Experimente im Chemieunterricht Band 1 - didaktisch begründet auswählen und sicher durchführen PDF
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Bernhard Sieve Sabine Struckmeier Dominic Böhm Experimente im Chemieunterricht Band 1 didaktisch begründet auswählen und sicher durchführen Experimente im Chemieunterricht Band 1 Bernhard Sieve · Sabine Struckmeier · Dominic Böhm Experimente im Chemieunterricht Band 1 didaktisch begründet auswählen und sicher durchführen Bernhard Sieve Sabine Struckmeier Institut für Didaktik der Naturwissenschaften Institut für Didaktik der Naturwissenschaften, Leibniz Universität Hannover Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland Hannover, Deutschland Dominic Böhm Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland Die Online-Version des Buches enthält digitales Zusatzmaterial, das durch ein Play-Symbol gekennzeichnet ist. Die Dateien können von Lesern des gedruckten Buches mittels der kostenlosen Springer Nature „More Media“ App angesehen werden. Die App ist in den relevanten App-Stores erhältlich und ermöglicht es, das entsprechend gekennzeichnete Zusatzmaterial mit einem mobilen Endgerät zu öffnen. ISBN 978-3-662-63904-7 ISBN 978-3-662-63905-4 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-63905-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2022 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Zielsetzung und Konzeption der Bände Liebe Leserinnen und Leser, es gibt eine nahezu unüberschaubare Fülle von Experimenten, die im Chemieunterricht eingesetzt werden können. Schon allein für einen Themenbereich ist die Anzahl an mög- lichen Experimenten mitunter so groß, dass die Auswahl schwer fällt. Welches Experi- ment eignet sich zur Einführung des jeweiligen Themas? Welche Experimente können sich für die Anwendung der neuen Erkenntnisse oder Fachmethoden anschließen? Welches Experiment unterstützt das eigentliche Vermittlungsziel in besonderer Weise? Was sind also die Schlüsselexperimente und wie werden diese didaktisch und fach- lich begründet sinnvoll in den Unterrichtsgang eingebunden? Diese Fragen sind zentral für die gelingende Planung und Umsetzung eines Chemieunterrichts, in denen das Experiment das zentrale Instrument der Erkenntnisgewinnung ist. Gleichzeitig ist die Beantwortung dieser Fragen gerade am Anfang der Unterrichtstätigkeit eine der größten Herausforderungen – unabhängig davon, ob Sie Studierende*r, Lehrkraft im Vor- bereitungsdienst oder frisch eingestellte Chemielehrkraft sind. Klassische Experimentesammlungen helfen diesbezüglich nur bedingt weiter, denn darin fehlt meist die didaktische Einbettung bzw. Verortung eines Experi- ments. Diese Lücke möchten die Ihnen vorliegenden zwei Bände schließen. Sie finden darin eine breite Sammlung zentraler Schulexperimente für den Chemieunterricht der Sekundarstufe I vor, welche je nach Lehrplanausformung z. T. auch im Unterricht der Sekundarstufe II einsetzbar sind. Der erste der beiden Bände deckt dabei in gut 190 Experimenten – davon etliche in mehreren Durchführungsvarianten beschrieben – die Themen vom Einstieg in den Chemieunterricht bis zum Thema Elementfamilien ab. Der zweite Band beinhaltet in ebenso vielen Experimenten alle Themenbereiche der Sekundarstufe I, die nach der Einführung eines differenzierten Atommodells wie dem Schalen- oder Energiestufenmodell behandelt werden. Ferner wird ein Einstieg in die Organische Chemie inkl. der zentralen Stoffklassen vorgenommen. Auch zentrale Experimente der Sek. II finden im Band 2 ihren Platz. Die von uns gewählte Gliederung orientiert sich an einer in vielen Bundesländern gewachsenen und aufeinander aufbauenden Abfolge an Themen im Chemieunterricht, die einen kumulativen und kohärenten Wissens- und Kompetenzerwerb ermöglicht. V VI Zielsetzung und Konzeption der Bände Für jedes Thema zeigen wir eine oder mehrere bewährte didaktische Strukturierungen auf und skizzieren so den roten Faden durch das jeweilige Unterrichtsthema. Inner- halb dieser Strukturierung wird deutlich, welche