Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten
Werbung
Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten Gelenktes Entdeckendes Lernen von Marcel Sommavilla Inhalt: In dieser Unterrichtseinheit haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, verschiedene Aspekte beim Mischen von Flüssigkeiten selber zu entdecken. Sie können auch bereits bekannte Phänomene durch gezielte Experimente detailliert untersuchen. Fachliches Review: Antonio Togni, Laboratorium für anorganische Chemie, ETH Zürich Fachdidaktisches Review: Franco Antognoli, Kantonsschule Luzern Publiziert auf EducETH: 31 März 2008 Rechtliches: Die vorliegende Unterrichtseinheit darf ohne Einschränkung heruntergeladen und für Unterrichtszwecke kostenlos verwendet werden. Dabei sind auch Änderungen und Anpassungen erlaubt. Der Hinweis auf die Herkunft der Materialien (ETH Zürich, EducETH) sowie die Angabe der Autorinnen und Autoren darf aber nicht entfernt werden. Publizieren auf EducETH? Möchten Sie eine eigene Unterrichtseinheit auf EducETH publizieren? Auf folgender Seite finden Sie alle wichtigen Informationen: http://www.educeth.ch/autoren Weitere Informationen: Weitere Informationen zu dieser Unterrichtseinheit und zu EducETH finden Sie im Internet unter http://www.educ.ethz.ch oder unter http://www.educeth.ch. ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Gelenktes Entdeckendes Lernen zum Thema Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten Fach: Chemie Schulstufe: Gymnasium Voraussetzungen: • Grundbegriffe Verbindung, Reinstoff, Mischung (homogen, heterogen), Lösung usw. • zwischenmolekulare Kräfte Entdeckungsmöglichkeiten: • polare und apolare Flüssigkeiten • homogene und inhomogene Mischbarkeit von Flüssigkeiten • Mischungslücken • Volumeneffekte beim Mischen unterschiedlicher Flüssigkeiten Dauer Unterrichtseinheit: 4 Lektionen à 45 Minuten (180 Minuten) Dauer selbständiges Entdecken: 75 - 90 Minuten Verfasser: Marcel Sommavilla Betreuer: Dr. Andreas Bartlome Fassung vom: 15. März 2008 Schulerprobung: Diese Arbeit wurde noch nicht erprobt. ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Inhaltsverzeichnis Teil 1: Material für die Lernenden 2 A Informationsangebot 2 B Lenkung 3 B.1 Mündliche Information (durch die Lehrperson) B.2 Schriftliche Information 3 4 Teil 2: Material für die Lehrperson 11 A Erforderliches Vorwissen 11 B Simulation 12 Literatur 17 Anhang 17 A Verhalten im Labor und zur Handhabung von Chemikalien B Korrekte Bestimmung von Flüssigkeitsvolumina C Strukturformel und Siedetemperaturen D Dichte von Ethanol-Wasser-Mischungen bei 20 °C E Homogene / inhomogene Mischungen und Entmischungsdiagramme F Löslichkeitsparameter Gelenktes Entdeckendes Lernen 1 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Teil 1: Material für die Lernenden A Informationsangebot An jedem Arbeitsplatz finden Sie die folgenden Materialien: 5 Bechergläser 20 ml 1 Becherglas 500 ml 2 Mischzylinder 10 ml mit Stopfen 1 Mischzylinder 25 ml mit Stopfen 2 Messzylinder 5 ml 1 Messzylinder 10 ml 1 Messzylinder 25 ml 2 Scheidetrichter (graduiert) 25 ml mit Stopfen Beheizbarer Magnetrührer mit Thermometer diverse Pasteurpipetten PE eine Packung Kleenex-Tüchlein Filzstift Auf dem Lehrerpult befinden sich zudem Vorratsgefässe mit den folgenden Flüssigkeiten: Wasser Ethanol 1-Propanol 1-Butanol 1-Hexanol Aceton (Propanon) Dichlormethan Heptan Octan Cyclohexan Weiter stehen Ihnen die im Raum verteilten elektronischen Waagen zur Verfügung. Deren Handhabung unterscheidet sich nicht wesentlich von einer modernen Küchenwaage. Sie kennen den Umgang mit solchen Waagen. Falls trotzdem Unklarheiten bestehen sollten, habe ich neben jeder Waage eine Kurzbeschreibung bereitgelegt. Als Hilfsmittel und Gedankenstützen finden Sie zusätzlich an jedem Arbeitsplatz die folgenden Dokumente: Merkblatt zum Verhalten im Labor und zur Handhabung von Chemikalien Illustration zur korrekten Bestimmung von Flüssigkeitsvolumina kleine Formelsammlung Diagramm mit dem Dichteverlauf von Ethanol-Wasser-Mischungen bei 20 °C Lehrtext über homogene / inhomogene Mischungen und Entmischungsdiagramme kleine Tabelle mit Löslichkeitsparametern (inkl. kurze Erläuterung) Gelenktes Entdeckendes Lernen 2 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Das mit "" markierte Dokument ist lesepflichtig. Dasselbe gilt auch für die Kapitel B.2 und C in dieser Anleitung. Dies bedeutet, dass Sie die erwähnten Dokumente vollständig durchlesen, bevor Sie mit dem experimentellen Arbeiten beginnen. Das Lesen aller anderen Dokumente ist fakultativ. Sie können selbst bestimmen, ob und wann Sie sich mit diesen beschäftigen wollen. B Lenkung B.1 Mündliche Information (durch die Lehrperson) Im Alltag