Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und...

13
Schulversuchspraktikum Sommersemester 2014 Klassenstufen 9 & 10 Von Arrhenius zu Brönstedt

Transcript of Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und...

Page 1: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

Schulversuchspraktikum

Sommersemester 2014

Klassenstufen 9 & 10

Von Arrhenius zu Brönstedt

Page 2: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

1

Inhalt 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele ............................................................................... 2

2 Relevanz des Themas für SuS .............................................................................................................................. 2

3 Lehrerversuche ......................................................................................................................................................... 3

3.1 V 1 – Salmiakrauch ......................................................................................................................................... 3

4 Schülerversuche ........................................................................................................................................................ 5

4.1 V 2 – Nachweis von Hydroxidionen in Laugen ................................................................................... 5

4.2 V 3 – Zitronensäure ........................................................................................................................................ 7

4.3 V 4 – Neutralisation ....................................................................................................................................... 8

5 Didaktischer Kommentar des Arbeitsblattes ............................................................................................. 10

5.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum).............................................................................................. 10

5.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich) ........................................................................................................... 10

6 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................................. 11

Auf einen Blick:

Das Protokoll behandelt die Säure-Base-Theorien von Arrhenius und Brönstedt in unterschiedli-

chen Versuchen und kann als Unterrichtseinheit betrachtet werden, da die Versuche eine Ent-

wicklung darstellen. In Versuch V2 – Nachweis von Hydroxidionen in Laugen und V3 - Zitronen-

säure wird explizit auf das Konzept von Arrhenius eingegangen. In V2 findet gleichzeitig ein

Konzeptwandel statt, indem Ammoniak als Base thematisiert wird. Dies lässt sich nur mit der

Brönstedt-Definition erläutern. Weitere „Brönstedt-Versuche“ stellen V1 – Salmiakrauch und V4

– Neutralisation dar, welche Säure-Base-Reaktionen nach Brönstedt beinhalten.

Page 3: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

2

1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele

Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich um die Entwicklung zweier Säure-

Base-Konzepte. Nach Arrhenius handelt es sich bei einer Säure um Stoffe, die in wässrigen Lö-

sungen H+- Ionen bilden und bei Basen um Stoffe, die in wässrigen Lösungen OH- - Ionen bilden.

Diese Theorie bezieht sich allerdings auf Elektrolyte, die in wässrigen Lösungen dissoziieren und

würde z.B. Ammoniak nicht als Base definieren. Daher entstand das Konzept von Brönstedt, wel-

ches Säuren als Protonendonatoren und Basen als Protonenakzeptoren bezeichnet.

Im Kerncurriculum wird das Thema „Säure-Base-Reaktionen“ explizit unter dem Basiskonzept

„Chemische Reaktionen“ genannt. Im Kompetenzbereich Fachwissen ist folgendes Lernziel for-

muliert: „Die SuS kennzeichnen an ausgewählten Donator-Akzeptor-Reaktionen die Übertragung

von Protonen bzw. Elektronen und bestimmen die Reaktionsart“ (Niedersächsisches Kultusmi-

nisterium 2007 : 61). Aber auch das Basiskonzept „Stoff-Teilchen“ zeigt in den Kompetenzberei-

chen Fachwissen und Kommunikation einen Bezug zu Arrhenius und Brönstedt auf (z.B. das

Verknüpfen von Stoff- und Teilchenebene).

Die im Folgenden vorgestellten Experimente beziehen sich auf die Anwendung und das Verste-

hen der beiden Konzepte. Die Schülerversuche stellen eine Kompetenzentwicklung dar. Zu-

nächst wird in V3 – Zitronensäure darauf eingegangen, dass Arrhenius‘ Theorie durchaus an-

wendbar ist. Auch V2 – Nachweis von Hydroxidionen in Laugen bestätigt dies. Im zweiten Teil des

Versuchs stoßen die SuS jedoch auf ein Problem, welches nur mit dem Konzept von Brönstedt

erklärbar ist. Mithilfe dieser Erweiterung lassen sich V4 – Neutralisation und V1 - Salmiakrauch

bearbeiten, welche typische Säure-Base-Reaktionen nach Brönstedt darstellen.

