Arbeitsblatt: Redox-Reaktionen

Pädagogische Hochschule Zürich Fachdidaktische Abschlussarbeit in Chemie Dozentin: Maja Burkhard Redox-Reaktionen Von der Kerze zur Eisengewinnung Abgabetermin: 07.12.2007 Herbstsemester 2007 Natascha Schneider Breitestrasse 99 8424 Embrach 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung2 2 Didaktische Analyse .2 2.1 Ziele.2 2.2 Begründung der Ziele und Inhaltsschwerpunkte nach bildungstheoretischen Gesichtspunkten2 2.3 2.2.1 Handlungsorientierte Behandlung des Themas .3 2.2.2 Sprachliche Formulierung von Beobachtungen .3 2.2.3 Erwerben von fächerübergreifenden Schlüsselkompetenzen3 2.2.4 Sorgfältiger Umgang mit Material aus dem Chemie-Labor 4 2.2.5 „b f als didaktisches Grundprinzip des Chemie-Unterrichts 4 Kontext zum unmittelbaren Erlebnis- und Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler sowie zu natürlichen und technischen Prozessen4 2.4 Kontext zum Lehrplan und zu den Lehrmitteln .5 2.4.1 Lehrplan .5 2.4.2 Lehrmittel .6 2.5 Unterschiedliche Gestaltung des Themas in A-, B- und C-Klassen .7 2.6 Kontext zu anderen Inhaltsaspekten des Zürcher Lehrplanes .7 3 Grobplanung.8 4 Feinplanung11 5 Literaturverzeichnis 13 5.1 Bücher 13 5.2 Skripte 13 5.3 Internet .13 5.4 Film.13 Anhang 1 1 Einleitung Verbrennungen sind alltägliche Phänomene, welche unser gesellschaftliches Leben in grossem Masse beeinflussen. Ob wir nun Feuer machen im Cheminée, eine Kerze anzünden oder in den Nachrichten von den Waldbränden zum Beispiel in den USA hören, überall begegnen wir dem Thema Verbrennungen. Die Schülerinnen und Schüler sollen ihr Vorwissen, welches auf alltäglichen Erfahrungen und allfälligen eigenen Wissensaneignungen beruht, durch Wissen über Verbrennungen im chemischen Bereich ergänzen und dadurch zu einer fundierten Wissensbasis gelangen. Ich finde es sehr interessant, dass wir alltäglich mit Verbrennungen zu tun haben und uns trotzdem nicht bewusst sind, was bei diesem Phänomen genau geschieht. Ich möchte die Schülerinnen und Schüler auf dieses spannende Phänomen aufmerksam machen und ihren Blickwinkel mit zusätzlichem Wissen erweitern. Aufgrunddessen habe ich eine Lektionsreihe zur Behandlung von Redox-Reaktionen entwickelt, wobei ich die Grob- bzw. Feinplanung für eine Sek-A-Klasse erstellt habe. Meine didaktische Arbeit gliedert sich somit in die Grobbzw. Feinplanung sowie in eine didaktische Analyse zu dieser Lektionsreihe. 2 Didaktische Analyse 2.1 Ziele Während meiner Lektionsreihe sollen die Schülerinnen und Schüler folgende Ziele erreichen: 1 Die Schülerinnen und Schüler können erklären, welche drei Komponenten bei einer Verbrennung zwingend vorhanden sein müssen (Sauerstoff, Brennstoff, Zündtemperatur). Sie wissen ausserdem, dass bei der Verbrennung von organischen Stoffen immer Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen. 2 Die Schülerinnen und Schüler können die beiden Begriffe Oxidation und Reduktion definieren und anwenden. Sie können in einer Reaktionsgleichung das Oxid und das Reduktionsmittel bestimmen. 3 Die Schülerinnen und Schüler können erklären, was eine Redox-Reaktion ist und diese mit Hilfe des Hochofenprozesses erläutern. 4 Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass bei einer Oxidation Elektronen abgeben und bei einer Reduktion Elektronen aufgenommen werden. Sie können die Edelgas-Regel erklären. 2.2 Begründung der Ziele und Inhaltsschwerpunkte nach bildungstheoretischen Gesichtspunkten Verbrennungen sind alltäglich und gehören zu unserem Leben. Der Mensch hat mit dem Feuer eines der wichtigsten Phänomene in der Natur entdeckt. Verbrennungen bestimmen unser Leben, auch wenn wir viele Verbrennungen gar nicht mehr bewusst wahrnehmen (z. B. beim Auto fahren). Das Thema ist sehr spannend, da wir Verbrennungen oft nicht rich2 tig beobachten und deswegen gar nicht wahrnehmen, dass eigentlich eine chemische Reaktion stattfindet. Ich möchte durch diese Lektionsreihe bewirken, dass sich die Schülerinnen und Schüler aktiv mit der Verbrennung auseinander setzen und neben der einfachen Oxidation auch einen Einblick in die anspruchsvollere Redox-Reaktion erhalten. Sie sollen die Bedeutung der Eisengewinnung für unsere moderne Gesellschaft erkennen und in Bezug auf die Endlichkeit von nicht-erneuerbaren Rohstoffen ein Bewusstsein dafür entwickeln, dass nachhaltig mit den natürlichen Ressourcen umgegangen werden sollte. 