PowerPoint-Pr

1
_______________________ Diagnose und Korrektur
von Schülervorstellungen Marianne Ostermann,
Anne Kathrin Seibler
Redoxreaktionen
2

• 0. Historische Vorstellungen
• __________________________________________
• 1. Fehlvorstellungen der Schüler
• 2. Erhebungen zum Thema Redoxchemie
• 3.1 Metallreaktionen mit Sauerstoff und Chlor
• 3.2 Korrosion und Hochofenprozess
• 3.3 Reaktionen von Metallen in Lösung
• 3.4 Sauerstoff, Elektronen, Oxidationszahlen
• 3. Fazit
• __________________________________________
• 4. Lösungen
• 4.1 Schreibweise
• 4.2 Elektronenübertragungen
• 4.3 Säure-Base- und Redoxreaktionen
• 4.4 Fällungs-, Redox-, Spannungsreihe
• 4.5 Oxidationszahlen
• 4.6 Alltagsphänomene Korrosion-Batterie-Akku
• Fazit
• Literaturangaben

3
0. Historische Vorstellungen
Historischer Reduktionsbegriff Verwandlung von
Erzen zu Metallen Bsp. Gewinnung von Quecksilber
aus Zinnober
Historischer Oxidationsbegriff Lavoisier
Verbindung von Elementen mit Sauerstoff unter
Bildung von Oxiden ? Der Oxidationsbegriff
konnte erst nach der Entdeckung des
Sauerstoffes entwickelt werden (1771).
4
Begriffsverständnis
Die Begriffe Oxidation und Reduktion standen in
keinem Verhältnis zueinander. Der Zusammenhang
zwischen den beiden Reaktionen war noch nicht
erkannt. ? Reduktion Zurückgewinnung eines
Metalls aus Erzen ? Oxidation Reaktion
eines Stoffes mit Sauerstoff
Vorstellung von den reagierenden Stoffen
Es reagieren die einzelnen Stoffe miteinander
(Metalle, Sauerstoff) nicht die einzelnen
Teilchen, aus denen sie aufgebaut sind (Atome,
Ionen).
5
Vorstellung der Elektronenübertragung
Reduktion Elektronaufnahme Oxidation
Elektronenabgabe
Diese Definitionen beziehen sich auf kleinste
Teilchen (Atome, Ionen).
Es liegt stets eine Korrespondenz
zwischen Oxidation und Reduktion vor    ?
Reduktions- Oxidations- Reaktion oder
Redoxreaktion
6
Erweiterte Definition auf die Oxidationszahlen
Oxidationszahl Fiktive Ionenladung an einem
Atom, die sich ergibt, wenn man alle
Elektronenpaare von kovalenten Bindungen dem
jeweils elektronegativeren Partner zuteilt.
Die Oxidationszahl kann durch eine Änderung der
elektronischen Umgebung eines Atoms verändert
werden (z.B. durch Entstehung einer polaren
Bindung) ? Reduktion Erniedrigung der
Oxidationszahl ? Oxidation Erhöhung der
Oxidationszahl
7
1. Fehlvorstellungen der Schüler
Bedeutung der Sauerstoffübertragung bei
Redoxreaktionen
Viele Schüler haben die Vorstellung, dass bei
einer Redoxreaktion Sauerstoff von einem
Reaktionspartner auf den anderen übertragen
werden muss Ursachen für Fehlvorstellungen ?
Silbe ox, die semantisch sehr stark mit
Sauerstoff gekoppelt ist (Oxygenium, Oxide) ?
Erinnerung an viele Verbrennungsreaktionen,
sowohl aus dem Unterricht, als auch aus dem
Alltag
8
Argumentationsweise von Schülern

• Argumentationsweise beim Erklären einer
  Redox-reaktion, die ohne die Anwesenheit von
  Sauerstoff abläuft.
• Unterstufenschüler gaben eine auf
  Alltags-beobachtungen bezogene Deutung.
• ? Oberstufenschüler verwendeten zwar
  Fachausdrücke, diese wirkten aber eher wie
  zufällig in die Argumentation eingestreut.