kommt man in vielen Bereichen in die Situation, in der man zwei Flüssigkeiten mischen muss. Denken Sie etwa daran, dass Sie sich an einem heissen Sommertag einen kühlen Sirup zubereiten wollen. Dazu werden Sie das Sirupkonzentrat in einem bestimmten Verhältnis mit kaltem Wasser mischen. Falls Sie dann auch noch Hunger kriegen und sich für einen knackig frischen Salat entscheiden, werden Sie bei der Zubereitung der Salatsauce im einfachsten Fall Essig und Öl mischen. Doch auch in anderen Bereichen des Alltags kommen Mischungen von Flüssigkeiten zum Einsatz. So schwören erfahrene Hausfrauen und Hausmänner auf eine Mischung von (heissem) Wasser und Brennsprit zum Reinigen von Fensterscheiben. Ihnen fallen sicher noch weitere Beispiele des täglichen Lebens ein, bei denen das Mischen von Flüssigkeiten nötig ist. Mischungen von Flüssigkeiten spielen aber nicht nur im Alltag, sondern auch in der chemischen Industrie, in der Forschung und in der Technik eine bedeutende Rolle. Dort kommen sie etwa bei der Trennung und der Reinigung von Reaktionsprodukten oder beim Beschichten von Materialien zum Einsatz. In dieser Unterrichtseinheit haben Sie die Möglichkeit, verschiedene Aspekte beim Mischen von Flüssigkeiten selber zu entdecken. Sie können auch bereits bekannte Phänomene durch gezielte Experimente detaillierter untersuchen. Unter den Dokumenten und Materialien, die Ihnen an Ihrem Arbeitsplatz zur Verfügung stehen, befindet sich auch eine schriftliche Anleitung. Diese besteht aus drei Teilen: In Teil A sind alle Materialien und Unterlagen zusammengestellt, die Sie auf Ihrer Entdeckungsreise benutzen können. Teil B orientiert Sie über den organisatorischen Ablauf und gibt Ihnen einige Regeln, Hinweise und Gedankenanstösse. Dies soll Ihnen erlauben, möglichst kreativ zu arbeiten und sich auf Ihre Interessen konzentrieren zu können, sodass Sie möglichst viel profitieren werden. Schliesslich informiert Sie Teil C, was am Schluss dieser Unterrichtseinheit von Ihnen erwartet wird, was abzugeben ist und wie die abgegebenen Unterlagen bewertet werden. Um einen Überblick zu erhalten und damit Sie sich Ihre Zeit gut einteilen können, sollten Sie zunächst einen Blick auf die bereitgelegten Dokumente werfen. Bevor Sie mit Ihrer Entdeckungsphase beginnen, sind anschliessend die mit "" bezeichneten lesepflichtigen Texte (Kapitel B.2, C und das Merkblatt zum Verhalten im Labor und zur Handhabung von Chemikalien) zu lesen. Gelenktes Entdeckendes Lernen 3 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft B.2 Schriftliche Information Die Arbeiten werden grundsätzlich alleine durchgeführt. Natürlich können Sie sich bei Unsicherheiten, Fragen, Problemen oder Unklarheiten mit Ihrer Nachbarin oder Ihrem Nachbarn besprechen. Das Ziel dieser Unterrichtseinheit ist, dass Sie anhand einer selbst ausgedachten Strategie eine Reihe von kleinen Experimenten durchführen, mit denen Sie verschiedene Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten untersuchen. Anschliessend diskutieren Sie Ihre Ergebnisse jeweils in Zweiergruppen. Ihre Beobachtungen, Überlegungen und Erkenntnisse sollten am Schluss auch in Form eines kleinen Berichtes protokolliert sein. Die folgende Arbeitsphase ist in die sieben Abschnitte "Grundlagen", "Erarbeitung einer Strategie", "Experimente", "Auswertung", "Aufräumarbeiten", "Bericht" und "Partnerdiskussion" aufgeteilt. Die Arbeiten, die in diesen Abschnitten beschrieben werden, sind chronologisch nicht strikt getrennt und fliessen teilweise ineinander. Lesen Sie alle Abschnitte zuerst durch, bevor Sie mit dem selbständigen Arbeiten beginnen. Die folgende Tabelle skizziert einen groben Zeitplan. Er ist nicht verbindlich, soll Ihnen jedoch bei Ihrer Zeiteinteilung helfen. Grundlagen und Erarbeitung einer Strategie Experimente und Auswertung (Phase des Entdeckens) Aufräumarbeiten Verfassen/Zusammenstellung des Berichtes Partnerdiskussion Total 35 - 50 min 75 - 90 min 10 min 30 min 15 min 180 min Übersicht über den groben zeitlichen Ablauf. Grundlagen Beim Mischen von Flüssigkeiten treten Effekte auf, die oftmals klein und auf den ersten Blick vielleicht nicht immer sofort ersichtlich sind. In dieser Unterrichtseinheit geht es um diese Effekte. Sie haben die Gelegenheit, sie zu entdecken und experimentell zu erforschen. Die dabei gemachten Beobachtungen spielen sich auf der Wirklichkeitsebene ab. In der Chemie möchte man sie aber auch auf einer Modellebene deuten können. Dies kann entweder rein qualitativ oder quantitativ geschehen. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Struktur der kleinsten Teilchen, aus denen die Flüssigkeit aufgebaut ist. Zudem ist entscheidend, wie diese kleinsten Teilchen nicht nur untereinander, sondern auch mit den kleinsten Teilchen anderer Flüssigkeiten wechselwirken. Solche Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilchen bezeichnet man als zwischenmolekulare Wechselwirkungen. Falls Sie nicht mehr so recht wissen, worum es sich dabei genau handelt, sollten Sie zunächst in Ihren Chemie-Unterlagen nachschauen und Ihre Kenntnisse auffrischen. Anderenfalls fahren Sie mit dem nächsten Abschnitt weiter. Gelenktes Entdeckendes Lernen 4 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Erarbeitung einer Strategie In dieser Phase heisst es, selber aktiv und kreativ zu werden. Oftmals wird Ihnen genau gesagt, was Sie im Unterricht tun müssen. Beim Lösen einer Aufgabe wird ein bestimmtes Problem vorgegeben und Sie müssen die gesuchte Antwort finden. Auch beim Arbeiten im Labor müssen Sie sich strikt an die Experimentiervorschrift halten. Hier ist es anders. Hier entscheiden Sie, was Sie tun wollen und was Sie spannend finden. Hier können Sie Ihren Ideen im Rahmen des vorgegebenen Themas und des Angebotes freien Lauf lassen! Zusätzliche Freiheit ist aber stets mit zusätzlicher Verantwortung verbunden. Damit diese Veranstaltung nicht nur zu einer feucht-fröhlichen Spielerei ohne nennenswerte neue Erkenntnisse und Lernerlebnisse verkommt, ist es wichtig, dass Sie sich Gedanken machen, was Sie untersuchen wollen und wie Sie dazu am besten vorgehen. Das Ziel ist, dass Sie in der zur Verfügung stehenden Zeit möglichst viel entdecken. Vielleicht haben Sie ja bereits eine Vermutung und möchten diese gerne experimentell bestätigen. Vielleicht gibt es ein System oder ein Phänomen, das Sie schon lange gerne genauer untersuchen wollten. Am besten wählen Sie sich zu Beginn aus der Liste der Flüssigkeiten jene aus, die Sie am meisten interessieren oder die Ihnen für Ihre Untersuchungen geeignet scheinen. Beschränken Sie sich vorerst auf etwa zwei oder drei Stoffe. Sie können später immer noch weitere Flüssigkeiten in Ihre Experimente einbeziehen. Es ist wichtig, dass Sie eine Strategie entwickeln, eine Versuchsreihe planen, sich ein experimentelles Vorgehen überlegen. Entwerfen Sie auch ein Protokoll, mit dem Sie Ihre Beobachtungen festhalten können. Überlegen Sie sich, welche Mischungen Sie mit den ausgewählten Flüssigkeiten durchführen und wie Sie bei Ihren Experimenten vorgehen wollen. Wenn Sie die Mischungen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ beurteilen wollen, können Sie auch die Masse und das Volumen der Flüssigkeiten vor und nach dem Mischen bestimmen. Dazu dienen die im Unterrichtsraum verteilten Waagen, sowie die Mess- und Mischzylinder, die Sie an Ihrem Arbeitsplatz vorfinden. Mit dem Scheidetrichter können Sie Flüssigkeiten sehr genau trennen. Interessant ist beispielsweise auch, Flüssigkeiten in unterschiedlichen Mengenverhältnissen oder bei unterschiedlichen Temperaturen zu mischen. Um es nochmals klarzustellen: Sie sind in Ihrer Entdeckungsphase völlig frei. Sie können sich etwa auf eine bestimmte Kombination von Flüssigkeiten spezialisieren und anhand dieses Systems bestimmte Eigenschaften quantitativ untersuchen. Sie können aber auch untersuchen, wie sich verschiedene Flüssigkeiten in Bezug auf ein bestimmtes Phänomen verhalten. Vielleicht geben Ihnen die beigelegten Unterlagen auch ein paar Denkanstösse zu interessanten Experimenten. Gelenktes Entdeckendes Lernen 5 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Experimente Bevor Sie mit den eigentlichen Experimenten beginnen, müssen Sie das Merkblatt zum Verhalten im Labor und zur Handhabung durchgelesen haben (Lesepflicht""). Arbeiten Sie sauber, diszipliniert und verantwortungsbewusst. Es handelt sich bei dieser Unterrichtseinheit nicht um eine Spiel-, sondern primär um eine Lern- und Arbeitsphase. Befolgen Sie die Hinweise auf dem Merkblatt zum Verhalten im Labor und zur Handhabung von Chemikalien. Halten Sie auch Ordnung. Sowohl am Platz mit den Vorratsflaschen wie auch an Ihrem Arbeitsplatz. Wenn Sie sich an diese Regeln halten, können Sie von dieser Unterrichtseinheit profitieren. Anderenfalls müssen wir abbrechen und in Zukunft auf ähnliche Veranstaltungen verzichten. Von den Ihnen zur Verfügung gestellten Materialien und Chemikalien werden Sie wahrscheinlich nicht alle verwenden. Wählen Sie jene aus, die Ihnen für Ihre Versuche geeignet erscheinen. Schreiben Sie zunächst für jede Flüssigkeit, die Sie beziehen wollen, je ein 20 ml Becherglas mit ihrem Namen oder ihrer chemischen Formel an. Beziehen Sie die entsprechenden Substanzen beim Lehrerpult. Schliessen Sie die Vorratsflaschen nach jeder Entnahme sofort wieder und nehmen Sie keine davon an Ihren Arbeitsplatz. Damit ist gewährleistet, dass die Vorräte stets allen Beteiligten zur Verfügung stehen