Redoxreaktionen

Datum: 08. September 2010 Autor: madonna Kommentare: 0

Zusätzliche Informationen:

Land: Deutschland, Klasse: 7, Schulform: Realschule. Aufbau und Beschreibung des Experiments sind enthalten.

Chemische Schulversuche Redoxreaktionen August 2010

Redoxreaktionen

1. Didaktische Analyse

Die Thematik der Redoxreaktion stellt einen umfangreichen Bereich im Chemieunterricht dar. Dieser Reaktionstyp ist allgegenwärtig und spielt für uns somit eine bedeutende Rolle. Sei es bei der Verwendung des Mobiltelefons oder des Fotoapparates - denn nur durch Redoxreaktionen können deren Akkumulatoren funktionieren. Diese Erkenntnis schafft somit von Anfang an Aufmerksamkeit bei den SchülerInnen, sich mit jener Thematik auseinanderzusetzten. Da für die Jugendlichen der tägliche Gebrauch dieser Utensilien sehr im Vordergrund steht, besteht sicherlich großes Interesse daran, sich mit deren Funktionsweise zu beschäftigen.

Bereits im vergangenen Schuljahr konnten die SchülerInnen die Oxidation bzw. Reduktion kennenlernen. Allerdings ging es hierbei um die Übertragung von Sauerstoff. Die Redoxreaktionen soll nun aber um den Begriff der Elektronenübertragung erweitert werden. Daher bietet es sich als Einstiegsexperiment an, die Reduktion von Kupferoxid zu demonstrieren. Sie erkennen, dass es sich hier um eine Sauerstoffabgabe handelt. Im zweiten Versuch soll dann die auf Sauerstoffübertragung basierende Vorstellung von Redoxreaktionen erweitert werden. Während der Umsetzung von Natrium mit Wasser lässt sich besonders deutlich ein Farbumschlag bzw. die Dynamik an der Wasseroberfläche erkennen. An dieser Stelle sollen dann die Vorgänge in der Elektronenhülle erarbeitet werden. Infolgedessen gelangen die SchülerInnen zu dem Ergebnis, dass eine Elektronenaufnahme nur mit einer Elektronenabgabe stattfinden kann. Im dritten Versuch soll dann die Redoxreaktion am Beispiel eines Halogens dargestellt werden. Hier wird ein spektakulärer Versuch die Jugendlichen dazu motivieren, das „Geheimnis“ des Experiments zu entdecken. Diese Begeisterung kann somit das Interesse am naturwissenschaftlichen Arbeiten verstärken und aufrechterhalten.

Lehrplanbezug (Realschule)

Redoxreaktionen mit Elektronenübergängen sind im Lehrplankapitel 9.2 einzugliedern. Die SchülerInnen lernen dabei die Oxidation sowie die Reduktion als Elektronenabgabe bzw. Elektronenaufnahme kennen.

Einbettung des Themas

Die Jugendlichen konnten bereits in der 8. Klasse Redoxreaktionen kennenlernen. Die Vorstunde kann daher dazu genutzt werden¸ das Grundwissen der vergangen Jahrgangsstufe zu wiederholen. Dabei sollten Begriffe wie Wertigkeit, Sauerstoffübertragung, Oxidation und Reduktion vorkommen.

In der Folgestunde kann dann eine Übersicht über mögliche Oxidations- und Reduktionsmittel gegeben werden.

1.3 Lern- bzw. Lehrziele

Die SchülerInnen verstehen die Redoxreaktion als gekoppelte Reaktion von Oxidation und Reduktion und begreifen die dabei stattfindenden Vorgänge in der Elektronenhülle.

Als Teilziele können daher folgende definiert werden:

Die SchülerInnen sollen:

Bei einem Experiment das Beobachten, das Beschreiben und das Aufstellen von Hypothesen trainieren

Wort- und Formelgleichungen aufstellen

Den Begriff der „Oxidation“ erklären und verstehen, dass dabei Elektronen abgegeben werden

„Reduktion“ definieren und diese als Elektronenaufnahme begreifen

sich bewusst werden, dass Oxidation und Reduktion immer gemeinsam ablaufen

sich im Klaren darüber werden, dass aus Metalloxiden reine Metalle hergestellt werden können.