9
Erklärung des Begriffs Redoxreaktion
Bei einer Untersuchung erklärten eine Drittel der
befragten Schüler den Redoxbegriff ausschließlich
tautologisch.
? Ein Redoxreaktion ist eine Addition aus
Reduktion und Oxidation
Dies lässt auf ein Fehlen eines tiefergehenden
Verständnisses hindeuten. Die Schüler benutzen
zwar Fachausdrücke, ohne sich jedoch ihrer
Bedeutung bewusst zu sein.
10
2. Erhebungen zum Thema Redoxchemie
Vitali Heints führte neue Erhebungen mit Hilfe
eines Fragebogens durch, wobei er Schüler der
Jahrgangsstufen 9-13 einiger Gymnasien im
Münsterland befragte. Themengebiete ?
Metallreaktionen mit Sauerstoff und anderen
Gasen ? Korrosion und Hochofenprozess ?
Reaktionen von Metallen mit Lösungen ?
Sauerstoff, Elektronen, Oxidationszahlen
11
2.1 Metallreaktionen mit Sauerstoff und Chlor
? Aus Kupferblech wird ein Briefchen gefaltet und
mit der rauschenden Brennerflamme erhitzt. Es
wird durch das Erhitzten außen schwarz, innen ist
die Kupferfarbe geblieben.
- Es findet eine Verbrennungsreaktion
statt. 18 - Außen setzt sich schwarzer Ruß
ab. 59 - Es findet eine Redoxreaktion
statt. 21 - Kupfer Atome ändern ihre
Farbe. 4
?
12
Problematik bei den Begründungen der Antworten

• Aus Alltagsbeobachtungen leiten die Schüler ab,
• dass bei einer Verbrennung Ruß entstehen muss.

• Über die Funktion des Sauerstoffs bei dieser
• Reaktion herrschte Unklarheit.

13
?Ein Stück Kupferblech wird erhitzt und in einen
Standzylinder gehalten, der mit gelbem Chlorgas
gefüllt ist. Das Kupfer glüht auf, ein grüner
Stoff entsteht.

• - Kupfer reagiert mit dem Chlor. 61
• Chlor bildet Salzsäure, die Metall-Atome
• zerfrisst. 10
• - Es findet eine Säure-Base-Reaktion statt. 4
• - Chlor zerstört Kupfer-Atome. 3

?
14
Problematik bei den Begründungen der Antworten
? Da nun kein Sauerstoff anwesend ist, mit dem
eine Verbrennungsreaktion stattfinden könnte,
vermuteten Schüler eine Reaktion mit dem Chlor.
? Obwohl erkannt wurde, dass eine Reaktion
zwischen dem Metall und dem Gas abläuft, wurde
die Definition der Elektronenübertragung nicht
zur Erklärung verwendet.
15
2.2 Korrosion und Hochofenprozess
Beide Vorgänge sollten den Schülern bekannt sein,
da sie im Alltag von Bedeutung sind und daher
auch im Chemieunterricht behandelt werden.
16
?Eisen rostet im trockenen Kalifornien nicht,
allerdings bei uns in Deutschland besonders
stark, weil die Luft meist viel Wasserdampf
enthält.

• Eisen enthält Rost, der an der Luft
• zutage tritt. 3
• - Eisen-Atome werden oxidiert. 56
• - Es findet eine Säure-Base-Reaktion statt. 10
• - Eisen-Atome werden durch Rost vernichtet. 11

?
 
17
Problematik bei den Begründungen der Antworten
? Schüler zogen nicht die Bedeutung der
Anwesenheit von Wasserdampf in Betracht, vielmehr
konzentrierten sie sich auf eine Reaktion von
Eisen mit Sauerstoff.
? Statt mit der Elektronenübertragungs- Theorie
wurde mit der Sauerstofftheorie argumentiert.
18
?Zur Gewinnung von Eisen werden im Hochofen
Eisenoxid (Fe3O4) und Kohle gemischt und stark
erhitzt, bis glühendes Eisen herausfließt.
- Kohle ist ein Katalysator. 26 - Es findet
eine Redoxreaktion statt. 20 - Eisenoxid
wird reduziert. 21 - Eisenoxid zersetzt sich
in die Elemente. 21
?
40 der Schüler bearbeiteten diese Aufgabe gar
nicht.
19
Problematik bei den Begründungen der Antworten
Nur wenige Schüler gaben richtige Begründungen,
viele Begründungen waren sehr schwammig.
? durch Verbrennung des Kohlenstoffs benötigt
man Sauerstoff, der vom Eisenoxid genommen
wird ? Kohlenstoff liefert die Hitze, die für
die Spaltung des Oxids nötig ist
20
Fazit
Sobald eine Reaktion mit der Sauerstoffdefinition
erklärt werden kann, so wenden Schüler diese an,
da sie ihnen vertrauter zu sein scheint.
? Durchführung von Experimenten mit Knall- und
Feuereffekt, die sich die Schüler gemerkt haben
(extrinsische Motivation) ? Das Prinzip der
Elektronenübertragung ist meist nur formal an der
Tafel erarbeitet worden, weswegen es des Schülern
nicht im Gedächtnis verblieben ist.
 