Experimente hier besonders instruktiv erscheinen. Vermittlungshürden sowie fachsprachliche Aspekte werden ebenfalls dis- kutiert. Ergänzt werden diese Angaben durch eine fachdidaktische Kommentierung zu jedem Experiment, in der jeweils der didaktische Kern des Experiments herausgestellt und soweit möglich in einen Unterrichtskontext eingebunden wird. All dies soll Ihnen die begründete Auswahl von Experimenten und deren sachgerechte Einbindung in die jeweilige Unterrichtsreihe erleichtern. Methodische Hinweise und Durchführungshilfen zu den Experimenten sollen den- jenigen unter Ihnen, die gerade am Anfang des Weges zur Chemielehrkraft stehen, ein hohes Maß an Durchführungssicherheit und Kompetenzerleben ermöglichen. Unterstützt wird dies durch Videos zu zentralen Arbeitsweisen der Chemie sowie zu ausgewählten Experimenten, bei denen die Durchführung, trotz aller Bemühungen um eine exakte Durchführungsbeschreibung, durch bewegte Bilder anschaulicher dargestellt werden kann. Diese Videos sind über die More Media App zugänglich. Zu jedem Experiment gibt es eine Word-Datei zum Download. In der Datei sind die Materialien und Chemikalien (inkl. GHS-Einstufung), die Durchführung, Entsorgung und Platzhalter für die Beobachtung und Auswertung zusammengestellt. Daraus lässt sich schnell Arbeitsmaterial für Ihren Unterricht gestalten. Die Dateien können unter dem jeweils am Kapitelanfang unter „Elektronisches Zusatzmaterial“ angegebenen Link heruntergeladen werden. Zusätzlich wird zu jedem Experiment eine Gefährdungsbeurteilung in digitaler Form bereitgestellt, die Sie nach kostenloser Registrierung über „https://degintu.dguv.de/login“ oder https://www.experimentas.de/ abrufen können. Im Kopf der Word-Dateien finden Sie, soweit vorhanden, die Degintu-Nummer des Experiments. Diese Nummer führt zur Gefährdungsbeurteilung. Über die folgenden Icons können Sie zudem schnell einen Überblick über wesentliche Einsatzmöglichkeiten und Sicherheitshinweise erhalten: Schülerversuch Lehrerversuch Abzug Allgemeiner Hinweis Sicherheitshinweis Die vorliegende Sammlung ist über viele Jahre in der Ausbildung von Lehramts- studierenden mit Fach Chemie an der Leibniz Universität Hannover entstanden und gewachsen. Jedes Experiment ist durch die Hände vieler Studierender gegangen und so mit der Zeit optimiert worden. Die Experimente sind dabei primär für die Durch- führung mit klassischen Laborgeräten konzipiert. Da, wo es aus unserer Erfahrung und Zielsetzung und Konzeption der Bände VII Unterrichtspraxis sinnvoll erscheint, werden Durchführungsvarianten mit Low-Cost- Ansätzen und unter Einsatz von medizintechnischem Material (Spritzentechnik) vor- gestellt. Eine sehr große Hilfe bei der Erprobung und Optimierung der Experimente war Nils Falco Schneider. Ihm und allen anderen Studierenden, die sich im Laufe der Zeit mit den Experimenten befasst haben, gilt unser besonderer Dank. Die in diesen beiden Bänden aufgeführten Experimente sind zwar von uns bzw. den Studierenden erprobt und optimiert worden, doch entstammen nicht alle Experimente unserem Gedankengut. Wir haben die Quellen für Experimente recherchiert und dort, wo es möglich war, auch angegeben. Es war jedoch nicht in jedem Fall möglich, die Ent- wickler*innen zu bestimmen, zumal viele Versuche mittlerweile den Weg in die Schul- buchliteratur gefunden haben. Nun wünschen wir Ihnen viel Erfolg bei der Planung und Gestaltung Ihres experimentell orientierten Chemieunterrichts und hoffen, dass Sie durch die vorliegende Sammlung darin Unterstützung finden. Die Herausgebenden Dr. Bernhard Sieve Dr. Sabine Struckmeier Dominic Böhm Inhaltsverzeichnis 1 Es muss nicht immer ein Reagenzglas sein ........................... 1 1.1 Spritzen, Kanülen und Stopfen ................................ 2 1.2 Schläuche, Hähne und Verbindungen ........................... 4 1.3 Gefäße ................................................... 4 2 Fachmethoden in der Chemie – Erhitzen, Messen, Wiegen ............. 7 2.1 Aufbau und Funktionsweise des Gasbrenners ..................... 