Das Experiment im Chemie-Unterricht:

Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 1
Lernaufgaben im Chemieunterricht
Lewisformeln
Gilbert Newton Lewis entwarf 1916 ein einfaches Modell für die Bildung von Molekülen
1. Lernaufgabe
Input: Welches Molekül entsteht aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen?
Am Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff wird die Lewisdarstellung eingeführt. Die Lehrperson erklärt
beim Sauerstoff, dass zuerst 4 Elektronen als Punkte um das Symbol gezeichnet und erst nachher
Elektronenpaare gebildet werden. Atome bilden sodann Elektronenpaare bis keine einsamen Elektronen
übrig bleiben. Alle Überlegungen laut vordenken.
Mit der Lewisformel wird klar, dass sich ein Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verbindet.
Lernaufgabe Welches Molekül entsteht aus
 Wasserstoffatomen?
 Fluoratomen?
 Wasserstoff- und Fluoratomen?
 Wasserstoff- und Stickstoffatomen?
 Kohlenstoff- und Chloratomen?
 Neonatomen?
Merke:
In Lewisformeln kommt es nur auf die Valenzelektronen an.
— steht für ein bindendes oder freies Elektronenpaar
· ist die Darstellung eines einzelnen Elektrons, das sich mit einem einzelnen Elektron eines andern
Atoms verbinden kann
Das Atomsymbol gibt den Rumpf an.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 2
2. Lernaufgabe
Es gibt auch Mehrfachbindungen
Input: Lewisformel von O2
Lernaufgabe: Zeichnen Sie die Lewisformeln von N2, C2H3Cl, CO2 und S8
Empfehlung: Jetzt nur Moleküle bringen, die eindeutig sind! Ausnahmen wie CO, SO 2, O3 ein Jahr später
vorstellen
Merke:
Edelgasregel
Atome verbinden sich so zu Molekülen, dass sie den Edelgaszustand erreichen.
Herstellung von Kunststoffen
Auftrag: Entwerfen Sie Input und Lernaufgabe um die Polykondensation zu erklären
Voraussetzungen: Die SuS kennen die Versterung am Beispiel von Essigsäure und Ethanol.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
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Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 3
Herstellung von Kunststoffen
Polykondensation
Input
Lernaufgabe
Nylon ist ein Polyamid z. B. für Damenstrümpfe und Regenschirme:
H
H
N
N
H
H H
O
O
C
C
O
O
H H
H
N
N
H
H
Proteine sind Polyamide aus Aminosäuren:
SH
H
N
H
C
O
O
H
H
N
H
SH
C
O
O
H
H
N
H
C
O
O
H
H
O
O
C
H
N
H
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein Polyester z. B. für Getränkeflaschen &
Faserpelzjacken
O
H O
H
O
O
H
O
O H
H
O
O
H O
O
O
O H
O
H O
O
O H
H
Experiment: Synthese von Nylon
Erkenntnisse
 Kunststoffe sind Makromoleküle
 Kunststoffe entstehen aus kleinen Molekülen, aus den sog. Monomeren
 Funktionelle Gruppen sind wichtig, weil dort Veränderungen auftreten
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 4
Polymerisation
Empfehlung: Zuerst den Radikalstarter thematisieren und dann die Verknüpfung der Monomeren an
einem Beispiel erklären.
Einfach-Bindungen zwischen Sauerstoffatomen sind schwach
Experiment: Wer möchte den Finger verätzen?
Einen Finger 1 bis 3 Minuten in 30 % Wasserstoffperoxid-Lösung halten bis es brennt oder eine
Veränderung der Haut zu sehen ist. Dann 2 bis 3 Minuten unter fliessendes Wasser abspülen. Dabei
verstärkt sich die Verätzung.
Benzoylperoxid
1. Versuchen Sie die Lewisformel von Benzoylperoxid
(C6H5COO)2 zu zeichnen
2. Benzoylperoxid wirkt gegen Akne und ist zum Beispiel in
Lubexyl enthalten. Lesen Sie die Packungsbeilage
(fdchemie.pbworks.com) und beantworten Sie folgende
Fragen.
a) Welche unangenehmen Folgen kann Benzoylperoxid auf
der Haut haben? Weshalb muss mit diesen Wirkungen
gerechnet werden?
b) Warum muss Lubexyl 1 bis 2 Minuten nach dem
Auftragen gründlich abgespült werden?
c) Warum ist der Kontakt mit Augen, Lippen und Mund zu
vermeiden?
d) Warum darf Benzoylperoxid nicht in die Haare
gelangen?
e) Wie ist die antibakterielle Wirkung zu erklären?