2.2.1 Handlungsorientierte Behandlung des Themas Mit Hilfe der Schülerversuche, welche einfach durchführbar und verständlich sind, können die Schülerinnen und Schüler handlungsorientiert arbeiten und selber aktiv werden. Durch den Bezug zum alltäglichen Phänomen Verbrennung soll das Interesse und die Motivation gestärkt werden. Die chemischen Begriffe sollen durch die handlungsorientierte Behandlung des Themas dazu führen, dass die Schülerinnen und Schüler kognitive Verbindungen zwischen dem Begriff und der spezifischen Handlung aufbauen und sich dadurch die Begriffe besser merken können. Zusätzlich sollen Bilder und Modelle zu einem besseren Verständnis führen und das kognitive Wissensnetz der Schülerinnen und Schüler erweitern und stärken. 2.2.2 Sprachliche Formulierung von Beobachtungen Die Schülerinnen und Schülern sollen sich darin üben, das Phänomen konzentriert zu beobachten und dieses zu beschreiben. Die Fähigkeit zur sprachlichen Formulierung und des „Sich-Ausdrückens ist meiner Erfahrung nach oft in schwachen Sek-B- und Sek-C-Klassen noch ein wenig unterentwickelt. Das Erklären von Phänomenen mit eigenen Worten ist für das Verständnis jedoch sehr wichtig und sollte dadurch immer wieder geübt werden. 2.2.3 Erwerben von fächerübergreifenden Schlüsselkompetenzen Während den Gruppen- und Partnerarbeiten sollen die Schülerinnen und Schüler ihre sozialen Kompetenzen verbessern. In sozialen Interaktionen werden ihre kooperativen Fähigkeiten gefördert: Sie lernen, die Gefühle und Meinungen von Mitschülerinnen und Mitschülern zu akzeptieren (Perspektivenwechsel), die Arbeit gleichberechtigt unter allen Gruppenmitgliedern aufzuteilen und einander mit Rücksicht und Respekt zu begegnen. Diese Schlüsselkompetenzen sind vor allem auch in Bezug auf die spätere Berufswahl von grosser Bedeutung. Neben einem gewissen fachlichen Wissen, dass die Schülerinnen und Schüler mitbringen sollten, spielen Fähigkeiten wie Verantwortungsgefühl, Zuverlässigkeit, Sozialkompetenzen, Sorgfalt und Selbstständigkeit eine grosse Rolle. 3 2.2.4 Sorgfältiger Umgang mit Material aus dem Chemie-Labor Die Schülerinnen und Schüler sollen während des Chemie-Unterrichts ebenfalls lernen, selbstständig und sorgfältig mit dem spezifischen Material (Bunsenbrenner, Reagenzgläser etc.) umzugehen, einen gesunden Respekt vor verschiedenen chemischen Stoffen gewinnen und verinnerlichen, dass sie im Umgang mit allenfalls gefährlichen Substanzen vorsichtig sein müssen und bei Unklarheiten immer Fragen sollten. Dies beinhaltet jedoch auch, dass sie lernen, Aufträge genau und gründlich durchzulesen, bevor sie eine Arbeit beginnen. 2.2.5 „b f als didaktisches Grundprinzip des Chemie-Unterrichts Während den einzelnen Lektionen möchte ich das didaktische Grundprinzip „b f (beobachten, interpretieren, formulieren) anwenden. Es ist wichtig, dass das Erleben dem Erkennen und Benennen vorangeht. Während einem Experiment sollen die Schülerinnen und Schüler zuerst das Geschehen genau betrachten und die wichtigsten Beobachtungen (z. B. Farbänderung, Änderung des Aggregatzustandes etc.) notieren. Erst nach der selbstgemachten Erfahrung durch das Experiment soll die Theorie (z. B. Aufbau der Stoffe, Teilchenvorstellung) erfolgen. Zum Schluss sollen die gemachten Erfahrungen und Beobachtungen mit Begriffen, Reaktionsgleichungen und Gesetzmässigkeiten verknüpft werden.1 2.3 Kontext zum unmittelbaren Erlebnis- und Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler sowie zu natürlichen und technischen Prozessen Die Schülerinnen und Schüler können durch die zahlreichen Experimente unmittelbar erleben und erfahren, welche Eigenschaften Verbrennungen aufweisen. Sie können direkt mit Verbrennung arbeiten und das Phänomen genau betrachten. Obwohl sie in ihrem Alltag zahlreiche Verbrennungen (z. B. beim Motorrad fahren, Kerzen) antreffen können, haben sie diese mit grosser Wahrscheinlichkeit noch nie genau betrachtet. Während meiner Lektionsreihe möchte ich darauf achten, dass die Schülerinnen und Schüler Gelegenheit bekommen, Verbrennungsreaktionen genauer anzuschauen und die chemische Reaktion hinter dem Phänomen wahrzunehmen. Das Rosten von Eisen ist ein natürlicher Prozess, welcher zu unserem Leben gehört, denn Rost verursacht jährlich Milliardenschäden. Zudem ist das Metall Eisen in unserer Zeit nicht mehr wegzudenken. Die Eisenherstellung ist somit von grosser Bedeutung für unsere heutige Gesellschaft und betrifft den unmittelbaren Erlebnis- und Erfahrungsraum der Jugendlichen in den folgenden Bereichen: Berufswelt (z. B. Autoteilen aus Stahl), Freizeit (z. B. Motorrad fahren, Computer), Haushalt (z. B. Nägel) etc. Der Hochofenprozess soll den techni1 Skript CH210 Chemiedidaktik bei Maja Burkhard, Wintersemester 2007 4 schen Prozess der Eisengewinnung darstellen, dessen extreme Arbeitsbedingungen und Arbeitsschritte in einem Film aufgezeigt werden sollen. 