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Ein Geben und Nehmen - Redoxreaktionen Schritt für Schritt

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5 RAAbits Realschule Chemie Dezember 2013

1 von 30Chemische Reaktionen 4. Redoxreaktionen Schritt für Schritt (Kl. 8/9)V

Ein Geben und Nehmen – Redoxreaktionen Schritt für Schritt

Tobias Dunst, Kißlegg

Welche Verbindung besteht zwischen dem mysteriösen Tod eines Alche-misten und seinem unglücklichen

Versuch, Kupfer aus einem gestohlenen Mi-neral zu gewinnen?

In dieser Einheit entwickeln Ihre Schüler eine Hypothese zu einem ungeklärten Todesfall und versuchen, diese mit einem Versuch zu beweisen. Dabei treffen sie auf einen wichti-gen Reaktionstyp der Chemie, die Redoxreak-tion. Im Laufe der Einheit lernen Ihre Schüler weitere Redoxreaktionen kennen, vergleichen sie miteinander und stellen deren Reaktions-schemata auf. Am Schluss wird das Wissen spielerisch in einem Quiz wiederholt.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 8/9

Dauer: 4 Stunden (Minimalplan: 3)

Kompetenzen: Die Schüler …

• können Phänomene der Stoffumwand-lung bei chemischen Reaktionen be-schreiben und deuten.

• können Fragestellungen, die durch che-mische Experimente zu beantworten sind, erkennen und entwickeln.

• sind in der Lage, chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache zu er-klären.

Versuche:

• Der Tod des Alchemisten – wird er aufge-klärt? (SV)

• Redox ist nicht gleich Redox! (SV)

• Verbrennung ohne Sauerstoff? (SV)

Übungsmaterial:

• Redox – eine besondere chemische Reak-tion

• Was hast du über Redoxreaktionen gelernt? – Ein Quiz

Zusammen mit Ihren Schülern untersuchen Sie einen mysteriösen Todesfall.

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Mit Placemat und Quiz!

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Was Sie zum Thema wissen müssen

Ein Geben und Nehmen – die RedoxreaktionBei der Reduktions-Oxidations-Reaktion, kurz Redoxreaktion, gibt ein Reaktionspartner Elekt-ronen ab und der andere nimmt sie auf. Man bezeichnet den Reaktionspartner, der die Elektro-nen abgibt, als Reduktionsmittel und den, der die Elektronen aufnimmt, als Oxidationsmittel. Beide Vorgänge laufen bei der Redoxreaktion parallel ab. Viele Nachweisreaktionen, Verbren-nungen und das Lewis-Säure-Base-Konzept basieren auf dieser chemischen Reaktion. Wich-tige und bekannte großtechnische Verfahren sind der Hochofenprozess und das Haber-Bosch-Verfahren.

Im einführenden Chemieunterricht wird die Redoxreaktion auf die konkret-stoffliche Ebene beschränkt. Man definiert sie über die Sauerstoffaufnahme und -abgabe der Reaktionspartner.

Was passiert bei der Oxidation?Antoine Laurent de Lavoisier widerlegte durch eine Reihe von Versuchen die Phlogistontheo-rie, indem er die Rolle des Sauerstoffs bei einer Verbrennung erkannte. Im Anfangsunterricht wird die Oxidation nach Lavoisier definiert: Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff mit Sauerstoff reagiert. Die chemisch korrekte Definition wird erst später eingeführt: Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt und sich somit seine Oxidationszahl erhöht.

Was passiert bei der Reduktion?Auch die Reduktion wird erst einmal auf der konkret-stofflichen Ebene definiert. Bei der Re-duktion wird gebundener Sauerstoff aus einer Verbindung entfernt. Die chemisch korrekte Definition lautet: Die Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Mole-kül Elektronen aufnimmt und somit seine Oxidationszahl kleiner wird.

Energieumsatz bei einer RedoxreaktionIm Zusammenhang mit der Redoxreaktion rückt die Oxidationsreihe der Metalle in das Blick-feld. Das Oxid eines edlen Metalls kann mithilfe eines unedleren Metalls reduziert werden, jedoch vermag ein edleres Metall nie das Oxid eines unedleren Metalls zu reduzieren.

Die Zunahme des Reduktionsvermögens steigt mit dem Bindungsbestreben der Metalle zum Sauerstoff. Das bedeutet, je unedler ein Metall, desto höher ist sein Bindungsbestreben zum Sauerstoff und desto höher ist sein Reduktionsvermögen.

Je weiter ein unedles Metall (Reduktionsmittel) von einem Metalloxid eines edlen Metalls (Oxidationsmittel) in der Oxidationsreihe entfernt ist, desto heftiger ist die Reaktion zwischen Metall und Metalloxid. Diesem Aspekt ist bei der Auswahl von eigenen Experimenten große Gewichtung beizumessen.

