Arbeitsblatt: Chemie

Pädagogische Hochschule Zürich Chemie Fachdidaktik Lernaufgabe zum Thema: Die Reduktion von Kupferoxid VerfasserIn: Marija Pusic, Sekundarstufe H13 Im Schweizersbild 7, 8200 Schaffhausen Dozentin: Eva Kölbach CH S200Marija Pusic 15.05.15 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung. 2 2. Einbettung 2 3. Didaktische Rekonstruktion 4 3.1 Lernziele 4 3.2 Schülerperspektiven des Themas6 3.2.1 Vorwissen 6 3.2.2 Was könnte neu sein für die Schülerinnen und Schüler.6 3.2.3 Mögliche Präkonzepte und Fehlvorstellungen.7 3.2.4 Mögliche Interessen 7 3.3 Zusammenfassung der fachwissenschaftlichen Theorie.8 Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion.8 Eine Verbrennung ist im Allgemeinen eine Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff. Der Vorgang heißt Oxidation, die dabei entstehenden Stoffe, also die Oxidationsprodukte, heißen Oxide. Außer dem Sauerstoff können auch Verbindungen, die leicht Sauerstoff abgeben, eine Oxidation bewirken. Solche Stoffe heißen Oxidationsmittel.8 3.4 Elementare Grundideen 8 3.5 Sachstruktur des Unterrichts.10 4. Lernaufgabe: Reduktion von Kupferoxid.11 4.1 Vorgehen. 11 4.2 Auswertung für das Niveau A13 4.3 Auswertung für das Niveau B15 5. Eigenständigkeitserklärung 17 6. Literaturverzeichnis 18 1 CH S200Marija Pusic 15.05.15 1. Einleitung Ich führe mit einer 3.Klasse des Typs und eine Reduktion von Kupferoxid anhand von Kohlenstoff durch. Es geht darum die Reduktion gut zu verstehen und anschliessend die Verknüpfung der Oxidation und der Reduktion mit der Redoxreaktion zu machen, da diese beiden Vorgänge immer gleichzeitig ablaufen und somit voneinander abhängig sind. Wichtig zu erwähnen ist, dass es sich dabei um eine niveaudifferenzierte Lernaufgabe handelt. Die Lernaufgabe wird demnach für das Niveau einfacher dargestellt und stärker unterstützt als bei Niveau A. Das Niveau erhält noch eine Zusatzaufgabe. 2. Einbettung Das Thema „Reduktion von Kupferoxid bette ich in den Lehrplan 21 unter dem 3 Kapitel „Chemische Reaktionen erforschen ein. Und zwar in das 1. Teilkapitel „Die Schülerinnen und Schüler können Stoffumwandlungen untersuchen und beschreiben.1 Folgende Unterkapitel gehören dazu: 1a) „können Sicherheitsvorschriften und Regeln im Umgang mit Chemikalien und Gerätschaften einhalten. Laborführerschein: Gefahren und Sicherheitshinweise nach globalem Klassifikations und Einstufungssystem für Chemikalien GHS2 Das Unterkapitel 1a bildet die Grundlage, um überhaupt dieses Experiment durchführen zu können. 1b) „können ausgewählte Stoffumwandlungen (z.B. Kerzen und Brennerflammen, Verbrennung, Gerinnung von Eiklar) beobachten, untersuchen, als materielle und 1 15.5.15 2 15.5.15 2 CH S200Marija Pusic 15.05.15 energetische Umwandlung erkennen und in Fachsprache beschreiben. Chemische Reaktion, Reaktionsschema in Worten3 Die Schülerinnen und Schüler sollen die Stoffe richtig untersuchen, beobachten können und wissen, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat. 1c) „können angeleitet Reaktionen mit Sauerstoff durchführen, protokollieren, Fragen stellen, Vermutungen formulieren und diese experimentell überprüfen. Oxide, Korrosion/Korrosionsschutz4 Das Lernziel unter 1c ist insofern wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler wissen, was bei einer Oxidation bzw. einer Reduktion geschieht. 