Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS

Gymnasium, Fach Chemie Jahrgangsstufen 8 (NTG), 9 (SG, MuG, WSG) Stand: Juli 2016

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Elektrische Leitfähigkeit von Lösungen

Jahrgangsstufen 8 (NTG), 9 (SG, MuG, WSG)

Fach/Fächer Chemie

Übergreifende Bildungs-

und Erziehungsziele ---

Zeitrahmen 1-2 Unterrichtsstunden

benötigtes Material Kopie(n), Experimentiermaterial für Low-cost-Leitfähigkeitsmessung (vgl.

AB), evtl. Aktiv-Lautsprecherboxen für Computer, Smartphone oder MP3-

Player mit Lautsprecher-Verbindungskabel (Stecker muss nicht zur Laut-

sprecherbox passen), Kartoffel

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler …

werten Ergebnisse (z. B. Leitfähigkeitsmessungen, Reibungselektrizität) von Experimen-ten mit molekularen Stoffen und Salzen aus und führen diese Ergebnisse auf den unter-schiedlichen Aufbau zurück. C8 (NTG) LB 4, C9 (SG) LB 4

Arbeitsaufträge

1) Lest den Dialog „Die Musikkartoffel“ mit verteilten Rollen vor.

2) Stimmt ab, ob ihr Tinas Geschichte zur Strom leitenden Kartoffel für wahr oder falsch haltet.

3) Überprüft den Wahrheitsgehalt, indem ihr die Situation nachstellt.

4) Die Zusammensetzung von Kartoffeln wird im Internet folgendermaßen beschrieben:

Ca. 75-79% Wasser, ca. 15-18% Kohlenstoffhydrate, davon größtenteils Stärke, aber auch geringe Mengen Rübenzucker (Saccharose), Traubenzucker (Glucose) und Frucht-zucker (Fructose), ca. 2-3% Eiweiß, ca. 1-2% Mineralsalze, u. a. Natriumchlorid, Kalium-chlorid, Calciumchlorid, Natriumsulfat, Kaliumphosphat, ca. 1-2% Ballaststoffe

a) Plant eine Versuchsreihe, mit der ihr herausfinden könnt, welche Inhaltsstoffe der Kartoffel für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Stellt eine Materialliste für die von euch benötigten Materialien zusammen.

b) Führt die Versuchsreihe durch und dokumentiert eure Ergebnisse tabellarisch. Leitet aus euren Versuchsergebnissen ab, welche Inhaltsstoffe für die elektrische Leitfähig-keit der Kartoffel verantwortlich sind.

5) Fertigt Skizzen an und beschreibt, wie ihr euch den Stromfluss durch die Kartoffel vor-stellt.

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Die „Musikkartoffel“

Hi Felix! Auf der Jugendfreizeit am Wochenende hast du echt einiges ver-

passt. Herr Bauer unser Jugendleiter hat tolle Musik für uns aufgelegt. Aber

stellt dir vor, eigentlich wäre der Discoabend beinahe geplatzt, weil wir ver-

gessen hatten, den CD-Player mitzunehmen. Da hat Herr Bauer einfach die

Musik von seinem Smartphone abgespielt. Weil das aber nicht laut genug

gewesen wäre, hat er es an die großen Lautsprecherboxen, die wir mitge-

nommen hatten, angeschlossen.

Tina, das kann doch gar nicht funktionieren! Die Lautsprecher-

boxen von unserer Jugendband haben doch ¼ Zoll große Klin-

kenstecker, die passen doch gar nicht in den Lautsprecheran-

schluss am Smartphone.

Stimmt, aber Herr Bauer wusste sich zu helfen. Er hat einfach

aus der Küche eine rohe Kartoffel geholt und den Miniklinken-

stecker von seinem Smartphone sowie den dicken Klinkenste-

cker von der Lautsprecherbox nebeneinander hineingesteckt

und schon hatten wir Sound.

Ich glaub, du verschaukelst mich! Eine Kartoffel enthält doch

kein Metall, wie soll denn der Strom vom einen Klinkenstecker

zum anderen übertragen werden?

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Flüssigkeit/Lösung Leitfähigkeit Ursache

dest. Wasser

verschiedene Zucker-Lösungen

Stärke-Lösung

verschiedene Salz-Lösungen

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Quellen- und Literaturangaben

Flint, A.; Witt, A.: Chemie fürs Leben – Elektrochemie – Von der stromleitenden Kartoffel zur Elektrolyse. Skript zum Download unter: http://www.didaktik.chemie.uni-rostock.de/fileadmin/MathNat_Chemie_Didaktik/Downloads/Elektrochemie1.pdf

Flint, A.; Zschäckel, B.-M.: Elektrochemie einmal anders. Aufzeichnung des zugehörigen Experimentalvortrags unter https://www.youtube.com/watch?v=9HLZKSPquQQ

Ebert, C.: Diagnose von unangemessenen Schülervorstellungen zu Ionen. Schriftliche Haus-arbeit, Emil-von-Behring-Gymnasium, Spardorf 2014

Weiterführende Literatur:

Marohn, A.: Schülervorstellungen zu Salzlösungen. Choice2learn - Diagnose und Verände-rung. In: Wambach,H. & Wambach-Laicher,J., Individualisieren und Aktivieren im Chemieun-terricht SII Band 1, Aulis 2012, 56-65