Das Mineral Tenorit – ein KupferlieferantIn der Kriminalgeschichte M 1 kommt das Mineral Tenorit als Kupferlieferant vor. Chemisch gesehen handelt es sich dabei um Kupfer(II)-oxid (CuO), das in kristalliner Form als grau-schwarzes Mineral auch unter dem Namen Kupferschwärze bekannt ist. Der nach seinem Ent-decker Michele Tenore benannte Stoff wird als Pigment zur Blaufärbung von Glas verwendet. Allerdings ist der in der Einstiegsgeschichte dargestellte Sachverhalt didaktisch aufbereitet und entspricht nicht dem wirklichen Färbeprozess. Auch die Mengenverhältnisse entsprechen nicht der Wirklichkeit.

Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Es bietet sich an, diese Unterrichtseinheit an die Unterrichtseinheit zur Reduktion anzuschlie-ßen, da sie direkt auf das damit verbundene Fachwissen aufbaut.

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Voraussetzungen der LerngruppeIhre Schülerinnen und Schüler* sollten die folgenden Voraussetzungen mitbringen:

• Der Reduktionsbegriff sollte gefestigt sein.

• Sie sollten die Oxidationsreihe der Metalle kennen.

• Sie sollten das Prinzip der geschlossenen Versuchsapparatur kennen, da dieses die Voraus-setzung zur Überprüfung der Hypothese zum Tod des Alchemisten ist.

• Es sollte ihnen die Kalkwasserprobe als Nachweis für Kohlenstoffdioxid bekannt sein.

• Sie sollten etwas über die Alchemie als Vorläufer der Chemie wissen; auch über den „Beruf“ des Alchemisten und dessen ständigen Versuch, das Rezept für Gold zu entdecken.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Aufbau der UnterrichtseinheitDer Einstieg in die Unterrichtseinheit erfolgt mit Farbfolie M 1, auf der ein Kriminalfall aus dem Mittelalter dargestellt ist, welcher die Schüler dazu motiviert, den Reaktionsprozess, der zum Tode eines Alchemisten führte, genau zu analysieren. Die Schüler arbeiten selbstständig in Vierergruppen, wobei ein Placemat M 2 den Gedankenaustausch innerhalb einer Gruppe unterstützt. Die Anleitung dazu fi nden Ihre Schüler auf dem Arbeitsblatt M 3 „Placemat – so geht’s!/Tippkarten“. Die Tippkarten helfen bei der Ideenfi ndung zu ihrer Hypothese. Die Ver-suchsanleitung M 4 stellt eine Hilfestellung zur Planung eines Versuchs dar, der die Hypothe-se der Arbeitsgruppe beweisen soll.

In der Folgestunde führen Ihre Schüler den von ihnen ausgearbeiteten Versuch durch. Im Rahmen seiner Auswertung, die mit Unterstützung des Versuchsprotokolls M 5 stattfi ndet, erschließen die Arbeitsgruppen den Reaktionsmechanismus. Der chemische Sachverhalt wird mit dem Arbeitsblatt M 6 gesichert und auf den Kriminalfall übertragen.

Dass der Energieumsatz bei Redoxreaktionen ganz unterschiedlich ist, erfahren Ihre Schüler in einer kleinen Versuchsreihe, die die Arbeitsgruppen selbstständig mithilfe der Versuchsan-leitung M 7 durchführen. Der Zusammenhang zwischen der Oxidationsreihe der Metalle und dem Energieumsatz einer Redoxreaktion wird mit Unterstützung des Auswertungsbogens M 8 erschlossen. Das Puzzle M 9 sichert den Reaktionsablauf der beiden Redoxreaktionen.

Anhand von Versuch M 10 lernen Ihre Schüler ein weiteres Beispiel für eine Redoxreaktion zwischen Metall-/Nichtmetallverbindungen kennen. Zur Auswertung des Versuchs steht der Auswertungsbogen M 11 zur Verfügung.

Eine abschließende Wiederholung und Sicherung der Inhalte der Unterrichtsein-heit stellt das Quiz M 12 dar.

Üben

Angebote zur DifferenzierungDie Tippkarten M 3 unterstützen schwächere Arbeitsgruppen dabei, Hypothesen, die sich aus der Farbfolie M 1 ergeben, aufzustellen und das dazugehörige Experiment zu planen.

Arbeitsblatt M 6 kann von schnelleren Gruppen bearbeitet werden, die den Versuch M 4 durchgeführt und das dazugehörige Versuchsprotokoll M 5 schon ausgefüllt haben. Was nicht im Unterricht geschafft wurde, wird als Hausaufgabe aufgegeben.

Ideen für die weitere ArbeitDer Reaktionsmechanismus der Redoxreaktion ist grundlegend für das Verständnis der Pro-zesse bei der Eisenverhüttung. Der Hochofenprozess ist ein technisches Verfahren, bei dem das im Rahmen dieser Einheit erarbeitete chemische Grundwissen Anwendung fi ndet. Es bie-tet sich also an, anschließend an diese Einheit den Bogen vom Chemieunterricht der Schule zu diesem großtechnischen Verfahren zu schlagen.

Ein weiterer interessanter Abstecher in die technische Anwendung chemischer Sachverhalte

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ist das Thermitverfahren, bei dem mithilfe einer Redoxreaktion Bahnschienen miteinander verschweißt werden. Hier kann besonders der Energieumsatz fokussiert werden.

