Die Systematisierung von Stoffen ist eine der wichtigen Aufgaben des Chemieunterrichts in der Sekundarstufe I. Dabei werden Stoffe zum Einen Aufgrund ihrer phänomenologischen Eigenschaften systematisiert zum Anderen erfolgt die Systematisierung auf der Grundlage des Atommodells und damit des Atombaus. Eine weitere Art der Systematisierung ist die Erarbeitung von Ordnungskriterien der Reaktivität.
Zu diesem Themenbereich wird folgender Versuch vorgeschlagen:
Man bläst Pulver gleicher Korngröße der Metalle Eisen, Kupfer und Magnesium mit Sauerstoff in die nichtleuchtende Brennerflamme. Das Reaktionsvermögen wird verglichen. Das Ergebnis ist, dass sich deutliche Unterschiede in der Heftigkeit der Reaktion zeigen. Aufgrund dieser Heftigkeit kann das Bindungsbestreben der Metalle zu Sauerstoff geordnet werden. Metalle, die ein großes Bestreben haben mit Sauerstoff zu reagieren, werden unedle Metalle genannt, Metalle die ein geringes Bestreben haben mit Sauerstoff zu reagieren, werden edle Metalle genannt.
Dieses qualitative Ordnungsprinzip soll bereits im ersten Jahr des Chemieunterrichts eingeführt werden.
In der gymnasialen Oberstufe wird dieses Ordnungsprinzip wieder aufgegriffen und quantifiziert. Es äußert sich in der elektrochemischen Spannungsreihe der Elemente oder in den Bildungsenthalpien.
Im Folgenden werden zwei Versuche über die Einführung der elektrochemischen Spannungsreihe, sowie die Einführung der thermodynamischen Größen Reaktionsenthalpieenthalpie, Entropie und freie Reaktionsenthalpie vorgestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Historie der Spannungsreihe
3 Die Unterrichtseinheit
4 Die Versuche
4.1 Bestimmung der Reaktionsenthalpie in Joghurtbechern
4.1.1 Benötigte Geräte
4.1.2 Benötigte Chemikalien
4.1.3 Durchführung
4.1.4 Messergebnisse
4.1.5 Theorie
4.1.6 Auswertung
4.1.7 Fehlerbetrachtung
4.1.8 Ergebnis
4.2 Bestimmung der freien Reaktionsenthalpie in galvanischen Zellen
4.2.1 Geräte
4.2.2 Chemikalien
4.2.3 Durchführung
4.2.4 Messwerte
4.2.5 Theorie
4.2.6 Auswertung
4.2.7 Fehlerbetrachtung
4.2.8 Ergebnis
5 Vergleich der Enthalpie mit der freien Enthalpie
6 Relevanz für den Unterricht
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, thermodynamische Größen wie Reaktionsenthalpie, Entropie und freie Reaktionsenthalpie im Chemieunterricht der Sekundarstufe II zu veranschaulichen. Durch experimentelle Methoden wird eine quantitative Einordnung von Metallen nach ihrem edlen beziehungsweise unedlen Charakter erarbeitet und die theoretische Fundierung durch thermodynamische Gleichungen vertieft.
- Systematisierung von Metallen anhand ihrer Reaktivität
- Einführung und experimentelle Bestimmung thermodynamischer Größen (H, S, G)
- Vergleich zwischen Enthalpie und freier Reaktionsenthalpie
- Methodik zur quantitativen Erstellung einer Spannungsreihe
- Didaktische Relevanz und Umsetzung im gymnasialen Chemieunterricht
Auszug aus dem Buch
4.1.5 Theorie:
Systeme/Kalorimeter:
Der in diesem Versuch verwendete Joghurtbecher ist prinzipiell ein Kalorimeter. Ein Kalorimeter kann ein isoliertes System, dass mit seiner Umgebung weder Materie noch Energie austauscht (z.B. kalorische Bombe), ein geschlossenes System, dass zwar Energie aber keine Materie austauscht oder ein offenes System, dass Energie und Materie mit seiner Umgebung austauscht. Der hier verwendete Joghurtbecher ist ein offenes System, denn es gibt durch seine Begrenzungen Energie an die Umgebung ab und Materie könnte beispielsweise als Gas entweichen. Da bei den Versuchen eigentlich keine Materie entweicht könnte man unter diesen Bedingungen von einem geschlossenen System sprechen.