2 Relevanz des Themas für SuS

Die Theorien stellen eine historische Entwicklung in der Säure-Base-Chemie dar, welche die SuS

mithilfe geeigneter Versuche nachvollziehen können. Außerdem zeigt das Thema Grenzen und

Erweiterungen naturwissenschaftlicher Theorien auf und sensibilisiert die SuS dafür, dass Che-

mie sich weiterentwickelt. Auch im Alltag begegnen den SuS Säuren und Basen (z.B. Zitronen-

säure- Arrhenius, Cola - Arrhenius, Seifen - Brönstedt, Waschmittel - Brönstedt uvm.).

Page 4: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

3

3 Lehrerversuche

3.1 V 1 – Salmiakrauch

Gefahrenstoffe

Salzsäure (konz.) H: 314, 335, 290 P: 280, 301+330+331, 305+351+338

Ammoniakwasser (konz.) H: 314, 335, 400 P: 261, 273, 305+351+338, 310

Materialien: 2 Waschflaschen, 2 Gummigebläse, kurze Gummischläuche, Stativ, Klemme,

Muffe, T-Stück, Trockenrohr mit Olive

Chemikalien: Salzsäure (konz.), Ammoniakwasser (konz.)

Durchführung: Die Apparatur wird wie in Abbildung 1 im Abzug aufgebaut. Eine Waschfla-

sche wird mit konzentrierter Salzsäure und die andere mit konzentriertem

Ammoniakwasser wenig befüllt. Dann wird mit den Gummigebläsen Luft in

die Waschflaschen gedrückt.

Beobachtung: Aus dem Trockenrohr entsteigt Rauch.

Der Versuch zeigt eine Brönstedt-Säure-Base-Reaktion in der Gasphase, in der aus Salzsäure

und Ammoniak Ammoniumchlorid entsteht. Es handelt sich hierbei um einen Lehrerversuch,

da mit konzentrierter Salzsäure und konzentriertem Ammoniak gearbeitet wird. Den SuS soll-

ten die Säure-Base-Definitionen von Arrhenius und Brönstedt bekannt sein.

Page 5: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

4

Abb. 1 - Aufbau der Apparatur Abb. 2 - Rauchentwicklung

Deutung: Bei der Reaktion handelt es sich um eine Brönstedt-Säure-Base-Reaktion.

Die Reaktion findet in der Gasphase statt. Salzsäure gibt ein Proton an den

gasförmigen Ammoniak ab und es entsteht Ammoniumchlorid, welches mit

Luft Rauch bildet. Am Glasrohr setzt sich Feststoff ab.

NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s)

Entsorgung: Die restliche Säure und Base wird neutralisiert und in den Säure-Base-

Sammelbehälter gegeben.

Literatur: Häusler, K. et al.(1995): Experimente für den Chemieunterricht, München:

Oldenbourg, S. 122.

Der Versuch kann im Unterricht in Bezug zur Säure-Base-Theorie eingesetzt werden, um zu

zeigen, dass Arrhenius‘ Theorie bei diesem Beispiel nicht anwendbar ist und dass hier die The-

orie von Brönstedt herangezogen werdern muss. Außerdem verdeutlicht der Versuch, dass das

Konzept von Brönstedt auch in der Gasphase anzuwenden ist. Es handelt sich ausschließlich

um einen Lehrerversuch, der unter dem Abzug durchgeführt werden sollte.

Page 6: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

5

4 Schülerversuche

4.1 V 2 – Nachweis von Hydroxidionen in Laugen

Gefahrenstoffe

Natriumhydroxid H: 314, 290 P: 280, 301+330+331, 305+351+338,

309+310

Bariumhydroxid H: / P: /

Ammoniakwasser H: 314, 335, 400 P: 261, 273, 280, 305+351+338, 310

Thymolblau H: / P: /

Ethanol H: 225 P: 210

Materialien: 4 Reagenzgläser oder Bechergläser, Pipette, Tiegelzange, Indikatorpapier

Chemikalien: demin. Wasser, Thymolblau, Ethanol, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid,

Ammoniakwasser

Durchführung: Teil a)

Von den Hydroxiden wird jeweils eine Spatelspitze in ein Reagenzglas/

Becherglas gegeben und anschließend in Wasser gelöst. 0,05 g Thymolblau

wird in 100 g Ethanol gelöst, um so die Indikatorlösung frisch herzustellen.