und dass sie nicht verunreinigt werden. Seien Sie sparsam und füllen Sie das Becherglas nicht zu voll. Wenn Sie später mehr von einer Flüssigkeit benötigen, können Sie diese immer wieder neu beziehen. Führen Sie nun Ihre Experimente durch. Falls Sie verschiedene Flüssigkeiten mischen wollen, eignen sich die vorhandenen Mischzylinder besonders gut. Es genügt, wenn Sie für die Mischungen jeweils 5 ml bis maximal 10 ml von den einzelnen Flüssigkeiten verwenden. Schwenken Sie die Mischungen, messen Sie Masse und Volumen, sowohl vor als auch nach dem Mischprozess und so weiter. Möchten Sie den Temperatureinfluss auf das Mischungsverhalten überprüfen, sollten Sie die Mischung höchstens bis 10 °C unterhalb der tiefsten Siedetemperatur der verwendeten Flüssigkeiten erwärmen. Die Siedetemperaturen finden Sie in der Formelsammlung im Anhang. Zwischen einzelnen Versuchen sollten Sie die Gefässe eventuell mit einem Kleenex-Tüchlein kurz trocknen, um Verfälschungen bei nachfolgenden Versuchen zu vermeiden. Gehen Sie systematisch vor. Halten Sie sich dabei an die von Ihnen entwickelte Strategie. Falls Sie unerwartete Entdeckungen machen oder falls es sonst nötig sein sollte, können (und sollen) Sie Ihre Strategie im Verlauf der Experimentierphase revidieren. Führen Sie auch ein Protokoll. Dies ermöglicht es Ihnen, alle Ihre Beobachtungen korrekt festzuhalten und bei der Auswertung auf diese zurückgreifen zu können. Gelenktes Entdeckendes Lernen 6 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Das grosse Becherglas können Sie als Sammelgefäss für Abfälle benutzen. Kennzeichnen Sie es entsprechend. Gelenktes Entdeckendes Lernen 7 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Auswertung Fassen Sie mit Hilfe Ihres Protokolls alle Phänomene zusammen, die Sie interessant finden. Belegen Sie Ihre Vermutungen und Hypothesen gegebenenfalls Messergebnissen und stellen Sie nicht unbegründete Behauptungen auf. mit erhaltenen Gibt es Effekte, die Sie nicht erwartet hätten oder die Sie überraschen? Können Sie sich die gemachten Beobachtungen erklären? Versuchen Sie, Ihre Beobachtungen mit einem geeigneten Modell respektive auf der Ebene der kleinsten Teilchen zu deuten. Lassen sich Beobachtungen, die Sie bei einem System gemacht haben auch auf ein anderes übertragen? Wenn ja, warum? Wenn nein, warum nicht? Gehen Sie bei der Auswertung systematisch vor und versuchen Sie, die beobachteten Effekte aufgrund von Gemeinsamkeiten oder von Unterschieden zwischen den untersuchten Flüssigkeiten zu erklären. Aufräumarbeiten Entsorgen Sie sämtliche Flüssigkeitsabfälle in den bereitgestellten Kanister. Dasselbe gilt für übrig bleibende Flüssigkeiten, die sich noch an Ihrem Arbeitsplatz befinden. Giessen Sie unter keinen Umständen Flüssigkeiten zurück in eine der Vorratsflaschen! Vergessen Sie auch nicht, alle benötigten Glaswaren zu reinigen und den Arbeitsplatz sauber aufgeräumt zu hinterlassen. Bericht Stellen Sie das von Ihnen erarbeitete Material in einem kleinen Bericht zusammen, den Sie am Schluss der Stunde abgeben. Vergessen Sie auch nicht, allfällig vorhandene Messprotokolle beizulegen. Verfassen Sie Ihre schriftliche Auswertung so, dass Sie auch von einer Drittperson verstanden werden kann, die nicht an Ihren Experimenten teilgenommen hat. Natürlich passieren einem beim Experimentieren manchmal auch Fehler oder man merkt, dass man ein Experiment falsch geplant hat. Falls das auch bei Ihnen der Fall sein sollte, dann halten Sie es ebenfalls in Ihrem Bericht fest. Vielleicht können Sie ja sogar angeben, was man hätte besser machen können oder wie ein Problem zu vermeiden gewesen wäre. Ich werde Ihre Arbeit durchschauen und bewerten (vgl. Teil C dieser Anleitung). Sie können auch schriftlich Fragen stellen, wenn Sie etwas nicht verstehen oder genauer wissen wollen. Ich werde dann versuchen, Ihre Fragen zu beantworten. Gelenktes Entdeckendes Lernen 8 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Partnerdiskussion Zum Abschluss dieser Unterrichtseinheit sollen Sie Ihre Ergebnisse und Beobachtungen in Zweiergruppen diskutieren. Planen Sie dafür etwa 15 Minuten ein. Ich habe die Gruppeneinteilung bereits vorgenommen. Die Liste hängt an der Wandtafel und kann dort eingesehen werden. Am besten präsentiert jede Person der anderen kurz die wichtigsten Erkenntnisse. Erläutern Sie die durchgeführten Versuche und die erhaltenen Ergebnisse. Anschliessend sollen die Arbeiten gegenseitig kritisch hinterfragt und miteinander verglichen werden. Als Diskussionsgrundlage können beispielsweise die folgenden Fragen dienen: Sind die gefundenen Erklärungen plausibel? Gibt es Gemeinsamkeiten oder Unterschiede zwischen den zwei Arbeiten? Ergänzen sich die Arbeiten? Sind die