Und sie waren tatsächlich da …

chemie4kids-pixeled

Von dem Bild bekommt man einen guten Eindruck von dem Besuch der Kindergartenkinder bei uns im Chemiekurs (reiner Abdeckerergänzungskurs, kein Curriculum). Das Bild ist übrigens mit einer GOPRO-Actionkamera gemacht (sowas hält unser Medienzentrum für die aktive Medienarbeit in der Schule bereit).  Mein Kurs hat selbst Experimente für Kinder erarbeitet – dabei stand im Mittelpunkt, dass es nicht um die leider immer mehr didaktischen Raum einnehmende Phänomenologie gehen soll, sondern um Deutungen, die für Kinder verstehbar sind.

Adhäsion bei der Chromatographie kann man z.B. modellhaft durch Kinder erklären, die von anderen Kinder geschoben werden – mal auf einem Bein stehend, mal auf zwei Beinen stehend. Das Laufmittel (das schiebende Kind) kann das Farbstoffteilchen (das geschobenen Kind) unterschiedlich gut bewegen. In solchen vermeintlichen Details steckt sehr viel Denkarbeit (nicht meine!): Die Erklärung ist nicht über die Maßen simplifiziert, ermöglich aber trotzdem eine in Grundzügen korrekte Vorstellung von einem Teilbereich der sich tatsächlich abspielenden Vorgänge.

Neben der Schulleiterin waren auch Vertreter der örtlichen Lokalzeitungen zeitweise anwesend – die Interviews haben natürlich die Schülerinnen und Schüler selbst gegeben. Die resultierenden Artikel in den Zeitungen haben mir beide sehr gut gefallen. Für mich ist diese „Vermarktung“ relatives Neuland – die Aktion selbst ist ja schon ein Remake. Den Schülerinnen und Schülern war die Öffentlichkeit aber gar nicht so wichtig – zumindest hat das unsere kleine Evaluation hinterher ergeben. Die Atmosphäre während der Veranstaltung war so, dass fast alle Erwachsenen, die von außen kamen, lange geblieben sind – es gab unglaublich viel zu schauen, zu hören und zu erleben, z.B. sehr fokussierte und gespannte Kinder.

Ein Segen ist, dass ich Teilnehmende aus der Video-AG mit in meinem Kurs sitzen habe, die gemeinsam mit zusätzlich freigestellten Schülerinnen die Dokumentation übernommen habe. Vertikalfahrt? GOPRO auf der Kreideablage der Pylonentafel. Horizontalfahrt? GOPRO auf fahrbarem Overheadprojektor (zu etwas müssen sie ja gut sein). Wackler? „Die GOPRO macht 4K – das kann man genau wie die optische Verzerrung durch den extremen Weitwinkel herausrechnen, Herr Riecken!“

Und wie geht es weiter? Zunächst habe ich fast sowas wie einen didaktischen Kaperbrief bekommen. Das Niveau von vielen Erklärvideos (auch kommerziellen) gefällt meinen Schülerinnen und Schülern nicht. „Nä, das ist technisch nicht gut gemacht, Herr Riecken!“ „Die Idee ist ja schon nett, aber die dramaturgische Umsetzung … !“ Und ich: „Fachlich stimmt da und da aber etwas nicht!“. Der Kurs hat beschlossen, das besser zu können. Nun denn. Ein neues Projekt in einem neuen Halbjahr, diesmal aktive Medienarbeit gepaart mit erhöhtem fachlichen Anspruch. Ich weiß noch nicht ganz genau, wie ich das angehe. Ich könnte mir gut vorstellen, z.B. im Bereich der Kohlenhydrate – das eignet sich sehr gut für Erklärvideos – zunächst in einen Inputphase zu gehen, um inhaltliche Orientierung zu schaffen, um dann diesmal die SuS eigene Projektplanungen (Zeitraster, Milestones) entwickeln zu lassen. Aber das wird noch bis zum neuen Jahr reifen.