2.4 Kontext zum Lehrplan und zu den Lehrmitteln 2.4.1 Lehrplan In den nachfolgenden Erläuterungen werde ich mich jeweils auf den Lehrplan für die Volksschule des Kantons Zürich beziehen. 2.4.1.1 Leitbild (Seiten 3 bis 5) Im Leitbild werden zehn Grundhaltungen genannt, welche die Schule prägen sollen. Während meiner Lektionsreihe lege ich besonderen Wert auf die folgenden Grundhaltungen: Interesse an Erkenntnis und Orientierungsvermögen Die Schülerinnen und Schüler sollen sich neues Wissen erschliessen, Fragen stellen und motiviert und interessiert daran sein, neue Erkenntnisse zu gewinnen. Sie sollen erkennen, dass dieses Wissen für sie und die Gesellschaft eine Bedeutung hat. Verantwortungswille Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, sich eine eigene Meinung zu bilden, diese zu vertreten und wenn nötig sich einem Entscheid einer Gruppe unterzuordnen. Leistungsbereitschaft Sie sollen lernen, Aufgaben als Herausforderung anzunehmen, Probleme schrittweise zu meistern und Schwierigkeiten zu überwinden. Dialogfähigkeit und Solidarität Die Schülerinnen und Schüler sollen kooperative Fähigkeiten entwickeln. In den Gruppenarbeiten sollen sie gemeinsam an der Lösung von Aufgaben arbeiten. Umweltbewusstsein Die Schülerinnen und Schüler sollen von der Natur erstaunt werden und ihr Achtung entgegenbringen. Sie sollen ihre Verantwortung gegenüber den Ressourcen erkennen. Urteils- und Kritikfähigkeit Die Schülerinnen und Schüler sollen eigene und fremde Meinungen in Frage stellen, prüfen und begründen. Sie sollen mit Kritik umgehen können. Offenheit Die Schülerinnen und Schüler sollen offen sein für ihre Umwelt und andere Länder. 2.4.1.2 Bedeutung des Unterrichtsbereichs und Richtziele (Seiten 27 und 29) „Es ist wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass wir einerseits von der Umwelt geprägt sind und wir andererseits die Umwelt beeinflussen. Sie sollen an Beispielen die Umwelt kennen und verstehen lernen. Die Schülerinnen und Schüler sollen zur Verantwortung und aktiven Mitgestaltung ihrer Zukunft erzogen werden. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit aller Unterrichtsbereiche. In den Richtzielen zu Natur und Technik sind in Bezug auf mein gewähltes Thema folgende Punkte am wichtigsten: Unmittelbares Erleben und Beobachten, Benennen von wichtigen Erscheinungen mit Hilfe von klaren Begriffen, Einblick in komplexe Wechselwirkungen im Zusammenspiel Natur – Mensch – Technik, Bedeutung der Natur als Lebensgrundlage, Nutzen von technischen Hilfsmitteln. 2.4.1.3 Grobziele (Seiten 85 bis 88) Die grundlegenden Arbeitsweisen spielen gerade im Bereich Natur und Technik eine grosse Rolle und sollten deswegen bereits von den ersten Lektionen an angewendet werden. Die 5 Schülerinnen und Schüler sollen die „Hilfsmittel aller Art fachgerecht handhaben, sich im Chemielabor zurecht finden und selbstständig die Materialien für einen Versuch bereitstellen können. Sie sollen „[] chemische [] Phänomene in der Alltagswelt [] beobachten und dabei wesentliche Merkmale wahrnehmen, Beobachtungen und Informationen zweckmässig festhalten und „klare Begriffe bilden. Zusätzlich sollen die Schülerinnen und Schüler neues Orientierungswissen gewinnen, das heisst sie sollen „Einblicke in die Denk- und Arbeitsweise in [] Chemie [] gewinnen. Sie sollen „wichtige Erscheinungen und Vorgänge mit genauen Begriffen verbinden und Begriffe und Regeln auf alltägliche Phänomene anwenden. Zudem sollen sie „Einblicke in Zusammenhänge gewinnen und „Entwicklungen und Veränderungen nachvollziehen und verfolgen. Auch sollen Wertvorstellungen geklärt werden und die Schülerinnen und Schüler sollen Verantwortung in Bezug auf unsere Umwelt und die Nachhaltigkeit gegenüber natürlichen Ressourcen übernehmen, indem sie „Konsequenzen eigenen und fremden Tuns in ausgewählten Bereichen untersuchen und gewichten. 