Das Experiment im Chemie-Unterricht:

Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 1
Säure-Base-Reaktionen
Was sind Säuren und Basen?
Experiment
Beobachtung: Deionisiertes Wasser leitet den Strom praktisch nicht. Der Leitfähigkeitsprüfer
leuchtet nicht. Wird Chlorwasserstoff zugegeben, beginnt die Lampe zu leuchten.
Auswertung:
Wenn gasförmiger Chlorwasserstoff in Wasser geleitet wird, entstehen aus ungeladenen
Molekülen Ionen. Eine Lösung von Ionen leitet den Strom.
Definition: Säuren sind Protonenspender. Sie können H + an eine Base abgeben.
In der Organischen Chemie ist es üblich, dass Pfeile von Elektronenpaaren ausgehen. Die
obige Darstellung weicht von dieser Konvention ab und zeigt, dass H + von der Säure auf die
Base übertragen wird. Die Richtung des Pfeils entspricht dem Begriff Protonenspender und
passt zur Definition. Entscheiden Sie selber, wie Sie die Pfeile zeichnen wollen.
Kontrollversuche:
1) Mit Silbernitrat-Lösung können die entstandenen Chlorid-Ionen nachgewiesen werden.
2) Der Leitfähigkeitspüfer leuchtet nicht, wenn Chlorwasserstoff in ein apolares Lösungsmittel, z.
Bsp. Heptan geleitet wird.
Kein Schüler denkt an diese Abklärungen und entsprechend klein ist das Interesse. Ich lasse die
Kontrollen meistens weg und lenke damit auch nicht vom primären Ziel ab vorzustellen, was eine
Säure und eine Base ist. Anders sieht es aus, wenn man das wissenschaftliche Vorgehen
thematisieren möchte. Dann bietet sich hier eine gute Gelegenheit Positiv- und Negativ-Kontrolle
zu demonstrieren.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 2
Aufgabe: Säure-Base-Reaktionen formulieren
1)
als Input vormachen: HNO3 + H2O
2)
HCl + NH3
3)
CH3COO- + HCl
4)
H3O+ + OH-
5)
HCOOH + H2O
Kommentar: Die Beispiele in dieser Aufgabe sind so gewählt, dass die Schüler die Säuren und
Basen erahnen können. Folgende Argumente können die SuS zum jetzigen Zeitpunkt
benützen: HCl wurde als Säure vorgestellt. Wegen den Coulomb-Kräften geben Kationen H+ ab
und Anionen nehmen H+ auf. Weil Kohlenwasserstoffe reaktionsträge sind, gibt bei
Ameisensäure nur die COOH-Gruppe ein Proton ab.
Erkenntnis: Es ist schwierig die Säuren und Basen zu identifizieren. Wir brauchen eine Tabelle.
Die Säurestärke
Experiment
Die Säure-Base-Tabelle
Persönliche Empfehlung: pKs-Wert an dieser Stelle nicht thematisieren.
Begründung: Schülerinnen sehen nicht ein, weshalb die Konzentration von Wasser und die
Gleichgewichtskonstante zu Ks zusammengefasst werden. Zudem haben viele Schüler kein gutes
Verhältnis zum Logarithmus. Am Ende verwechseln Schüler pH und pKs oft und sehen nicht, dass
das eine eine Konzentrationsangabe und das andere eine Materialgrösse ist.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
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Säure-Base-Reaktionen S. 3
Tabelle von Dr. K. Pfefferkorn, Kantonsschule Oerlikon
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 4
Aufgaben
1) Input: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und bestimmen Sie die Lage des Gleichgewichts
mit Hilfe der Säure-Base-Tabelle wenn CH3COOH, NaOH und Wasser gemischt werden.
Auftrag: Die Beispiele sind für den Unterricht wichtig. Oft brauche ich viel Zeit und halte mehrere
Lektionen bis ich mich entschieden habe. Warum wurden diese Beispiele gewählt? Haben Sie
andere Vorschläge? Was ist problematisch?