Projekt mit dem Waldkindergarten (reloaded)

Ich habe in diesem Jahr wieder einen polyvalenten Chemiekurs. Das ist ein etwas seltsames Konstrukt: Primär geht es um Chemie, jedoch sollen auch Inhalte anderer Naturwissenschaften einfließen und es darf nichts aus dem Oberstufencurriculum Chemie behandelt werden. Überhaupt ist dieser Kurs eine komplett curriculumsfreie Lehrkrafterholungszone. Er dient lediglich dazu, dass SuS, die bestimmte Oberstufenprofile gewählt haben, ihre Belegungspflichten für das Abitur erfüllen können – wir sagen dazu „Abdeckerkurs“. Gleichwohl sind Noten zu erteilen.

Ich habe den SuS vier Inhalte angeboten, u.a. eine Wiederbelebung meines alten Waldkindergartenprojektes, welches konkurrenzlos von allen präferiert wurde.

Da ich mit dem Ablauf damals nicht so ganz zufrieden war, lasse ich in diesem Jahr einige Elemente aus dem klassischen Projektmanagement und meine Erfahrungen mit Wikis aus dem letzten Jahr mit einfließen, aber nicht zu viel, um die Transaktionskosten möglichst erträglich zu halten – so gebe ich z.B. den angespeckten Projektablaufplan weitgehend vor.

Das sieht dann so aus:

Wochentag Doppelstunde Inhalt
Freitag 1 Experimentauswahl, Projektaufräge
Freitag 2 M1: Projektaufträge vorstellen, Material- und Geräteliste erstellen
Mittwoch 3 Experiment selbst durchführen, ggf. optimieren
Freitag 4 Feiertag
Freitag 5 Experiment selbst durchführen, ggf. optimieren
Mittwoch 6 Beschreibung zum Versuchsaufbau erstellen
Freitag 7 Beschreibung zum Versuchsaufbau erstellen
Freitag 8 M2: Abgabe Beschreibung zum Versuchsaufbau
Mittwoch 9 Präsentation für den Kurs Gruppe A
Freitag 10 Präsentation für den Kurs Gruppe B
Freitag 11 Präsentation für den Kurs Gruppe C
Freitag 12 Optimierung und Bezüge zu anderen Experimenten
Mittwoch 13 Optimierung und Bezüge zu anderen Experimenten
Freitag 14 M3: Waldkindergartenbesuch
Freitag 15 Auswertung und Feedback
Mittwoch 16 Überarbeitung Beschreibungen
Freitag 17 Überarbeitung, weihnachtlicher Abschluss
Mittwoch 18
Freitag 19
Mittwoch 20
Freitag 21
Freitag 22
Mittwoch 23

 

Zwei Doppelstunden hatten wir schon (normalerweise steht da ein Datum). Wer noch nie einen Projektauftrag gesehen hat, findet hier eine Vorlage. In Fettdruck sind die Meilensteine bezeichnet – diese geben mehr oder weniger vor, bis zu welchen Zeitpunkt ein Zwischenziel erreicht sein muss. Ein Projektauftrag ist eine gute Grundlage, um sich darüber klar zu werden, was man überhaupt mit einem Projekt erreichen möchte. Vor allem die Projektrisiken sind dabei für mich von besonderem Interesse – mögliche Risiken sind z.B.:

  • Motivationsverlust
  • Unterschiedliches Engagement in der Kleingruppe
  • fachliche Überforderung
  • […]

Man kann dann im Vorwege darüber reden, wie man den Risiken begegnet (die SuS haben viel Erfahrung mit gelungenen und weniger gelungenen Gruppenarbeitsprozessen).

