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Westfälische Wilhelms- Universität Münster
Institut für Didaktik der Chemie
Seminar „Schulorientiertes Experimentieren“
Prof. Dr. Harsch und Sebastian Musli
Unterrichtsreihe zu dem Thema
Die Blue-Bottle-Reaktion
Marianne Ostermann
Anne Kathrin Seibler
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung Seite 3
2. Die Unterrichtsreihe Seite 4
2.1 Fachliche Voraussetzungen der Schüler Seite 4
2.2 Didaktische Grundlagen der Unterrichtsreihe Seite 5
2.3 Gliederung der Unterrichtsreihe Seite 7
2.3.1 1. Stunde Seite 7
2.3.2 2. Stunde Seite 9
2.3.3 3. Stunde Seite 11
2.3.4 4. Stunde Seite 12
2.3.5 5. Stunde Seite 14
2.3.6 6. Stunde Seite 14
2.3.7 7. Stunde Seite 16
2.3.8 8. Stunde Seite 18
2.3.9 9. Stunde Seite 19
2.3.10 10. Stunde Seite 22
3. Fazit Seite 22
4. Literaturverzeichnis Seite 23
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1. Einleitung
Bei einer chemischen Reaktion finden häufig mehrere Reaktionsschritte statt, die bei vielen
Experimenten nicht sichtbar verlaufen, die den Reaktionsverlauf aber entscheidend
beeinflussen und deren Kenntnis daher notwendig ist, um den Ablauf der Reaktion verstehen
und erklären zu können.
In der Unter- und Mittelstufe steht der Reaktionsmechanismus noch nicht im Vordergrund,
vielmehr werden die Edukte und Produkte einer Reaktion untersucht. In der Oberstufe
dagegen sollte das Augenmerk der Schüler langsam darauf gerichtet werden, dass eine
Reaktion aus zahlreichen Reaktionsschritten zusammengesetzt ist, die mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten ablaufen.
Die Blue-Bottle-Reaktion eignet sich als Farbstoffreaktion besonders gut dazu, die einzelnen
Reaktionsschritte aufzuzeigen, denn diese gehen jeweils mit einer Farbänderung einher.
Die fachlichen Ziele der Unterrichtsreihe zur Blue-Bottle- oder Methylenblau-Reaktion liegen
in dem Rahmen, dass Schüler lernen sollen, komplexe Reaktionsverläufe aufzuschlüsseln und
sie in ihre einzelnen Reaktionsschritte zu zerlegen. Außerdem soll den Schülern die
Möglichkeit gegeben werden, sich grundlegendes Wissen über die Kinetik zu erarbeiten. In
diesem Zusammenhang sollen sie Erfahrungen damit sammeln, einfache chemische
Experimente zur Überprüfung von Hypothesen eigenständig zu planen und durchzuführen.
Auf diese Art und Weise werden sie dazu animiert, bereits vorhandenes Wissen zu aktivieren.
Das forschend- entwickelnde Lernen führt die Schüler überdies in den Prozess der
wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung ein. Praktisch betrachtet, verbessern und vertiefen
die Schüler dabei ihre experimentellen Fähigkeiten. Die Durchführung der Unterrichtsreihe
teils in Gruppen- teils in Partnerarbeit zielt auf die Förderung der sozialen Kompetenzen der
Schüler. Unter Anleitung des Lehrers können sie lernen zu argumentieren, mit anderen zu
diskutieren, sich auf die Ideen anderer einzulassen, um Lösungsmöglichkeiten, die
Versuchsapparatur und die Versuchsdurchführung zu erarbeiten.
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2. Die Unterrichtsreihe
2.1 Fachliche Voraussetzungen der Schüler
Damit die Schüler den Unterricht aktiv mitgestalten können, brauchen sie in bestimmten
Bereichen der Chemie grundlegendes Vorwissen.
Bei Methylenblau handelt es sich um den wichtigsten Farbstoff aus der Gruppe der
Thiazinfarbstoffe, der durch Reduktion von der blauen, oxidierten Form in die farblose
Leukoform überführt werden kann. Um den dahinter stehenden Reaktionsmechanismus
nachvollziehen zu können, müssen die Schüler im Vorfeld den Aufbau von Thiazinfarbstoffen
besprochen haben und Kenntnisse darüber besitzen, welche Reaktionsmechanismen zu einer
Farbänderung führen. Dazu gehört, dass sie wissen, dass Moleküle farbig erscheinen, wenn
sie viele delokalisierte π- Elektronen besitzen, die durch Absorption von Lichtquanten auf ein
höheres Energieniveau gehoben werden können. Methylenblau besitzt in seiner oxidierten
Form ein konjugiertes π- Elektronensystem, das sich über drei aromatische Sechsringe
erstreckt. In der reduzierten Form liegen dagegen nur noch in den zwei äußeren Sechsringen
konjugierte Doppelbindungen vor. In dem mittleren Ring wurde das konjugierte
Doppelbindungssystem unterbrochen, da an das Stickstoffatom ein Wasserstoffatom
gebunden hat, so dass das Stickstoffatom keine Doppelbindung zu einem benachbarten
Kohlenstoffatom mehr ausbilden kann. Das große delokalisierte π- Elektronensystem wurde
damit zerstört, so dass die reduzierte Leukoform nicht mehr farbig erscheint.