Anschließend wird die Lösung in die Reagenzgläser/ Bechergläser pipet-

tiert oder es wird Indikatorpapier in die Reagenzgläser/ Bechergläser hin-

eingehalten.

In diesem Versuch werden verschiedene lösliche Hydroxide wie z.B. Natriumhydroxid und Ba-

riumhydroxid in Wasser gelöst und mit einem Indikatorpapier oder einer Indikatorlösung (z.B.

Thymolblau) auf den pH-Wert untersucht. Das gleiche wird in Teil b) mit Ammoniakwasser

durchgeführt. Die SuS kennen bereits die Arrhenius-Theorie und den Nutzen von Indikatorpa-

pier/Lösung, sowie den Begriff „pH-Wert“. Außerdem können sie Formelgleichungen aufstel-

len.

Page 7: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

6

Teil b)

Die oben beschriebene Durchführung wird mit Ammoniakwasser ausge-

führt.

Beobachtung: Die Lösungen verfärben sich blau bzw. das Indikatorpapier färbt sich blau

(bei Ammoniakwasser grün-blau).

Abb. 3 - Indikatorpapier Abb. 4 - Thymolblau

Deutung: Teil a) kann mit der Theorie von Arrhenius erläutert werden: Es handelt

sich um Basen, die in wässrigen Lösungen OH- - Ionen bilden.

Ba(OH)2(s) + H2O(l) → Ba2+(aq) + 2 OH-(aq)

NaOH(s) + H2O(l) → Na+(aq) + OH-(aq)

Teil b) kann nicht mehr mit dem Arrhenius-Konzept erklärt werden, son-

dern mit der Brönstedt-Theorie, als Protonenakzeptor:

NH3(aq) + H2O(l) → NH4+

(aq) + OH-(aq)

Entsorgung: Die Lösungen werden in den Säure-Base-Sammelbehälter entsorgt.

Literatur: Häusler, K. et al.(1995): Experimente für den Chemieunterricht, München:

Oldenbourg, S. 117.

Der Versuch eignet sich besonders, um das Säure-Base-Konzept von Arrhenius zu erweitern

und das Konzept von Brönstedt einzuführen, da es sich bei Ammoniak laut Arrhenius nicht um

eine Base handelt (sie kann keine Hydroxidionen abspalten).

Die obigen Fotos zeigen, dass der Effekt mit Thymolblau größer ist, da alle drei Lösungen ein-

deutig blau geworden sind. Das Indikatorpapier der Ammoniaklösung ist hingegen nicht ein-

deutig blau geworden. Für diesen Versuch reichen niedrige Konzentrationen der Lösungen!

Page 8: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

7

4.2 V 3 – Zitronensäure

Gefahrenstoffe

Citronensäure - Monohydrat H: 318 P: 305+351+338, 311

Materialien: Uhrglas, Spatel, Indikatorpapier

Chemikalien: Citronensäure, dest. Wasser

Durchführung: Zunächst wird ein Spatel Zitronensäurepulver auf das Uhrglas gegeben und

mit Indikatorpapier auf den pH-Wert untersucht. Anschließend wird das

Pulver in dest. Wasser gelöst und wiederum mit dem Indikatorpapier un-

tersucht.

Beobachtung: Das Pulver färbt das Indikatorpapier nicht. Erst die Lösung zeigt ein rotes

Indikatorpapier an.

Abb. 5 - Indikatorpapier vorher und nachher

Deutung: Nach Arrhenius sind Säuren Stoffe, die in wässrigen Lösungen H+-Ionen

bilden. Diese Reaktion bestätigt der Versuch:

Dieser Versuch erläutert das Arrhenius-Prinzip. Es wird gezeigt, dass Zitronensäurepulver bei

dem Indikatorpapier keine Reaktion zeigt. Erst wenn Wasser hinzugegeben wird, färbt sich das

Papier rot. Die SuS kennen bereits die Arrhenius-Theorie und den Nutzen von Indikatorpa-

pier/Lösung, sowie den Begriff „pH-Wert“. Außerdem können sie Formelgleichungen aufstel-

len.

Page 9: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

8

C5H7O5-COOH(s) + H2O(l) → C5H7O5-COO-(aq) + H+

(aq)

Die H+-Ionen werden durch das Indikatorpapier nachgewiesen.