Die in der ersten Phase zentrale Beschreibung des Versuches besitzt folgende Struktur:

  • Gruppenmitglieder
  • Projektauftrag (Verlinkung auf Datei)
  • Benötigte Geräte
  • Benötigte Chemikalien
  • Durchführung
  • Dokumentation der eigenen Durchführung
  • Theoretischer Hintergrund (gymnasial)
  • Warum ist das Experiment für Kinder geeignet?
  • Kindgerechte Erklärung
  • Was kann das Kind bei dem Experiment über Chemie lernen?

Es wird im Unterricht immer ein festes Ritual in Form eines Plenums geben, in dem die Gruppen folgende Aspekte berichten:

  1. Was haben wir heute erreicht?
  2. Welche Probleme gab es dabei?
  3. Was ist in nächsten Zeit zu erledigen?

In der Präsentationsphase schlüpft das Plenum in die Rolle von Kindergartenkindern und Beobachtern, während jeweils ein Experiment tatsächlich durchgeführt wird. Dabei tauchen erfahrungsgemäß Probleme auf, an die auch ich vorher nicht gedacht hätte – vor allem auch Kooperationsmöglichkeiten zwischen Gruppen.

Nach dem Besuch der Kinder erfolgt eine letzte Reflexion, die folgende Elemente umfasst:

  • Rückmeldung der Kinder (muss auch vorbereitet werden)
  • Rückmeldung der Kursteilgebenden an mich und meinen Unterrichtsstil
  • Überlegungen zur Weiterarbeit, z.B. mit Grundschulkindern

Gesammelt und erledigt werden alle Arbeitsschritte in einem nichtöffentlichen DokuWiki. Uns stehen in der Chemie acht Laptops für die ernsthafte Arbeit und einige Nexus7-Tablets für Recherche und Zuarbeit zur Verfügung. Natürlich gibt es LAN- und WLAN-Versorgung, sodass auf Totholz weitgehend verzichtet werden kann.

 

 

 

Chemiematerial schülerzentriert

Man sieht es schon an der Aufmachung der Seite, dass hier jemand am Werke ist, der einerseits über viel Erfahrung, andererseits über ein gehöriges Maß an Pragmatismus verfügen muss. Ausdrücklich empfohlen sei hiermit die Seite von Arne Pönitz. Ich mache gerade sein Partnerpuzzle zu dem Stoffgemischen und beste Erfahrungen. Ich habe noch nicht viel Material gesichtet, aber das, was ich gesehen habe, halte ich für gut einsetzbar – z.B. auch viele andere Versuche, die mich auf andere Gleise und Zugänge setzen – mit den Jahren neigt man ja doch dazu, manches, was gut funktioniert, immer wieder zu wiederholen. Es gibt dort auch Material zu Mathe und Informatik, was ich habe nicht beurteilen kann.

Die Nernstsche Gleichung aufstellen

Einleitung

Dieser Artikel dient auch als kleines Experiment, um die Möglichkeiten des LaTeX-Plugins QuickLaTeX auszuloten. Ich bin recht beeindruckt von den Satzmöglichkeiten, die ich hier nur zu 90% optimiert habe… Da können jetzt also noch weitere Artikel aus der Serie „Wie man leicht sieht…“ folgen. Dort habe ich für die Formeln einen Webdienst bemüht, der aus TeX-Syntax Vektorgrafiken erstellt – das sieht natürlich dann hübscher aus, tippt sich aber nicht so fluffig.

Zur Sache

Die Nernstsche Gleichung ist einer der fundamentalen Lerninhalte im Bereich der Elektrochemie und prinzipiell eigentlich nichts weiter als ein arg verklausurliertes chemische Gleichgewicht, also ein anderer Ausdruck für K – im Prinzip natürlich. In Schulbüchern läuft einem das Ding eigentlich fast nur in dieser Form über den Weg:

    \[ (1) \; U_{H(Ox/Red)} = U_{H(Ox/Red)}^0 + \frac{0,059V}{z}\cdot lg \left( \frac{c(Ox)}{c(Red)} \right) \]

oder auch:

    \[ (2) \; U_{H(Ox/Red)} = U_{H(Ox/Red)}^0 + \frac{0,059V}{z}\cdot lg (K) \]

Wie erhält man nun die Nernstsche Gleichung für beliebige chemische Gleichgewichte?