Reduzierte Form Oxidierte Form
Dieses Wissen wäre für die Sek. II wünschenswert, der Versuch kann aber auch in der Sek. I
ohne diese speziellen Kenntnisse durchgeführt werden, allein mit den Begriffen Oxidation
und Reduktion.
Neben dem Farbstoff spielt der Zucker eine wichtige Rolle bei der Methylenblau-Reaktion.
Um die Funktion der Glucose in dem Versuch begreifen zu können, müssen Schüler mit dem
Aufbau von Zuckern vertraut sein. Sie müssen wissen, dass Monosaccharide Aldehyde oder
Ketone mit mindestens zwei Hydroxygruppen sind und dass die D- Glucose eine Aldose ist,
die durch Oxidation in eine Aldonsäure überführt werden kann.
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Eine der wichtigsten Reaktionen, die an den funktionellen Gruppen von Zuckern stattfinden
kann, ist die Redoxreaktion mit Sauerstoff. Den Schülern sollte daher der Redoxbegriff
geläufig sein, was bedeutet, dass sie sowohl die Elektronenübertragungstheorie beherrschen
sollten, als auch mit Oxidationszahlen umgehen können müssen.
Neben diesem theoretischen Vorwissen sollten die Schüler grundlegende Erfahrungen im
Experimentieren haben. Dies schließt mit ein, dass die Schüler eine klare Vorstellung davon
haben, welche Prozesse bei einer chemischen Reaktion von Bedeutung sind.
2.2. Didaktische Grundlagen der Unterrichtsreihe
Die Unterrichtsreihe wird nach dem Prinzip des forschend- entwickelnden Unterrichts-
verfahrens nach Schmidkunz und Lindemann geplant und durchgeführt. Im Folgenden wird
dieses Prinzip erläutert.
Im forschend- entwickelnden Unterricht steht das Lernen aus Problemsituationen hinaus im
Vordergrund. Diese Vorgehensweise ist besonders günstig, da hier die Neugierde der Schüler
geweckt und ihre Eigenaktivität gefordert wird.
Unter dem Begriff „forschend“ wird hierbei der Prozess verstanden, bei dem die Schüler unter
Anwendung des ihnen zur Verfügung stehenden Vorwissens neue Erkenntnisse zu gewinnen
versuchen. Der Begriff „entwickelnd“ weist darauf hin, dass es die Rolle des Lehrers ist,
diesen Lernprozess einzuleiten und weiterzuentwickeln. Der Lehrer soll das Unterrichts-
geschehen regeln und steuern, jedoch sollte die Aktivität konsequent auf die Seite der Schüler
verlagert werden.
Diese aktive Beteiligung der Schüler am Wissenserwerb bewirkt, dass sie das Gelernte viel
besser in ihr Langzeitgedächtnis aufnehmen können. Ausgehend von den konkreten
Aktivitäten können dann jeweils Abstraktionen vorgenommen werden.
Von entscheidender Bedeutung im forschend- entwickelnden Unterricht ist das Experiment.
Es gibt ganz unterschiedliche Situationen, in denen Experimente zum Einsatz kommen
können. Vorstellbar sind Versuche zum Aufzeigen eines Problems, darüber hinaus können
Experimente einen Teil des Problemlösevorgangs darstellen und schließlich lassen sie sich
auch zur Wissenssicherung verwenden.
Insgesamt lässt sich der Unterricht in verschiedene Phasen einteilen, die im Folgenden erörtert
werden.
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Bei der Grobeinteilung wird zwischen fünf Denkstufen unterschieden:
1. Problemgewinnung
2. Überlegungen zur Problemlösung
3. Durchführung eines Problemlösevorschlags
4. Abstraktion der gewonnenen Erkenntnisse
5. Wissenssicherung
An Hand dieser Gliederung lässt sich schon eine grobe Strukturierung des Unterrichts
vornehmen; um eine Stunde konkret zu gestalten, sind in der Regel jedoch weitere
Unterteilungen notwendig. Den Denkstufen werden also jeweils drei Denkphasen untergeord-
net, auf die später im Zusammenhang mit der konkreten Darstellung der Stunden eingegangen
wird.
Allerdings soll an dieser Stelle bemerkt werden, dass bei der Gestaltung des Unterrichts nach
dem forschend- entwickelnden Unterrichtsverfahren sehr gut die vier unterschiedlichen
Kompetenzbereiche (Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung),
die für die Bildungsstandards in den naturwissenschaftlichen Fächern aufgestellt wurden,
angesprochen werden können. Indem viele Experimente in den Unterricht integriert werden,
können die Schüler bestimmte Phänomene selbst beobachten und deren Bedeutung bewerten.
Die Experimente sollen von den Schülern nach Möglichkeit selbst entwickelt und
durchgeführt werden, so dass sie durch eigenständiges Experimentieren neue Erkenntnisse
gewinnen können. Die gemeinsame Planung von Experimenten fördert gleichzeitig die
Kommunikation zwischen den Schülern. Die anschließende Diskussion der Ergebnisse kann
an bereits erlerntes Wissen anknüpfen und neues Fachwissen schaffen.
Außerdem ist in dieser Unterrichtsreihe sowohl eine deduktive als auch eine induktive
Vorgehensweise möglich. Wann immer die Schüler so viel Vorwissen aufweisen, dass sie
selbst die Lösung eines Problems vorhersagen könnten, sollte der deduktive Weg beschritten
werden. Ist dagegen abzusehen, dass die Schüler mit der Lösung eines Problems überfordert
sein werden, ist die induktive Vorgehensweise angebracht.