2. Methodisch-didaktische Überlegungen

Zu Beginn der Unterrichtsstunde kann im gemeinsamen Lehrer-Schüler-Gespräch das Thema der Oxidation aufgegriffen werden. Dabei bietet es sich an, den Jugendlichen ein korrodiertes Kupferblech zu demonstrieren. An dieser Stelle werden die SchülerInnen initiativ das Aussehen des Metallbleches sowie mögliche Ursachen diskutieren. Dabei werden Begriffe wie „Korrosion“ und „Rost“ fallen, welche auch mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in Verbindung gebracht werden. Bei der Frage, ob diese Reaktion auch rückgängig gemacht werden könne, geraten die Jugendlichen erst einmal in einen kognitiven Konflikt. An dieser Stelle können Ideen gesammelt werden, wie das Kupferoxid wieder zu elementaren Kupfer reagieren kann. Nachdem gemeinsam eine Hypothese aufgestellt werden konnte, wird diese im Rahmen eines Lehrerdemonstrationsexperiment überprüft. Mittels Wasserstoff wird dem oxidierten Kupferblech der Sauerstoff entzogen. Im Rahmen einer Partnerarbeit sollen die Schülerinnen dann versuchen, die Gleichung für diese Reaktion aufzustellen. Vermutlich werden diese die Gesamtgleichung aufstellen, welche dann von einem/r Schüler/in an der Tafel festgehalten werden soll. Gemeinsam werden dann noch die Oxidations- und Reduktionsgleichung erarbeitet, wobei besonders auf die Elektronenübergänge eingegangen werden soll. Diese beiden Teilreaktionen werden dann noch klar beschriftet. Hier würde es sich anbieten, laminierte Schriftkarten zu verwenden.

Auch die Umsetzung von Natrium mit Wasser findet als Lehrerdemonstrationsexperiment statt. Hierbei ist vor allem darauf zu achten, dass ein Mindestabstand von drei Metern eingehalten wird. Besonders beeindruckend wirkt der Versuch, wenn er auf dem Overheadprojektor durchgeführt wird. So ist gewährleistet, dass die ganze Klasse das Schmelzen des Natriums bzw. die entstehenden Gasbläschen beobachten kann. In gemeinsamer Interaktion können dann die Ursachen hierfür diskutiert werden. Zum Vergleich wird zudem noch der Versuch mit Natrium auf Filterpapier wiederholt. Im Gespräch soll dann herausgearbeitet werden, dass durch den halbtrockenen Zustand des Natriums die Reaktionswärme weniger verteilt werden kann. Um diese Erkenntnisse jedoch zu entwickeln, bedarf es aber einer größeren Unterstützung durch den Lehrenden.

Zur Einübung und Festigung der neuen Begriffe wird im dritten Versuch die Umsetzung von Aluminium mit Brom vorgestellt. Währenddessen sollen die SchülerInnen die Beobachtungen in Einzelarbeit festhalten. Im anschließenden Gespräch werden dann die Begriffe Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion auf dieses Beispiel übertragen. Zum Abschluss werden dann die beschriebenen Versuche, deren Erklärungen und die gewonnen Erkenntnisse im Hefteintrag festgehalten.

3. Experimente

3.1. Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff

Chemikalien und Gerätschaften:

Wasserstoff, Kupfer(II)-oxid-Pulver, Stativmaterial, Verbrennungsrohr, Porzellanschiffchen, Glasrohre und durchbohrte Stopfen, 2 Reagenzgläser, Schutzbrille, Bunsenbrenner

Hinweise zur Sicherheit und Entsorgung:

Feststoffabfall

Aufbau und Beschreibung des Experiments:

Wasserstoff in das etwas nach unten geneigte Verbrennungsrohr einleiten und Knallgasprobe durchführen, bis sie negativ ausfällt. Wasserstoff an der Glasspitze entzünden. Mittels Brenner Verbrennungsrohr von links nach recht (beim CuO) erhitzen. Sobald das CuO zu Glühen beginnt, wird die Brennerflamme abgestellt. Dabei sollte jedoch der Wasserstoff noch weitergeleitet werden, um zu verhindern, dass das Kupfer wieder oxidiert.