Für das Chlorsystem gilt:

    \[ (3)\; Cl_{2(g)} + 2e^- \rightleftharpoons 2Cl_{(aq)}^- \]

Für dieses Gleichgewicht stellt die Nernstsche Gleichung quasi eine Umrechnungsvorschrift dar. So kann ich z.B. aus einem gemessenen Potential eine tatsächlich vorhandene Chloridionenkonzentration in einem Gleichgewicht berechnen. Dazu bestimme ich zunächst auf beiden Seiten der Gleichung (2) die zugehörigen Oxidationszahlen:

    \[ (4)\; \overset{\text{0}}{Cl_2(g)} + 2e^- \rightleftharpoons 2\overset{\text{-I}}{Cl_{(aq)}^-} \]

Das Chloridion besitzt mit -I die niedrigere Oxidationzahl und ist damit die reduzierte Form (Red). Das Chlormolekül ist die oxidierte Form (Ox). Jetzt muss ich dem Term für K so aufstellen, dass die oxidierte Form oben steht:

    \[ (5) K = \frac{c(Ox)}{c(Red)} = \frac{c(Cl_2)\cdot c(e^-)^2}{c(Cl^-)^2} \]

Elektronen und das Chlorgas besitzen in einer Lösung keine Konzentration bzw. diese kann als konstant angenommen und gleich 1 gesetzt werden. Damit lautet die Gleichung:

    \[ (6) \; U_{H\;(Cl_2/Cl^-)} = U_{H\;(Cl_2/Cl^-)}^0 + \frac{0,059V}{2}\cdot lg \left( \frac{1}{c(Cl^-)^2}\right) \]

Freundlicherweise gilt außerdem:

    \[ (7) \; lg(a)^b = b \cdot lg(a) \]

d.h., ich kann die Potenz aus dem Nenner des letzten Faktors vor den Ausdruck ziehen, weil der Zähler netterweise gleich 1 ist:

    \[ (8) \; U_{H\;(Cl_2/Cl^-)} = U_{H\;(Cl_2/Cl^-)}^0 + \frac{0,059V}{2}\cdot 2 \cdot lg \left(\frac{1}{c(Cl^-)}\right) \]

und dann kürzen:

    \[ (9) \; U_{H\;(Cl_2/Cl^-)} = U_{H\;(Cl_2/Cl^-)}^0 + 0,059V \cdot lg\left(\frac{1}{c(Cl^-)}\right) \]

Chemiebücher schreiben die Nernstsche Gleichung gerne anders auf, wenn die reduzierte Form die lösliche ist, indem sie meist stillschweigend voraussetzen, dass gilt:

    \[ (10) \; lg\left(\frac{a}{b}\right) = -lg\left(\frac{b}{a}\right) \]

also hier konkret:

    \[ (11) \; U_{H\;(Cl_2/Cl^-)} = U_{H\;(Cl_2/Cl^-)}^0 + \frac{0,059V}{1}\cdot - lg\left(\frac{c(Cl^-)}{1}\right) \]

bzw. mit vorgeholtem Minuszeichen und anderer Bruchschreibweise:

    \[ (12) \; U_{H\;(Cl_2/Cl^-)} = U_{H\;(Cl_2/Cl^-)}^0 - 0,059V \cdot lg \left(c(Cl^-)\right) \]

Ich finde diese Unterscheidung nicht besonders sinnvoll. Natürlich sieht die Gleichung so für SuS erstmal einfacher aus, aber es bleibt eben das Problem, wann ein Minuszeichen und wann ein Pluszeichen in der Nernstschen Gleichung verwendet werden soll/muss. Ich lege mich im Unterricht immer auf die Variante mit dem Pluszeichen fest. So bekommt man jedes Redoxsystem durch eine einfache Schrittfolge in den Griff.

