Chemie · Klasse 12

Ideen für aktives Lernen

Reaktionsordnung und Geschwindigkeitsgesetze

Aktive Experimente ermöglichen es Schülerinnen und Schülern, die abstrakten Konzepte der Reaktionsordnung und Geschwindigkeitsgesetze direkt zu erleben. Durch das eigenständige Variieren von Konzentrationen und das Messen von Geschwindigkeiten wird die Abhängigkeit zwischen Eduktkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit greifbar und nachvollziehbar.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: SEC-II-FW
• KMK: SEC-II-EG

• 20–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Forschungskreis
• 45 Min. · Kleingruppen

Stationenrotation: Konzentrationsserie

Richten Sie drei Stationen ein: Verdünnungsserien für zwei Edukte bei der Jod-Uhr-Reaktion vorbereiten. Gruppen messen Reaktionszeiten, plotten Log-Geschwindigkeit gegen Log-Konzentration und bestimmen die Ordnung. Abschließende Plenumdiskussion.

Wie lässt sich die Reaktionsordnung einer Reaktion experimentell ermitteln?

Moderationstipp

Legen Sie bei der Stationenrotation Wert auf genaue Pipettierung und wiederholte Messungen, um Messfehler zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Daten zu erhöhen.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern die Daten eines einfachen Experiments (z.B. Anfangsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Konzentrationen). Bitten Sie sie, die Reaktionsordnung für jedes Edukt zu bestimmen und das entsprechende Geschwindigkeitsgesetz zu formulieren. Fragen Sie: 'Welche Ordnung hat die Reaktion insgesamt und was bedeutet das für die Abhängigkeit von der Konzentration?'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Aktivität 02

• Forschungskreis
• 30 Min. · Partnerarbeit

Paararbeit: Anfangsgeschwindigkeitsmethode

Paare variieren Konzentrationen von Kaliumiodid und Wasserstoffperoxid, stoppen Reaktionen zeitlich und berechnen Geschwindigkeiten. Sie erstellen eine Tabelle und leiten das Geschwindigkeitsgesetz ab. Peer-Feedback zur Plot-Auswertung.

Erklären Sie den Unterschied zwischen elementaren und komplexen Reaktionen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeitsgesetze.

Moderationstipp

Bei der Anfangsgeschwindigkeitsmethode achten Sie darauf, dass die Schülerinnen und Schüler die Zeitmessung sofort nach Reaktionsbeginn starten und die Konzentrationen exakt dokumentieren.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie eine Reaktionsgleichung für eine elementare Reaktion auf (z.B. 2 NO + O2 -> 2 NO2). Bitten Sie die Schüler, das Geschwindigkeitsgesetz für diese elementare Reaktion anzugeben und zu begründen, warum es der Stöchiometrie entspricht. Fragen Sie anschließend: 'Was wäre ein möglicher Unterschied im Geschwindigkeitsgesetz, wenn diese Reaktion komplex wäre?'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Aktivität 03

• Forschungskreis
• 50 Min. · Ganze Klasse

Klassenexperiment: Integrationsmethode

Die ganze Klasse beobachtet die Azid-Reaktion mit Natriumthiosulfat, misst Trübung als Funktion der Zeit. Gemeinsam plotten sie 1/[S2O3^2-] gegen Zeit und diskutieren die Ordnung. Digitale Tools für den Plot.

Analysieren Sie, wie die Konzentration der Edukte die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst.

Moderationstipp

Führen Sie das Klassenexperiment zur Integrationsmethode schrittweise durch und lassen Sie die Schüler die Daten gemeinsam auswerten, um Diskussionen über Reaktionsordnungen anzuregen.

Worauf zu achten ist

Teilen Sie die Klasse in Kleingruppen auf und geben Sie jeder Gruppe eine andere Reaktionsordnung (z.B. 0, 1, 2). Bitten Sie sie, zu diskutieren und zu erklären, wie sich eine Verdopplung der Konzentration des entsprechenden Edukts auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt. Lassen Sie jede Gruppe ihre Ergebnisse im Plenum präsentieren und vergleichen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Aktivität 04

• Forschungskreis
• 20 Min. · Einzelarbeit

Individuelle Simulation: Reaktionskinetik-Software

Schülerinnen und Schüler simulieren Konzentrationsabhängigkeiten mit PhET oder ChemCollective, variieren Parameter und validieren experimentelle Ergebnisse. Bericht mit Geschwindigkeitsgesetz.

Wie lässt sich die Reaktionsordnung einer Reaktion experimentell ermitteln?

Moderationstipp

Nutzen Sie die Reaktionskinetik-Software, um den Einfluss von Temperatur und Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu simulieren und Visualisierungen zu erstellen.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern die Daten eines einfachen Experiments (z.B. Anfangsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Konzentrationen). Bitten Sie sie, die Reaktionsordnung für jedes Edukt zu bestimmen und das entsprechende Geschwindigkeitsgesetz zu formulieren. Fragen Sie: 'Welche Ordnung hat die Reaktion insgesamt und was bedeutet das für die Abhängigkeit von der Konzentration?'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Theorie sollte immer mit experimentellen Daten verknüpft werden, da nur so die Relevanz der Reaktionsordnung und Geschwindigkeitsgesetze deutlich wird. Vermeiden Sie es, die Stöchiometrie als alleinigen Indikator für die Reaktionsordnung zu präsentieren, da dies zu hartnäckigen Fehlvorstellungen führt. Nutzen Sie stattdessen grafische Auswertungen und Gruppenarbeiten, um den experimentellen Charakter der Kinetik zu betonen. Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler durch das eigenständige Planen und Durchführen von Experimenten ein tieferes Verständnis für die Zusammenhänge entwickeln.

Am Ende der Einheit können Schülerinnen und Schüler experimentell die Reaktionsordnung bestimmen, Geschwindigkeitsgesetze formulieren und zwischen elementaren und komplexen Reaktionen unterscheiden. Sie erkennen, dass die Reaktionsordnung nicht zwingend der Stöchiometrie entspricht, und verstehen die Bedeutung der Geschwindigkeitskonstante k.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während der Stationenrotation zur Konzentrationsserie beobachten Sie, dass Schülerinnen und Schüler die Reaktionsordnung direkt aus den Koeffizienten der Reaktionsgleichung ableiten wollen.

  Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler während der Stationenrotation gezielt die Konzentration eines Edukts variieren, während die anderen konstant bleiben. Diskutieren Sie im Anschluss gemeinsam, warum die gemessene Ordnung nicht immer der Stöchiometrie entspricht.

• Während der Anfangsgeschwindigkeitsmethode in der Paararbeit nehmen Schülerinnen und Schüler an, dass eine Verdopplung der Konzentration immer zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit führt.

  Fordern Sie die Schülerinnen und Schüler auf, mehrere Konzentrationen zu testen und die Daten grafisch darzustellen. Nutzen Sie die Ergebnisse, um den Unterschied zwischen nullter, erster und zweiter Ordnung zu verdeutlichen.

• Während des Klassenexperiments zur Integrationsmethode gehen Schülerinnen und Schüler davon aus, dass die Geschwindigkeitskonstante k sich mit der Konzentration ändert.

  Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler im Rahmen des Experiments die gleiche Konzentration mehrfach messen und die erhaltenen k-Werte mitteln. Betonen Sie, dass k nur von der Temperatur abhängt und bei konstanter Temperatur konstant bleibt.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Forschungskreis