Lernaufgabe 1. Teil
2) HF und KCN
ähnlich wie Input; ev. die Substanzen vorstellen
3) NaCl und HCOOH
Säure steht an 2. Stelle; Gl. gew. liegt links
4) NH3 und H2O
Ampholyte; Ammoniak ist Base, nicht Säure.
Resultate diskutieren
Lernaufgabe 2. Teil
5) NH3 und NaH2PO4
Ampholyt
6) NaHCO3 und NaHSO4
Ampholyt; Experiment: Salz mischen, dann Wasser zugeben
7) Na2SO3 und HNO3
2-protonige Base
8) H3PO4 und NaOH
3-protonige Säure
Resultate diskutieren. Sie müssen bestimmt erklären wie mehrprotonige Säuren und Basen
reagieren. In den folgenden Anwendungen mit Kalk und Eisensulfid wird die mehrfache
Aufnahme von H+ geübt.
Rezept: Salze aquotisieren, Zuschauer streichen, grosse und kleine S und B symbolisieren die
Säuren- und Basenstärke. Das Gleichgewicht liegt auf Seiten der schwächeren Säure und
Base.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
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Säure-Base-Reaktionen S. 5
Anwendungen
1. Entkalken
Salzsäure, Putzessig, WC-Ente und Schnellentkalker mit Sulfamin- oder Zitronensäure lösen Kalk
auf
Aufgabe: Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen
der Entkalkung, die zur Abbildung der Prozesse passt.
Mit einer Reaktionsgleichung können die Anfangs- und
Endstoffe angegeben werden
CaCO3(s) + 2 HCl(g)
Ca2+(aq) + CO2(g) +
H2O + 2 ClWenn Sie den Prozess schrittweise beschreiben, wird es
sehr unübersichtlich. Mir gefällt deshalb die oben
stehende pauschale Reaktionsgleichung besser.
HCl(g)
Cl-(aq) + H3O+(aq)
+
H3O (aq) + CO32-(aq)
HCO3-(aq)
H3O+(aq) + HCO3-(aq)
H2CO3(aq)
H2CO3(aq)
CO2(g) + H2O
Experimente
1. Kalk reagiert mit Säure
Demonstrationsexperiment und Arbeitsblatt von Stefan Sandriesser aus dem Experimentierkurs
HS 2011. Siehe http://fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionen.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 6
2. WC-Ente, Putzessig und Salzsäure
WC-Ente
"WC-Ente forte enthält 10 % Ameisensäure. Diese ist mindestens so gut biologisch abbaubar wie
Essig, entkalkt aber wirksamer." Leider steht dieser Satz heute nicht mehr auf der Packung. Jetzt
verrät die Deklaration nur noch, dass das Produkt weniger als 10% Ameisensäure enthält.
Putzessig enthält 9,5 % Essigsäure
2. Stinkbombe
Aufgabe
Chlorwasserstoff reagiert mit Eisen(II)-sulfid und ein übel riechendes Gas entweicht. Formulieren
Sie die Reaktionsgleichung.
Schwierigkeit
Die Schüler müssen erkennen, dass 2 Protonen übertragen werden und die Reaktionsgleichungen
selbständig formulieren.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 7
Demonstration
Empfehlung: Mit grossen Mengen Schwefelwasserstoff werden Sie nicht mehr Sympathie erhalten
als mit kleinen. Ich würde nur wenig Schwefelwasserstoff erzeugen: In einem grossen
Reagenzglas ein Stück Eisen(II)-sulfid mit 2 M Salzsäure überschichten und verschiedenen
Schülerinnen und Schülern kurz unter die Nase halten. Allenfalls bei einem Schüler stehen lassen
und fragen, wie wir die Reaktion abstellen könnten. Bald mit Natronlauge basisch stellen.
Entsorgung: Basische Mischung mit Natriumthiosulfat reagieren lassen und dann in die
Kanalisation leeren.