3 15.5.15 4 15.5.15 3 CH S200Marija Pusic 15.05.15 3. Didaktische Rekonstruktion 3.1 Lernziele Soziale Ziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, selbstständig und selbstorganisiert zu arbeiten, dabei soll ihr problemlösendes Denken gefördert werden. ihre Kommunikation und Kooperation fördern. Kognitive Ziele: Die Schülerinnen und Schüler des Niveau sollen Das Material mit welchem sie arbeiten kennen und damit sorgfältig umgehen können. Das richtige Beobachten, Beschreiben und Auswerten üben. Bei dem Experiment merken, dass der Kohlenstoff dem Kupferoxid den Sauerstoff entreißt und dadurch Kupfer und Kohlenstoffdioxid entsteht. Reaktionsgleichungen (Wortgleichungen und Formelgleichungen) aufstellen und auch verstehen können. Die Definition der Oxidation kennen und wissen, dass bei der Oxidation Sauerstoff hinzukommt. Die Definition der Reduktion kennen und wissen, dass bei der Reduktion der Sauerstoff entzogen wird. Wissen, dass eine Redoxreaktion eine Reaktion ist, bei der der Sauerstoff zwischen zwei Stoffen ausgetauscht wird. Wissen, dass die Trübung von Kalkwasser ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid ist. 4 CH S200Marija Pusic 15.05.15 Die Schülerinnen und Schüler des Niveau sollen Das Material, mit welchem sie arbeiten kennen und damit sorgfältig umgehen können Das richtige Beobachten, Beschreiben und Auswerten üben. Bei dem Experiment merken, dass der Kohlenstoff dem Kupferoxid den Sauerstoff entreißt und dadurch Kupfer und Kohlenstoffdioxid entsteht. Die Definition der Oxidation kennen und wissen dass bei der Oxidation Sauerstoff hinzukommt. Die Definition der Reduktion kennen und wissen, dass bei der Reduktion der Sauerstoff entzogen wird. Wissen, dass eine Redoxreaktion eine Reaktion ist, bei der der Sauerstoff zwischen zwei Stoffen ausgetauscht wird. Wissen, dass die Trübung von Kalkwasser ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid ist. Kommentar zu den Lernzielen: Die Schülerinnen und Schüler haben ähnliche Lernziele, jedoch bekommen die Schülerinnen und Schüler des Typs viel mehr Unterstützung bei der Lernaufgabe und müssen die Reaktionsgleichung nicht aufschreiben. Die Zusatzaufgabe, wo es darum geht, die Reaktionsgleichung aufzuschreiben, ist nur für das Niveau gedacht. (Siehe Lernaufgabe) 5 CH S200Marija Pusic 15.05.15 3.2 Schülerperspektiven des Themas 3.2.1 Vorwissen Die Schülerinnen und Schüler wissen was man unter einer Oxidation versteht und haben dazu Experimente schon durchgeführt. 3.2.2 Was könnte neu sein für die Schülerinnen und Schüler Die Reduktion von Kupferoxid ist für die Schülerinnen und Schüler ganz neu. Hier geht es darum, dass die Schülerinnen und Schüler merken, dass die Reduktion genau das Gegenteil der Oxidation ist und das die beiden Vorgänge ganz stark mit den Redoxreaktionen zusammenhängen. Das heisst, hier lernen die Schülerinnen und Schüler hauptsächlich, was bei einer Reduktion passiert und zwar, dass einem Stoff der Sauerstoff entzogen wird. (Die Oxidation wird rückgängig gemacht.) 6 CH S200Marija Pusic 15.05.15 3.2.3 Mögliche Präkonzepte und Fehlvorstellungen Viele Schülerinnen und Schüler stellen sich vor, dass bei einer Redoxreaktion Sauerstoff von einem Reaktionspartner auf den anderen übertragen werden muss. Ursachen für Fehlvorstellungen: die Silbe –ox, die sehr stark mit Sauerstoff zu tun hat (Oxygenium, Oxide), sowohl Erinnerung an Verbrennungsreaktionen aus dem Unterricht als auch aus dem Alltag. Die Vorstellung, wieso durch das Erwärmen des Kupferoxids, Kupfer und Kohlenstoffdioxid entsteht (Wasser wird trübKalkwasser). Die Vorstellung, dass das entweichende Gas, welches das Kalkwasser entstehen lässt, Kohlendioxid ist. Wieso leitet plötzlich das Kupfer den Strom und warum hat das Kupferoxid als Edukt nicht Strom geleitet? Aufsagen der Wortgleichung und anschliessend das Aufstellen der Formelgleichung. (Was ist jetzt genau passiert?) 