Marohn, A.: Wie ‚kommt’ der Strom durch die Lösung? Choice2learn - Diagnose und Verän-derung. In: Wambach, H. & Wambach-Laicher,J., Individualisieren und Aktivieren im Che-mieunterricht SII Band 1, Aulis 2012, 83-93

Marohn, A.: Ionenbildung durch Strom? - Eine an Schülervorstellungen orientierte und che-miegeschichtlich motivierte Unterrichtskonzeption. Chemie konkret 2008, 2/15, 75-84

Marohn, A.: Falschvorstellungen von Schülern in der Elektrochemie – Eine empirische Un-tersuchung. Dissertation, Universität Dortmund, 1999

Hinweise zum Unterricht

Zur Einführung der Ionen als dritter permanent existierender Teilchenart neben den Atomen und Molekülen eignen sich die unterschiedlichen Leitfähigkeiten wässriger Lösungen von molekularen Stoffen und Salzen gut. Als motivierender Kontext zur Untersuchung der Grund-lagen der elektrischen Leitfähigkeit eignen sich neben der hier vorgestellten „Musikkartoffel“ u. a. auch die Fragestellungen „Welcher Inhaltsstoff macht einen Isodrink zu einem Elektro-lytgetränk?“ oder „Warum darf man sich in der Badewanne nicht die Haare fönen?“. Alle drei Kontexte sind geeignet, durch einfache Schülerexperimente die Stoffklasse der Salze (bei Isodrinks evtl. zusätzlich der organischen Säuren) als „Verursacher“ der elektrischen Leitfä-higkeit von Lösungen im selbst geplanten Schülerexperiment entdecken zu lassen.

Manche Kartoffelstärke-Suspensionen zeigen eine schwache elektrische Leitfähigkeit, die vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass herstellungsbedingt auch geringe Mengen an Ionen im Kartoffelstärkepulver enthalten sind.

Anregung zum weiteren Lernen

In der Folge können dann durch Experimente, z. B. zur Ionenwanderung und zur Leitfähig-keit von Salzschmelzen, die Ionen als permanent existierende Teilchen in Salzen eingeführt werden. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, die Schülervorstellungen zur elektri-schen Leitfähigkeit in Salzlösungen mit denen zur Leitfähigkeit in Metallen (NT7 Lern-bereich 1.1) abzugleichen, um häufig beobachtete Schüler(fehl)vorstellungen, z. B. „durch die Salzlösung schwimmenden Elektronen“ zu korrigieren. Experimente zur unterschiedli-chen Leitfähigkeit gleich konzentrierter Salzlösungen liefern Hinweise auf die unterschiedli-che Ionenladungszahl.

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Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler

Zu 3:

Zu 4:

Ungünstiger Vorschlag, da

erst alle Stoffe in der Lösung sind und mit Aus-lassung getestet werden muss, höherer Aufwand.

nicht für jede Schüler-gruppe Handy und Laut-sprecherboxen bereitge-stellt werden können.

Guter Vorschlag, da Stoffe sukzessive einzeln getestet werden. Low-cost-Leitfähigkeitsmessung statt Handy und Lautsprecher. Vorschlag zur Vereinfachung: Statt pneumatischer Wanne Zellkulturplatte oder Tüpfel-platte zum Testen der Leitfähigkeit verwenden => Mate-rialersparnis, mehrere Vertiefungen.

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Zu 4:

Flüssigkeit/Lösung Leitfähigkeit Ursache

dest. Wasser

keine

keine frei beweglichen Ladungsträ-ger vorhanden

verschiedene Zucker-Lösungen

keine

keine frei beweglichen Ladungsträ- ger vorhanden

Stärke-Lösung

keine

keine frei beweglichen Ladungsträ- ger vorhanden

verschiedene Salz-Lösungen

gut

bewegliche Ladungsträger vorhan- den

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Zu 5:

Skizze und Vorschlag von Anja:

Fehlvorstellung: Salze sind Gemische aus Metallen und Nichtmetallen und keine Verbin-dungen.

Leitfähigkeit durch bewegliche Elektronen wie im Metall (Dominanz des zuerst eingeführten Konzeptes zur elektrischen Leitfähigkeit).

Skizze von Jan:

Fehlvorstellung: Elektronen als „Schwimmer“

Vorstellung von Jan: Elektronen fließen aus dem Minuspol heraus, wandern durch die Kar-toffel und dann über den Pluspol wieder in den Draht zurück. (Elektronen als „Schwimmer“)

Vorstellung von Robert: In der Kartoffel sind elektrisch geladene Teilchen (Ionen). Die durch Elektronenüberschuss negativ geladenen Teilchen wandern zum Pluspol, geben dort Elektronen ab und werden entladen. Die ungeladenen Atome wandern zum Minuspol zurück und laden sich dort wieder negativ auf. (Anionen als Ladungstransporteure, Huckepack-Theorie)

Vorstellung von Annika: Elektronen fließen aus dem Minuspol heraus, werden von Teil-chen in der Kartoffel „Huckepack“ genommen und von diesen zum Pluspol transportiert. Dort wandern sie wieder in den Draht zurück. (Huckepack-Theorie)

Vorstellung von Felicitas: In der Kartoffel bewegen sich elektrisch geladene Teilchen (Io-nen). Die negativ geladenen Teilchen wandern zum Pluspol, geben dort Elektronen ab und werden entladen. Die positiv geladenen Teilchen wandern zum Minuspol nehmen dort Elekt-ronen auf und werden entladen. (ok)