3. Brausetabletten
Demonstration
In einem grossen, transparenten Becher 2.1 g Zitronensäure, 0.88 g Sorbit, 0.94 g Natriumhydrogencarbonat, 0.225 g Vitamin C und 45 mg Aspartam (z. B. Canderel, 2-3 Tabletten)
abwägen, 3 dl Wasser zugeben und die Klasse in kleinen Bechern degustieren lassen.
Aufgabe
Hier sind 3 Inhaltsstoffe des Brausepulvers angegeben.
OH
OH
HO
O
O
HO
OH
OH
NaHCO3
OH
OH
OH
HO
O
Wenn Wasser zugegeben wird, läuft eine Säure-Base-Reaktion ab.
1. Identifizieren Sie Säure und Base. Leider ist nur eine der 3 Substanzen in der Säure-BaseTabelle aufgeführt.
2. Markieren Sie die Protonen, die die Säuren abgeben können mit Farbe in den Formeln.
3. Formulieren Sie die Reaktion, die in Brausetabletten abläuft.
4. Warum braust eine Brausetablette?
Schwierigkeit
Die Schülerinnen müssen in der Säure-Base-Tabelle nach ähnlichen Substanzen suchen, COOH
als Säure identifizieren und die Alkohol-Gruppe nicht mit Hydroxid verwechseln
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 8
Labor: Chlorwasserstoff und Salzsäure
Wenn Sie neben den Theoriestunden auch Laborunterricht haben, wäre es jetzt günstig das
Praktikum "Chorwasserstoff und Salzsäure" durchzuführen. Die Anleitung finden Sie auf der
Plattform http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47875789/Labor im Grundlagenfach
Dieses Praktikum lohnt sich:
 Die Schüler müssen eine komplizierte Apparatur aufbauen, was handwerkliches Geschick
erfordert.
 Der Springbrunnen ist spektakulär und ruft nach einer Erklärung
 Es geht um eine wichtige Säure
 Schüler sind überrascht, dass Gase in Wasser gelöst werden können.
Erkenntnisse:
 Chlorwasserstoff ist ein Gas
 Salzsäure ist eine Lösung von Chlorwasserstoff in Wasser
 Konzentrierte Salzsäure enthält 37 % Chlorwasserstoff
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 9
Neutralisation
Inszenierung
Natriumhydroxid und Chlorwasserstoff werden in Wasser gelöst und gemischt. Formulieren Sie die
Reaktionsgleichung:
Na+(aq) + OH-(aq) + HCl(aq)
Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O
Das heisst: Aus ätzender Natronlauge und ätzender Salzsäure entsteht Salzwasser, mit dem
z. B. Teigwaren zubereitet werden können.
Experiment: Natronlauge und Salzsäure mischen, Mengen aber nicht abmessen
Wer will degustieren?
Die Mischung jemandem aufdrängen.
Halt! Warum ist das gefährlich?
Wir brauchen dieselbe Stoffmenge!
Experiment anpassen: Wenig Bromthymolblau zugeben, rühren und neutralisieren.
Wer will degustieren?
Jetzt will niemand mehr degustieren. Deshalb nehme ich einen kleinen Schluck.
Notizen
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 10
Der pH-Wert
Experiment
pH von Cola, Essig, Mineralwasser und Seifenwasser messen
Auswertung:
 Der pH-Wert ist ein Mass für die
Konzentration an H3O+
 Der pH-Wert legt die Konzentration der Hydronium-Ionen fest
 Je tiefer der pH-Wert, desto
grösser ist die Konzentration von
H3O+
Definition
pH = - log[H3O+]
Der pH-Wert starker Säuren
1. Bsp. als Input vormachen. Rechnung mit
einer Skizze versehen, wie es rechts
abgebildet ist:
Wie gross ist der pH-Wert, wenn 2 g HBr
in 3 Liter Wasser gelöst werden.
Selbständige Arbeit
2. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn
2 g HBr in 3 Liter Wasser gelöst werden.
3. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn
2 g CH3COOH in 3 Liter Wasser gelöst
werden.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 11
Diskussion: Obwohl HBr eine stärkere Säure ist als HCl, ergibt sich ein höherer pH-Wert, weil die
Molekülmasse grösser ist. Auch in Essigsäure-Lösung ist der pH höher, weil sie eine schwache
Säure ist und die Voraussetzung der Berechnung nicht erfüllt ist.
Die Autoprotolyse
M. Stieger zeigt im Buch "Elemente", wie Sie die Autoprotolyse einführen könnten (S. 227, 2008)
Erkenntnis: Ionenprodukt: [H3O+] · [OH-] = 10-14 mol2·L-2
das heisst: Die Konzentrationen von H3O+ und OH- sind voneinander abhängig.
Weil sie miteinander reagieren, können nie viel H3O+ und viel OH- nebeneinander in einer
Lösung existieren.
[H3O+]
[OH-]
[H3O+] · [OH-]
1
10-1 mol/L
10-13 mol/L
10-14 mol2·L-2
sauer: viel H3O+ wenig OH-
7
10-7 mol/L
10-7 mol/L
10-14 mol2·L-2
neutral: geringe Konzentrationen von
H3O+ und OH-
12
10-12 mol/L
10-2 mol/L
10-14 mol2·L-2
basisch: wenig H3O+ viel OH-
pH
Empfehlungen
 Ich thematisiere die Autoprotolyse erst an dieser Stelle, also nach der Einführung des pH, dann
wenn das Ionenprodukt für die Berechnung der pH-Werte starker Basen nötig ist.
 Die Leitfähigkeit von reinem Wasser lässt sich nicht demonstrieren. Das Wasser bestimmt nicht
rein genug für diese Messung.
 pH-Berechnungen sollten meiner Meinung nach nicht allzu viel Zeit beanspruchen. Ich
beschränke mich im Grundlagenfach auf den pH-Wert starker Säuren und Basen.
Der pH-Wert starker Basen
Aufgabe: Wie gross ist der pH-Wert, wenn 4 g Natriumhydroxid in 10 Liter Wasser gelöst werden?
Tipp: Berechnungen mit Skizzen versehen. Die Skizze wird übersichtlicher, wenn die Na +-Ionen in
der Lösung weggelassen werden.
Aufgabe: Der pH-Wert einer Lösung beträgt -6.
a) Wie gross ist die Konzentration an H3O+?
b) Wie gross ist die Masse von H3O+ in einem Liter?
Erkenntnis: Der pH-Wert wird nur in verdünnten, wässrigen Lösungen gemessen.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 12
Indikatoren
Bsp. Bromthymolblau
Aufgabe: Worin unterscheiden sich die beiden Formen?
Br
H
Br
O
O
H
H
O
O
Br
Br
O
S
O
O
S
O
O
O
gelb
blau
Vereinfachung:
C27H28Br2O5S
HIn
oder: HIn + H2O
C27H27Br2O5S –
In In - + H3O+
Le Châtelier erklärt den Farbumschlag
Erkenntnisse
 Indikatoren reagieren als Säure oder Base
 Bromthymolblau kommt in zwei Formen vor, die sich in der Farbe unterscheiden, weil die
konjugierten Doppelbindungen verändert werden.
Säuren reagieren mit Wasser zu H3O+und protonieren die negativ geladene Form des Indikators:
Demonstration:
Gelbe Zettel mit Hin und blaue
Zettel mit In – anschreiben.
Immer einen gelben und blauen
Zettel aufeinander legen und mit
einem Magneten an der Tafel
befestigen. So kann der
Farbumschlag erklärt werden.