21
2.3 Reaktion von Metallen mit Lösungen
Folgende Reaktionen können nicht mehr mit der
Sauerstoffdefinition erklärt werden, zur
Erklärung muss die Übertragung von Elektronen
angenommen werden. Da diese Reaktionen leicht im
Unterricht durchzuführen sind, wird davon
ausgegangen, dass Schüler diese Experimente schon
einmal gesehen und besprochen haben.
 
22
?Ein Eisennagel wird in eine Kupfersulfat-Lösung
getaucht. Nach einiger Zeit befindet sich auf dem
Nagel ein kupferfarbener Überzug. Erkläre die
Beobachtung.
34 der Schüler benutzen die Begriffe
Redoxreaktion und Elektronenübertragung. 14 der
Schüler benutzten zur Charakterisierung der
Metalle die Begriffe edel und unedel.
23
Problematik bei den Begründungen der Antworten
Vor allem Schüler aus der Sekundarstufe I. sahen
in dem Vorgang gar keine Reaktion.
?Anziehungskräfte oder magnetische
Wechsel-wirkungen sind die Ursache des
Vorganges. ?Es bleibt ein Stoff am Nagel
kleben/hängen oder sonst irgendwie haften.
-     
o      
24
Schüler erklärten die Reaktion unter Zuhilfenahme
von Alttagsbeobachtungen, diese Tendenz war z.T.
so stark, dass die in der Aufgabenstellung
explizit genannte kupferne Farbe ignoriert wurde.
?Das Eisen kommt mit dem Kupfer in Berührung und
färbt sich grün. ?Der kupferfarbene Überzug ist
grün- türkis- bläulich.
25
Schüler unterscheiden nicht zwischen Ionen und
Atomen, Atomen und Stoffen

• Die Kupfer- Teilchen lagern sich auf der
  Oberfläche des Nagels ab.
• Die Kupferelektronen setzen sich auf dem Nagel
  ab.
• Das unedlere Kupfer geht in Lösung und die
  Kupferionen bilden den Niederschlag.
• Kupfer aus Kupfersulfat setzt sich am Eisennagel
  ab.

26
? Magnesium (Mg) reagiert mit Salzsäure (HCl aq)
unter Gasentwicklung, das Gas lässt sich als
Wasserstoff (H2) nachweisen.

• - Es findet ein Redoxreaktion statt. 38
• Es findet eine Säure-Base-Reaktion
• statt. 10
• - Chlor-Teilchen werden oxidiert. 8
• - Magnesium-Atome werden oxidiert. 19

?
?
27
Problematik bei den Begründungen der Antworten

• Schüler unterschieden abermals nicht zwischen
  Stoffen und Teilchen.
• Magnesium wird oxidiert und Salzsäure wird
  reduziert, statt Magnesium-Atome werden oxidiert
  und H- Ionen werden reduziert

28
2.4 Sauerstoff, Elektronen, Oxidationszahlen
? Wenn ein Stoff oxidiert wird.   - Nimmt er
Sauerstoff auf 49 - Nimmt er Elektronen
auf 9 - Wirkt er als Oxidationsmittel 9 -
Wirkt er als Reduktionsmittel 49
?
?
29
Analyse der Begründungen
Auch hier wurde die Sauerstoffdefinition
bevorzugt. Es scheint, als ob die Schüle die
konsequent auf Teilchen bezogene
Elektronenübertragung gar nicht kennen gelernt
haben.
30
? Welche der folgenden Umwandlungen beschreibt
eine Oxidation (nur Sek. II)
- Mn2 ? MnCl2 - MnO-4 ? MnO42- -
Mn(OH)2 ? MnO2 - Mn3 ? Mn2O3
?
31
Antworten der Schüler
Nur 28 der Schüler lösten die Aufgabe richtig,
da nur sie auch eine adäquate Begründung geben
konnten.
? Oxidationszahlen werden erhöht ? Es werden
Elektronen aufgenommen
32
3. Fazit
Schüler bedienen sich bevorzugt der
Sauerstoffinterpretation. Sie unterscheiden nicht
sauber zwischen Atomen und Ionen, bzw. Atomen und
dem Element.
33
4. Lösungen Redoxreaktion Dimensionen
einer Begrifflichkeit
Unterrichtsvorschläge und Experimente, um
Fehlvorstellungen der Schüler - abzubauen, -
und um ihnen vorzubeugen.
4.1 Schreibweise
Kupferoxid(s) Eisen ? Kupfer(s)
Eisenoxid

• Reaktionsgleichung in Worten
• ? nimmt Sauerstoff aus dem Blickfeld.
• bereitet vor auf die Vorstellung einer
  Elektronen-
• übertragung.