Entsorgung: Die Lösung kann in den Abfluss entsorgt werden.

Literatur: Munder, J.. (2010): Vergleich der Säure-Base-Konzepte von Arrhenius und

Brönstedt anhand von Beispielen, abrufbar unter:

http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/broensted_arrhenius/

broensted_arrhenius.htm, eingesehen am 14.8.14.

4.3 V 4 – Neutralisation

Gefahrenstoffe

- H: / P: /

Materialien: Magnetrührer, Rührfisch, 3x 100 ml Becherglas, 250 ml Becherglas,

Messpipette, Messzylinder, Spatel

Chemikalien: 0,1 M Salzsäure, 0,1 M Natronlauge, Universalindikator, Kaliumdihydro-

genphosphat, Dinatriumhydrogenphosphat, dest. Wasser

Durchführung: Es werden jeweils 20 ml 0,1 M Salzsäure und 20 ml 0,1 M Natronlauge mit-

hilfe der Messpipette und des Messzylinders abgemessen und jeweils in ein

100 ml Becherglas gegeben. Anschließend wird Universalindikator hinzu-

gegeben. Die Pufferlösung wird mit 3,52 g Kaliumdihydrogenphosphat,

7,26 g Dinatriumhydrogenphosphat und 100 ml dest. Wasser hergestellt.

Davon werden 2 ml in die Salzsäurelösung und die Natronlaugenlösung ge-

geben. Die beiden Lösungen werden in ein Becherglas gegeben, welches auf

dem Magnetrührer mit Rührfisch steht.

Der Versuch eignet sich im Unterricht zur Bestätigung des Säure-Base-Konzeptes nach Arr-

henius. Den SuS sollte das Konzept bekannt sein.

In diesem Versuch wird die Neutralisation von Natronlauge mit Salzsäure durchgeführt. Die

veränderten pH-Werte werden mithilfe eines Universalindikators sichtbar gemacht. Die SuS

sollten den Umgang mit Indikatorlösungen und die beiden Säure-Base-Theorien kennen.

Page 10: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

9

Beobachtung: Bei Zugabe von Universalindikator färbt sich die Salzsäure pink und die

Natronlauge lila. Nach der Neutralisation liegt eine grüne Lösung vor.

Abb. 6 - Base und Säure vorher Abb. 7 Neutralisation

Deutung: Im ersten Teil des Versuchs dissoziieren die Natronlauge und die Salzsäure

in ihre Ionen, so dass bei der Natronlauge die OH- - Ionen und bei der Salz-

säure die H+-Ionen mit dem Indikator nachgewiesen werden. Dies lässt sich

noch mit dem Arrhenius-Konzept erklären. Die nachfolgende Neutralisati-

on wird hingegen mit dem Brönstedt-Konzept bewiesen.

Die Hydroxidionen der Natronlauge reagieren mit den Wasserstoffionen

der Salzsäure zu Wasser. Da Salzsäure und Natronlauge vollständig dissozi-

ieren und gleiche Stoffmengen verwendet wurden, liegt die gleiche Anzahl

an H+ - und OH- - Ionen vor. Daher ist die Lösung anschließend neutral.

Na+(aq) + OH-(aq) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq)

Entsorgung: Die neutralisierte Lösung kann in den Abfluss entsorgt werden.

Literatur: Häusler, K. et al.(1995): Experimente für den Chemieunterricht, München:

Oldenbourg, S. 119 f.

Seilnacht, T. (o.A.): Neutralisation, abrufbar unter: http://www.seilnacht.

com/Lexikon/Neutrali.html, eingesehen am 14.8.2014.

Dieser Versuch eignet sich im Unterricht, um das Arrhenius -, sowie das Brönstedt – Konzept

zu erklären. Im ersten Teil kann die Theorie von Arrhenius angewandt werden. Im zweiten Teil

(die Neutralisation) muss allerdings die Brönstedt-Theorie hinzugezogen werden. Da es sich

um geringe Konzentrationen handelt, dürfen die SuS diesen Versuch durchführen. Allerdings

wird bei der Neutralisation für einen guten sichtbaren Effekt ein Puffer benötigt. Dies könnte

ein anschließendes Unterrichtsthema darstellen.