2.4.2 Lehrmittel Für die Lektionsreihe „Redox-Reaktionen stehen die folgenden obligatorischen ChemieLehrmittel zur Verfügung: Für die Stufe Sek wird das Lehrmittel „CHEMIE (gelbes Schülerbuch) von Hans Jakob Streiff verwendet, für die Stufen Sek B/C das Lehrmittel „Chemie (blaues Schülerbuch) von Hans Jakob Streiff. Zusätzlich zu diesen beiden obligatorischen Lehrmitteln werde ich als Lehrperson das Chemie-Lehrmittel „Blickpunkt Chemie von D. Frühauf und H. Tegen als Ergänzung zu den obligatorischen Lehrmittel benützen. 2.4.2.1 Gegenüberstellung der Schülerbücher des Sek-A- und des Sek-B/C-Lehrmittels von Hans Jakob Streiff: Die Oxidation wird in beiden Lehrmitteln thematisiert. Danach endet das Thema allerdings im Schülerbuch des Sek-B/C-Lehrmittels, wobei im Sek-A-Lehrmittel noch die folgende Themen behandelt werden: Reduktion/Metallgewinnung, Thermitverfahren, Aluminiumherstellung, Vielfalt der Redox-Reaktionen, Elektronenverschiebung bei Redoxprozessen. Im Buch „Chemie Zusatzstoff des Sek-B/C-Lehrmittels findet man zwar weitere Informationen zu einzelnen Elementen (Sauerstoff, Eisen, Aluminium), jedoch müssen diese von der Lehrperson so bearbeitet werden, dass eine Verbindungen zur Oxidation, Reduktion und RedoxReaktion hergestellt werden kann. Aufgrund dieser Erkenntnisse werde ich für den ersten Teil meiner Lektionsreihe (Oxidation, Verbrennungsreaktionen) mit den stufenspezifischen Lehrmitteln arbeiten. Für die Einführung der Reduktion und das Behandeln der Redox-Reaktionen werde ich allerdings in allen drei Stufen das Sek-A-Lehrmittel verwenden.2 2 siehe 2.5 Unterschiedliche Gestaltung des Themas in A-, B- und C-Klassen 6 2.4.2.2 Film „Alles über Stahl Zur Eisengewinnung gibt es den Film „Alles über Stahl (siehe Lektion 6 in der Grobplanung). Im Film wird zuerst aufgezeigt, wie Eisenerz in der Sahara mit Hilfe von Sprengungen gewonnen werden kann. Daraufhin folgt nach dem Transport des Eisenerzes eine Sequenz zum Hochofenprozess. Da Deutschland ein Schwergewicht in der Eisenerzverarbeitung und Stahlproduktion ist, wird die Herstellung von Stahl am Beispiel Duisburg erklärt. Das Schauen eines Filmes stellt eine gute Möglichkeit dar, den Schülerinnen und Schülern den Redox-Prozess in der Praxis zu zeigen. Leider konnte ich in unserer Region keine Eisenproduktionsstätte finden, welche man im Rahmen einer Exkursion besuchen könnte. 2.5 Unterschiedliche Gestaltung des Themas in A-, B- und C-Klassen Gemäss dem Lehrmittel-Vergleich in 2.4.2 würde ich das Sek-B/C-Lehrmittel nur teilweise verwenden. Da die Redox-Reaktionen auch in B- und C-Klassen mit Hilfe des Sek-ALehrmittels behandelt werden müssen, würde ich als Lehrperson die Inhalte des Sek-ALehrmittels den Schülerinnen und Schülern nur in überarbeiteter Form präsentieren. Meine Lektionsreihe soll in allen drei Stufen handlungsorientiert unterrichtet werden. In Bund C-Klassen sollte jedoch darauf geachtet werden, dass es zu keinen Theorie lastigen Sequenzen kommt. Die Lernenden der Sek und sollten zudem die Möglichkeit haben, die Theorie in verschiedenen Übungen und Experimenten anzuwenden und zu wiederholen. Im Folgenden möchte ich kurz die meiner Meinung nach relevanten Themen aufzeigen, welche in den unterschiedlichen Niveaus behandelt werden sollten: Sek A, und Klassen sollten folgende Themen beherrscht werden: • Verbrennungsdreieck: Sauerstoff, Brennstoff, Zündtemperatur • Begriffe/Definitionen: Oxidation, Reduktion • Redox-Reaktion: Beschreiben des Phänomens (Ausgangsstoffe, Produkte) von verschiedenen Redox-Reaktionen (Experiment, Hochofenprozess) Sek A, starke Sek Klassen sollten zudem folgende Punkte können: • Verbrennung von organischen Stoffen: Kohlenstoffdioxid und Wasser als Produkte • Redox-Reaktion: Reaktionsgleichung von verschiedenen Redox-Reaktionen (Experiment, Hochofenprozess) aufstellen können • Elektronenverschiebungen bei Redox-Reaktionen 2.6 Kontext zu anderen Inhaltsaspekten des Zürcher Lehrplanes Die letzte(n) Lektion(en) meiner Grobplanung stellt einen Übertrag des erworbenen Wissens auf andere Fachgebiete und somit auf andere Fächer dar. Das Thema Redox-Reaktion kann 7 sehr gut in Verbindung mit der Biologie behandelt werden, da die Redox-Reaktion ebenfalls bei der (Zell-)Atmung anzutreffen ist. Es kann ebenfalls eine Verbindung mit dem Geographie-Unterricht stattfinden: Der Abbau und die Herstellung von Metallen (z. B. Kiruna) sowie der nachhaltige Umgang mit den natürlichen Ressourcen sind ebenfalls ein Thema der Geographie und im Lehrplan der Zürcher Volksschule auf den Seiten 89 bis 92 zu finden. Die physikalischen Eigenschaften von Metallen können zudem Thema des Physik-Unterrichts sein. Im Werken können dann die Schülerinnen und Schüler diese physikalischen Eigenschaften in der Praxis erfahren und den Umgang mit unterschiedlichen Metallen erlernen. 