Basen erzeugen OH- und reagieren mit HIn:
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 13
Indikatoren haben unterschiedliche Farben und Umschlagsbereiche
Bromthymolblau
Methylorange
Methylrot
Phenolphthalein
Thymolblau
pH= 1
4
7
9
13
Material:
 25 Bechergläser (Grösse 25 ml) auf Glasplatte
 Methylorange, Methyrot, Bromthymolblau, Phenolphthalein und Thymolblau
 0,1 M Salzsäure und 0,1 M Natronlauge
 Puffer pH 4, 7 und 9 jeweils 1:20 verdünnt
Vorbereitung: Lösungen 2 cm hoch in die Bechergläser abfüllen
In der Lektion: Indikator-Lösungen zutropfen
Schüler mischen einen Universalindikator selber
Aufgabe: Welche Mischung der oben erwähnten Indikatoren zeigt bei jedem pH-Wert eine
andere Farbe? Lösung: 2 Teile Methylrot, und je einen Teil Thymolblau und Bromthymolblau.
Der Indikator verhält sich dann wie eine Ampel.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 14
Puffer
Cornelia Luginbühl (Experimentierkurs 2012)
Anleitung und Arbeitsblatt finden Sie auf www.fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-BaseReaktionen
Demonstration
1) In ein mit deionisiertem Wasser gefüllten Becherglas tropfenweise 1M HCl zugeben. Nach ca.
10 Tropfen ist der pH-Wert auf ca. 3 gesunken.
2) Zu dieser Lösung nun 1M NaOH zugeben. Nach 15 Tropfen steigt der pH-Wert auf ca. 9
3) Nun das Gleiche mit der Pufferlösung wiederholen.
10 Tropfen HCl dazugeben, pH-Wert?
15 Tropfen NaOH dazugeben, pH-Wert?
4) Um die Wirksamkeit der Pufferlösung stärker zu veranschaulichen und die Pufferkapazität zu
thematisieren weiter 1M NaOH oder HCl dazugeben, zuerst tropfenweise, dann hineinleeren bis
sich der pH-Wert deutlich ändert.
Reaktionsgleichung: CH3COOH + H2O
CH3COO- + H3O+
Erklärung
Da wir bei der Zugabe einer
Säure oder einer Base keine
pH-Änderung beobachten
können, heisst es, dass
diese von den Komponenten
der Pufferlösung neutralisiert
werden.
Vorschlag:
1) Lehrperson erklärt mit
Abbildung.
2) SuS müssen in Worten
oder mit einfacher Skizze
selbständig notieren
Abbildung aus R. E.
Dickerson & I. Geis, Chemie
- eine lebendige und
anschauliche Einführung,
Verlag Chemie, Weinheim
(1981)
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 15
Demonstration und Erklärung von Damaris Niggli (Experimentierkurs 2011)
Anleitung und Arbeitsblatt auf www.fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionenn
Wasser (an der Tafel)
Puffer
In unserem Puffersystem steht HA für die schwache Säure, A- für die konjugierte Base.
Aufgabe: Füllen Sie die Bechergläser mit den richtigen Molekülen und malen Sie die Lösungen
entsprechend ihrem pH grün, blau oder gelb.
Lösung:
Titration
Ideal ist es, wenn die Titration in der Stunde eingeführt und anschliessend im Labor vertieft wird.
Das Demonstrationsexperiment wurde von Rudi Pletzer im Experimentierkurs 2012 beschrieben
und mit einem Arbeitsblatt ergänzt. Die Unterlagen finden Sie auf der Plattform.
Auch eine Laboranleitung ist eingestellt.
Auftrag
a) Erklären Sie den Äquivalenzpunkt mit in einer Skizze.
b) Erklären Sie einem Schüler, warum der Äquivalenzpunkt häufig nicht bei pH 7 liegt.
Amadeus Bärtsch
23. April 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Säure-Base-Reaktionen S. 16
Übung 6: Redox-Reaktionen
1. Verbessern Sie das beiliegende Arbeitsblatt.
2. Sie erklären die Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid an der Wandtafel. Entwerfen Sie
das Wandtafelbild.
3. Was müssen die SuS zum Thema Aluminium kennen?
Erwartung: Dokument von 1 bis 2 Seiten Länge, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten als WordDokument, im Notfall als PDF.
Abgabe bis spätestens Donnerstag, 28. April 2016, 15 Uhr per Mail an [email protected].
Amadeus Bärtsch
23. April 2016