Page 11: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

Arbeitsblatt – Säure-Base-Reaktionen

Aufgabe 1)

a) Gib die Säure-Base-Definition von Arrhenius wieder.

b) Gib die Säure-Base-Definition von Brönstedt wieder.

Aufgabe 2)

Schreibe die Namen der folgenden Säuren hinter die Summenformeln

a) HCl(aq)

b) HNO3

c) H2SO4

d) H2CO3

e) H3PO4

Welche Teilchen der obigen Säuren liegen in Lösung vor?

Aufgabe 3)

Schreibe die Säure-Base-Reaktion von Kaliumoxid mit Salpetersäure auf!

Page 12: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

10

5 Didaktischer Kommentar des Arbeitsblattes

Das Arbeitsblatt kann am Ende der Unterrichtseinheit zur Säure-Base-Chemie eingesetzt werden.

Es prüft, ob das Gelernte verstanden wurde und dient zur Wiederholung.

5.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum)

Das oben genannte Lernziel des Kerncurriculums aus dem Basiskonzept „chemische Reaktio-

nen“, welches sich auf das Fachwissen bezieht, kann mithilfe dieses Arbeitsblattes überprüft

werden. Die drei Aufgaben stellen die Grundlage für diese Kompetenz dar, da die Theorien er-

fragt werden, relevante Säuren und ihre Teilchen genannt werden sollen. Darüber hinaus wird

in der letzten Aufgabe verlangt, das Wissen umzusetzen. Daraus ergeben sich drei Anforde-

rungsbereiche. Bei der ersten Aufgabe sollen Faktenwissen und einfache Sachverhalte wieder-

gegeben werden. In der zweiten Aufgabe sollen die SuS ihr Wissen anwenden und strukturieren.

Sie müssen wissen, wonach sich die Ladung der Säurereste richtet und dieses Wissen struktiert

anwenden. Der Anforderungsbereich III findet sich schließlich in Aufgabe 3 wieder, in der die

SuS ihr Wissen über Säurerestionen, Protonendonatoren und –akzeptoren etc. verknüpfen und

einsetzen müssen, indem sie die Reaktionsgleichung einer unbekannten Reaktion aufschreiben.

Neben des Kompetenzbereichs Fachwissen wird auch der Bereich Kommunikation gefördert, da

die SuS sicher die Begriffe Atom, Molekül und Ion anwenden müssen.

5.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich)

In Aufgabe 1 sollen folgende Definitionen wieder gegeben werden:

Arrhenius → Säuren sind Stoffe, die in wässrigen Lösungen H+-Ionen bilden. Basen sind Stoffe,

die in wässrigen Lösungen OH- - Ionen bilden

Brönstedt → Säuren sind Stoffe, die Protonen abgeben können (Protonendonatoren). Basen sind

Stoffe, die Protonen aufnehmen können (Protonenakzeptoren).

Bei den Säuren und ihren Teilchen in Aufgabe 2 handelt es sich um Salzsäure (H+/ Cl-), Salpeter-

säure (H+/ NO3-), Schwefelsäure (2H+/ (SO4)2-), Kohlensäure (2H+/ (CO3)2-) und Phosphorsäure

(3H+/ (PO4)3-).

Die Reaktionsgleichung aus Aufgabe 3:

KOH(aq) + HNO3(aq) → KNO3(aq) + H2O(l)

Page 13: Von Arrhenius zu Brönstedt - Unterrichtsmaterialien Chemie · 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Bei dem Thema „Von Arrhenius zu Brönstedt“ handelt es sich

11

6 Literaturverzeichnis

Häusler, K. et al.(1995): Experimente für den Chemieunterricht, München: Oldenbourg.

Munder, J.. (2010): Vergleich der Säure-Base-Konzepte von Arrhenius und Brönstedt anhand von

Beispielen, abrufbar unter: http://daten.didaktikchemie.uni-

bayreuth.de/umat/broensted_arrhenius/broensted_arrhenius.htm, eingesehen am

14.8.14.

Niedersächsischen Kultusministerium (2007): Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgän-

ge 5 -10 – Naturwissenschaften, Hannover, abrufbar unter:

http://db2.nibis.de/1db/cuvo/ausgabe/.

Seilnacht, T. (o.A.): Neutralisation, abrufbar unter:

http://www.seilnacht.com/Lexikon/Neutrali.htm, eingesehen am 14.8.2014.