Mit Hilfe der fünf Denkstufen kann der Lehrer dem Unterricht die notwendige Struktur
geben, wobei es sich aber in jedem Fall um ein flexibles Modell handelt, es also auch möglich
ist, einzelne Stufen zu verkürzen oder ganz auszulassen. Die Gesamtheit der Denkstufen kann
in einer einzigen Schulstunde durchlaufen werden, es ist aber auch möglich, eine
Unterrichtseinheit über mehrere Tage hinweg durchzuführen.
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2.3. Gliederung der Unterrichtsreihe
Die Unterrichtsreihe soll sich über circa zwölf Unterrichtsstunden erstrecken, in denen die
fünf Denkstufen des forschend- entwickelnden Unterrichts in leicht abgewandelter Form
aufeinander folgen. Die fünf Stufen werden dabei jeweils in Einheiten von mehreren
Unterrichtsstunden durchlaufen.
Für die Unterrichtstunden werden von dem Lehrer keine Arbeitsblätter konzipiert, da die
Schüler ihr Vorgehen selbst planen sollen. Es ist jedoch von großer Bedeutung, dass der
Lehrer eine klare Vorstellung davon hat, wie der Unterricht in groben Zügen ablaufen soll,
damit er die benötigten Materialien und Chemikalien vor jeder Stunde bereit stellen kann.
Im weiteren Verlauf werden die einzelnen Stunden beschrieben.
In den ersten Stunden wird der Prozess der Blaufärbung untersucht, wobei abschließend das
Ergebnis formuliert werden soll, dass die blaue Farbe durch die Reaktion von Methylenblau
mit Sauerstoff hervorgerufen wird.
In den darauf folgenden Stunden wird die Entfärbung der Lösung genauer betrachtet. Als
Ergebnis dieser Stunden soll festgehalten werden, dass eine Folgereaktion zwischen dem
gebundenen Sauerstoff und der Glucose dafür verantwortlich ist, dass Methylenblau zur
farblosen Leukoform zurückreagiert.
Nachdem der komplette Reaktionsablauf aufgeschlüsselt worden ist, werden die dazugehöri-
gen Reaktionsmechanismen besprochen.
Erst im Anschluss daran wird die Kinetik der Reaktion untersucht. Diese Untersuchung sollte
zu dem Ergebnis führen, dass der langsamste Teilschritt einer Reaktion die Geschwindigkeit
der Gesamtreaktion bestimmt.
2.3.1. 1. Stunde (Einzelstunde)
Am Anfang der Unterrichtsreihe steht die Problemgewinnung. Hierzu soll bereits ein Experi-
ment eingesetzt werden, welches der Lehrer als Demonstrationsexperiment vorführt:
Die Blue-Bottle-Reaktion.
Bei der Durchführung dieses Demonstrationsexperiments wird in großem Maßstab gearbeitet,
damit der Farbeffekt auch für die Schüler in den hinteren Reihen gut zu sehen ist. Diese
Vorgehensweise ist problemlos möglich, da die benötigten Chemikalien nicht sehr teuer sind.
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Versuch
Materialien
Rundkolben (1000 ml) mit Stopfen und Korkring
Messzylinder (500 ml)
Waage, Wägeschälchen
Becherglas (500 ml)
Trichter
Spatel
Pipette
Chemikalien
Natriumhydroxid- Plätzchen R35 S2-26-37/39
1%ige wässrige Methylenblau- Lösung R22
Glucose
Durchführung
In dem Becherglas werden 16 g Natriumhydroxid- Plätzchen in 500 ml Wasser gelöst. Die
Natriumhydroxidlösung wird dann in den Rundkolben gefüllt, wo sie mit 30 g Glucose
versetzt wird. Der Rundkolben wird daraufhin mit dem Stopfen verschlossen und so lange
geschwenkt, bis die Glucose vollständig gelöst ist. Anschließend wird die Lösung mit 2 ml
Methylenblau- Lösung angefärbt und der Rundkolben in den Korkring gestellt.
Beobachtung
Die Lösung ist zunächst blau, entfärbt sich nach einiger Zeit jedoch.
Nach der Durchführung des Experiments sucht der Lehrer mit den Schülern gemeinsam nach
Erklärungsansätzen für die Beobachtung, wobei folgendes Ergebnis festgehalten werden
sollte: � Es ist ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entstanden.
Es hat also eine chemische Reaktion stattgefunden.
Nachdem diese Feststellung gemacht worden ist, ergibt sich die Frage, welche Prozesse dieser
Reaktion zu Grunde lagen.
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In einem nächsten Schritt werden also Überlegungen zur Lösung dieses Problems angestellt.
Hier sollten die Schüler sich aktiv am Unterrichtsgespräch beteiligen und möglichst viele
Vorschläge einbringen. Der Lehrer sollte in dieser Phase nur moderieren, wenn er jedoch
merkt, dass die Vorschläge der Schüler in die falsche Richtung gehen, muss er lenkend
eingreifen. Dazu ist es wichtig, dass der Lehrer schon eine klare Vorstellung davon hat,
welche Versuche zur Problemlösung durchgeführt werden könnten.
Alle Lösungsvorschläge sollten auf jeden Fall auf der Tafel festgehalten werden. Im
Anschluss daran werden die Vorschläge gemeinsam diskutiert und zusammen mit den
Schülern kann der Lehrer die besten auswählen.
