Fehlvorstellungen zum Säure-Base-Begriff und deren Korrektur

Häufige Fehlvorstellungen zum
Säure-Base-Begriff und deren
Korrektur durch einen darauf
abgestimmten Unterricht
Bildquellen: http://www.ag-chemieschulen.de/projektarbeiten/abb/naturstoffe-indikatoren/abb23.jpg
Arnold, Dr. K., Dietrich, Prof. Dr. V.: Fokus Chemie - Gymnasium 9, Cornelsen Verlag, Berlin, 2009
19.01.2016
N. Dennemärker/C. Schmitt;
Fachdidaktik Chemie; 2. HS
1
Fehlvorstellungen zum SäureBase-Begriff
Einleitung
 Die Säure-Base-Begriffe
 Reine Säure und Säure-Lösung
 pH-Wert
 Neutralisation
 Starke und schwache Säuren
 Fazit

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Einleitung





Grundlage des Vortrags: Hans-Dieter Barke:
„Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von
Schülervorstellungen“
SuS bringen eigene Vorstellungen und Kenntnisse zu
naturwissenschaftlichen Sachverhalten mit
ursprüngliche Präkonzepte vs. „hausgemachte“
Fehlvorstellungen
Vorschlag von Barke: Orientierung des
Chemieunterrichts an den Schülervorstellungen
Vorgehen: 1.) Diagnose
2.) Korrektur durch auf die individuellen
Fehlvorstellungen abgestimmte
Unterrichtsreihen mit passenden
Experimenten
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Einleitung
Ihr seid gefragt!!!
Mit welchen Fehlvorstellungen der SuS
zum Thema „Säure-Base“ kamt ihr schon
in Kontakt bzw. welche Fehlvorstellungen
erwartet ihr?
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Einleitung
Viele Fehlvorstellungen findet man im
Denken früherer Wissenschaftler wieder.
 Der historische Gang der Entwicklung von
Vorstellungen kann auch für den ChemieUnterricht interessant sein. (historischgenetisches Unterrichtsverfahren)

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Historische Säure-Base-Konzepte





Boyle (17. Jhd): Säuren sind Stoffe, die bestimmte
Pflanzenfarbstoffe rot färben und Kalkstein lösen
Glauber (1650): Säuren und Basen sind feindlich und
entgegengesetzt. Wenn aber beide zusammengebracht
werden, bilden sich Salze
Lavoisier (1778): Nichtmetalloxide bilden in wässrigen Lösungen
Säuren
Davy (1816): Säuren sind Wasserstoffverbindungen
Liebig (1838): Salze bilden sich, wenn in Säuren der Wasserstoff
durch Metalle ersetzt wird.
http://www.deutsches-obst-und-gemuese.de/uploads/pics/produktbilder_gross_rotkohl.jpg
http://bilder.zuhause.de/b/57/98/59/48/id_57985948/tid_da/einfache-hausmittel-entfernen-kalk-effektiv-guenstig-und-umweltschoned-.jpg
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Historische Säure-Base-Konzepte

Arrhenius (1884):

Säuren zerfallen in wässriger Lösung in positiv geladene WasserstoffIonen und in negativ geladene Säurerest-Ionen.
 Basen bilden positiv geladene Baserest-Ionen und negativ geladene
Hydroxid-Ionen.
- Bis hierhin beziehen sich alle Konzepte auf Säuren/Basen als
Substanzen!

Brönsted (1923):


Säuren sind Protonendonatoren, sie geben Protonen ab.
Basen sind Protonenakzeptoren, sie nehmen Protonen auf.
- Brönsted: erstes Konzept, das sich auf die Funktion von kleinsten
Teilchen bezieht!
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Fehlvorstellungen zum SäureBase-Begriff
Auffällig:
 Nur Säuren wird eine aggressive Wirkung
zugeschrieben, Laugen nicht (Säuren ätzen,
zerstören, lösen auf… )
 Es wird zwischen der Wirkung von Säuren im
alltäglichen Gebrauch und von solchen in der
Chemie unterschieden.
 SuS beschreiben nur die Wirkung, verknüpfen
Säuren/Basen nicht mit Teilchenvorstellungen
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Fehlvorstellungen zum SäureBase-Begriff
Was verstehst du unter einer Säure, einer Base?





