Labor: ChemCollective The Chemistry Collective ist eine Sammlung ...

Labor: ChemCollectiveThe Chemistry Collective ist eine Sammlung virtueller Labors, szenario-basierterLernaktivitäten und Konzepttests, die in eine Reihe von Unterrichtsansätzen wie Pre-Labs, Alternativen zu Hausarbeiten mit dem Schulbuch und Unterrichtsaktivitäten inEinzel- oder Gruppenarbeit integriert werden können. Es wird von DozentInnen undMitarbeiterInnen der Carnegie Mellon University für Studierende und SchülerInnenorganisiert, die Interesse daran haben, spannende Online-Aktivitäten für die Chemie-Ausbildung zu verwenden, bewerten und/oder entwickeln.Das Labor auf einen Blick:o Naturwissenschaftliches Fach: Chemieo List der Labors: Verschiedene. Das wichtigste ist das Virtuelle Labor (Hier habt ihr die Chance,Chemikalien mischen zu können, ohne eine Schutzbrille tragen zu müssen. In diesem Laborwird keine Säure auf das Spektrometer verschüttet. Wählt einfach Lösungen aus der großenDatenbank aus und mischt sie, bis geklonte Kühe herauskommen. Bewundert die Reaktion derchemischen Lösungen in Echtzeit.) Weitere Labors: Stöchiometrie, Gleichgewicht,Periodensystem, Warum die Dinge farbig sind, Verbrennungsmotorsimulator, Akklimatisierungauf dem Mt. Everest, Spektroskopischer Simulator, Statistischer Mechaniksimulator.o Ein Angebot von: Carnegie Mellon Universityo Oberfläche verfügbar in folgenden Sprachen: Verschiedene (#)o Registrierung erforderlich: NEINo Aus folgenden Gründen empfehlenswert: #o Notwendige Software: Virtual Lab Simulator (wenn als Applet ausgeführt, wird JRE benötigt)Leitfäden und Materialien für Lehrkräfte:o Angebotenes Material für Lehrkräfte und Lernmaterialien: Viele Materialien verfügbar (fürLehrkräfte und für SchülerInnen)o Akademische Veröffentlichungen zur pädagogischen Nutzung des Labors: Verschiedene (sieheSeite "Papers").AktivitätEinführungDer gemeinhin als "Salz" bekannte Stoff heißt eigentlich Natriumchlorid und ist nur eines von vielen Salzen.Mehrere von ihnen sind gewöhnliche farblose Kristalle, leicht wasserlöslich und mit dem typisch "salzigen"Geschmack. Manche haben jedoch gänzlich andere Eigenschaften: Manche Salze haben eine andere Farbe,manche können den pH-Wert des Wassers, in dem sie gelöst sind, hin zu sauer oder alkalisch verändern.Jahrhundertelang wurden alkalische Salze wie Kalium- oder Natriumkarbonat ("Kali" oder "Natronlauge") zurHerstellung von Seife aus tierischen Fetten verwendet, ein Verfahren, das von professionellen Seifensiedernausgeführt wurde.

Wieso kann ein Salz alkalisch sein? Wieso kann ein Salz sauer sein? Findet es in dieser Aktivität heraus!Unser ForschungsvorhabenIhr werdet verschiedene Salzlösungen herstellen, indem ihr chemische Reaktionen in einem virtuellen Labordurchführt.Die Aufgabe ist es, herauszufinden, aus welchem Grund der pH-Wert einer Salzlösung anders als neutral (pH =7) sein kann.Am Ende solltet ihr auch in der Lage sein, rein durch Blick auf die chemische Formel zu erkennen, welche Salzesauer und welche alkalisch sind.Bevor ihr mit der Planung der Experimente beginnen könnt, müsst ihr mehr über die Stoffe erfahren, mit denenihr arbeiten werdet.Gleich werdet ihr aufgefordert, die korrekten chemischen Gleichungen der Reaktionen, die sich während desExperiments vollziehen, aufzustellen. Achtet darauf, den Theorieteil aufmerksam zu lesen und die Übungensorgfältig durchzuführen, damit euer Experiment gelingt!Ein wenig Theorie (I): NeutralisationsreaktionenNeutralisation – Durch eine Säure-Base-Reaktion entsteht ein SalzAnmerkung: Ein Alkali ist eine wasserlösliche Base. Viele Basen sind auch Alkalis, deshalb werden die Begriffehäufig synonym verwendet.In wässrigen Lösungen (gelöst in Wasser) spaltet sich ein Säuremolekül ab (Protolyse) und bildet positivgeladene Wasserstoffionen (H+). Diese sind für den sauren pH-Wert einer Lösung verantwortlich.Z. B. Salzsäure HCl: HCl(aq) → H+(aq) + Cl- (aq)

Das restliche Molekül wird zu einem negativ geladenen Antion, in diesem Fall: Chlorid Cl-Eine Base bildet negativ geladene Hydroxidionen, wenn sie in Wasser gelöst wird. Diese sind für den alkalischenpH-Wert einer Lösung verantwortlich.Z. B. Natriumhydroxid NaOH: NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq)Die restliche Base wird zu einem positiv geladenen Ion, in diesem Fall: Natrium Na+Wenn die gleichen "Mengen" vermischt werden, neutralisieren sich Wasserstoff- und Hydroxidionen undbilden Wasser:H+(aq) + OH-(aq) → H2ODie verbleibenden Ionen bilden ein Salz:Na+(aq) + Cl- (aq) → NaCl (aq)Insgesamt erhalten wir folgende Neutralisierungsgleichung: HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O + NaCl(aq)Multiprotische Säuren:Mache Säuremoleküle können mehr als ein H+-Ion bilden. Aus diesem Grunde muss jedes dieser Moleküledurch mehr als ein OH-Ion neutralisiert werden.Ein Beispiel ist Schwefelsäure, H2SO4. Sie bildet zwei H+-Ionen:H2SO4 (aq) → 2 H+(aq) + SO42-(aq)Deshalb benötigt man hier doppelt so viel Alkali für die Neutralisierung!H2SO4 (aq) + 2 NaOH(aq) → Na2SO4(aq)In diesem Falle enthält das sich bildende Salz (Natriumsulfat) doppelt so viele Natrium- wie Sulfationen.Ihr müsst sicherstellen, dass die Zahlen in euren Gleichungen auf beiden Seiten übereinstimmen! Das nenntman "ausgleichen" einer Gleichung. Wenn ihr die Reaktion in einem praktischen Element durchführen wollt,muss das Verhältnis der Reaktanten stimmen!Schreibt ausgeglichene Gleichungen von Neutralisierungsreaktionen zwischen den folgenden Säuren undAlkalis auf. Diese Gleichungen werden euch helfen, eure Experimente zu planen. Ihr könnt jede Säure mitjedem Alkali aus der Liste reagieren lassen:Säuren: HCl, HBr, H2SO4, HNO3, HClO4, HI, HF, H(CH3COO), H3PO4, HCNAlkalis: NaOH, NH4OH, Mg(OH)2Ladet eure Ergebnisse in den Ordner Ausgeglichene Gleichungen hoch.

Ein bisschen Theorie, die wir für unsere Arbeit brauchen (II)Starke und schwache Säuren oder AlkalisBeim Lösen einer Säure oder eines Alkalis befinden sich Millionen Moleküle und Ionen im Wasser. Einge Säurenwerden "schwach" genannt, da nicht all ihre Moleküle sich lösen und H+-Ionen bilden, oder anders gesagt derProtolyse unterliegen. Ein bestimmter Anteil Moleküle verbleibt in seiner ursprünglichen Form im Wasser. Esgibt auch schwache Alkalis. Sie bilden weniger als 100% OH-Ionen.Im virtuellen Labor findet ihr eine Liste, auf der ihr nachsehen könnt, welche Säuren/Basen schwach undwelche stark sind. Experimentiert mit ihnen, um herauszufinden, wie sie sich in einer Neutralisierungsreaktionverhalten!Auf ins Labor!Ihr werdet in einem virtuellen Labor Neutralisierungsreaktionen durchführen. Im Labor könnt ihr aus einerVielzahl von sauren und basischen Lösungen wählen, die ihr dann mische könnt, um eine Reaktion zu erzeugen.So könnt ihr alle Konzentrationen und pH-Werte der von euch hergestellten Salzlösungen überwachen.Öffnet zunächst die erklärende Datei, die euch zeigt, wie die virtuellen Geräte und Chemikalien im Laborverwendet werden: http://www.chemcollective.org/pdf/walkthrough.pdfIhr könnt euch das Programm aber auch von eurer Lehrkraft zeigen lassen.Anschließend öffnet ihr den Labor-Simulator selbst. Ihr könnt alle verfügbaren sauren und alkalischen Lösungenmischen. Achtet auf die richtigen Mengen. Eure ausgeglichenen Gleichungen aus Aufgabe 1 werden euch dabeihelfen!www.chemcollective.org/vlab/vlab.phpAufgabe 2: LaborberichtErstellt eine Tabelle mit allen unten genannten Informationen. Kopiert eure korrekt ausgeglichenenGleichungen aus Aufgabe 1 in die erste Spalte. Sie gibt an, welche Säuren und Alkalis in jedem eurerExperimente verwendet wurden.Experiment NummerNeutralisierungsreaktion - Konzentration + Volumen der Säure - Konzentration + Volumen des Alkali - pH-Wertder SalzlösungLadet eure Tabelle in den Tabellen-Ordner hoch.

Diskussion und SchlussfolgerungenWenn der pH-Wert eurer Salzlösung 7 beträgt, habt ihr eine neutrale Salzlösung hergestellt. Sehrwahrscheinlich wurde eure Neutralisierungsreaktion korrekt durchgeführt.Wenn der pH-Wert nicht neutral ist, überprüft zunächst Folgendes:Habt ihr die richtigen "Mengen" der sauren und alkalischen Lösungen verwendet? Die Konzentrationen undVolumen müssen gleich sein. Bei multiprotischen Säuren muss das Verhältnis stimmen.Sind eure chemischen Reaktionen korrekt ausgeglichen?Wenn ihr absolut sicher seid, dass eure Experimente korrekt durchgeführt wurden, vergleicht die Säuren undAlkalis, die ihr verwendet habt. Welche Art von Kombinationen erzeugten saure Salze? Welche erzeugtenalkalische Salze? Vielleicht findet ihr ein Muster.Weiterführende Diskussion für SchülerInnen der Oberstufe:Lernt oder wiederholt das Konzept des Chemischen Gleichgewichts.Beobachtet, welche anderen Stoffe sich in euren Salzlösungen sonst noch gebildet haben. Wie könnten siegebildet worden sein? Wie beeinflussen sie möglicherweise den pH-Wert der Lösung?DiskussionLegt eure Schlussfolgerungen dar, warum eurer Meinung nach einige Salze alkalisch und einige sauer sind.

Über das ProjektDurch empirisches Ausprobieren von Neutralisierungsreaktionen zwischen verschiedenen Säuren und Alkalis ineinem virtuellen Labor sollen SchülerInnen herausfinden, warum einige der Salzlösungen, die sie erhalten,einen anderen pH-Wert als 7/neutral aufweisen. Die Übung eignet sich für SchülerInnen der Altersgruppen 14-15 und 16-18, da sie in zwei Schwierigkeitsstufen durchgeführt werden kann (es gibt eine einfache Antwort undeine detailliertere, für die das theoretische Konzept des chemischen Gleichgewichts bekannt sein muss).Mögliche Lernziele:Säure-Basen-Neutralisierungsreaktionen kennenlernen oder wiederholen/übenDas Aufstellen und Ausgleichen chemischer Gleichungen übenPraktische Arbeit an den stöchiometrischen Konzepten Molare Konzentration, Molverhältnis undLösungsvolumenEinführung in die chemischen Themen "Pufferlösungen", "Säure-Base-Titrationen"Weiterführend: Anwendung des chemischen Konzepts "chemisches Gleichgewicht" (Hin- und Rückreaktionen)Erforderliche Zeit:etwa 3 EinzelschulstundenLösungen für die Aufgaben:Aufgabe 1: Korrekt ausgeglichene Neutralisierungsreaktionen finden sich in jedem Chemiebuch der Mittelstufe.Aufgabe 2: Die Ergebnisse in den Tabellen hängen vom Design der Experimente der SchülerInnen ab. DasVerhältnis von Säure und Alkali (Konzentration * Volumen) sollte dem Molverhältnis der Reaktanten in derNeutralisierungsgleichung entsprechen.Experimentelle Schlussfolgerungen: Starke Säuren, die von schwachen Alkalis neutralisiert werden, ergebensaure Salzlösungen. Schwache Säuren, die von starken Alkalis neutralisiert werden, ergeben alkalischeSalzlösungen.Weiterführende Schlussfolgerungen: In einer Lösung eines alkalischen Salzes ist die Protolyse-Reaktion derschwachen Säure umgedreht. Die undissoziierte Säure wird neu gebildet, wobei ein Teil der im Wasservorhandenen H+-Konzentration verwendet wird. Dies führt zu einem Anstieg des pH-Werts der Lösung.In der Lösung eines sauren Salzes wird das entsprechende undissoziierte Alkali mit dem gegenteiligen Effektgebildet.AutorIn(nen): Lina Neuner

Vernetztes/Virtuelles LABOREine Auswahl virtueller Laborsimulationen und Aktivitäten, die sofort im Unterricht eingesetzt werden können.Es liegen zahlreiche Benutzerleitfäden für SchülerInnen und Lehrkräfte sowie Verwendungsvorschläge vor.Chemistry Collective ist eine Sammlung virtueller Labors, szenario-basierter Lernaktivitäten und Konzepttests,die in eine Reihe von Unterrichtsansätzen wie Pre-Labs, Alternativen zu Hausarbeiten mit dem Schulbuch undUnterrichtsaktivitäten in Einzel- oder Gruppenarbeit integriert werden können. Es wird von DozentInnen undMitarbeiterInnen der Carnegie Mellon University für Studierende und SchülerInnen organisiert, die Interessedaran haben, spannende Online-Aktivitäten für die Chemie-Ausbildung zu verwenden, bewerten und/oderentwickeln.Als Projekt innerhalb der National Science Digital Library (NSDL) bestehen die Zielsetzungen vonChemCollective in der Unterstützung einer Gemeinschaft von Lehrkräften, die Interesse daran haben, denChemieunterricht durch interaktive und spannende Online-Aktivitäten besser zu machen. Wir laden alleLehrkräfte ein, die Materialien einzusetzen und durch Kommentare und Feedback zu den Aktivitäten, denAustausch von Unterrichtserfahrungen und die Beteiligung an Diskussionen zum Projekt beizutragen. DieLehrkräfte sind insbesondere aufgefordert, mit Hilfe von Entwicklungstools für virtuelle Labors und denSzenarien, die diese Seite bietet, Aktivitäten abzuändern und zu entwerfen.ÜBERSETZUNG VON SCIENTIX(www.scientix.eu)