1. Reibung der Moleküle beim Schütteln der Lösung.
2. Temperaturerhöhung beim Schütteln.
3. Innige Mischung von Gas und Lösung beim Schütteln.
In einem nächsten Schritt müssen verschiedene Experimente zur Durchführung der
Lösungsvorschläge geplant werden, wobei es von großer Wichtigkeit ist, dass jeweils nur eine
Variable verändert wird.
2.3.2. 2. Stunde (Doppelstunde)
In der zweiten Stunde steht das Experimentieren im Vordergrund. Die Experimente stellen
einen Teil der Problemlösung dar und sollen von den Schülern selbst geplant und durch-
geführt werden.
Dazu überlegen sich die Schüler zuerst, wie die Experimente konkret durchzuführen sind.
Folgende Versuchsvorschriften sollten anschließend gemeinsam erstellt werden.
Versuch
Materialien
Waage, Wägeschälchen
Messzylinder (500 ml)
Becherglas (1000 ml)
Trichter
Spatel
Pipette
Erlenmeyerkolben (100 ml)
Magnetrührer, Rührfisch
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Thermometer
Strohhalm
evtl. Stahlflaschen mit Sauerstoff und Stickstoff
Chemikalien
Natriumhydroxid- Plätzchen R35 S2-26-37/39
1%ige wässrige Methylenblau- Lösung R22
Glucose
Durchführung
In dem Becherglas wird von einer Schülergruppe oder dem Lehrer die Methylenblau- Lösung
für alle Gruppen angesetzt.
Jede Gruppe holt sich dann in ihrem Erlenmeyerkolben eine kleine Probe der Lösung ab und
führt einen der drei oder auch alle drei Einzelversuche durch.
1. Der Erlenmeyerkolben wird auf einen Magnetrührer gestellt und mit Hilfe eines
Rührfisches wird die Lösung so vorsichtig gerührt, dass keine Luft eingesaugt wird.
2. Die Lösung wird auf einem Magnetrührer erhitzt. Die Temperatur wird dabei ständig mit
einem Thermometer überprüft. Sobald eine Temperaturerhöhung um 3-4 °C stattgefunden
hat, wird das Erhitzen abgebrochen.
3. Mit einem Strohhalm wird Luft in die Lösung gepustet.
Beobachtungen:
1. Die Lösung bleibt farblos, nur an der Grenzschicht zwischen Luft und Lösung bildet sich
ein blauer Film.
2. Die Lösung bleibt farblos.
3. Beim Einblasen der Luft verfärbt sich die Lösung blau.
Anmerkungen
Idealerweise sollten alle Experimente in Gruppenarbeit durchgeführt werden. Wenn jedoch
nicht genügend Materialien zur Verfügung stehen, bietet sich an dieser Stelle ein
arbeitsteiliges Vorgehen an, bei dem pro Gruppe nur ein Teilversuch durchgeführt wird; die
Ergebnisse müssen nach dem Experimentieren ausgetauscht werden.
Bei dem dritten Teilversuch muss der Lehrer darauf achten, dass die Schüler die
Methylenblau- Lösung nicht einsaugen, da sie stark alkalisch ist und somit die Mundschleim-
haut und die Speiseröhre verätzen kann. Er muss daher nachdrücklich darauf hinweisen, dass
sie durch den Strohhalm nicht einatmen dürfen. Wenn der Lehrer unsicher ist, ob er sich auf
die Schüler verlassen kann, muss der Versuch als Lehrerexperiment vorgeführt werden.
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Da es sich bei Luft um ein Gemisch aus verschiedenen Gasen handelt, wird das Ergebnis des
dritten Teilversuchs keine eindeutige Auskunft darüber geben können, welches Gas mit der
Methylenblau- Lösung reagiert hat. Falls die Schule mit Stickstoff- und Sauerstoffflaschen
ausgerüstet ist, würde es sich anbieten, nicht nur Luft in die Lösung zu blasen, sondern auch
noch reinen Stickstoff und reinen Sauerstoff. Dieser Versuch muss von dem Lehrer vorgeführt
werden.
Wurden in dieser Stunde auch Experimente durchgeführt, die rückblickend keinen
Erkenntnisgewinn geliefert haben, oder einfach so nicht geklappt haben, kann mit den
Schülern im Anschluss über die Defizite dieser Experimente diskutiert werden. Auf diese
Weise lernen die Schüler, dass Experimente nicht immer gelingen müssen und dass sie
keineswegs immer die gewünschten Ergebnisse liefern.
Aus den gewünschten Ergebnissen lässt sich dagegen schon zu diesem Stadium eine einfache
Schlussfolgerung ziehen:
Farblose Lösung + Sauerstoff �
Blaue Lösung
2.3.3. 3. Stunde (Einzelstunde)
Nach der Formulierung der Ergebnisse folgt ihre Abstraktion.
Die Formulierung: Farblose Lösung + Sauerstoff �
Blaue Lösung
wird dabei folgendermaßen abstrahiert:
MeBI(farblos) + O2 �
MeBI(blau)
Zwei Anschlussfragen sollen nun formuliert werden:
1. Warum entfärbt sich die blaue Lösung stets nach einiger Zeit wieder?
2. Was geschieht mit dem Luftsauerstoff, nachdem die Blaufärbung der Lösung
verschwunden ist?