Reaktionen die in einem Kalorimeter durchgeführt werden, lassen sich thermodynamisch verwerten. Es ist möglich den Temperaturverlauf einer Reaktion zu beobachten, wodurch man bei sorgfältiger Arbeit im Anschluss die Wärmemenge, die Umgesetzt wurde, berechnen kann. Aus dieser Wärmemenge lässt sich rechnerisch die Reaktionsenthalpie ΔH bestimmen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Bedeutung der Systematisierung von Stoffen im Chemieunterricht und führt in die Thematik der Reaktivität von Metallen ein.
2 Historie der Spannungsreihe: Gibt einen geschichtlichen Überblick über die Entdeckung von Metallen und die Anfänge der Ordnung von Metallen basierend auf ihrer Edelheit.
3 Die Unterrichtseinheit: Erläutert die Zielsetzung, den Aufbau und die didaktische Konzeption der zwei geplanten Experimente zur quantitativen Anordnung von Metallen.
4 Die Versuche: Detaillierte Darstellung der durchgeführten Experimente, Messergebnisse, theoretischen Hintergründe und Auswertungen zu Reaktionsenthalpie und freier Reaktionsenthalpie.
5 Vergleich der Enthalpie mit der freien Enthalpie: Diskutiert die energetischen Unterschiede zwischen den beiden Prozessführungen und führt den Entropieterm zur Erklärung ein.
6 Relevanz für den Unterricht: Reflektiert die Integration der Versuche in die Lehrpläne der Sekundarstufe II und gibt methodische Empfehlungen für den Unterricht.
Schlüsselwörter
Reaktionsenthalpie, freie Reaktionsenthalpie, Entropie, Spannungsreihe, Redoxreaktionen, Kalorimeter, thermodynamische Größen, elektrochemische Zelle, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, edle Metalle, unedle Metalle, Chemieunterricht, Stoffumsatz, Reaktionsvermögen, Didaktik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der systematischen Einordnung von Metallen basierend auf ihrer Reaktivität und der Einführung sowie quantitativen Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Thermodynamik in der Chemie, das Verständnis elektrochemischer Prozesse sowie die didaktische Vermittlung dieser Konzepte in der gymnasialen Oberstufe.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, Schülern durch eigene Experimente zu ermöglichen, Metalle wie Zink, Eisen und Kupfer quantitativ ihrem Charakter nach anzuordnen und die thermodynamischen Zusammenhänge hinter diesen Reaktionen zu verstehen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden kalorimetrische Verfahren zur Bestimmung der Reaktionsenthalpie sowie elektrochemische Messungen in galvanischen Zellen zur Ermittlung der freien Reaktionsenthalpie eingesetzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in zwei Versuchsreihen, wobei detailliert auf Versuchsaufbau, Messergebnisse, Fehlerbetrachtung und die theoretische Auswertung eingegangen wird.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Reaktionsenthalpie, Entropie, Spannungsreihe, Elektrochemie und thermodynamische Größen.
Warum ist die Verwendung von Eisensulfatlösungen in den Versuchen problematisch?
Die Arbeit stellt fest, dass Fe(II) leicht zu Fe(III) oxidiert und zudem bei Kontakt mit Sauerstoff durch Rostbildung die Messung verfälschen kann, was Eisen für diese spezifischen Versuche weniger geeignet macht.
Was genau beschreibt der Entropieterm im Vergleich von Enthalpie und freier Reaktionsenthalpie?
Der Entropieterm erklärt den Unterschied zwischen ΔH und ΔG und verdeutlicht, dass neben dem Wärmeaustausch die Zunahme der Unordnung in einem System eine maßgebliche Rolle bei chemischen Reaktionen spielt.
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- Robert Kirchner (Author), 2002, Systematisierung von Metallen in Hinsicht auf ihre Reaktionsfähigkeit (Spannungsreihe), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/8591
