Schulorientiertes Experimentieren im Chemieunterricht mit Reaktionskinetik, Energetik und chemischem Gleichgewicht

Inhalt

Einfluss auf Reaktionsgeschwindigkeit
Beobachtungen
Fachliche Auswertung
Didaktische Auswertung

Blaupause
Beobachtung
Fachliche Auswertung
Didaktische Auswertung

Reaktionsenthalpie, -energie
Beobachtungen
Fachliche Auswertung
Didaktische Auswertung

Chemisches Gleichgewicht und Prinzip von Le Châtelier
Beobachtung
Fachliche Auswertung
Didaktische Auswertung

Thermochromes Gleichgewicht
Beobachtung
Fachlich Auswertung
Didaktische Auswertung

Zersetzung von H2O2
Beobachtungen
Fachliche Auswertung
Didaktische Auswertung

Spezielle didaktische Fragen

Einfluss auf Reaktionsgeschwindigkeit

„V1 Geben sie in drei Reagenzgläser mit etwa gleichen Portionen an Calciumcarbonat a) als Pulver, b) gekörnt und c) in Stücken jeweils 5 mL Ameisensäure-Lösung, c = 1 mol/L. Leiten Sie das entstehende Gas bei a) in Kalkwasser.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

V2 Versetzen Sie gekörnten Kalk mit Ameisensäure-Lösung der Konzentration a) c = 1 mol/L und b) c = 0,5 mol/L.

V3 Geben Sie in einen 250-mL-Erlenmeyerkolben 8 g gekörnten Marmor und stellen Sie den Kolben auf eine Waage. Messen Sie in einem Messzylinder 50 mL Ameisensäure-Lösung, c = 1 mol/L, ab, stellen Sie diesen ebenfalls auf die Waage und tarieren Sie die Waage auf Null. Geben Sie in einem Guss die Ameisensäure zum Marmor und stellen Sie den Messzylinder sofort wieder auf die Waage. Lesen Sie in Zeitabständen von jeweils 30 s die Massenanzeige ab.

V5 Formen Sie ein etwa 12 cm langes Magnesiumband zur Spirale, befestigen Sie es in einer Plastillinkugel und geben Sie es in ein großes Reagenzglas mit seitlichem Ansatz, an den ein Kolbenprober angeschlossen wird. Fügen sie 50 mL Ameisensäure-Lösung, c = 0,5 mol/L, zu und verschließen Sie sofort mit einem gut dichtenden Stopfen. Notieren Sie die Zeiten, die jeweils bei einer Volumenzunahme von 5 mL verstreichen.“^[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beobachtungen

V1 Gibt man die Ameisensäure in das Reagenzglas mit dem Calciumcarbonat-Pulver schäumt es heftig auf. Es entsteht sehr viel Gas, welches eingeleitet in Kalkwasser, dieses milchig-trüb werden lässt.

Die Reaktion der Ameisensäure mit dem gekörnten Calciumcarbonat verläuft immer noch unter starker Gasentwicklung, jedoch ist diese deutlich schwächer als beim Pulver.

Gießt man Ameisensäure auf mit dem Hammer zerkleinerten Marmor, so kann man eine leichte Gasentwicklung auf der Oberfläche des Marmors beobachten.

V2 a) siehe unter V1

b) Die Reaktion zwischen der schwächer konzentrierten Ameisensäure und dem gekörnten Calciumcarbonat verläuft wesentlich schwächer. Es entstehen kaum Gasblasen.

V3 Bei der Reaktion entstand ein Gas. Die tarierte Waage begann einen negativen Wert anzuzeigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

V5 Am Magnesiumband war eine starke Gasentwicklung zu beobachten. Der angeschlossene Kolbenprober wurde herausgedrückt. Gestartet wurde zum Zeitpunkt 0 Sekunden und 0 mL.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fachliche Auswertung

Ameisensäure, auch Methansäure genannt, reagiert mit Calciumcarbonat wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenDie Kalkwasserprobe weist das entstandene Kohlenstoffdioxid nach.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das gebildete Calciumcarbonat ist schwerlöslich. Es kommt zur Ausfällung, was eine Trübung der Lösung verursacht.

V1 zeigt deutlich, dass mit wachsendem Zerteilungsgrad die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt. Diese lässt sich auch, wie in V2 gezeigt, über eine Konzentrationsänderung steuern. Je stärker Konzentriert die Verwendete Säure ist, desto heftiger verläuft die Reaktion.

Die Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich auch mithilfe des Drucks, der Temperatur und durch Katalysatoren beeinflussen.

Als Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet man die Konzentrationsabnahme der Edukte, beziehungsweise die Konzentrationszunahme der Produkte. Nach der Stoßtheorie müssen die Edukte zusammenstoßen um zu reagieren. Bei einem Feststoff können nur die Teilchen an der Oberfläche reagieren. Je größer die Oberfläche ist, desto mehr Teilchen können gleichzeitig reagieren. Bei der Reaktion mit Kalk erkennt man, dass die Reaktionsgeschwindigkeit allmählich abnimmt, da die Konzentration der Edukt-Teilchen weniger wird. Für eine bimolekulare Reaktion gilt:

vr = k* c(A) * c(B)

In dieser Gleichung ist k die Geschwindigkeitskonstante, welche für jede Reaktion unter bestimmten Bedingungen einen charakteristischen Wert hat.^[2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[3]

In V3 und V5 bedienen wir uns der Gravimetrie um den Fortschritt einer Reaktion sichtbar zu machen. Die Gravimetrie ist eine klassische Analyse-Methode, die auf Klaproth (1743 – 1817) und Berzelius (1779 – 1848) zurückgeht. Es sind keine kalibrierten Geräte notwendig, da es ein Absolut-Verfahren ist und somit auch damals schon eine sehr hohe Präzision lieferte. Als Nachteil erweist sich jedoch die Zeitdauer, die eine Messung in Anspruch nimmt.^[4]

Wir machen uns bei unserer Messung den Massenerhaltungssatz von nutzen. Dieser besagt das in bei einer Reaktion die Gesamtmasse unverändert bleibt. Da wir eine Massenabnahme bei unseren Versuchsaufbau verzeichnen, müssen wir davon ausgehen das ein Produkt als Gas entweicht. Dies zeigt sich bereits beim Blick auf die oben aufgeführte Reaktionsgleichung.

[...]

^[1] Tausch, Sek. 2, Seite 32

^[2] Vgl. Tausch, Sek 1 , Seite 33

^[3] Tausch, Sek 2 , Seite 32

^[4] http://www.mnf.uni-greifswald.de/fileadmin/Biochemie/AK_Scholz/Mitarbeiter/aktuell/Heike/Lehre/ GRAVI_ss13.pdf Zugriff am 28.November.2014