Diese beiden Fragen lassen sich ebenfalls forschend- entwickelnd lösen. In der zweiten Hälfte
der Unterrichtsstunde sollen daher Überlegungen zur Problemlösung angestellt werden. Am
Ende der Stunde sollten folgende Hypothesen aufgestellt worden sein:
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Die blaue Lösung kann durch verschiedene Reaktionen wieder farblos werden.
1. Es kann eine Rückreaktion stattfinden, bei der die instabile, blaue Verbindung wieder
in ihre Ausgangsstoffe zerfällt. Bei dieser Rückreaktion würde der Sauerstoff wieder
freigesetzt werden.
MeBI(blau) �
MeBI(farblos) + O2
2. Es kann eine Folgereaktion stattfinden, bei der sich die Leukoform des Methylenblaus
zurückbildet. Bei solch einer Reaktion müsste der an der Reaktion beteiligte
Sauerstoff mit einem anderen Stoff X reagieren. Bei diesem Stoff X müsste es sich
also um ein Reduktionsmittel handeln.
MeBI(blau) + X �
MeBI(farblos) + X – O
3. Es entsteht eine ganz neue Verbindung, die farblos ist.
Die dritte Hypothese sollte von dem Lehrer als unwahrscheinlich deklariert werden, so dass
sich die Schüler im weiteren Unterrichtsverlauf nur mit den ersten beiden Hypothesen
befassen.
Um herauszufinden, welcher Reaktionsweg abläuft, müssen erneut Experimente entwickelt
werden, die zur Überprüfung der ersten beiden Hypothesen dienen.
2.3.4. 4. Stunde (Einzelstunde)
In dieser Stunde stehen die konkrete Planung und die Durchführung der Experimente an.
Nachdem bei den Versuchen bisher nur die Farbänderung bei unterschiedlichen Bedingungen
registriert wurde, müssen die Schüler nun messen, ob Sauerstoff bei der Reaktion verbraucht
wird. Die Anforderungen an die Planung der Experimente werden also erhöht. Da die Schüler
wahrscheinlich damit überfordert sein werden, eine Versuchsapparatur zu entwickeln, mit der
der Druck in einem abgeschlossenen Reaktionssystem gemessen werden kann, muss der
Lehrer ihnen nun weiterhelfen, denn nur durch Druckmessung kann herausgefunden werden,
ob Sauerstoff verbraucht wird.
Am Ende der Planung sollte folgende Versuchsvorschrift stehen:
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Versuch
Materialien:
Waage, Wägeschälchen
Messzylinder (500 ml)
Bechergläser (100 ml, 500 ml)
Rundkolben (1000 ml) mit Glashahn und Korkring
Trichter
Spatel
Gummischlauch
Pasteurpipette
Chemikalien:
Frisch angesetzte Methylenblau- Lösung
Gefärbtes Wasser
Durchführung:
Die Methylenblau- Lösung wird in den Rundkolben gefüllt, der daraufhin mit dem Glashahn
verschlossen wird. Die Lösung wird anschließend so lange geschüttelt, bis sie sich blau
gefärbt hat, woraufhin so lange gewartet wird, bis die Blaufärbung vollständig verschwunden
ist, bevor erneut geschüttelt wird. Dieser Vorgang wird einige Male wiederholt, so dass
sichergestellt wird, dass genügend Sauerstoff mit dem Methylenblau reagiert hat.
Danach wird ein kurzer Gummischlauch an den Hahn angeschlossen, an welchem eine
Pasteurpipette befestigt wird. Die Pipette wird in ein kleines Becherglas mit dem gefärbten
Wasser getaucht. Dann wird der Hahn geöffnet.
Beobachtung:
Das gefärbte Wasser steigt in der Pasteurpipette nach oben.
Anmerkung
Da in dem Versuch mit relativ großen Chemikalienmengen gearbeitet wird, soll der Versuch
nicht in Gruppenarbeit durchgeführt werden, sondern entweder vom Lehrer oder von einem
Schüler vorgeführt werden. Die Verwendung großer Chemikalienmengen ist hier notwendig,
da sonst der gewünschte Effekt nicht so gut zu beobachten ist.
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Die Beobachtung liefert ein Indiz dafür, dass der Druck in dem Rundkolben gesunken ist. Der
Sauerstoff aus dem Kolben muss also mit dem Stoff X reagiert haben.
Hypothese 1 scheint also nicht zu stimmen, sondern Hypothese 2.
2.3.5. 5. Stunde (Einzelstunde)
Das Versuchsergebnis kann nun wieder abstrahiert werden.
Blaufärbung:
Farblose Lösung + Sauerstoff �
Blaue Lösung
beziehungsweise
MeBI (farblos) + O2 �
MeBI (blau) - O
Entfärbung:
Blaue Lösung + Stoff X �
Farblose Lösung
MeBI (blau) - O + Stoff X �
MeBI (farblos) + X - O
Gesamtreaktion:
O2 + X �
X - O
Bei der Beschreibung der Gesamtreaktion wird die eigentliche chemische Reaktion, die
Oxidation des Stoffes X, zwar korrekt dargestellt, doch es wird nicht deutlich, dass ein
Zwischenschritt stattgefunden hat.
Das Vorhandensein dieses wichtigen Zwischenschrittes konnte überhaupt nur gezeigt werden,
weil das Zwischenprodukt farbig ist.