Ein für die Schüler alltäglicher Sachverhalt, bei dem die Redoxreaktion eine zentrale Rolle spielt, ist die Korrosion, also beispielsweise das Rosten der Fahrräder. Auch dieses Thema lässt sich gut im Anschluss thematisieren.

Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler ...

• sind in der Lage, Redoxreaktionen anhand des Übergangs eines Sauerstoffatoms zu erken-nen.

• können sowohl die Oxidation als auch die Reduktion dem Anfängerunterricht entsprechend definieren.

• können Phänomene der Stoffumwandlung bei chemischen Reaktionen beschreiben und deuten.

• können Fragestellungen, die durch chemische Experimente zu beantworten sind, erkennen und entwickeln.

• sind in der Lage, chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache zu erklären.

• können chemische Sachverhalte mithilfe von Modellen und Darstellungen veranschauli-chen.

• sind in der Lage, geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypo-thesen zu planen.

• sind in der Lage, im Team zu arbeiten und zielführend zu diskutieren.

Medientipps

LiteraturHäusler, Karl u. a.: Experimente für den Chemieunterricht. Oldenbourg Verlag. München 1995. S. 99–102 (Redoxvorgänge stofforientiert); 107–110 (Allgemeiner Redox-Begriff) Ein Buch mit Hilfestellungen zum Umgang mit gefährlichen Stoffen, nützlichen Tipps

und Hinweisen zur Durchführung von Versuchen, deren Aufbau sowie die Entsorgung der Reaktionsprodukte.

Internetadressenwww.seilnacht.com à Lexikon à Chemielexikon à Reduktion (Experimente) Hier finden Sie ein nettes Beispiel zur Oxidationsreihe der Metalle: Anhand eines Hun-

des und seines Knochens wird das Bindungsbestreben eines Metalls zu Sauerstoff veranschaulicht. Außerdem finden Sie eine Anleitung für einen Versuch zum Thermit-verfahren und weitere Informationen zu Reduktion und Oxidation mit entsprechenden Versuchen.

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Die Einheit im Überblick

·V = Vorbereitung FO = Folie TK = Tippkarte·D = Durchführung SV = Schülerversuch LEK = LernerfolgskontrolleVP = Versuchsprotokoll AB = Arbeitsblatt = Zusatzmaterial auf CD

MinimalplanDie Unterrichtseinheit lässt sich auch in drei Stunden durchführen. Setzen Sie hierfür die aus-gearbeitete Versuchsanleitung für Versuch M 4 ein (Zusatzmaterial auf CD ). Dadurch fal-len die Arbeitsblätter M 2–M 4 weg und die ersten beiden Stunden werden auf eine reduziert.

Stunde 1: Der Tod des Alchemisten

M 1 (FO) Der Tod des Alchemisten

M 2 (AB) Placemat

M 3 (AB/TK) Placemat – so geht’s!/Tippkarten zu Farbfolie M 1

M 4 (SV)

·V: 5 min·D: 15 min* Exemplar(e) pro Gruppe

Der Tod des Alchemisten – wird er aufgeklärt?

4 Schutzbrillen*1 Gasbrenner*1 Stativ mit Reagenz-

glasklemme*1 Reagenzglas*1 Becherglas

(100 ml)*

1 durchbohrter Stopfen*1 gebogenes

Glasrohr*1 Reibschale/Pistill*Steinwolle1 Waage

1 Spatel*Kupfer(II)-oxidHolzkohleKalkwasser

(SV) Der Tod des Alchemisten (ausgearbeitete Versuchsanleitung)

Stunde 2: Der Todesursache auf der Spur

M 5 (VP) Versuchsprotokoll: Der Tod des Alchemisten

M 6 (AB) Redox – eine besondere chemische Reaktion

Stunde 3: Redox ist nicht gleich Redox

M 7 (SV)

·V: 5 min·D: 20 min* Exemplar(e) pro Gruppe

Redox ist nicht gleich Redox!

4 Schutzbrillen*KupferoxidpulverEisenpulverZinkpulver

1 Reibschale/Pistill*1 Gasbrenner*1 Reagenzglashalter*2 Reagenzgläser*

2 Spatel*1 Magnet*2 Trichter*1 Waage

M 8 (VP) Redox ist nicht gleich Redox! – Auswertungsbogen

M 9 (AB) Puzzle zur Versuchsauswertung

Stunde 4: Verbrennung ohne Sauerstoff?

M 10 (SV)

·V: 5 min·D: 15 min* Exemplar(e) pro Gruppe

Verbrennung ohne Sauerstoff?

4 Schutzbrillen*KohlenstoffdioxidMagnesiumband

1 Gasbrenner*1 Tiegelzange*1 Standzylinder*

1 Abdeckglas*Sand1 Spatel*

M 11 (VP) Verbrennung ohne Sauerstoff? – Auswertungsbogen

M 12 (LEK) Was hast du über Redoxreaktionen gelernt? – Ein Quiz

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