Ablauf des Experiments:

Beobachtung: Flamme am Glasrohr wird kleiner, Kondenswasser im Verbrennungsrohr

aus dem schwarzen Edukt ist rotes Produkt entstanden

Erklärung: CuO hat seinen Sauerstoff abgeben, zugleich ermöglicht der Wasserstoff diese Reduktion, indem es den Sauerstoff aufnimmt

CuO + H2 ———> Cu + H2O + Energie

3.2. Umsetzung von Natrium im Wasser „rosarote Panther“

Chemikalien und Gerätschaften:

Glaswanne bzw. Petrischale, Natrium, Phenolphthalein, Spülmittel, Wasser, Pinzette, Messer, Filterpapier

Hinweise zur Sicherheit und Entsorgung:

Natrium – nach Umsetzung in Ethanol in den Abfluss, mit Wasser nachspülen

Phenolphthalein – flüssige organische Abfälle, halogenfrei

Mindesten 3 m Sicherheitsabstand zu den Schülerinnen und Schülern, evtl. Glasschutz

Das Natrium kann an der Wand der Glaswanne hängen bleiben und so zum Bruch der Wanne führen (dies lässt sich meist durch die Zugabe des Spülmittels verhindern)

Die rosa Lösung muss neutralisiert werden → Ausguss

Aufbau und Beschreibung des Experiments:

Eine Glasschale mit Leitungswasser befüllen. Nun gibt man etwas Phenolphthalein und einen Spritzer alkalifreies Spülmittel hinein. Das in Petroleum eingelegte Natrium wird getrocknet und von seiner Oxidschicht befreit. Ein kleines Stück Natrium wird dann vorsichtig mit einer Pinzette auf das Wasser gegeben.

Den Versuch kann man auch eindrucksvoll auf dem OH-Projektor ausführen.

Ablauf des Experiments:

Beobachtung: Natrium schwimmt auf dem Wasser rasch hin und her, Gasbläschen entstehen, Natrium schmilzt, das Wasser verfärbt sich violett

Erklärung: Das Natrium bildet mit dem Wasser Natronlauge (basische Reaktion) und es entsteht Wasserstoff

Ox.: Na → Na+ + 1 e- │*2

Red.: 2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH

__________________________________

Redox.: 2 Na + 2 H2O → H2 + 2 Na+ + 2 OH

Zum Vergleich kann der Versuch modifiziert werden. Dazu wird ein kleines Stück Natrium nicht direkt auf die Wasseroberfläche gegeben, sondern auf ein Filterpapier. Das Papier verhindert das Hin- und Hergleiten, d. h. die Reaktionswärme kann nicht verteilt werden → Natrium erhitzt sich → Wasserstoff entzündet sich.

3.3. Reaktion von Aluminium und Brom

Chemikalien und Gerätschaften:

Brom, Alufolie, großes Reagenzglas, Stativ mit Klemme, Auffanggefäß

Hinweise zur Sicherheit und Entsorgung:

Inhalation und Hautkontakt mit Brom vermeiden, ABZUG!

Schutzhandschuhe tragen

Überschuss an Brom mit Natriumthiosulfatlösung umsetzten und mit den halogenhaltigen Chemieabfällen entsorgen.

Aufbau und Beschreibung des Experiments

Direkt aus der Vorratsflasche werden vorsichtig ca. 2 ml Brom in das Reagenzglas eingefüllt. Anschließend gibt man 3 Aluminiumkügelchen in das Reagenzglas.

Tipp: Entfernen der Oxidschicht auf der Alufolie durch Schleifpapier.

Reagenzglas mit Brom

Becherglas mit Sand

Ablauf des Experiments:

Beobachtung: Aluminium glüht auf, heftiges Zischen und Funkensprühen, Aluminiumkügelchen „tanzt“ auf der Bromoberfläche

Feuerschein und braune Rauchentwicklung

Erklärung: Aluminiumkügelchen verbrennen, Redoxreaktion von Brom und Aluminium, d.h. Brom wird dabei zu Br- reduziert und Aluminium zu Al3+ oxidiert.

Aufgrund der unterschiedlichen Redoxpotentiale von Brom und Aluminium läuft die Redoxreaktion wie folgt ab:

Oxidation: Al → Al3+ + 3e-

Reduktion: Br2 + 2e- → 2Br-

Redox: 2Al + 3Br2 → 2AlBr3

4. Literatur

Häusler, Rampf, Reichelt: „Experimente für den Chemieunterricht“ Oldenburg-Verlag, 1995

http://netexperimente.de

http://www.chemie.uni-regensburg.de/Anorganische_Chemie/Pfitzner/demo/demo_ss05/ABSSAl.pdf

http://www.experimentalchemie.de/versuch-041.htm

http://www.isb.bayern.de/isb/index.asp?MNav=5&QNav=4&TNav=0&INav=0&LpSta=6&STyp=5&Fach=41

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