2.3.6. 6. Stunde (Doppelstunde)
Nachdem die Bedeutung des Stoffes X herausgearbeitet wurde, wird die Frage gestellt, um
welchen Stoff es sich hierbei handelt.
Aus den bisher durchgeführten Experimenten wissen die Schüler, dass sich in dem Reaktions-
gemisch stets die folgenden Stoffe befunden haben:
Luft, Wasser, Methylenblau, Glucose und Natriumhydroxid.
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Da in den vorangegangenen Versuchen bereits Luft und Methylenblau untersucht wurden,
sollten die Schüler nun die Vermutung äußern können, dass Wasser, Glucose,
Natriumhydroxid, oder alle diese Stoffe an der Redoxreaktion mit dem Sauerstoff beteiligt
gewesen sein müssen. Eine Teilnahme des Wassers an der Reaktion sollte an dieser Stelle
von dem Lehrer ausgeschlossen werden. Es wird erklärt, dass Wasser nur das Lösungsmittel
darstellt.
Zur Problemlösung bietet sich also die Durchführung des Versuches ohne Natriumhydroxid
und Zucker an.
Bei der Durchführung der Lösungsvorschläge können die Schüler in Gruppen oder zu zweit
arbeiten, da jeweils nur kleine Ansätze benötigt werden. Folgende Vorgehensweise sollte von
den Schülern befolgt werden.
Versuch
Materialien:
Reagenzgläser mit Stopfen
Pipetten
Chemikalien:
1%ige wässrige Methylenblau- Lösung
Durchführung:
Das Reagenzglas wird bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt, in das mit der Pipette einige Tropfen
Methylenblau- Lösung gegeben werden. Das Reagenzglas wird daraufhin mit einem Stopfen
verschlossen und gut geschüttelt.
Beobachtung:
Die Lösung entfärbt sich nach dem Schütteln nicht wieder.
Mit diesem Ergebnis wird nachgewiesen, dass es sich bei dem Stoff X um die basische
Glucoselösung handeln muss. In dem zweiten Reaktionsschritt muss also die Glucoselösung
von dem blauen Methylenblau oxidiert werden, wobei das farblose Leukomethylenblau
entsteht.
Dieses neu gewonnene Wissen lässt sich wieder abstrahieren. Der Lehrer sollte die
formulierten Abstraktionen an der Tafel festhalten, um so sicherzustellen, dass alle Schüler
sie korrekt in ihre Unterlagen übernehmen.
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Färbung
MeBI (farblos) + O2 �
MeBI (blau) - O
Entfärbung
MeBI (blau) - O + bas. Glucose �
MeBI (farblos) + bas. Glucose- O
________________________________________________________________
Gesamtgleichung
O2 + bas. Glucose �
bas. Glucose - O
2.3.7. 7. Stunde (Einzelstunde)
Nach dieser Abstraktion bietet es sich an, mit den Schülern den Reaktionsmechanismus
genauer zu besprechen. So kann auf schon erlerntes Fachwissen zurückgegriffen werden und
die Schüler bekommen ein tieferes Verständnis für die Reaktion.
Zuerst wird die Oxidation behandelt, bei der die farblose Leukoform in das blaue Methylen-
blau umgewandelt wird.
An Hand der Strukturformeln kann gut gezeigt werden, dass bei dieser Reaktion eine neue
Doppelbindung gebildet wird, so dass ein sich über drei Ringe erstreckendes, delokalisiertes
π- Elektronensystem entsteht.
http://www.fsg-trier.de/projekte/2000muenchen/chem5/methylen.gif
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Anschließend wird die Oxidation des Zuckers besprochen, wobei betont werden sollte, dass
Glucose allein durch den Luftsauerstoff nicht oxidiert werden könnte. Erst nachdem das
Methylenblau durch den Sauerstoff oxidiert wurde, kann es als Oxidationsmittel dienen, um
die Glucose zu Gluconsäure zu oxidieren.
CHOOHHHHOOHHOHH
CH2OHMeBI(blau)-O
MeBI(farblos)
COOHOHHHHOOHHOHH
CH2OH
In wässriger Lösung liegt Glucose nur zum Teil in der offenkettigen Form vor. Ein anderer
Teil der Moleküle liegt in Ringform vor. Es sollte hier erwähnt werden, dass die Oxidation
nur dann stattfinden kann, wenn die Glucose in ihrer offenkettigen Form vorliegt.
An dieser Stelle kann gut wiederholt werden, dass Hydroxygruppen durch Oxidationsmittel
zu Aldehyd- oder Ketogruppen oxidiert werden können. Die Aldehygruppen können weiter zu
Carboxylgruppen oxidiert werden, wie es in diesem Versuch geschehen ist.
Da die ganze Reaktion im basischen Milieu stattgefunden hat, reagiert die Gluconsäure weiter
zu Natriumgluconat.
COOHOHHHHOOHHOHH
CH2OH
Na
COOOHHHHOOHHOHH
CH2OH
Na
OH
H2O
Nachdem die Mechanismen der einzelnen Reaktionsschritte besprochen worden sind, sollte
die Gesamtreaktion formuliert werden:
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Färbung:
MeBl(farblos) + O2 (gelöst) MeBl(blau) - O
Entfärbung:
MeBl(blau) - O + bas. Glucose MeBl(farblos) + Gluconat
_______________________________________________________________________
O2(Luft) + bas. Glucose Gluconat
2.3.8. 8. Stunde (Einzelstunde)
Nachdem die einzelnen Reaktionsschritte und die zu Grunde liegenden Reaktionsmecha-
nismen aufgeschlüsselt worden sind, wird nun die Frage nach dem zeitlichen Ablauf der
aufeinander folgenden Reaktionsschritte gestellt.