Diskussion:
Benzoylperoxid zerfällt in Radikale, die mit Bakterien und Haut reagieren. Leider wird der
Wirkungsmechanismus in der Packungsbeilage nicht erklärt und lediglich mit einigen Fachausdrücken
erwähnt. Die Nebenwirkungen werden dagegen ausführlich geschildert.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 5
Radikalische Polymerisation
Vorschlag 1: Radikalstart, Kettenwachstum und Kettenabbruch erklären
Bildung von Radikalen
O
O
O
Licht,
Wärme
O O
2
•
2
O•
+ 2 CO2
2 R•
Kettenstart
H
R•
+
H
H H
C C
R C C•
H
H
Monomer
H H
Kettenwachstum
H H
R C C•
H
+
H H H H
R C C C C•
H
C C
H
H H
H H H H
R C C C C•
H
H H H H
H
+ n
H
C C
H
H H H H
H
H H H H H H
R C C C C C C•
H H H H H H
n
Kettenabbruch (Beispiel)
H H H H H H
R C C C C C C•
H H H H H H
H H
C H
H H
+
•C
n
H H H H H H H H
R C C C C C C C C H
H H H H H H H H
n
Kettenverzweigung (Beispiel)
H H
R C C•
+
H H
H C H
•
H C
+
H C H
H C H
H H
H C H
R C C H
H C H
H H
H
H
C C
H
H
H C H
H C H
+
•C
H
H C H
H C
H H
C C•
H C H
H H
Diskussion: Weshalb haben Schüler Probleme, diese Erklärung zu verstehen?
Die gängige Darstellung mit Radikalstart, Kettenwachstum und Kettenabbruch kann ohne Verlust
vereinfacht werden.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 6
Vorschlag 2: Lernaufgabe
Input
Polyvinylchlorid (PVC):
Lernaufgabe
Polyethylen (PE):
Polypropylen (PP):
Polystyrol (PS):
Plexiglas:
COOCH3
COOCH3
COOCH3
COOCH3
Eine Laboranleitung über Kunststoffe – in Form einer Werkstatt – finden Sie auf der Plattform
http://fdchemie.pbworks.com
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 7
Vorgehen im Unterricht
nach J. Grell, M. Grell: Unterrichtsrezepte, Verlag Beltz, Weinheim (1983)
1. Input





eine Aufgabe vormachen
laut denken und alle Schritte zeigen
Schüler nicht ausfragen
keine Diskussionen aufkommen lassen, vor allem nicht am Ende des Inputs
dauert 5 bis 7 Min.
2. Lernaufgaben
 Schülerinnen bearbeiten schriftlich gestellte Aufgaben
 die ersten Aufgaben müssen einfach sein. 80 % der Schüler sollten Erfolg haben
 regelmässig in der Klasse zirkulieren und sich nicht rufen lassen
 helfen, wenn es nötig ist. Die Lehrperson spricht leise und wendet sich nur dann an die ganze Klasse,
wenn viele Schülerinnen gravierende Probleme mit den Aufgaben haben
 auf diskrete Art Schüler, die sich entziehen möchten, zur Arbeit anhalten
 sich einen Überblick verschaffen
Jetzt wird klar, was die Schüler wirklich verstanden haben. Heute heisst das Formative Assessment
und interessiert die Lehr- und Lernforschung.
 dauert 10 bis 20 Min.
3. Lösungen angeben
 mehrere schnelle Schülerinnen schreiben die Lösungen an die Tafel, wenn genügend Zeit vorhanden
und die Lösung einfach zu notieren ist
 die Lehrperson projiziert die Lösungen, wenn wenig Zeit bleibt.
 Es ist wichtig, dass alle Schüler die korrekte Lösung der Lernaufgabe nach Hause nehmen
4. Diskussion
Nach dem Zirkulieren weiss die Lehrperson, was noch erklärt werden muss und wie lang die Diskussion
sein sollte. Auf jeden Fall müssen die Schülerinnen jetzt Gelegenheit haben, Fragen zu stellen
5. Merke
Die wichtigsten Erkenntnisse notieren und einrahmen. Zum Beispiel 2 Sätze diktieren.
Weshalb diese Schritte?
Mit dem Input die Aufgabe klären
Ein neues Verfahren einführen und die Struktur der Lösung angeben
In der Lernaufgabe setzen sich die Schüler aktiv mit dem Verfahren auseinander und sammeln
Erfahrungen. Damit erhalten viele SuS die Basis für die folgende Diskussion.
Lösungen angeben: Alle Schülerinnen müssen am Ende die richtigen Resultate in den Unterlagen haben
Diskussion: Weiterführende Fragen beantworten und Konsequenzen aufzeigen
Merke: Damit wird das Wichtigste betont und die Arbeit zusammengefasst.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
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Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 8
Säure-Base-Reaktionen
Lernaufgabe 1. Teil
Aufgabe: Wässrige Lösungen der folgenden Substanzen werden gemischt. Formulieren Sie die
Reaktionsgleichungen und bestimmen Sie die Lage der Gleichgewichte mit Hilfe der Säure-BaseTabelle
Input: Aufgabe 1 vorlösen
1) CH3COOH und NaOH
Lernaufgabe 1. Teil. Die SuS bearbeiten die Aufgaben selbständig
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.
Lösungen der Aufgaben vorstellen und 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
Lösungen der Aufgaben vorstellen und diskutieren
Rezept: Salze aquotisieren, Zuschauer streichen, grosse und kleine S und B symbolisieren die Säurenund Basenstärke. Das Gleichgewicht liegt auf Seiten der schwächeren Säure und Base.
Fortsetzung: Reaktion von Säure mit Kalk und Eisensulfid. In diesen Anwendungen wird die mehrfache
Übertragung von H+ geübt.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
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Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 9
Das Elektronenpaarabstossungs-Modell
Synonyme: EPA-Modell, VSEPR-Modell (=Valence shell electron pair repulsion)
Lernaufgabe 1: Elektronenpaare stossen sich ab
Input: Schüler zeichnen HCHO
Lösungen mit verschiedenen Winkeln an die Tafel schreiben lassen:
O
H
C
O
H
H
H
C
C
H
O
H
Welche Formel ist richtig?
Erklärung mit 4 Stiften, nicht mit Molymod: Die Elektronenpaare stossen
sich ab. Mehrfachbindungen werden wie Einfachbindungen behandelt.
Deshalb ergibt sich ein Bindungswinkel von 120°
O
C
H
H
Aufgabe
Moleküle mit korrekten Bindungswinkeln zeichnen:
CO2
HCN
C2H2
C2H4
CH4
Diskussion
Die Diskussion der Lösung geht in eine Erklärung zum Tetraederwinkel über.
Lernaufgabe 2: grössere Moleküle räumlich darstellen
Input: CH3CH3
Vorgehen: 1. Lewisformel zeichnen
2. Kohlenstoffkette in die Zeichnungsebene legen und Molekül räumlich darstellen
3. Modell bauen und räumliche Darstellung kontrollieren
Aufgabe
CH3CHO
CH3CHCH2
H2O
Diskussion
Viele Schüler zeichnen das Wasser-Molekül mit einem Winkel von 180°. In der Diskussion wird erklärt,
dass auch freie Elektronenpaare berücksichtigt werden müssen. Im Sinne einer didaktischen
Vereinfachung wird auf den Hinweis verzichtet, dass freie Elektronenpaare mehr Platz beanspruchen
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 10
und der Bindungswinkel in Wasser-Molekülen kleiner als 109° ist. Die Schülerinnen müssen sich so
nicht mit unsicheren Abweichungen befassen und können geometrisch argumentieren.
Lernaufgabe 3: Freie Elektronenpaare berücksichtigen!
Aufgabe
CH3OH
H2O2
HCOOH
NH3
CH3NHCH3
CH3CH2OCH2CH3
Was die SuS wissen müssen
 Moleküle sind räumlich
 Bei der räumlichen Darstellung wird die Kohlenstoffkette in die Zeichnungsebene gelegt.
 Freie Elektronenpaare müssen berücksichtigt werden
 Drei Bindungswinkel sind in der Chemie wichtig 180°. 120° und 109,5°
H
O
H
C
H
C
C
H
120°
C
H
H
180°
H
H
109,5°
Alanin H2NCH2COOH
Diskussion
Die Stärken von Lernaufgaben
 SuS setzen sich aktiv mit dem Stoff auseinander
 Die Lehrperson erfährt, wo die Schüler stehen und nicht erst in 3 Monaten an der Prüfung
 Die Methode ist sehr flexibel: Wenn wenig Zeit bleibt, kann die Zahl der Lernaufgaben spontan
reduziert werden
 Diese Unterrichtsform ist für die Lehrperson nicht anstrengend
 Die Lehrperson kommt mit scheuen SuS in Kontakt. 1:1 getrauen sie sich zu fragen, was sie im
Plenum nicht machen würden.
Schwierigkeit mit Lernaufgaben
 Lernaufgaben müssen gut gestellt sein und angemessene Anforderungen stellen
 Eignet sich für formale Aspekte der Chemie. Für Informationen eignet sich die Methode nicht.
 Einige sind fertig, andere arbeiten noch. Wann ist der richtige Zeitpunkt gekommen um die Lösungen
bekannt zu geben?
Wie damit umgehen?
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 11
Test: Wie erklärt man ein Gesellschaftsspiel?
Methode 1: Regeln studieren, dann spielen
Methode 2: Möglichst wenig Regeln erklären, mit dem Spiel beginnen und später die wichtigen Details
thematisieren
Probieren Sie aus, was besser geht!
„Tschau-Sepp“ Meisterschaft
Die Regeln sind von Ort zu Ort verschieden. Ich habe mich für die folgende Variante entschieden.
As
11
König
4
Ober
3
Under / Bauer
20
Banner
10
Neuner
9
etc.
Die Regeln
Zu Beginn erhält jeder Spieler die gleiche Anzahl Karten (meistens fünf), die restlichen Karten werden
verdeckt als Stapel abgelegt. Die oberste Karte des Stapels wird offen daneben gelegt.
Reihum kann jeder Spieler versuchen, eine seiner Karten abzulegen. Dies ist nur möglich, wenn die
abgelegte Karte in Kartenwert oder Kartenfarbe mit der obersten offen liegenden Karte übereinstimmt.
Auf die Rosen 10 z.B. darf also entweder eine andere Rosen-Karte oder eine andere 10 gelegt werden.
Kann dies der Spieler nicht, so muss er eine Karte vom Stapel ziehen; anschließend kann er diese Karte,
wenn sie den angegebenen Bedingungen genügt, ablegen. Ist der Stapel irgendwann aufgebraucht, so
werden die abgelegten Karten, ausser der obersten sichtbaren, gemischt und erneut als Stapel
ausgelegt.
Bei der zweitletzten gespielten Karte ruft der Spieler „Tschau“, bei der zuletzt gespielten Karte „Sepp“,
ansonsten setzt er eine Runde aus.
Am Ende des Spieles werden alle Karten in der Hand zusammengezählt und ergeben eine Anzahl
Minuspunkte. Das Ziel des Spieles ist, möglichst wenig Minuspunkte zu haben.
Einige Kartenwerte haben eine besondere Bedeutung
 Wird eine 7 gelegt, so muss der nächste Spieler, bevor er seinen Zug ausführt, zwei Karten vom
Stapel ziehen.
 Wird eine 8 gelegt, so muss der nächste Spieler eine Runde aussetzen.
 Ein Bauer/Under kann immer gelegt werden, er braucht nicht in Wert oder Farbe mit der ausliegenden
Karte übereinstimmen. Anschließend darf der Spieler, der den Bauer/Under gelegt hat, die nächste
auszuspielende Kartenfarbe bestimmen.
 Wird ein As gelegt, so darf ein zweites oder sogar ein drittes As gelegt werden. Es muss aber auf
jeden Fall eine zweite Karte der gleichen Farbe abgelegt werden.
Grabs, 21. Sept. 2005
Amadeus Bärtsch
P.Ha.