34
4.2 Elektronenübertragung
? Metallfällungen
Es wird für Schüler offensichtlich, dass  -
Metall-Atome unter Abgabe von Elektronen als
Ionen in Lösung gehen. -  aus Metall-Ionen durch
Aufnahme von Elektronen Metall-Atome entstehen.
35
Schreibweise
Cu-Atom ? Cu2(aq) -Ion 2e- Elektronenabgabe
, Oxidation
2Ag(aq) -Ionen 2e- ? 2Ag-Atome Elektronen
aufnahme, Reduktion
Cu 2 Ag(aq) ? Cu2(aq) 2
Ag Elektronenübertragung, Redoxreaktion
36
4.3 Säure-Base oder Redoxreaktion?
Säure beteiligt Säure-Base-Reaktion??
Zn-Atom ? Zn2(aq) Ion 2e- 2H(aq)
Ionen ? H2-Molekül   Zn 2 H(aq) ?
Zn2(aq) H2
37
Donator-Akzeptor-Prinzip
Redoxsystem Säure-Base-System
Übertragung von Elektronen Übertragung von Protonen
Reduktionsmittel Elektronendonator Säure Protonendonator
Oxidationsmittel Elektronenakzeptor Base Protonenakzeptor
Korrespondierendes Redoxpaar Korrespondierendes Säure-Base-Paar
Redoxreaktion Red 1 Ox 2 Ox 1 Red 2 Säure-Base-Reaktion HA B- A- HB
Stellung des korrespondierenden Redoxpaares in der elektrochemischen Spannungsreihe entspricht Elektronendonator-/akzeptortendenz von Red / Ox (Vorhersage der Reaktion) Stellung des korrespondierenden Säure-Base-Paares in der pks-Reihe entspricht Protonendonator-/akzeptortendenz von HA / A- (Vorhersage der Reaktion)
Nernst-Gleichung (Redoxpotential) Henderson-Hasselbach-Gleichung (pH-Wert)
38
4.4 Fällungsreihe, Redoxreihe, Spannungsreihe
Ein Ordnungssystem für Redoxreaktionen Wer,
wann, wie mit wem?
I) Einteilung In Reagenzgläsern werden
verschiedene Metallbleche/ Drähte und
entsprechende Salzlösungen auf ihr
Reaktionsverhalten geprüft. ? Edle unedle
Metalle
II) Elektronenwanderung sichtbar machen
- Verschiedene Metallstreifen werden in NaCl-
Lösung getaucht und die Spannung wird
gemessen
39
- Strom aus der Zitrone
? Unterschiedlich hohe Spannungen,
Vergleiche mit der bereits im Versuch
aufgestellten Redoxreihe

• anstatt des Spannungsmessers eine Glühlampe
• in den Stromkreis schalten.

? Es wird zunächst elektrische Spannung
aufgebaut, es erfolgt dann ein Elektronentransfer
über ein Metallkabel elektrischer Strom/
elektrische Energie.
40
III) Normierung Aufbau von Galvanischen
Zellen, bspw. Mit Cu und Zn und ihren
Salzlösungen
? Durch Einführung von Normbedingungen entstehen
auch Normspannungen.
Ziel Hinführung zur Spannungsreihe mit den
Standard-Elektrodenpotentialen.
41
4.5 Oxidationszahlen
Begriffserweiterung auf Nichtmetall-Nichtmetall- V
erbindungen!!
Beispiel Knallgasreaktion 0 0
I -II 2 H2 O2 ? 2 H2O

• Aus unpolaren Molekülen werden Dipol-Moleküle.
• Oxidationszahlen geben fiktive Ladungen an Die
  Zahl der Ladungen, die eine Atomart in einer
  Verbindung erhält, wenn man sich vorstellt, die
  Verbindung sei aus Ionen aufgebaut.

42
4.6 Alltagsphänomene erklären
a) Korrosion

• Schüler erkennen
• Eisen rostet
• bei Luft und Wasser.
• Korrosion von Eisen
• ist eine Redoxreaktion.