3.2.4 Mögliche Interessen Verbrennen von Magnesium in Kohlendioxid Das Thermitverfahren eine Redoxreaktion in der Technik Herstellung von Eisen 7 CH S200Marija Pusic 15.05.15 3.3 Zusammenfassung der fachwissenschaftlichen Theorie Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion Eine Verbrennung ist im Allgemeinen eine Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff. Der Vorgang heißt Oxidationsprodukte, Oxidation, heißen die Oxide. dabei Außer entstehenden dem Stoffe, Sauerstoff also können die auch Verbindungen, die leicht Sauerstoff abgeben, eine Oxidation bewirken. Solche Stoffe heißen Oxidationsmittel.5 Entzieht man einem Oxid den Sauerstoff, so nennt man den Vorgang Reduktion. Die Reduktion ist die Umkehrung der Oxidation. Bei einer Reduktion muss aber immer ein Stoff vorhanden sein, der dem Oxid den Sauerstoff entzieht. Es ist also ein Reduktionsmittel notwendig. Da dabei der eine Stoff oxidiert und der andere reduziert wird, spricht man von einer Redoxreaktion. 6 3.4 Elementare Grundideen Für eine Verbrennung muss Sauerstoff, ein Brennstoff und damit es zu einer Entzündung kommt, muss die Zündtemperatur erreicht werden. Verbrennungen sind Reaktionen mit Sauerstoff. Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Es entstehen Oxide. Wird eine Oxidation Rückgängig gemacht, spricht man von einer Reduktion. Dem Stoff wird also Sauerstoff entzogen. Dadurch, dass die Reduktion und Oxidation immer gleichzeitig ablaufen, spricht man auch von Redoxreaktion. 5 ,19.05.15 6 19.05.15 8 CH S200Marija Pusic 15.05.15 Stoffe, die in der Lage sind, andere Stoffe zu reduzieren, nennt man Reduktionsmittel. Stoffe, die wiederum in der Lage sind Sauerstoff auf andere Stoffe zu übertragen, nennt man Oxidationsmittel. 9 CH S200Marija Pusic 15.05.15 3.5 Sachstruktur des Unterrichts Die Lehrerin erklärt kurz am Anfang der Lektion, dass in der letzten Lektion das Thema „die Oxidation war und dass die Klasse nun als Einstieg ein Experiment machen wird, wo man die Oxidation rückgängig macht, nämlich die Reduktion. Der Stoff bindet sich nicht mit dem Sauerstoff, sondern dem Stoff wird der Sauerstoff entzogen. Man spricht auch von Reduktion. Die Schülerinnen und Schüler sollen als Einstieg das Experiment „Reduktion von Kupferoxid, schön schrittweise, wie es in der Anleitung steht, zu zweit durchführen. Die Gruppen werden von der Lehrperson gemacht. Es sollen immer zwei Schüler aus demselben Niveau zusammenarbeiten. Sie sollen alle Materialien, die auf der Liste aufgeführt werden für den Versuch verwenden. Sie haben 40 Minuten Zeit. Anschliessend sollen sie je nach Niveau, in den nächsten 5 Minuten und nach der Pause noch weitere 15 Minuten, die Auswertung des Versuches durchführen. Der obere Teil der Auswertung soll danach im Plenum gründlich besprochen werden und es sollen alle Fragen geklärt sein. Dies dauert ca. 15 Minuten. In den letzten 10 Minuten soll die Zusatzaufgabe besprochen werden. Hier sollten trotzdem alle zuhören, auch wenn es für die Niveau Schüler eine freiwillige Aufgabe war. Die Lehrperson macht in den letzten 5 Minuten eine kurze Zusammenfassung des Gelernten und schliesst die beiden Lektionen ab. 10 CH S200Marija Pusic 15.05.15 4. Lernaufgabe: Reduktion von Kupferoxid Lernaufgabe „Reduktion von Kupferoxid Fach: Chemie Schultyp und Jahrgangsstufe: Sekundarschule Typ und B, 3. Klasse Bearbeitungszeit: ca. 40 Minuten Experiment, Auswertung 20 Minuten Kein einbezogenes Lehrbuch Partnerarbeit Materialien: feuerfeste Unterlage, Brenner, RGHalter, 2 Reagenzgläser, Filterpapier, Glasstab, gebogenes Glasrohr, Stopfen mit einem Loch, Becherglas mit Wasser gefüllt Chemikalien: Kuper(II)oxid, Kohlenstoff, Kalkwasser 4.1 Vorgehen 1. Beschreibe das Kupferoxid und den Kohlenstoff. Prüfe deren elektrische Leitfähigkeit. 