Übung zur Stöchiometrie - Fachdidaktik Chemie ETH
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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. Fachdidaktik Chemie 2 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 Fachdidaktik Chemie 2 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 Fachdidaktik Chemie 2 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.