8 2.2 Erhitzen von Feststoffen und Flüssigkeiten ....................... 12 2.3 Wiegen und Volumen abmessen ................................ 14 2.4 Gleich viel ist nicht gleich schwer .............................. 16 3 Einstiege in den Chemieunterricht ................................. 19 3.1 „Goldherstellung“ .......................................... 23 3.2 Untersuchung von Gummibärchen ............................. 25 3.2.1 Voruntersuchungen .................................. 25 3.2.2 Untersuchung der Inhaltsstoffe von Gummibären .......... 26 3.3 Wer macht den meisten Schaum? .............................. 28 3.4 Untersuchung von weißen Pulvern ............................. 29 3.4.1 Löslichkeit ........................................ 30 3.4.2 Elektrische Leitfähigkeit ............................. 31 3.4.3 Verhalten gegenüber Rotkohlsaft ....................... 31 3.4.4 Verhalten beim Erhitzen .............................. 31 3.4.5 Verhalten gegenüber Citronensäure-Lösung .............. 32 4 Untersuchung messbarer Stoffeigenschaften ......................... 35 4.1 Aggregatzustände und Phasenübergänge ......................... 36 4.1.1 Schmelztemperatur Erstarrungstemperatur .............. 38 = 4.1.2 Schmelztemperaturen von Stearinsäure und Natriumthiosulfat ................................... 40 4.1.3 Sublimation und Resublimation ........................ 41 4.1.4 Trockenes Eis ...................................... 43 IX X Inhaltsverzeichnis 4.1.5 Siedekurven von reinem Wasser und von Lösungen ........ 44 4.1.6 „Der Eiskocher“ .................................... 46 4.1.7 Wasser siedet beim Abkühlen – Demonstration ............ 48 4.1.8 Wasser siedet beim Abkühlen – Spritzentechnik ........... 49 4.1.9 Die zerknautschte Metalldose ......................... 50 4.1.10 Verflüssigen von Feuerzeuggas durch Abkühlen ........... 51 4.1.11 Verflüssigen von Feuerzeuggas durch Druck .............. 53 4.2 Löslichkeit ................................................ 54 4.2.1 Löslichkeit von Feststoffen ........................... 55 4.2.1.1 Feststoffe lösen sich in Wasser in unterschied- lichen Mengen ............................ 55 4.2.1.2 Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Feststoffen ............................... 56 4.2.2 Löslichkeit von Gasen ............................... 58 4.2.2.1 Gleiche Brausetabletten – verschiedene Gasvolumina? ............................ 58 4.2.2.2 Abhängigkeit der Gaslöslichkeit von der Temperatur .............................. 59 4.2.2.3 In Wasser sind Gase gelöst .................. 60 4.2.2.4 Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff in Wasser ....................... 62 4.2.2.5 Kohlenstoffdioxidgas in tiefen Wasserschichten .......................... 64 4.3 Kristallisieren und Kristalle züchten ............................ 65 4.3.1 Kupfersulfat- und Alaun-Kristalle züchten ............... 66 4.3.2 Salzkristalle – ganz schnell ........................... 68 4.3.3 Kristallisation von Kaliumnitrat ........................ 70 4.3.4 Salicylsäure – Kristallisation und schnelles Ausfällen ....... 71 4.3.5 Spontane Kristallisation von Natriumthiosulfat-Pentahydrat ......................... 73 4.4 Anwendungen von Salz-Lösungen im Alltag ..................... 74 4.4.1 Kältepack und Wärmepad zur Soforthilfe ................ 74 4.4.2 Kältepack Marke Eigenbau ........................... 75 4.4.3 Wärmepad Marke Eigenbau ........................... 76 5 Dichte ......................................................... 79 5.1 Bestimmung der Dichte von Feststoffen ......................... 81 5.1.1 Methoden zur Dichtebestimmung von Feststoffen ......... 81 5.2 Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten ....................... 83 5.2.1 Dichtebestimmung von Milch ......................... 83 5.3 Dichte-„Probleme“ im Alltag .................................. 85 5.3.1 Bau eines Aerometers ................................ 85
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