43
Leclanché-Batterie
Bleiakku
44
5. Fazit

• - Voraussetzung ist die Kenntnis des
  Ionenbegriffs,
• um Teilgleichungen formulieren zu können.
• Modellvorstellungen für den Elektronentransfer
• erleichtert das Durchschauen der Redoxvorgänge.
• Beobachtungen auf Substanzebene, Interpretation
• auf der Ebene der kleinsten Teilchen.

45
6. Literatur Hans-Dieter Barke Chemiedidaktik
Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen Ch
arles E. Mortimer Chemie, das Basiswissen der
Chemie Thieme Verlag
46
Merci!!
? ?
47
Umfrage unter Studenten

• Fünf Studenten unterschiedlicher Fachbereiche
  wurden Fragen aus dem Fragenkatalog von Heints
  gestellt,
• bzw. andere Fragen aus dem Themenbereicht
• Fachbereiche
• I. Physik/Mathe (Lehramt)
• II. Politik, Geschichte, VWL
• Biologie (Diplom)
• Latein, Theologie (Lehramt)
• Mathe, Geographie

48
1. Aus Kupferblech wird ein Briefchen gefaltet
und mit der rauschenden Brennerflamme erhitzt. Es
wird durch das Erhitzten außen schwarz, innen ist
die Kupferfarbe geblieben

1. Es scheidet sich Ruß ab, das Metall ändert seine
   Farbe.
2. Es scheidet sich Ruß ab.
3. Es scheidet sich Ruß ab, da es nicht heiß genug
   für eine Redoxreaktion ist.
4. Es findet eine Redoxreaktion statt (keine
   Begründung, Gottes Eingebung??)
5. Das Metall ändert seine Farbe.

49
2. Zur Gewinnung von Eisen werden im Hochofen
Eisenoxid (Fe3O4) und Kohle gemischt und stark
erhitzt, bis glühendes Eisen herausfließt.

• Es findet eine Redoxreaktion statt, Kohlenstoff
• nimmt in der Hitze Sauerstoff auf, welches vom
  Eisenoxid stammt.
• Es findet eine Redoxreaktion statt.
• (keine Begründung)
• Es findet eine Redoxreaktion statt, da es nun
  heiß genug ist.
• Es findet eine Redoxreaktion statt.
• (keine Begründung)
• V. Eisenoxid zerfällt in seine Elemente.
• (keine Begründung)

50
3. Ein Eisennagel wird in eine Kupfersulfat-Lösung
getaucht. Nach einiger Zeit befindet sich auf
dem Nagel ein kupferfarbener Überzug. Erkläre die
Beobachtung

1. Kupfer scheidet sich ab, Eisen reagiert nicht.
   Ein Stoff ist edler.
2. Keine Antwort
3. Eisen wird oxidiert, wobei Sulfat als
   Oxidationsmittel dient.
4. Es findet eine Oxidation statt.
5. Es findet eine Redoxreaktion statt. Kupfer wird
   reduziert, Eisen wird oxidiert.

51
4. Erkläre den Unterschied zwischen edlen und
unedlen Metallen

1. Edle Metalle oxidieren nicht so schnell.
2. Keine Antwort
3. Je weniger positiv geladen, desto edler.
4. Edelmetalle oxidieren nicht.
5. Edle Metalle werden eher oxidiert, unedle nicht.

52
5. Erkläre Oxidation und Reduktion

• Oxidation Sauerstoff wird gebunden, es entsteht
  ein neuer Stoff
• Reduktion Sauerstoff wird abgespalten.
• Oxidation Sauerstoff wird gebunden
• Reduktion Sauerstoff wird abgegeben
• Oxidation Elektronenabgabe
• Reduktion Elektronenaufnahme
• Oxidation Elektronenaufnahme
• Reduktion Elektronen werden weitergegeben
• Oxidation Elektronenaufnahme
• Reduktion Elektronenabgabe

53
6. Erkläre das Prinzip einer Batterie

• Einer will Elektronen haben, der andere will sie
  abgeben
• Keine Antwort
• Es findet eine Elektrolyse statt.
• Es findet ein Stromfluss zwischen 2 Metallen
  durch eine Säure statt.
• Es findet ein Elektronenfluss statt, wenn keine
  Elektronen mehr da sind, ist die Batterie leer.
• V. Es handelt sich um eine Galvanische Zelle mit
  2 verschiedenen Metallen.