erhaltenen Resultate kompatibel oder führen Sie etwa zu Widersprüchen? Falls Letzteres der Fall ist: Wie müsste man vorgehen, um Gewissheit zu erlangen? Gelenktes Entdeckendes Lernen 9 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft C Bewertung und Beurteilung Der Hauptteil der Bewertung basiert auf dem abgegebenen Bericht. Dabei geht es nicht darum, ob Sie spektakuläre Versuche beschreiben können oder ob Sie eine bahnbrechende Entdeckung gemacht haben. Viel wichtiger ist, dass Sie Ihre Überlegungen und Strategien formulieren und dass Sie experimentelle Ergebnisse und Messresultate in einer geeigneten Form dokumentieren, interpretieren und diskutieren können. Bei der Beurteilung des Berichtes wird auf die folgenden Punkte geachtet: 1. Sie haben sich mit mindestens einem Phänomen im Rahmen des vorliegenden Themas beschäftigt. 2. Sie haben die untersuchten Phänomene kurz beschrieben (z. B. "Ich habe untersucht, wie sich ...", "Ich wollte herausfinden, warum ...", "Ich vermute, dass ..."). 3. Sie haben Ihre Strategie / Ihr Vorgehen beschrieben, um das unter Punkt 2 formulierte Ziel zu erreichen. 4. Sie haben die durchgeführten Experimente beschrieben. 5. Sie haben die erhaltenen Resultate und Beobachtungen festgehalten und protokolliert. Diese Messprotokolle sind ebenfalls dem Bericht beigelegt. 6. Sie haben die Resultate ausgewertet. Dies beinhaltet, dass Sie Gedanken formuliert haben, wie man eine gemachte Beobachtung erklären könnte. Sie sollten auch notiert haben, was man daraus für Schlüsse ziehen kann respektive ob eine gemachte Beobachtung im Einklang mit Ihren Erwartungen oder Vermutungen steht. 7. Sie haben angegeben, wenn beim Experimentieren Probleme aufgetaucht sind. In diesem Fall haben Sie auch notiert, wie diese gelöst wurden oder wie man vorgehen müsste, um sie zu lösen. Sie haben auch angegeben, wenn bei Ihren Versuchen alles problemlos verlaufen ist. 8. Der Bericht ist sauber verfasst und übersichtlich strukturiert. 9. Der Bericht umfasst maximal zwei handgeschriebene Seiten. Neben dem Bericht wird bei der Beurteilung auch berücksichtigt, wie Sie den Arbeitsplatz hinterlassen haben und ob die Chemikalien korrekt entsorgt wurden. Die Note, die Sie für diese Arbeit erhalten, besitzt das gleiche Gewicht wie ein Praktikumsbericht. Gelenktes Entdeckendes Lernen 10 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Teil 2: Material für die Lehrperson A Erforderliches Vorwissen Diese Unterrichtseinheit eignet sich als Ergänzung im Anschluss an die Behandlung von zwischenmolekularen Kräften im Theorie-Unterricht. Im normalen Chemie-Unterricht kann das vorliegende Manual wahrscheinlich in den wenigsten Fällen direkt eingesetzt werden. Dies einerseits aus Zeitgründen andererseits aufgrund des beträchtlichen organisatorischen Aufwandes. Gut geeignet wäre jedoch ein Einsatz im Rahmen des Chemie-Praktikums. Dabei wäre es durchaus möglich, dank der relativ geringen experimentellen Anforderungen an die Lernenden, PraktikumsAnfängerinnen und -Anfänger anhand dieser Unterrichtseinheit das saubere und verantwortungsbewusste Arbeiten im Chemie-Labor üben zu lassen. Selbstverständlich müssen die Verhaltensregeln beim Arbeiten im Labor sowie Grundkenntnisse im Umgang und in der Handhabung von Chemikalien zu diesem Zeitpunkt bereits vermittelt worden sein. Falls die Schülerinnen und Schüler nicht das erste Mal experimentell arbeiten, sehen sie sich wahrscheinlich erstmals mit der Situation konfrontiert, dass sie die Experimente nicht einfach nach einer perfekt ausgearbeiteten Vorschrift durchführen sollen. Vielmehr müssen sie sich zuerst einmal eigene Experimente überlegen, dann ein geeignetes praktisches Vorgehen entwickeln, dieses durchführen, allenfalls revidieren und aus den erhaltenen Ergebnissen vernünftige Schlüsse ziehen. Als Alternative zum Einsatz im Chemie-Praktikum kann das Thema auch als Projekt im Rahmen einer Sonderwoche oder ähnlichen Veranstaltungen angeboten werden. Die Aufgabenstellung und die Thematik verlangt ein hohes Mass an Eigeninitiative, Disziplin und Leistungsbereitschaft von den Lernenden. Dies deshalb, weil die zu beobachtenden Phänomene relativ subtil sind und deren Verständnis einiges an Abstraktionsvermögen und analytischem Denken erfordert. Aus diesem Grund wird die vorliegende Arbeit am besten mit naturwissenschaftlich/technisch interessierten Klassen oder Gruppen durchgeführt. Vom fachlichen Standpunkt her müssen die Lernenden grundlegende Begriffe wie Verbindung, Reinstoff, Mischung (homogen, heterogen), Lösung usw. kennen. Schliesslich ist es ebenfalls erforderlich, dass die Schülerinnen und Schüler wissen, was man unter dem Begriff der Dichte versteht. Es wird ebenfalls erwartet, dass die Lernenden