Robert Bittorf, Stephan Hallier, Sebastian Busch und Bernhard Sieve

Modellieren mit Linsen und Kichererbsen

Diffusion, Osmose, Teilchenmodell, Schülervorstellungen, Modellversuch
Versuchsaufbau für das Modellexperiment zur Diffusion, Foto ©: Sebastian Busch

Robert Bittorf, Stephan Hallier, Sebastian Busch und Bernhard Sieve

Diffusionsvorgänge auf der Teilchenebene visualisieren

Diffusionsprozesse bilden im Chemieunterricht häufig einen Zugang bzw. eine Anwendung eines ersten Bausteinmodells der Materie (Teilchenmodell) [1, 2], in der Biologie werden die Themen Diffusion und Osmose im Rahmen von Transportvorgängen durch Biomembranen Unterrichtsgegenstand. Lernenden fällt es nach unseren Erfahrungen schwer, fachlich angemessene Vorstellungen in Bezug auf die Konzepte von Diffusion und Osmose zu entwickeln. Hamdorf und Graf [3] sowie Hesse [4] sehen die Fokussierung auf die Diffusion der Teilchen des gelösten Stoffs und gerade die Nichtbetrachtung der Diffusion der Wasserteilchen bzw. der Lösemittelteilchen als grundlegende Lernhürde an. Die mit diesen Vorgängen verbundene Terminologie hypertone bzw. hypotone Lösung befördere dies, da diese relativen Termini die Betrachtung der gelösten Teilchen noch unterstützen und die Lösemittelmoleküle ausblenden. Diese fachlich nicht anschlussfähigen Vorstellungen äußern sich häufig darin, dass Lernende Osmose- und Diffusionsvorgänge auf der Stoffebene korrekt darstellen können, jedoch die Prozesse auf der Teilchenebene nicht immer sachgerecht erfasst werden. Grundlage für das Verständnis von Diffusion und Osmose sind Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen in Bezug auf die Teilchen des sich verteilenden Stoffs und in Bezug auf die Teilchen des Lösemittels. Dies rückt eine Betrachtung der expliziten Vorgänge in den Mittelpunkt. Um gerade die Dynamik auf der Teilchenebene in den Blick zu rücken, können aus unserer Sicht eine solide Vorstellung zur Porenstruktur von Membranen sowie zu den Wechselwirkungen zwischen Teichen und Membranen (vgl. Kasten1) und die Modellierung von Teilchenströmen über das nachfolgende Modellexperiment helfen, diese Lernhürden abzubauen.
Versuch 1: Molekulares Sieben
Versuch 1: Molekulares Sieben
Der Versuch zum Molekularen Sieben [1, 2] ist ein klassischer Versuch zu einer ersten Vorstellung vom diskontinuierlichen Aufbau der Materie, also der Vorstellung, dass Stoffe aus diskreten Bausteinen zusammengesetzt sind.
Material:
Rollrandgläser, wässrige Farbmittellösungen (z.B. Iod-Stärke-Suspension vs. Kaliumpermanganatlösung), Einmachfolie, Becherglas mit Wasser.
Durchführung:
Rollrandgläser werden mit verschiedenen wässrigen Farbmittellösungen bzw. -suspensionen gefüllt und mit Einmachfolie verschlossen. Diese Ansätze werden mit der Einmachfolie nach unten in ein Becherglas mit Wasser gehängt.
Beobachtung:
Einige Farbstoffe treten durch die Einmachfolie hindurch, andere nicht. Über die Analogie des Siebens gelingt es den Lernenden, die Bausteinnatur der Materie abzuleiten. Die Argumentation der Lernenden: Ähnlich dem Sieben von Sandkörnern verschiedener Größe könnten auch die verschiedenen Farbstoffe aus unterschiedlich großen Teilchen/Partikeln aufgebaut sein. Die kleineren Farbstoffteilchen können durch die Poren der Membran hindurch, größere Farbstoffteilchen werden zurückgehalten.
Diffusion anschaulich machen
Nachfolgend wird ein Modellexperiment vorgestellt, mit dem es Lernenden ermöglicht werden soll, eine angemessene Vorstellung der Diffusions- und Osmosevorgänge auf Teilchenebene zu entwickeln. Das Modellexperiment wird mit getrockneten Linsen und getrockneten Kichererbsen durchgeführt. Zu Beginn des Experiments liegen in zwei Kristallisierschalen jeweils nur rote Linsen (Modell für Wasserteilchen in reinem Wasser) und Linsen und Kichererbsen (Modelle für Wasserteilchen und Teilchen des gelösten, nicht durch die Membran gelangenden (Farb-)Stoffs) vor (Abb.1). Schwarze Linsen modellieren im Versuchsteil B) (s.u.) den membrangängigen (Farb-)Stoff. Auf diese Weise wird die Situation im Schnappdeckelglas beim „Molekularen Sieben (ModellversucheA und B) oder in einer einfachen Osmoseapparatur (vgl. Abb.2) nachgestellt (ModellversuchA). Alternativ kann man es auch...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 160 / 2017

Reaktionsprozesse

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 5-6