Viele Antworten beziehen sich nur auf Säuren.
- Basen werden weggelassen Säuren sind ätzend, gefährlich, gelb, rot, sauer.
Säuren haben einen kleinen pH-Wert.
Säuren enthalten H+-Ionen (Arrhenius-Konzept) (15%)
Säuren geben Protonen ab (Brönsted-Konzept) (30%)
 Brönsted-Konzept wird zwar erlernt, kann aber kaum in einem
anderen Kontext angewendet werden!  Wissen ist nicht tief
verankert.
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff


Einstieg mit Phänomenen zur Reaktion von Säuren und
Laugen als Substanzen (z.B. aggressive Wirkung)
Versuche:





Konz. Schwefelsäure + Zucker (V1)
Säure-Lösung mit unedlen Metallen (V2)
Saure Haushaltsreiniger: Kalkentferner (V3)
Abflussfrei: Aggressivität von Metallhydroxiden (V4)
Achtung:

Vernichtungsvorstellung thematisieren: Stoffe lösen sich nicht
auf, sondern reagieren zu anderen Stoffen
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff

Einführung der Säure-Base-Indikatoren als
Farbstoffe, die von Säuren in anderer Weise
gefärbt werden als von Laugen

Versuche:
 Reaktionen
einiger Säure-Base-Farbindikatoren und
Einführung der Begriffe sauer, neutral, alkalisch (V5)
 pH-Werte einiger Lösungen aus Küche und Bad (V6)
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff
Welche Säure-Base-Konzepte sollen
unterrichtet werden?
 Arrhenius-Konzept
 Brönsted-Konzept
 Genetische
Entwicklung beider Konzepte in
Form des historisch orientierten Unterrichts
Lehrplan:
Festlegung auf das Brönsted-Konzept!
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff


Zunächst werden Modellvorstellungen
aufgebaut, die für beide Konzepte zutreffen:
Versuch: Elektrische Leitfähigkeiten von
Säuren und Laugen (V7)
 saure, wässrige Lösungen enthalten H+ (aq)-Ionen
 alkalische Lösungen enthalten OH-(aq)-Ionen
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff

Experimenteller Einstieg ins Brönsted-Konzept:
 Herstellung
von gasförmigem Chlorwasserstoff aus
reiner Schwefelsäure und Kochsalz (V8)
 Reaktion des Gases mit Wasser zu Salzsäure (V9)
Reaktionsgleichungen:
H2SO4 + Cl-(aq)  HCl + HSO4-(aq)
HCl + H2O  H3O+(aq) + Cl- (aq)
 Einführung von Säuren als Donator-Teilchen
und Basen als Akzeptor-Teilchen
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Comic zum Donator-Akzeptor-Prinzip:
Gietz, P., Jung, U.: Prisma Chemie. Ausgabe A – differenzierende Ausgabe, Klett Schulbuchverlage, Stuttgart
2014
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Unterrichtsvorschläge zum SäureBase-Begriff
Üben von Fachsprache und Schreibweise der
Reaktionssymbole an weiteren Beispielen!
Versuche:
-
Verdünnung von reiner Schwefelsäure (V10)
H2SO4 + 2 H2O  SO42- (aq)+ 2 H3O+(aq)
-
Reaktion von Calciumoxid mit Wasser (V11)
O2- + H2O  2 OH-(aq)
 Einführung von Wassermolekülen als
Ampholyt-Teilchen
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Falls vorher das Arrhenius-Konzept
eingeführt wurde…
Concept Cartoons, um kognitive Konflikte aufzuzeigen!
Bsp: Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I,
Cornelsen Verlag, Berlin 2010
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Fehlvorstellungen zu reiner Säure
und Säure-Lösung
Aufgabe:
SuS sollen Gemeinsamkeiten und Unterschiede einer reinen
Schwefelsäure und der 0,1 molaren Lösung angeben und kleinste
Teilchen schematisch zeichnen.
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Fehlvorstellungen zu reiner Säure
und Säure-Lösung




45% der SuS geben lediglich Verdünnungseffekt an 
zeichnen größere Abstände (a), Kugelmodelle (b)
30% geben gar keine Antwort
10% geben richtige Antwort (Hydronium-Ionen, SulfatIonen in der Lösung) mit passender Zeichnung
Restliche Antworten: pH-Wert der reinen Säure kleiner,
unterschiedliche Dichten, reine Säure
ätzender/reaktionsfreudiger etc.
 Die Dissoziation ist oft unverstanden!
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Unterrichtsvorschläge zu reiner
Säure und Säure-Lösung






Schon zu Beginn festes Natriumhydroxid von der Lösung
Natronlauge unterscheiden
Reaktionen von Säuren/Laugen im Alltag sind auch
erwünscht: Alltagsbezug z.B. durch Magensäure, Würzmittel
in der Küche, Coca Cola, Rohrreiniger
Durch Verdunstung des Wassers können auch verdünnte
Lösungen eine aggressive Wirkung entfalten
Leitfähigkeitsüberprüfungen: Modellvorstellungen von Ionen in
Lösung von den SuS selbst zeichnen lassen!
(„aq“: Vollständige Trennung der Ionen!)
Reine Schwefelsäure/Salpetersäure: Mit Molekülen
beschreiben!
Konzentrierte Salzsäure: Mit Ionen beschreiben!
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Fehlvorstellungen zum pH-Wert