Ein schweres Beispiel

Das Permanganatsystem ist schon nicht ganz einfach.

    \[ (13)\; MnO_{4(aq)}^- + 8H^+ + 5e^- \rightleftharpoons Mn_{(aq)}^{2+} + 4H_2 O_{(l)} \]

Schritt 1: Oxidationszahlen bestimmen – Wo ist die reduzierte Form?

Dafür schauen wir uns die Permanganat- und Manganionen an:

    \[ (14)\; \overset{\text{+VII}}{Mn}O_{4(aq)}^- + 8H^+ + 5e^- \rightleftharpoons \overset{\text{+II}}{Mn_{(aq)}^{2+}} + 4H_2 O_{(l)} \]

 

Das Manganion besitzt die niedrigere Oxidationszahl, ist also die reduzierte Form. Demnach muss die rechte Seite der Gleichung im Term für K nach unten.

Schritt 2: Ausdruck für K bestimmen

Die Konzentration des Lösungsmittels Wasser kann als konstant angenommen und gleich 1 gesetzt werden, taucht im Nenner also nicht mehr auf:

    \[ (15)\; K=\frac{c(MnO_{4(aq)})^- \cdot c(H^+)^8}{c(Mn_{(aq)}^{2+})} \]

Schritt 3: Ausdruck in die Nernstsche Gleichung einsetzen

    \[ (16) \; U_{H\;(MnO_{4(aq)}/Mn_{(aq)}^{2+})} = U_{(MnO_{4(aq)}/Mn_{(aq)}^{2+})}^0\right) \]

    \[ + \frac{0,059V}{5}\cdot lg \left( \frac{c(MnO_{4(aq)})^- \cdot c(H^+)^8}{c(Mn_{(aq)}^{2+})} \right) \]

Verlorene Links – Teil 7

In diesem Teil der Serie gibt es viel für die Augen…

  1. Sascha Lobo sagt auf der Res Publica 2011 sehr viel zur digitalen Gesellschaft, was 1:1 auch auf Lehrer übetragbar ist – mir natürlich aber auch in dem Originalkontext gut gefällt. Wer mag, kann dazu z.B. bei Herrn Larbig vor allem auch in den Kommentaren weiterlesen.
  2. Neu auf YouTube ist die ARTE-Dokumentation „Kaufen für die Müllhalde“ zu sehen. Schön, dass wir in der Netzwelt nie das Neueste wollen…
  3. Dazu passt nach wie vor Ellis Blog – ein Jahr in Afrika. Es gibt Probleme und Probleme auf der Welt und eben Probleme, die anderswo viel mehr Probleme machen.
  4. Bei Walter Fendt gibt es tolle Physikapplets (teilweise auch in Chemie anwendbar) – die muss man auch nicht wegwerfen…
  5. Wer schon immer einmal ein Elektronrastermikroskop für die Schule selbst bauen wollte, wird hier fündig – schlappe 2000,- Dollar, Software nicht inklusive.
  6. 500t TNT explodieren ungefähr so. Naja – zumindest strahlt es hinterher nicht.

Ansonsten beginnen hier die Osterferien mit der OpenOffizierung der Erwartungshorizonte für das Chemieabitur für meine 15 Abiturklausuren auf erhöhtem Niveau. Ich bereite dazu auch etwas auf dem Dienstweg vor. Wird im nächsten Jahr bestimmt wieder anders. Vielleicht sollte ich mich auch von Sätzen wie:

Ich bereite euch nicht auf das Abitur vor. Ich möchte, dass ihr im Neben- oder Hauptfach Chemie auf dem weiteren Bildungswegs gut klarkommt! (dann bekommen sie ihr Abitur übrigens auch… )

endgültig verabschieden…


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