf rbung beobachtet die in der Literatur bisher als Weiteroxidation zu Kupfer ll oxid gedeutet wurde Eine Weiteroxidation l sst sich jedoch ausschlie en da die Verf rbung auch in Abwesenheit von Sauerstoff erfolgt Es wird daher der reversible Charakter dieser Verf rbung gezeigt und eine Deutung als thermochrome Erscheinung dargelegt Experimentelle Untersuchungen zeigen dass sich die Verf rbung urs chlich auf eine Verschiebung der Absorptionsbande zur ckf hren l sst da die Bandl cke des Kupfer l oxids mit steigender Temperatur geringer wird Eine analoge Deutung kann auf eine Reihe weiterer Stoffe angewandt werden Um eine tats chliche Oxidation des Kupfer l oxids zu Kupfer Il oxid zu erreichen muss daher besonders auf die geeignete Sauerstoffzufuhr sowie eine ausreichende Reaktionsdauer geachtet werden F r die Einf hrung der chemischen Reaktion wird im Sinne eines Spiralcurriculums die Reaktion von Zink mit lod vorgeschlagen die auf verschiedenen Betrachtungsebenen besonders geeignet erscheint Auf der phanomenologischen Ebene bietet die Reaktion zun chst im Gegensatz zu Sulfid oder Oxidbildungsreaktionen geeignete M glich keiten zur Gegen berstellung der Stoffeigenschaften aufgrund einfach umzusetzender experimenteller Untersuchungen der Produkte und Edukte Die Reaktion wird dabei durch Zugabe von Wasser zu den Edukten initiiert wodurch der exotherme Charakter der Reaktion besonders deutlich wird da die Aktivierung
397. zu kommt im Fortschreiten des Curriculums die abstrakte symbolhafte Repr sentation der Vorg nge auf der submikroskopischen Ebene Es besteht daher die Gefahr dass sich der Lernprozess sehr linear hin zu immer abstrakteren Denkweisen entwickelt und dadurch der Alltagsbezug der Chemie den Sch lern nicht mehr deutlich wird Ein solches Vorgehen verzerrt das Bild der Experimentalwissenschaft Chemie Der stete Bezug zwischen Theorie und Modellvorstellung einerseits und der Ebene der Ph nomene Natur und Laborph nomene der konkreten Beobachtung und der Experimente andererseits wird f r den Chemieunterricht als unerl sslich erachtet PFEIFER 2002 S 43 JOHNSTONE unterscheidet drei f r den Chemieunterricht wesentliche Ebenen die er als Eckpunkte eines chemischen Dreiecks versteht vgl Abb 3 2 Einerseits die makroskopische Ebene der Ph nomene weiterhin die submikroskopische Ebene der Teilchen und als drittes die Repr sentationsebene auf der Symboldarstellungen 14 3 MODELLE UND MODELLVORSTELLUNG Formeln Graphen und Gleichungen einzuordnen sind Durch diese Einteilung wird die Modellebene nochmals differenziert und explizit auf die unterschiedliche Qualit t der beiden Ebenen innerhalb der Modellebene verwiesen Jede dieser drei Ebenen sollte ausreichende Ber cksichtigung im Unterricht erhalten H ufig kann im Unterricht festgestellt werden dass zumindest eine dieser Ebenen keine Ber cksichtigung findet So wir
398. zuf hren NiU Ch 5 1994 25 231 233 MCDONNEL J The concept of an atom from Democritus to John Dalton The Edwin Mellen Press New York 1991 MOLLERING J FLINT A Magnesium und Kohlenstoffdioxid k eine einfache Reaktion Chemkon 1 1999 6 11 14 MULLER M Der Modellversuch zur Volumenkontraktion ein untaugliches Hilfsmittel Chem Sch 42 1995 115 MULLER U Anorganische Strukturchemie 3 Uberarb und erw Auflage Teubner Stuttgart 1996 NAUMER H FABIAN U Atommodelle in der Sekundarstufe l NiU P C 27 1979 9 276 285 NOYES A A SAMMETT G V Lecture Experiments illustrating various types of catalytic action J Am Chem Soc 24 1902 498 515 OKAMIYA J Volumen nderung bei Mischungen und L sungen Chim Did 8 1982 1 33 42 PABST B Atomtheorien des Lateinischen Mittelalters Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt 1994 PARSONS L B The influence of water on certain chemical reactions Ill The reactions between certain Metals and iodine J Am Chem Soc 47 1925 1830 1835 PATENT US Patent Nr US5772328 vom 30 Juni 1998 1998 PFEIFER P Vorschl ge zur Klassifikation chemischer Vorg nge im einf hrenden Unterricht NiU P C 26 1978 12 375 380 PFEIFER P LUTZ B BADER H J Konkrete Fachdidaktik Chemie Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH M nchen 2002 PFUNDT H Urspr ngliche Erkl rungen der Sch ler f r chemische Vorg nge MNU 28 1

Volltext - oops/ - Oldenburger Online-Publikations

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents