Übung zur Stöchiometrie - Fachdidaktik Chemie ETH

Fachdidaktik Chemie 2
Übung 1 vom 20.02.2015
Robert Gauss
Übung zur Stöchiometrie
Aufgabe 1.1 – Übung zur Masse von Verbindungen
Ergänze folgende Tabelle; benutze dazu Dein Periodensystem.
Stoff
Formel
Wasser
H2O
Calciumchlorid
CaCl2
Ethanol
C2H6O
Aluminiumbromid
Masse [u]
266.68
Lösung an der Tafel:
Ich finde die Aufgabe gut, weil die Schüler lernen, die Masse von Verbindungen anhand der
chemischen Formel zu berechnen. Die Schwierigkeit nimmt mit der Komplexität der Formel zu. Am
Ende kommt eine Überraschung, bei der Schüler etwas überlegen müssen, wie man von der Masse
der Verbindung zur Formel kommt. Als Erweiterung für besonders schnelle Schüler wäre z.B. Eisenoxid
möglich, da müssen sie etwas mehr knobeln. Gerade das Knobeln am Ende könnte eine interessante
Herausforderung für Schüler darstellen, die bereits begriffen haben, wie man die Masse von
Verbindungen anhand der Formeln berechnen.
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Übung 1 vom 20.02.2015
Robert Gauss
Aufgabe 1.2 – Übung zur Atommasse
Das Gehirn des Menschen verbraucht ausschließlich Traubenzucker C6H12O6, um seine Funktionen
erfüllen zu können. Formal wird dabei in den Nervenzellen Traubenzucker mit Sauerstoff zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser verbrannt.
a)
Stelle die Reaktionsgleichung auf!
b)
Wieviel Gramm Wasser entstehen bei der Verbrennung von Traubenzucker im Körper, wenn Du
ein Päckchen mit 100 g Traubenzucker isst?
Lösung:
Ich finde das an der Aufgabe gut, dass sie durch das Verwenden eines Lebensmittels einen direkten
Bezug zu den Schülern herstellt. Jeder hat schon mal Traubenzucker gegessen, um wieder besser
denken zu können; man kann sich leicht mit der Aufgabe identifizieren. Man könnte natürlich auch
nach der Menge an CO2 fragen, die abgeatmet wird, um i.V.m. Autoabgabes und Treibhauseffekt auf
die CO2-Problematik zu sprechen zu kommen. Man könnte auch in einer nächsten Aufgabe
berechnen, wie lange z.B. ein Baum braucht, um eben diesen Traubenzucker durch Photosynthese
herzustellen; sicherlich eine interessante Erkenntnis, wie lange Pflanzen brauchen, um unsere
Nahrung herzustellen.
Aufgabe 2
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Übung 1 vom 20.02.2015
Robert Gauss
Da ich schon unterrichte, kann ich nicht mehr unvoreingenommen meine Erwartungen formulieren;
hier eine kurz Zusammenfassung meiner bescheidenen Unterrichtserfahrung und meine Erwartungen
bzgl. weiterer Schwierigkeiten.
Es fängt bei ganz kleinen Dingen bereits in den ersten Stunden an: Rechnen im Mathe-Unterricht ist
für die Schüler offenbar okay, aber angewandte Mathematik, das ist vielen weniger gut verständlich.
Brüche umformen, die nicht nur x und y enthalten oder einfache Zahlen, das scheint für viele ein
Problem darzustellen. Ganz zu schweigen vom Rechnen mit Potenzen oder dem Auflösen oder
Umformen von Gleichungen mit Brüchen. Es bedarf einiger Repetition, damit die Schüler das
verständlich finden. Interessant war die Bemerkung einer Mathematiklehrerin, die ich diesbezüglich
darauf hin ansprach. Sie meinte, dass die Schüler das alles schon gehabt hätten und können müssten.
Aber in Mathe würde man das eben losgelöst von konkreten Beispielen betrachten; was ich an Mathe
bräuchte, würde ich am besten selbst den Schüler beibringen, im Mathe-Unterricht kann sie das nicht
leisten. Interessant!
Dass Schüler den Zusammenhang zwischen Teilchenmasse, Teilchenanzahl und Masse einer
Stoffportion nicht ohne weiteres einleuchtend finden, ist für mich immer wieder eine Überraschung;
erst viele Beispiele aus dem Alltag (Geldstücke-Geldrolle; PET-Flasche-Six Pack; Eier-Schachtel mit
Eiern) helfen beim Verständnis. Das gleiche gilt für die Einheit „Mol“ – ein sehr großer Schritt für viele.
Dass man in der Chemie in Stoffmengen rechnet und weniger in Gramm oder Litern, ist für viele eine
sehr große intellektuelle Herausforderung. Eben genannte Beispiele halfen beim Verständnis und nur
das stetige Wiederholen und erneute Erklären brachte einen gewissen Erfolg. Ein paar Schüler haben
es sehr schnell verstanden, viele anderen ist die Stoffmenge immer noch recht unheimlich und sie sind
damit überfordert.
Ein weiteres Problem liegt wohl darin begründet, dass am FGZ die Stöchiometrie gleich zu Beginn des
Chemieunterrichts gelehrt wird. Die Schüler haben noch nicht genügend chemisches Verständnis vom
Atombau, chemischen Bindungen und Reaktionen, als dass sie chemische Formeln und
Reaktionsgleichungen verstehen können. Sie verstehen beispielsweise nicht, wie die Indexe in den
Formeln zustanden kommen; manchen Schülern erschwert dies das Umgehen mit Formeln in
Reaktionsgleichungen. Ich hoffe, ich kann meine Kollegen überzeugen, dass wir die Stöchiometrie an
das Ende des ersten Jahres Chemie oder noch besser ins zweite Jahr verschieben. Ich bin der Meinung,
mit mehr chemischen Verständnis und damit mehr Selbstvertrauen in diesem Fach, würde den
Schülern die Stöchiometrie deutlich leichter fallen.
Aufgabe 3
So habe ich versucht, die Stöchiometrie einer Klasse mit SF Wirtschaft/Recht schmackhaft zu machen:
Stellt euch vor, ihr seid der Leiter einer Fabrik, die Autos herstellt. Angnommen, ihr wollt 100 Autos
produzieren. Dann müsst ihr vorher wissen, wie viele Reifen, Türen, Lenkräder, Sitze und so weiter ihr
braucht. Wenn ihr beispielsweise 120 Lenkräder kauft, dann würdet ihr 20 davon nicht verbrauchen,
ihr hättet zu viel für das Rohmaterial ausgegeben und euer Gewinn würde dementsprechend
geschmälert werden. Für die Produktion von Autos muss man sich also genau überlegen, welche und
wie viele Rohstoffe und Bauteile man braucht, um möglichst kostensparend und ohne unnötigen
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Übung 1 vom 20.02.2015
Robert Gauss
Ausschuss zu arbeiten. Das gleich gilt in der chemischen Industrie. Oder stellt euch vor, ihr seid der
Hersteller von Düngemitteln; dann müsstet ihr wiederum wissen, wie viel Rohmaterial ihr einkaufen
müsst, damit ihr den Dünger effizient zusammenmixen könnt. Ganz ähnlich müssen auch Betriebe wie
beispielsweise Novartis oder Roche rechnen. Die möchten ein Medikament, z.B. ein Antibiotikum
herstellen. Das sind ziemlich komplizierte Moleküle (evtl. eines an projizieren), die man auch
einfacheren Vorläufermolekülen herstellt. Novartis muss also sehr genau überlegen, wie viel es von
der Vorläufermolekülen einkauft, um die Kosten möglichst niedrig und den Gewinn möglichst hoch zu
halten. Die Frage ist nun, wie machen die das, wie können die das Berechnen? Beim Auto können wir
uns das ja einfach vorstellen, aber bei Molekülen? Ziel der nächsten Stunden ist daher, dass wir uns
die Grundlagen dieser Rechenwege erarbeiten und verstehen lernen, wie man in der Chemie z.B.
berechnet, welche Mengen an Edukten man benötigt oder wie man die Ausbeuten von Synthesen
berechnet.
Aufgabe 4
Bei der Klasse mit SF Wirtschaft/Recht Ich habe versucht, den Schülern das Mol über die Analogie
Geldrollen nahe zu bringen. Um in der Bank nicht immer einzelne Münzen zählen zu müssen, packt
man immer 50 Münzen in eine Rolle. Das ist dann recht praktisch handzuhaben. Eine Rolle hat
demnach – je nach Art der Münzen – eine spezifische Masse – die Geldrollenmasse. In der Chemie ist
es ganz ähnlich und man hat eine neue Einheit definiert – das Mol. Nur sind Atome und Moleküle viel
kleiner, daher ist die Zahl der Atome und Moleküle viel größer die man in einem Mol zusammenfasst –
nämlich 6.022x1023 Teilchen! In Analogie zu den Geldrollen kann man leicht die molare Masse
ableiten, die ja auch je nach Art der Atome oder Moleküle unterschiedlich ist.
Definition: Eine Stoffmenge von einem Mol enthält 6.022x1023 Teilchen.