über die modernen Modelle zur Beschreibung der Materie Bescheid wissen. Dazu gehören das Konzept der kleinsten Teilchen und die Kenntnis von Begriffen wie etwa Atome und Moleküle. Insbesondere sollten sie wissen, dass es einen Zusammenhang zwischen Struktur respektive Aufbau der kleinsten Teilchen und dem experimentell beobachtbaren Verhalten eines Stoffes gibt. Speziell wichtig bei der Behandlung des vorliegenden Themas ist, dass die Lernenden die drei möglichen Arten von zwischenmolekularen Wechselwirkungen (Dipol/Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoff-Brücken, Van-der-Waals-Kräfte) kennen. Sie sollten ebenfalls in der Lage sein, aufgrund der Molekülstruktur qualitativ abschätzen zu können, welche Arten von zwischenmolekularen Wechselwirkungen in welchem Ausmass auftreten können. Gelenktes Entdeckendes Lernen 11 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Es ist vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich, wenn die Lernenden die Konzentrationsmasse Molenbruch und Massenprozente kennen und diese für binäre Mischungen berechnen können. Diese Forderung lässt sich dadurch begründen, dass die experimentellen Daten in der Literatur fast immer in Abhängigkeit dieser beiden Konzentrationsmasse angegeben sind. Die im gymnasialen Chemie-Unterricht viel häufiger verwendete Stoffmengenkonzentration eignet sich nicht als Konzentrationsmass, da bei den Versuchen keine der in den Mischungen vorhandenen Flüssigkeiten eindeutig als Lösungsmittel ausgezeichnet werden kann. Vom fachlichen Standpunkt aus wäre die Verwendung von Molenbrüchen vorzuziehen, denn für molekulare Prozesse sind Teilchenverhältnisse ausschlaggebend. Molenbrüche geben diese Verhältnisse optimal wieder. Bei der Verwendung von Massenprozenten werden sie hingegen aufgrund der unterschiedlichen molaren Massen etwas verzerrt. Die Lernenden dürften hingegen zu den Massenprozenten einen einfacheren Zugang haben, weil Sie unmittelbar aus den Experimenten und ohne Umrechnung der Massen in Stoffmengen erhalten werden können. Dieses Vorgehen lässt sich aus pädagogischer Sicht rechtfertigen und sollte zu keinem falschen Vorwissen führen, welches zu einem späteren Zeitpunkt eine Verständnishürde für eine vertiefte Auseinandersetzung darstellt. Schliesslich sei auch noch auf die Entsorgungsproblematik beim Verwenden von Dichlormethan hingewiesen. In der vorliegenden Version wird von den Lernenden nicht verlangt, Mischungen mit und ohne chlorierte Lösungsmittel getrennt zu entsorgen. Dies könnte allenfalls durch das Bereitstellen eines zweiten Sammelgefässes und entsprechende Instruktionen geändert werden. Es wäre jedoch auch möglich, bei der angebotenen Flüssigkeitsauswahl ganz auf Dichlormethan zu verzichten. B Simulation In diesem Teil ist zusammengestellt, was sich die Lernenden bei ihrer Entdeckungsreise alles überlegen könnten, welche Phänomene es zu beobachten gäbe und welche möglichen Schlussfolgerungen und Ideen daraus resultieren könnten. Die Lernenden mischen unterschiedliche Flüssigkeiten und erkennen, dass dies zu homogenen oder inhomogenen Lösungen führt. Die Lernenden sehen interessante Feinheiten nicht (etwa Volumeneffekte beim Mischen oder die Tatsache, dass sich zwei Flüssigkeiten je nach Mischungsverhältnis homogen/inhomogen mischen können). Es gibt Flüssigkeiten, die unbeschränkt homogen mischbar sind. Andere sind nur teilweise homogen mischbar oder nur in einem bestimmten Verhältnis. Die Lernenden haben sich vielleicht eine Tabelle zusammengestellt, aus der hervorgeht, welche zwei Flüssigkeiten unter den gegebenen Bedingungen homogen miteinander mischbar sind und welche nicht. Die Lernenden realisieren, dass die Aussage "A und B mischen sich nicht", nicht sinnvoll ist. Gelenktes Entdeckendes Lernen 12 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Es kann entdeckt werden, dass die Frage, ob sich zwei Flüssigkeiten vollständig homogen mischen, vom Mischungsverhältnis der Ausgangssubstanzen abhängt. Die Lernenden erkennen, dass Mischungseffekte durch experimentell steuerbare Parameter beeinflusst werden können. Die Lernenden machen eine Messreihe und ermitteln, wie viel von einer zweiten Flüssigkeit beigemischt werden kann, bis sich eine inhomogene Mischung bildet. So lassen sich beispielsweise die Zusammensetzungen der beiden Phasen eines inhomogenen Gemisches bestimmen. Gegebenenfalls vergleichen sie ihre Resultate mit den beigelegten Entmischungsdiagrammen. Sie machen sich Gedanken über allfällige Abweichungen und ob es besser geeignete Bestimmungsmethoden gibt. Wenn die Lernenden nur oberflächlich arbeiten, erkennen sie nicht, dass auch bei inhomogenen Mischungen die beiden Phasen keinesfalls rein sind. Bis zu einem gewissen