Aufgabe: Erläuterung des pH-Wertes
Viele SuS geben richtig den „negativen
dekadischen Logarithmus der H+-IonenKonzentration“ an.
Einige haben die Definition sinnlos verändert
Einige rein phänomenologische Antworten: „pH7
ist hautneutral, hat was mit Hautverträglichkeit
zu tun.“
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Fehlvorstellungen zum pH-Wert



Aufgabe:
Lösungen benennen, die den pH-Wert 1 besitzen
15%: 0,1 molare Lösung von Salzsäure (richtig)
30% Säurelösungen ohne Konzentrationsangabe
45% keine Antwort
 reines Merkwissen, überwiegendes
Unverständnis, keine Anwendung des pH-Wertes
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Unterrichtsvorschläge zum pHWert

Einstieg zum pH-Wert phänomenologisch:
Farbindikatoren, Testen versch. Lösungen aus
Küche und Bad
http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/p/images/phwert.gif
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Unterrichtsvorschläge zum pHWert

Quantitative Bedeutung des pH-Wertes ist schwieriger,
weil…



Mol-Begriff unbekannt/unverstanden
Logarithmus wird im Matheunterricht erst später unterrichtet
pH-Wert mit Konzentration der Hydronium-Ionen
verknüpfen:


Konzentration in Form von Zehnerpotenzen schreiben (potenta
hydrogenii)
pH-Wert als Hochzahl mit anderem Vorzeichen festlegen
10-2-molare Salzsäure-Lösung
10-3 -molare Lösung besitzt
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 pH-Wert 2
 pH-Wert 3
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Unterrichtsvorschläge zum pHWert


Versuch: Verdünnungsreihe (V12)
SuS sollen verstehen, dass eine Verdünnung einer Säure-Lösung um den
Faktor 1:10 die Vergrößerung des pH-Werts um eine Einheit nach sich
zieht:
Demuth, Prof. Dr. R., Schöttle, M.: Säuren und Laugen – nicht nur ätzend. Aus: Chemie im Kontext Sek I, Cornelsen Verlag, Berlin 2010
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Unterrichtsvorschläge zum pHWert

Zusammenhang von Konzentrationen der
Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen in
wässrigen Lösungen durch das Ionenprodukt
des Wassers
pH 2:
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10-2 mol H3O+-Ionen pro Liter
10-12 mol OH-- Ionen pro Liter
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Fehlvorstellungen zur
Neutralisation
Aufgabe a)
Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander.
Wie lautet die Reaktionsgleichung?
Antworten zu a):
 80% korrekt:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
 Davon die Hälfte (40%) sogar mit Ionensymbolen.
Vorhandene Fehlvorstellungen:
 „Als Reaktionsprodukt entsteht NaCl“ (Ohne Ionensymbole)
 Es entsteht „festes NaCl“
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Fehlvorstellungen zur
Neutralisation
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Fehlvorstellungen zur
Neutralisation
Aufgabe b)
Salzsäure und Natronlauge reagieren miteinander.
Welche Teilchenarten reagieren?
Antworten zu b): 40% korrekt
Fehlvorstellungen:
 „alle Teilchen“ reagieren miteinander
 „die positiven und negativen Ladungen reagieren miteinander“
 Es entstehen „NaCl-Moleküle“
Aufgabe c)


Benenne die Reaktion.
Antwort zu c): 35% korrekt (Neutralisation)
Beispiele für falsche Antworten: Redoxreaktion, Chlorierung, Titration
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Unterrichtsvorschläge zur
Neutralisation
Vermeidung von
Bruttogleichungen
Gefahr durch Bruttogleichungen:
 beteiligte Ionen werden nicht erkannt
 Salze werden als „Salzmoleküle“ aufgefasst
Empfohlenes Vorgehen:
 Etablierung der Vorstellung der beteiligten Ionen
und deren Verhalten in Lösung und als Feststoff.
 Erst danach Nachweis der Neutralisation als Reaktion von OH- und
H3O+ zu H2O
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Unterrichtsvorschläge zur
Neutralisation