3 Grobplanung Ich habe meine Lektionsreihe für eine erste Sek-A-Klasse im 2. Semester3 geplant. Dabei gehe ich davon aus, dass die Schülerinnen und Schüler bereits die folgenden Voraussetzungen erfüllen: 1 Die Schülerinnen und Schüler haben bereits während den ersten Lektionen (Einführung Chemie) mit Hilfe der Verbrennung von Kerzen gelernt, Phänomene genau zu beobachten und diese Beobachtungen mündlich, schriftlich und graphisch festhalten. 2 Einige Metalle sind bereits aufgrund der Behandlung des Periodensystems bekannt. 3 Die Schülerinnen und Schüler können chemische Reaktionen mit Hilfe von Formeln und Gleichungen darstellen. 4 Die Schülerinnen und Schüler kennen bereits den Kohlenstoffdioxid-Nachweis: Sie wissen, dass Kohlenstoffdioxid bei einer chemischen Reaktion entstanden ist, wenn das Kalkwasser trüb wird. 5 Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie sie einen Bunsenbrenner bedienen müssen und wo sie das Material für die Schülerversuche finden und abwaschen können. 6 Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass Ionen elektrisch geladene Atome sind und einen Überschuss von einer positiven oder negativen Ladungseinheit aufweisen. 3 gemäss „Dreijahresplan Realien Sekundarstufe (Skript BI 210 (Herbstsemester 07), Arthur Jetzer) 8 In der nachfolgenden Grob- bzw. Feinplanung verwende ich die Abkürzung „Sch. sinngemäss für „Schülerinnen und Schüler und LP für Lehrperson. Inhalt Lektion 12 3 45 Wissen und Kenntnisse Fähigkeiten und Fertigkeiten Thema: Einführung Verbrennung Einstimmung: Drei oder mehrere Kerzen aufstellen, Zimmer verdunkeln. Nutzen einer Kerze. Mindmap zur Verbrennung an der Wandtafel Die Sch. haben gelernt, dass Kerzen Licht und Wärme spenden. Sie aktivieren ihr Vorwissen. Die Sch. sind in der Lage, ihr Vorwissen zu aktivieren und es den anderen mitzuteilen. Sie haben den Mut, Vermutungen zu äussern. Experimente mit Kerzen (Faraday): Zu zweit verschiedene Experimente zur Untersuchung der chemischen Reaktionen durchführen. Theorieteil. Kerze: Verbrennung organischer Stoffe näher betrachten. Die Sch. kennen das Verbrennungsdreieck mit den drei Begriffen Sauerstoff/(Luft) – Zündtemperatur – Brennstoff. Sie wissen, dass bei der Verbrennung einer organischen Verbindung immer Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen. Die Sch. verhalten sich sozial kompetent. Sie achten die Meinung des anderen und akzeptieren diese. Sie können das Phänomen in Worte fassen und die neuen Begriffe durch Bilder und Reflexion der Handlungen mit dem Vorwissen verknüpfen. Demonstrationsexperiment: Verbrennung von Stahlwatte in reinem Sauerstoff und Luft. Die Sch. erkennen, dass Stoffe in reinem Sauerstoff heftiger und schneller verbrennen. Die Sch. können genau beobachten und ihre eigene Wahrnehmung in Worte fassen. Theorieteil: Einführung Begriffe und Reaktionsgleichung zu Oxidation und Oxide anhand des Beispiels „Verbrennung Eisen. Die Sch. wissen, dass durch die Verbrennung von Eisen Eisenoxid (Rost) entstanden ist und können die Begriffe Oxidation und Oxide erklären und anwenden. Die Sch. können selbstständig und sauber einen Hefteintrag gestalten. Schülerexperiment: Die Sch. stellen in 3erGruppen die Apparatur gemäss LK Seite 45 auf. Die Sch. haben gelernt, dass die Oxidation in Wirklichkeit (in der Luft) langsam abläuft. Die Sch. wissen, wo sie welche Instrumente für den Schülerversuch finden können. In 3er-Gruppen: Beschreiben der Ergebnisse aus der langsamen Oxidation (Rosten). Reaktionsgleichung mit Kärtchen zusammenstellen. Die Sch. wissen, dass auch durch langsame Oxidation Eisen rosten kann (Entstehung Eisenoxid). Die Sch. können das Phänomen genau beschreiben und Erkenntnisse formulieren. Plenum: Rostbildung Oxidation Sauerstoffaufnahme. Was ist das Gegenteil? Die Sch. erkennen, dass die Sauerstoffabgabe das Gegenteil der Oxidation ist. Die Sch. können ihre Vermutungen formulieren und aktiv mitdenken. Schülerexperiment: „Reduktion von Kupferoxid in 3er-Gruppen durchführen und besprechen. Theorieeintrag (Reduktion und Redox-Reaktion). Die Sch. verstehen, was eine Reduktion ist und dass Redox-Reaktionen eine Zusammensetzung der Oxidation und Reduktion darstellen. Die Sch. können den Versuch beschreiben, graphisch darstellen und eigene Hypothesen bilden. In der Gruppe verhalten sie sich sozial kompetent. Elektronenverschiebung bei Redox-Prozessen besprechen: Zu zweit mit Kärtchen arbeiten (Erarbeiten der Ionenbildung), Theorieeintrag. Die Sch. haben gelernt, dass bei der Oxidation Elektronen abgegeben und bei der Reduktion Elektronen aufgenommen werden. Die Sch. können ihr Modell des Atomaufbaus und ihr Vorwissen über Ionen aktivieren und dieses auf die Elektronenverschiebung anwenden. Thema: Oxidation Thema: Einführung Redox-Reaktion 9 9 6 7 (8) Thema: Redox-Reaktion in der Praxis Kleiner Theorieinput mit Hilfe von Bildern zum Hochofenprozess durch die Lehrperson. Die Sch. erkennen, dass im Hochofen durch Redox-Reaktionen Eisen gewonnen wird. Die Sch. aktivieren ihr Vorwissen und beteiligen sich aktiv am Unterrichtsgespräch. Film schauen (erster Teil ohne Stahlherstellung): Kurzes Besprechen im Plenum. Dann in der Gruppe ein A3-Blatt mit Hochofenprozess bearbeiten und Kärtchen zuordnen. Diskussion in der Gruppe (Haben wir alles richtig zugeordnet? Und wieso ist ein Kärtchen richtig oder falsch?) mit Hilfe des Schülerbuches (Selbstständiges Kontrollieren). Die Sch. haben gelernt, welche Phänomene im Hochofenprozess ablaufen, welche Ausgangsstoffe benötigt werden und welche Produkte dabei entstehen. Sie kennen den technischen Prozess. Die Sch. schauen aktiv den Film an, machen sich Notizen und merken sich die wichtigsten Punkte, welche im Film genannt werden. In der Gruppe verhalten sie sich sozial kompetent. Dasselbe A3-Blatt, nun mit Formeln und Reaktionsgleichungen Gruppenarbeit, Theorieeintrag. Die Sch. wissen, wie der Hochofenprozess mit all seinen chemischen Reaktionen abläuft. Die Sch. können respektvoll miteinander umgehen und gemeinsam eine Lösung erarbeiten. Die Sch. eignen sich Wissen in einem spezifischen Themenfeld an, welches sie interessiert und besonders anspricht. Die Sch. können in der Gruppe arbeiten und gemeinsam eine Arbeit gestalten. Sie können einen Text genau durchlesen, die wichtigsten Punkte anstreichen und bei Verständnisproblemen nachfragen. Thema: Vielfalt der Redox-Reaktionen und Bedeutung für die Umwelt 3er-Gruppen, mögliche Themen zum Behandeln: Herstellung von Aluminium oder Kupfer, Entsorgung von Eisen (z. B. Dosen), Metall-Recycling in der Schweiz, Recycling von Kupfer, Thermitverfahren, Stahlherstellung, Milliardenschäden durch Rost, Vertiefung Zellatmung (Biologie) etc. Die Plakate werden im Schulzimmer aufgehängt und die Sch. laufen herum und schauen sich die verschiedenen Plakate an. 10 10 4 Feinplanung der Lektionen 4 und 5: Einführung Redox-Reaktionen Lektionsziele: Wissen und Kenntnisse Fähigkeiten und Fertigkeiten • Die Sch. wissen, dass auch durch langsame Oxidation Eisen rosten kann und können dazu die chemische Reaktionsgleichung aufstellen. • Die Sch. können ein Phänomen genau beschreiben, graphisch darstellen und eigene Hypothesen bilden und formulieren. • Die Sch. wissen, was eine Reduktion ist und dass Redox-Reaktionen eine Zusammensetzung der Oxidation und Reduktion darstellen. • Sie können in der Gruppe ihre eigene Hypothese präsentieren, für diese argumentieren, akzeptieren aber den Gruppenentscheid. • Die Sch. wissen, dass bei der Oxidation Elektronen abgegeben und bei der Reduktion Elektronen aufgenommen werden. • Die Sch. können ihr Modell des Atomaufbaus sowie ihr Vorwissen über Ionen aktivieren und dieses auf die Elektronenverschiebung anwenden. Lektionsablauf Unterrichtsform Material Zeit Inhalte Teilziele 5 Die Sch. betrachten ihre Versuchsanordnung (Lektion 3) als Modell für das Rosten und beobachten diese genau. Was hat sich seitdem verändert? Die Sch. sagen, was sie beobachtet haben und was ihrer Meinung nach geschehen ist (Hypothese). Die Sch. können ein Phänomen genau beobachten und ihre Beobachtungen und Hypothesen in Worte fassen. Die Sch. erkennen, dass das Eisen langsam zu Eisenoxid oxidiert und durch den Sauerstoffverbrauch das Wasser im Reagenzglas steigt. 