Am Anfang der kinetischen Untersuchungen steht wieder die Problemgewinnung. Während
der bisher durchgeführten Versuche haben die Schüler möglicherweise bemerkt, dass die
Farbtiefe der Methylenblaulösung immer gleich blieb, wohingegen die Farbdauer variieren
konnte.
Es soll also einerseits untersucht werden, ob es ein bestimmtes Verhältnis zwischen
Schütteldauer und Farbdauer gibt. Andererseits muss geklärt werden, warum sich die
Farbdauer ändert, die Farbtiefe aber nicht.
Das Verhältnis von Schütteldauer und Farbdauer sollen die Schüler mit Hilfe von
quantitativen Untersuchungen eigenständig bestimmen.
Der Lehrer kann sie jedoch schon darauf hinweisen, dass die Schütteldauer im Experiment
weder zu kurz noch zu lang sein sollte. Nach dem Schütteln tritt die Blaufärbung nicht sofort
ein und auch die Entfärbung tritt erst nach einer kurzen Verzögerung ein. Je kürzer nun die
Schütteldauer ist, desto kürzer wird auch die Farbdauer sein und desto mehr
Messungenauigkeiten werden auftreten. Eine zu lange Schütteldauer würde das Ergebnis
ebenfalls verfälschen, da die Lösungskapazität der Methylenblau- Lösung für Sauerstoff
begrenzt ist. Ab einer bestimmten Schütteldauer kann daher kein zusätzlicher Sauerstoff mehr
in der Methylenblau- Lösung gelöst werden und die Farbdauer wird sich trotz längeren
Schüttelns nicht mehr verändern.
Bei der Durchführung des Lösungsvorschlags können die Schüler in Gruppen oder sogar
einzeln arbeiten, da dieser Versuch mit Reagenzgläsern durchgeführt wird, die an einer
Schule ausreichend zur Verfügung stehen sollten.
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Versuch
Materialien
Waage, Wägepapier
Messzylinder (500 ml)
Becherglas (1000 ml)
Trichter
Spatel
Pipette
Reagenzgläser mit Stopfen
Reagenzglasständer
Chemikalien
Frisch angesetzte Methylenblaulösung
Durchführung:
Ein Reagenzglas wird mit ca. 10 ml Methylenblaulösung gefüllt. Danach wird es mit dem
Stopfen verschlossen und nach einer festgelegten Schüttelmethode drei Sekunden lang
geschüttelt. Es wird die Farbdauer protokolliert. Anschließend wird der Stopfen kurz entfernt,
so dass wieder „frische Luft“ in das Reagenzglas gelangen kann. Danach wird das
Reagenzglas noch jeweils für vier, fünf und sechs Sekunden geschüttelt. Die Farbdauer wird
jeweils in eine Tabelle eingetragen.
Beobachtung:
Die Farbdauer nimmt kontinuierlich mit der Schütteldauer zu, wobei das Verhältnis von
Farbdauer und Schütteldauer konstant bleibt.
Die Farbintensität bleibt in der Hauptphase immer gleich.
Anmerkung
Aus allen Messergebnissen für die Farbdauer nach einer bestimmten Schütteldauer wird ein
Mittelwert gebildet.
2.3.9. 9. Stunde (Doppelstunde)
Die Ergebnisse aus der Messung der Farbdauer sollten zu der Erkenntnis führen, dass die
Dauer der Färbung direkt proportional zur Schütteldauer ist. Es handelt sich also um eine
Reaktion 1. Ordnung.
Dies zeigt sich auch sehr schön in der graphischen Darstellung der Messergebnisse:
20
Abhängigkeit der Farbdauer von der Schütteldauer
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8
Schütteldauer [s]
Far
bdau
er [s
Reihe1
Die Farbtiefe erreichte stets nach kürzester Zeit ihre größtmögliche Intensität, die sich dann
bis zur Entfärbung nicht weiter veränderte.
Diese beiden Erkenntnisse müssen von den Schülern mit Hilfe des Lehrers in Einklang
gebracht werden. Dazu wird zuerst festgehalten, dass durch das Schütteln Sauerstoff aus der
Gasphase in die Methylenblau- Lösung gelangt und dort gelöst wird. Je länger nun geschüttelt
wird, desto mehr Sauerstoff kann sich lösen, bis schließlich die Gaslöslichkeitskapazität
erreicht ist.
Der Sauerstoff in der Lösung kann dann mit dem farblosen Leukomethylenblau zu blauem
Methylenblau reagieren. Die Tatsache, dass die endgültige Farbtiefe recht schnell erreicht ist,
kann damit erklärt werden, dass die Methylenblau- Konzentration viel geringer als die
Sauerstoffkonzentration ist, so dass nach kurzer Zeit sämtliche Methylenblaumoleküle
oxidiert sind.
Solange gelöster Sauerstoff in der Lösung vorhanden ist, kann die farblose Leukoform
oxidiert werden. Da das oxidierte Methylenblau jedoch ständig wieder reduziert wird, indem
es den gebundenen Sauerstoff an die Glucose abgibt, sinkt die Sauerstoffkonzentration
kontinuierlich. Wenn schließlich die letzten freien Sauerstoffmoleküle mit der farblosen
Leukoform reagiert haben, beginnt sich die Lösung langsam wieder zu entfärben.