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 12
Struktur und Eigenschaften
4 Fälle
Substanz
Siede- und
Schmelztemperatur
Löslichkeit in Wasser
elektrische Leitfähigkeit
Fall 1: Moleküle
ohne H-Brücken
Wasserstoff
Fall 2: Moleküle
mit H-Brücken
CH3CH2OH
Ethanol
(= Trinkalkohol)
Fall 3: Salze
Kaliumnitrat
Fall 4: Metalle
Zink
WB steht für Wasserstoffbrücken
Faustregel für die Löslichkeit der Salze:
Sulfide, Carbonate und Hydroxide sind oft schwer löslich.
Alkalimetallsalze, Acetate und Nitrate sind immer leicht löslich.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
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Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 13
Struktur und Eigenschaften
4 Fälle
Substanz
Siede- und
Schmelztemperatur
Löslichkeit in Wasser
elektrische Leitfähigkeit
Fall 1: Moleküle
ohne H-Brücken
Wasserstoff
Fall 2: Moleküle
mit H-Brücken
CH3CH2OH
Ethanol
(= Trinkalkohol)
Fall 3: Salze
Kaliumnitrat
Fall 4: Metalle
Zink
WB steht für Wasserstoffbrücken
Faustregel für die Löslichkeit der Salze:
Sulfide, Carbonate und Hydroxide sind oft schwer löslich.
Alkalimetallsalze, Acetate und Nitrate sind immer leicht löslich.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 14
1. Aufgabe zeigt, dass die Eigenschaften zuverlässig aus der Struktur abgeleitet werden können.
Wie immer lohnt es sich eine Zeile vorzumachen
Substanz
Formel
Struktur
Siede- & Schmelztemperatur
wasserlöslich?
elektrisch
leitend?
Cd
Kr
Bariumsulfat
Natriumsulfat
Ti
TiO2
Ameisensäure
HCOOH
Formaldehyd
CH2O
Toluol
C6H5CH3
2. Aufgabe: Bestimmung des Aggregatzustands bei einfachen und anspruchsvollen Beispielen
In welchem Aggregatzustand liegen die Stoffe bei Raumtemperatur (also bei 25 °C) vor?
He, H2, CH4, CH4O, CH3CH2OH, NaOH, Na, CH3(CH2)5CH3, CH3(CH2)5000CH3, HCl, NaCl, H2O, Fe,
NH2CH2COOH
3. Aufgabe: Eigenschaften, die nicht ohne weiteres in der chemischen Formel ersichtlich sind
(siehe http://fdchemie.pbworks.com/w/page/69211751/Struktur%20und%20Eigenschaften)
In der 2. und 3. Aufgabe lernen die Schülerinnen und Schüler, wie sie vorgehen müssen, wenn die
Substanzen nicht mehr eindeutig den typischen 4 Fällen zugeordnet werden können.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Lernaufgaben im Grundlagenfach S. 15
Salzformeln
Input: 1. Bsp: Magnesium und Fluor
Zuerst einen kognitiven Konflikt aufbauen: Zeichnen Sie die Lewisformel von F 2 und MgF2
Mit Lewisformel erklären, warum MgF2 keine Moleküle bildet: Ca kann den Edelgaszustand durch
kovalente Bindungen nicht erreichen
Wenn Elektronen übertragen werden, können die Atome den Edelgaszustand erreichen:
Erklärung. Laut denken: Atome mit wenig Valenzelektronen leeren die äusserste Schale. Atome mit
vielen Valenzelektronen füllen die Schale. Es werden wenig Elektronen übertragen, weil die Übertragung
auf Grund der Coulomb-Kräfte mit jedem Elektron schwieriger wird.
Lernaufgabe
2. Bsp: Calcium und Chlor
3. Bsp: Schwefel und Natrium
4. Bsp: Magnesium und Sauerstoff
5. Bsp: Sauerstoff und Aluminium
6. Bsp: Wasserstoff und Natrium
Merke: Metallatome bilden Kationen. Nichtmetallatome bilden Anionen. Es entsteht ein Ionengitter, wobei
sich positive und negative Ladung kompensieren.
Abschluss
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Direkter Link: http://fdchemie.pbworks.com/w/page/84477544/Kurse%20EducETH
Mit einem Doodle werde ich alle zu einem Erfahrungsaustausch einladen.
Amadeus Bärtsch
14. März 2016