3er-Gruppen bereits zusammengestellte Versuchsanordnung aus Lektion 3 5 Die Sch. stellen an der Wandtafel die Reaktionsgleichung mit Karten und der Lehrperson zusammen und ordnen die Begriffe zu. Die Sch. wenden ihr Vorwissen (Lektionen 1-3) an und wissen, dass Rosten eine langsame Oxidation ist und Sauerstoff gebunden wird. Plenum, LP Wandtafel, Kärtchen mit Begriffen (Reaktionsgleichung etc.), Theorieblatt 7 LP lässt Kupferblech über die Flamme des Bunsenbrenners schwenken. Was entsteht? Die Sch. wiederholen die Definition einer Oxidation. Aufzeigen der Reaktionsgleichung. Fragen der LP: Ist es möglich, aus Kupferoxid wieder Kupfer herzustellen? Die Sch. wissen, dass das Gegenteil einer Oxidation die Reduktion ist und dass dabei Sauerstoff abgeben wird. Plenum, LP Wandtafel, Kreide, Kärtchen Bunsenbrenner, Kupferblech, Tiegelzange 11 11 28 Die LP gibt Anweisungen zur ExperimentDurchführung (Wichtig: Kein Reagenzglas darf auf andere gerichtet sein). Die Sch. holen zuerst das gesamte Material und führen dann das Experiment „Reduktion von Kupferoxid durch. Sie lösen das Aufgabenblatt zusammen. Die Reagenzgläser werden zur Seite gestellt (Abkühlen). Die Sch. können in einer Gruppe einen Versuch mit Hilfe der Anweisungen der LP durchführen. Die Sch. erkennen, dass das Kupferoxid mit Hilfe von Kohlenstoff und hoher Temperatur in Kupfer und Kohlendioxid umgewandelt wird. Die Sch. sind in der Lage, das Material abzuwaschen und das Material am richtigen Ort zu versorgen. 3er-Gruppen, Einzelarbeit Aufgabenblätter, pro Gruppe: Schutzbrillen, 1 Mörser, 2 Bunsenbrenner, 1 dickwandiges Reagenzglas, 1 Stativ, 1 durchbohrter Stopfen, 1 gebogenes Glasrohr, 1 Erlenmeyerkolben, Kalkwasser, Kohlepulver, Kupferoxid Pause 3 Die Sch. waschen das übrige Material ab und versorgen es. Sie ergänzen ihre Aufgabenblätter mit den wichtigen Informationen. Die Sch. sind imstande, das Material abzuwaschen und es am richtigen Ort zu versorgen. Einzelarbeit, 3erGruppen Schutzbrillen, Mörser, Bunsenbrenner, Stativ, Erlenmeyerkolben mit Kalkwasser 13 Im Plenum wird die Reaktion noch einmal kurz besprochen. Mit Hilfe von Kärtchen und der Wandtafel wird die Redox-Reaktion in einem Theorieteil erläutert. Die Sch. wissen, dass eine Redox-Reaktion eine Zusammensetzung von Oxidation und Reduktion ist, d.h. es wird einerseits Sauerstoff abgegeben und andererseits aufgenommen. Plenum, LP Wandtafel, Kärtchen, Kreide, Theorieblatt 13 Im Plenum wird besprochen, was auf der Teilchenebene passiert (Repetition Ionen). Mit Hilfe von Kärtchen wird das Beispiel „Reduktion von Kupferoxid zuerst in der Gruppe, dann in der Klasse die Elektronenverschiebung dargestellt und besprochen. Die Sch. haben gelernt, dass Elemente dazu neigen, ihre Hülle derjenigen des nächsten Edelgases anzugleichen. Sie haben das Wissen erworben, dass es bei einer Reduktion zur Elektronenaufnahme und bei einer Oxidation zur Elektronenabgabe kommt. 3er-Gruppen, Plenum, LP Wandtafel, Kärtchen, Kreide, Theorieblatt, Periodensystem 10 Die Sch. arbeiten an den Übungsblättern. Sie lösen dieses und erhalten das Arbeitsblatt 84 aus dem „Blickpunkt ChemieLehrerordner als Hausaufgaben. Die Sch. können ihr erworbenes Wissen anwenden und üben. Sie repetieren die wichtigsten Begriffe. Einzelarbeit, (Partnerarbeit) Übungsblatt, Periodensystem, Übungsblatt aus „Blickpunkt Chemie (Hausaufgaben) 6 Die Sch. nehmen ihr Reagenzglas mit dem Kupfer und leeren den Inhalt auf ein weisses Papier. Wie teste ich, ob es Kupfer ist? Abwaschen und Versorgen des Materials Die Sch. erkennen, dass Metalle den elektrischen Strom leiten und dass beim Schülerversuch wirklich Kupfer entstanden ist. Einzelarbeit, 3erGruppen Aufgabenblätter, Reagenzgläser/-glashalter/-glasständer, Flachbatterie, Lämpchen, 3 Stromkabel, 2 Klemmen Das für die Doppellektion benötigte Unterrichtsmaterial (Theorieeinträge, Übungsblatt etc.) habe ich im Anhang aufgeführt. 12 5 Literaturverzeichnis 5.1 Bücher STREIFF, HANS JAKOB (1989): Chemie. Lehrmittelverlag des Kantons Zürich. Zürich. Schülerbuch, Lehrerkommentar. STREIFF, HANS JAKOB (1982): Chemie. Lehrmittelverlag des Kantons Zürich. Zürich. Schülerbuch, Schülerbuch Zusatzstoff, Lehrerbuch, Arbeitsblätter. FRÜHAUF, DIETER; TEGEN, HANS (2002): Blickpunkt Chemie. Schrödel Verlag. Braunschweig. Schülerbuch, Lehrerkommentar. BILDUNGSDIREKTION DES KANTONS ZÜRICH (2004): Lehrplan für die Volksschule des Kantons Zürichs. Lehrmittelverlag des Kantons Zürich. Zürich. 5.2 Skripte BURKHARD, MAJA (HS 2007): CH 210 Chemiedidaktik. PHZH. JETZER, ARTHUR (HS 2007): Spiralcurriculum, Unterrichtskonzepte für die Sekundarstufe I. BI 210 Biologiedidaktik. PHZH. 5.3 Internet Wikipedia (02.12.2007, 21:15 Uhr) Bilder: Titelbild Kerze: G1/Kerzen/21-Kerze.html (02.12.2007, 22:15 Uhr) Titelbild Hochofen: ContentPar.6218.File.tmp/Hochofen_jpg.jpg (02.12.2007, 22:30 Uhr) Reduktion von Kupferoxid: ub_030930.htm (02.12.2007, 23:00 Uhr) 5.4 Film PRO 7, GALILEO EXTRA (25.06.2006): Alles über Stahl. mp4-Datei. 13 6 Anhang Wandtafelbild: Oxidation Eisen (Stahlwatte) Luft (Sauerstoff) Î Rost (Eisenoxid) 4 Fe 3 O2 Î 2 Fe2O3 Oxidation Oxid Wandtafelbild: Übergang von der Oxidation zur Reduktion Kupfer 2 Cu Î Sauerstoff Kupferoxid Î O2 2 CuO Oxidation Oxid Die Stoffe werden danach mit den folgenden Kärtchen überdeckt: Stoff Î Sauerstoff Stoff A- -Oxid Wandtafelbild (plus Theorieeintrag): Reduktion Stoff A- -Oxid Stoff Î Sauerstoff Reduktion verläuft nicht so einfach: Es braucht ein Reduktionsmittel. Stoff A- -Oxid Stoff Î Stoff Stoff B- -Oxid Reduktionsmittel Reduktion Schülerversuch „Reduktion von Kupferoxid 07.12.2007 CH Gruppengrösse: 3 SchülerInnen Material: 2 Bunsenbrenner 1 Duran-Reagenzglas 1 Stativ mit Klammern 1 Hebebühne 1 Becherglas (250 ml) 1 durchbohrter Stopfen 1 gebogenes Glasrohr 1 Mörser 1 Schutzbrille für jeden Stoffe: 150-200 ml Kalkwasser 0.24 Holzkohlepulver (bereits von der Lehrperson abgewogen) 3.2 Kupferoxid (bereits von der Lehrperson abgewogen) Vorgehen: 1. Baut zuerst die Apparatur gemäss dem Bild oben auf. Das Reagenzglas soll am Stativ befestigt und das Becherglas auf der Hebebühne platziert werden. Benützt zwei Bunsenbrenner, damit ihr eine höhere Temperatur erreichen könnt. 2. Mischt 3.2 Kupferoxid mit 0.24 Holzkohlepulver gut im Mörser. 3. Erhitzt das Reagenzglas mit den beiden Bunsenbrennern. Achtet dabei darauf, dass ihr nicht zu lange an einer Stelle verweilt, sondern den Bunsenbrenner leicht schwenkt. Ansonsten kann es zu einem Schmelzen des Glases kommen (also Vorsicht!). 4. Wenn das Kupfer aufglüht, beginnt die Reaktion. Erhitzt dann noch ein wenig weiter (drei bis fünf Mal hin und her schwenken). 5. Wichtig: Bevor ihr die beiden Bunsenbrenner vom Reagenzglas entfernt, müsst ihr das Becherglas mit Hilfe der Hebebühne runterfahren, sodass sich das Glasrohr nicht mehr im Kalkwasser befindet. Ansonsten könnte Kalkwasser in Reagenzglas zurücksteigen. 6. Notiert eure Beobachtungen zu „vor der Reaktion und „während der Reaktion. Beobachtungen: Vor der Reaktion: Welche Farbe hat das Kupferoxid? Wie sieht das Kalkwasser aus? Während der Reaktion: Was geschieht im Becherglas? Was zeigt bzw. beweist die Veränderung des Kalkwassers? Woran konntest du Erkennen, dass die Reaktion eingesetzt hat? Was ist genau geschehen? Nach der Reaktion: Ist Kupfer entstanden? Wie testest du dies? ii Wandtafelbild (plus Theorieeintrag): Redox-Reaktion Reduktionsmittel Kupferoxid Kohlenstoff Î Kupfer Kohlenstoffdioxid 2 CuO Î 2 Cu CO2 Reduktion Oxidation Reduktion: Wenn einem Oxid Sauerstoff entzogen wird, spricht man von einer Reduktion. Wenn Reduktion und Oxidation gleichzeitig ablaufen, spricht man von einer RedoxReaktion. Kohlenstoff ist in der Reaktionsgleichung oben das Reduktionsmittel, weil es dem Kupferoxid den Sauerstoff entzieht und dass Kupferoxid dadurch reduziert wird. Wandtafelbild: Elektronenverschiebungen 2 Magnesium Sauerstoff Î Magnesiumoxid 2 Mg O2 Î 2 MgO Mg Î Mg2 12 Elektronen e- 12 8 Elektronen e- 8 10 Elektronen e- Î O210 Elektronen e- 12 8 2 2 e- Mg-Atom O-Atom Mg-Ion 2- O-Ion Redox-Prozesse führen immer zu Veränderungen der Atomhülle der betroffenen Teilchen. Oxidation bedeutet Elektronenabgabe: Ein Teilchen, das aus einer Atomhülle ein oder mehrere Elektronen e- verliert, wird oxidiert. Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme: Ein Teilchen, das ein oder mehrere Elektronen e- übernimmt, wird reduziert. iii Übungsblatt: Redox-Reaktionen 07.12.2007 CH 1.) Erkläre, was die folgenden Begriffe bedeuten: Oxidation: Reduktion: Redox-Reaktion: Oxide: 2.) Schau dir die unten stehende Reaktionsgleichung an, zeichne die Reduktion und die Oxidation ein und beantworte die unten stehenden Fragen. Kupferoxid CuO Î Î Zink Zn Kupfer Cu Zinkoxid ZnO Welcher Stoff ist das Reduktionsmittel? Welcher Stoff wird reduziert? Welcher Stoff wurde oxidiert? 3.) Unten siehst du die Oxidation der oben aufgeführten Redox-Reaktion, bei welcher es zur Elektronenverschiebung kommt. Gehe davon aus, dass Zink zwei Elektronen in der äussersten Elektronenhülle hat. Zink und Sauerstoff möchten gerne ihre Elektronenhülle der Hülle eines Edelgases angleichen. Welche Edelgase sind dies? Zink: Sauerstoff: Zeichne in den unten stehenden Grafiken die Elektronen (mit ren Kästchen das, was fehlt. Zn Zn-Atom ein und notiere in die lee- Î Î Sauerstoff-Atom iv 4