Grade findet praktisch immer eine Mischung der einen in der anderen Komponente statt. Bei einer detaillierten Untersuchung könnten die Lernenden mit Hilfe des Scheidetrichters die Masse der einzelnen Phasen mit den ursprünglich eingewogenen Flüssigkeiten vergleichen. Sie erkennen dabei, dass die Ergebnisse nicht übereinstimmen, weil eben zu einem gewissen Grad eine gegenseitige Mischung stattfindet. Die beiden Phasen sind keine reinen Flüssigkeiten. Die totale Masse bleibt jedoch – im Gegensatz zum totalen Volumen – stets erhalten. Durch das Studium der Entmischungsdiagramme realisieren die Lernenden, dass bei inhomogenen Gemischen die Löslichkeit der einen Komponente in der anderen nicht "symmetrisch" ist. So enthält beispielsweise beim Zwei-Komponenten-System Hexan/Wasser die Hexan-Phase viel mehr Wasser als die Wasser-Phase Hexan. Einzelne Schülerinnen und Schüler könnten auf die Idee kommen, Gemische zu erwärmen oder abzukühlen, um Temperatureffekte zu untersuchen. Obwohl dies ein interessanter Aspekt ist, sind Versuche dazu in dieser Unterrichtseinheit aus Sicherheitsgründen nicht vorgesehen. Die Lernenden können sich aber aufgrund der beigelegten Entmischungsdiagramme darüber Gedanken machen. Allenfalls könnte bei vorhandenem Interesse ein Kühlschrank zur Verfügung gestellt werden (vgl. Ausführungen am Schluss von Kapitel A). Die Lernenden stellen fest, dass die Frage, ob sich zwei Flüssigkeiten homogen mischen oder nicht, auf der Teilchenebene erklärt werden kann und dass die Erklärung weitgehend auf zwischenmolekulare Wechselwirkungen (Dipol/Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoff-Brücken, Van-der-Waals-Kräfte) zurückzuführen ist. Die Lernenden machen sich Gedanken darüber, warum gewisse Alkohole nicht immer homogen mit Wasser mischbar sind, obwohl doch prinzipiell Wasserstoff-Brücken zwischen den beiden Molekülen ausgebildet werden können. Die Schülerinnen und Schüler ordnen die Flüssigkeiten nach ihren Fähigkeiten, zwischenmolekulare Wechselwirkungen einzugehen. Ihre Reihenfolge wird durch Löslichkeitsversuche belegt. Sie vergleichen die Ergebnisse mit den Löslichkeitsparametern und versuchen, eine Gesetzmässigkeit zu erkennen. Gelenktes Entdeckendes Lernen 13 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Die Schülerinnen und Schüler untersuchen Drei-Komponenten-Gemische. Dabei erkennen sie, dass die Löslichkeit eines apolaren Stoffes in Wasser durch Zugabe von beispielsweise Ethanol oder Aceton erhöht werden kann. Vielleicht entdecken sie auch, dass ein inhomogenes Gemisch durch Zugabe einer geeigneten dritten Flüssigkeit in ein homogenes Gemisch überführt werden kann. Die Lernenden machen die Beobachtung, dass sich die Massen beim Mischen zweier unterschiedlicher Flüssigkeiten (wie erwartet) additiv verhalten. Erstaunlicherweise gilt diese Beobachtung für die Volumina jedoch nicht. Sie führen diese Beobachtung vielleicht auf die unterschiedliche Grösse der kleinsten Teilchen zurück (kleinere Teilchen finden Platz in den von den grösseren gebildeten Hohlräumen). Die Lernenden untersuchen, ob die Volumenabnahme beim Mischen von unterschiedlichen Flüssigkeiten von den verwendeten Substanzen abhängt oder ob sie in allen Fällen gleich stark ausgeprägt ist. Vielleicht erkennen sie, dass die prozentuale Volumenabnahme nicht immer gleich gross ist. Sie hängt vom Mischungsverhältnis und den Ausgangssubstanzen ab. Einzelne Teilnehmerinnen und Teilnehmer versuchen, den Dichteverlauf eines Gemisches in Abhängigkeit von dessen Zusammensetzung zu bestimmen (analog zum beigelegten Dichteverlauf von Ethanol-Wasser-Mischungen). Sie erkennen dabei, dass genaue Volumenmessungen schwierig sind und dass deshalb zur Vermeidung von Messfehlern sehr exakt und sorgfältig gearbeitet werden muss. Vielleicht machen die Lernenden den Fehler und geben für eine inhomogene Mischung einen Dichtewert an. Dies kann passieren, wenn sie ausser Acht lassen, dass die zwei Flüssigkeiten nicht in jedem Verhältnis homogen mischbar sind. Möglicherweise vergleichen die Lernenden den experimentellen Dichteverlauf von Ethanol-Wasser-Mischungen mit dem berechneten und diskutieren die Unterschiede. Aus der Abweichung zwischen Messung und Rechnung können verschiedene Schlüsse gezogen werden (die Massen verhalten sich nicht additiv, die Volumina verhalten sich nicht additiv, die experimentellen Werte beinhalten Messfehler usw.). Eventuell werden die Abweichungen als nicht sehr dramatisch beurteilt. Vielleicht versuchen einige sogar, die Rechnung zu reproduzieren. Die Schülerinnen und Schüler könnten beim Ablesen des Volumens oder beim Abwägen von Flüssigkeiten mit relativ tiefem Siedepunkt Verdunstungseffekte feststellen. Dies ist eine mögliche Quelle von Messfehlern. Vielleicht entwickeln die Lernenden Strategien, um solche Effekte zu verhindern. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass die Temperatur einen Einfluss auf das Mischverhalten haben kann, wie beispielsweise bei der Mischung von CyclohexanMethanol ersichtlich ist. So ist es möglich, dass die Schüler feststellen, dass die Mischungslücke bei höherer Temperatur kleiner oder grösser wird und im Extremfall sogar verschwindet. Sie zeihen praktische Konsequenzen aus dieser Tatsache. Gelenktes Entdeckendes Lernen 14 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft C Bewertung und Beurteilung Die Beurteilung darf nicht darauf beruhen, ob eine Schülerin oder ein Schüler diejenigen Phänomene entdeckt hat, welche die Lehrperson als besonders wichtig oder interessant hält. Es sind viele verschiedene Entdeckungen und Lernerlebnisse möglich (vgl. Kapitel B). Der Lernende muss die Freiheit haben, seinen Gedanken freien Lauf zu lassen und seine eigenen Interessen in den Vordergrund zu stellen. Ebenso wenig darf man die Beurteilung von quantitativen Gesichtspunkten abhängig machen. Die Anzahl der verschiedenen, vom Lernenden behandelten Aspekte soll also nicht bewertet werden. Besonders quantitative Untersuchungen, die exaktes und konzentriertes Arbeiten sowie oftmals eine sorgfältige und detaillierte Vorbereitungs- und Planungsphase erfordern, können zeitlich sehr anspruchsvoll sein. Durch die Aufforderung zur schriftlichen Zusammenfassung der wichtigsten Überlegungen und Resultate in einem Bericht erreicht man, dass die Schülerinnen und Schüler Ihre Gedanken „ordnen“ und artikulieren. Dieser Teil ist zusammen mit dem Führen eines Messprotokolls zentral. Damit kann gewährleistet werden, dass die Lernenden nicht nur ein bisschen herumspielen, sondern dass sie sich seriös mit dem Thema befassen. Der Hauptzweck liegt aber darin, dass die Schülerinnen und Schüler lernen, eine systematische Arbeitsweise zu entwickeln und die durchgeführten Arbeiten sauber zu dokumentieren. Diese Fähigkeiten sind nicht nur in den Naturwissenschaften von zentraler Bedeutung. Deshalb wird einerseits verlangt, dass die Schülerinnen und Schüler eine Problemstellung formulieren und die eigenen Gedanken so in Worte fassen und schriftlich festhalten, dass sie für Drittpersonen verständlich sind. Andererseits sollen die Schülerinnen und Schüler lernen, dass Behauptungen experimentell belegt und durchgeführte Experimente sauber protokolliert und dokumentiert werden müssen. Dadurch erhalten sie auch einen kleinen Einblick in das naturwissenschaftliche Arbeiten und den Zusammenhang von Vermutung - Experiment Auswertung - Schlussfolgerung. In diesem Sinne wird beim abgegebenen Bericht geprüft, ob die Punkte, welche in Kapitel C des Materials für die Lernenden verlangt werden, vorhanden sind oder nicht. Vorwiegend die Punkte 2 bis 6 sind zentral und dürfen keinesfalls fehlen. Zudem soll bei der Bewertung der Berichte auf eine saubere und übersichtliche Darstellung geachtet werden (Punkt 8). Ob die gefundenen Ergebnisse, die Erklärungen und Folgerungen aus naturwissenschaftlicher Sicht korrekt sind, darf bei der Beurteilung keine Rolle spielen. Ebenso wenig soll die Entdeckungsleistung der einzelnen Schülerinnen und Schüler quantifiziert oder bewertet werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass für die in den Experimenten gemachten Entdeckungen und Beobachtungen logische Begründungen angegeben worden sind. Die Reinigung des Arbeitsplatzes und die Entsorgung der Chemikalien sollen auch in die Beurteilung einfliessen, denn dieser Punkt zeigt, ob sich die Lernenden professionell im Labor verhalten. Zudem verhindert er, dass die Lernenden einen unaufgeräumten Arbeitsplatz hinterlassen. Gelenktes Entdeckendes Lernen 15 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Im Vergleich zum Bericht muss die Bewertung dieses Aspektes aber ein deutlich kleineres Gewicht haben. Gelenktes Entdeckendes Lernen 16 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Literatur Sørensen J. M., Arlt W.: Dechema Chemistry Data Series: Liquid-Liquid Equilibrium Data Collection – Binary Systems. Volume V, Part 1. Frankfurt am Main 1979 (Dechema). Skrzecz A.: Solubility data in physicochemical data collections and data banks. In: Pure & Appl. Chem., 69 (1997) 943-950. Lide D. R.: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton 2004, 85 th Edition (CRC Press). Hansen C. M.: Hansen Solubility Parameters – A User’s Handbook. Boca Raton 2000 (CRC Press). Barton A. F. M.: CRC Handbook of Solubility Parameters and other Cohesion Parameters. Boca Raton 1991, 2nd Edition (CRC Press). Gelenktes Entdeckendes Lernen 17 Effekte beim Mischen von Flüssigkeiten