2. Gib etwa gleichviel Kupferoxid und Kohlenstoff ins Reagenzglas (beide zusammen ca. 10 mm hoch). Verschliesse die Öffnung mit dem Daumen und schüttle kräftig, damit sich die Stoffe gut vermischen. 3. Klopfe das Reagenzglas leicht auf die Unterlage, damit die Luft aus dem Gemisch entfernt wird. 4. Verschliesse das Reagenzglas mit dem Stopfen (mit einem Loch), stecke das eine Ende des gebogenen Glasrohrs in das Loch und das andere Ende in das mit Kalkwasser (etwa 3 cm hoch) gefüllte Reagenzglas. 5. Erhitze das Gemisch über der rauschenden Brennerflamme, bis die Reaktion einsetzt und prüfe das entweichende Gas mit dem Kalkwasser. 6. Schütte das Reaktionsprodukt sofort ins Becherglas, das mit Wasser gefüllt ist. Zerdrücke grössere Stücke mit dem Glasstab und rühre die Mischung gut durch. 11 CH S200Marija Pusic 15.05.15 7. Giesse das schwarze Wasser ab (Dekantieren) und wiederhole das Wässern ein paar Mal. 8. Schütte den Bodensatz aufs Filterpapier und beschreibe ihn. Prüfe nun die elektrische Leitfähigkeit des neuen Stoffes. (ganzer Versuch7) 7 ,19.05.15 12 CH S200Marija Pusic 15.05.15 4.2 Auswertung für das Niveau Schreibe jeweils folgendes in die Kästchen 1) Beschreibe wie der Stoff äusserlich aussieht. 2) Leitet der Stoff elektrischen Strom, ja oder nein? Schreibe entweder auf, dass der Stoff den elektrischen Strom leitet und wenn nicht, schreibe, dass es ein Nichtleiter ist. 3) Zeichne die beiden Stoffe vereinfacht mit Teilchen. 4) Zusatzaufgabe: Schreibe die Redoxreaktionsgleichung auf und mache einen Pfeil für den Stoff der reduziert wird und einen Pfeil für den Stoff der oxidiert wird. Vor der Reaktion: Kupferoxid Kohlenstoff 1) 1) 2) 2) 3) 13 CH S200Marija Pusic 15.05.15 Nach der Reaktion: 1) 1) 2) 2) 3) 4) Zusatzaufgabe Schreibe nun die Reaktionsgleichung auf. Mache jeweils einen Pfeil, welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird. 14 CH S200Marija Pusic 15.05.15 4.3 Auswertung für das Niveau Schreibe jeweils folgendes in die Kästchen 1) Beschreibe wie der Stoff äusserlich aussieht. 2) Leitet der Stoff elektrischen Strom, ja oder nein? Schreibe entweder auf, dass der Stoff den elektrischen Strom leitet und wenn nicht, schreibe, dass es ein Nichtleiter ist. 3) Zusatzaufgabe, freiwillig: Schreibe die Redoxreaktionsgleichung auf und mache einen Pfeil für den Stoff der reduziert wird und einen Pfeil für den Stoff der oxidiert wird. Vor der Reaktion: Kupferoxid Kohlenstoff 1) 1) schwarzes Pulver 2) 2) Nach der Reaktion: 1) dioxid 1) 15 CH S200Marija Pusic 15.05.15 2) 2) 3) Zusatzaufgabe: freiwillig Schreibe nun die Reaktionsgleichung auf. Mache jeweils einen Pfeil, welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird. 16 CH S200Marija Pusic 15.05.15 5. Eigenständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende schriftliche Arbeit selbstständig und nur unter Zuhilfenahme der in den Verzeichnissen oder in den Anmerkungen genannten Quellen angefertigt habe. 19.05.15 Unterschrift 17 CH S200Marija Pusic 15.05.15 6. Literaturverzeichnis /kupferoxid.png, (Stand: 15.5.15) (Stand: 15.5.15) (Stand: 15.5.15) master.de/lex/begriffe/o04.html (Stand: 19.05.15) ReaktionvonKupferoxidmitKohlenstoff.html (Stand: 19.05.15) 18