Diese Überlegungen sollten nun wieder abstrahiert werden.
Hierbei wird nun zwischen drei verschiedenen Reaktionsschritten unterschieden. Der zweite
und der dritte Reaktionsschritt sind schon bekannt, bei ihnen handelt es sich um die Oxidation
von Leukomethylenblau beziehungsweise von Glucose. Vor diesen beiden Reaktionsschritten
muss aber noch die Lösung des Sauerstoffs stattfinden. Diese physikalische Reaktion findet
21
während des Schüttelns statt und bildet die Voraussetzung für die beiden weiteren
Reaktionsschritte.
In dem Gespräch mit den Schülern sollte besonderes Augenmerk auf die Tatsache gelegt
werden, dass die einzelnen Reaktionsschritte sich stark in ihrer Geschwindigkeit
unterscheiden. Die ersten beiden Schritte erfolgen nämlich relativ schnell, wohingegen der
dritte Schritt mit der geringsten Geschwindigkeit abläuft.
Diese Erkenntnis kann nun folgendermaßen abstrahiert werden:
Färbung: schnell
MeBl(farblos) + O2 (gelöst) MeBl(blau) -O
Entfärbung: langsam
MeBl(blau) - O + bas. Glucose MeBl(farblos) + Gluconat
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Gesamtreaktion langsam
O2(Luft) + bas. Glucose Gluconat
Zusammenfassend können mit den Schülern folgende Aussagen festgehalten werden:
1. Es ist nicht möglich, dass mehr blaues Methylenblau gebildet wird, als der
Konzentration der farblosen Leukoform entspricht. Daher kann die Farbintensität auch
durch eine längere Schütteldauer nicht gesteigert werden.
2. Da die endgültige Farbintensität schon nach kurzem Schütteln erreicht wird, muss die
Konzentration an Methylenblau geringer sein als die Konzentration an gelöstem
Sauerstoff: c (O2 (gelöst) ) > c (MeBl).
3. Wurde viel Sauerstoff in der Flüssigkeit gelöst, so kann die farblose Leukoform
MeBI(farblos) immer wieder zu blauem Methylenblau MeBI(blau) oxidiert werden,
wobei diese Reaktion nur so rasch stattfinden kann, wie MeBI(blau) reduziert wird. Es
zeigt sich hier also, dass die langsamste Teilreaktion die Geschwindigkeit der
Gesamtreaktion bestimmt.
An dieser Stelle bietet sich die Formulierung eines Merksatzes an: � Die langsamste Teilreaktion bestimmt die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion.
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2.3.10. 10. Stunde (Einzelstunde)
Am Ende der Unterrichtsreihe steht eine umfassende Wissenssicherung.
Dazu wird von den Schülern zuerst eine Transferleistung zur Sicherung des erlernten Wissens
verlangt. Da die Erkenntnis, dass die langsamste Teilreaktion die Geschwindigkeit der
Gesamtreaktion bestimmt, nicht nur auf die Chemie beschränkt ist, können auch
Anwendungsbeispiele aus dem alltäglichen Leben gewählt werden.
So könnten die Schüler zum Beispiel erläutern, warum sich der Umsatz eines Kaufhauses
trotz wachsender Zahl an Konsumenten nicht steigern lässt, wenn nur eine Kasse besetzt ist.
Die Abfertigung an der Kasse stellt hier den langsamsten Reaktionsschritt dar, so dass sie im
Endeffekt den Gesamtumsatz bestimmt.
Sinnvoll ist auch eine Wiederholung all der Teilreaktionen. Auf diese Wiederholung können
Erweiterungsexperimente folgen, mit denen die bereits getroffenen Aussagen noch weiter
erhärtet werden können.
So kann zum Beispiel in einem Experiment die Methylenblaukonzentration erhöht werden,
was dann dazu führen sollte, dass die Farbtiefe intensiver wird.
3. Fazit
Die Unterrichtsreihe zur Blue-Bottle- oder Methylenblau-Reaktion bildet eine in sich
geschlossene Einheit, innerhalb derer die beiden wichtigsten Reaktionstypen, Säure-Base-
Reaktionen und Redoxreaktionen, wiederholt werden können. Außerdem können Spezial-
themen wie die Zuckerchemie und die Chemie der Farbstoffe rekapituliert werden. Darüber
hinaus bietet die Unterrichtsreihe einen guten Anknüpfungspunkt für weitere kinetische
Untersuchungen.
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4. Literaturverzeichnis
Literatur
• Büttner, Dieter: Kinetik und Mechanismus chemischer Reaktionen am Beispiel der
Methylenblau- Reaktion in elementarer Darstellung
• Problemorientierter, forschend entwickelnder Unterricht nach Schmidtkunz/Lindmann
aus: Pfeifer, P. u.a.: Konkrete Fachdidaktik Chemie. Neuauflage. München:
Oldenbourg 1997
• Funktionen des Experiments im Unterricht aus: Pfeifer, P. u.a.: Konkrete Fachdidaktik
Chemie. Neuauflage. München: Oldenbourg 1997
Internetrecherche
http://www.fsg-trier.de/projekte/2000muenchen/chem5/methylen.gif