Vermeidung der Vermischung von S.-B.-Neutralität und
Elektroneutralität
(Fehlvorstellungen: „Ladungen neutralisieren sich“;
Ionen schließen sich zu „Salzmolekülen“ zusammen)
Lösungsvorschläge:
 „Neutralität“ ausschließlich bei Säure-Base-Thematik
verwenden.
 Elektroneutralität als „Kräftegleichgewicht der Anionen
und Kationen“ oder als „Ausgeglichenheit der Ladungen“
bezeichnen.
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Unterrichtsvorschläge zur
Neutralisation

V 14
Leitfähigkeitsmessung bei der
Titration von HCl mit Natronlauge

V 16
Messung der freiwerdenden Wärmeenergie

Modellvorstellungen zur Neutralisation starker Säuren und Basen
sollen diskutiert und gezeichnet werden.
Erst mit der Modellzeichnung werden
angemessene Interpretationen von den
Schülern übernommen.

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Fehlvorstellungen zu starken &
schwachen Säuren
Aufgabe 1a) Stelle Unterschiede & Gemeinsamkeiten
von 0,1 molaren Lösungen von Salzsäure
und Essigsäure dar.
Antworten:
 50% keine Antwort
 20% Unterschied: Säurestärke (zum Teil mit falscher
Zuordnung)
 10% Unterschied: pH-Wert
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Fehlvorstellungen zu starken &
schwachen Säuren
Aufgabe 1b)
Fertige eine Modellzeichnung der vorliegenden
Atome/Ionen/Moleküle in den schematisierten
Bechergläsern an.
Antworten:
 50% Zeichnung verweigert bzw. unfähig die Modellvorstellung zu
skizzieren.
 15% Moleküle und Ionen
 15% ausschließlich Moleküle
 15% ausschließlich Ionen


Zum Teil fehlerhafte Modellvorstellung zu den beteiligten Ionen
Zum Teil undeutbare Kugelmodelle
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Fehlvorstellungen zu starken &
schwachen Säuren
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Fehlvorstellungen zu starken &
schwachen Säuren
Aufgabe 2)
Antworten:
 55% Dissoziationsgrad (nur bei wenigen mit Angabe der Begründung)
 40% pH-Wert

Fast die Hälfte der Befragten hat die Fehlvorstellung, dass die Stärke einer
Säure vom pH-Wert abhängt.
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Unterrichtsvorschläge zu
schwachen Säuren
Fehlvorstellung:
„schwache Säure “=„schwach konzentriert“
 Verbal besprochene Protolysegleichgewichte,…
führen nur bei wenigen zu angemessenen
Vorstellungen.
 Experimente sollen den Protolysegrad und damit
die Lage des Protolysegleichgewichts
veranschaulichen!
 Anschließend sollen Modellvorstellungen erstellt
und diskutiert werden
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Unterrichtsvorschlag zu schwachen
Säuren

V 17:
pH-Messung von HCl-Lösungen und
Essigsäure-Lösungen mit 1 mol/l und 0,1 mol/l.

V 18:
pH-Messung bei einer HCl-Lösung und einer
H2S-Lösung mit 0,1 mol/l
(Erweiterbar auf dynamische Gleichgewichte
durch Metallsulfidfällung)
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Unterrichtsvorschläge zu
schwachen Säuren

V 14:
Leitfähigkeitsmessung bei einer Titration von Essigsäure-Lösung mit
Natronlauge (Vergleich mit einer Titration von Salzsäure)
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Fazit: Zusammenfassung der
Fehlvorstellungen





Säuren haben die Eigenschaft, „etwas zu zerstören/zu verätzen“ (Laugen &
Hydroxide werden nicht genannt)
Oft keine Unterschiede zwischen reinen Säuren (aus Molekülen) und verd.
Säurelösungen (aus Ionen)
Vermischung der Konzepte von Arrhenius und Brönsted
Fehlvorstellungen zu ionischen Vorgängen (Bruttogleichungen bei
Neutralisationen; „Entladung“ von Ionen bei der Salzbildung; Entstehung
von „Salzmolekülen“)
Verwendung des pH-Werts als Maß für Säurestärke
Fazit:
Modellvostellungen sind auf unverstandene Reaktionssymbole gegründet und
nicht als Modellzeichnung veranschaulicht worden.
 Modellzeichnungen rücken ins Zentrum der Unterrichtsvorschläge
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Fazit: Zusammenfassung der
Unterrichtsvorschläge

Entwicklung angemessener Vorstellungen durch:
Vermittlung von Zusammenhängen anhand der
beteiligten Ionen und deren Konzentrationen
(nicht auf Summenformeln reduzieren)

Entwicklung eines nachhaltigen Verständnisses durch:
Festhalten und Diskutieren der experimentellen
Erfahrungen in Modellzeichnungen
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Danke für eure Aufmerksamkeit !
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Quelle:
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