Das chemische Gleichgewicht von der Beobachtungs- zur Teilchenebene

Für dieses StopMo­tion-Video benötigt man verschie­dene Stand­zy­linder und zwei Glasrohre mit unter­schied­li­chen Durch­mes­sern. In Stand­zy­linder A (SZ A) wird angefärbtes Wasser gefüllt (Abb. 1). Anschlie­ßend trans­por­tiert man mit Hilfe eines Glasrohres Flüssig­keit aus SZ A in SZ B. Direkt danach wird mit Hilfe des zweiten Glasrohres Flüssig­keit aus SZ B in SZ A gefüllt. Auf diese Weise werden die Hin- und Rückre­ak­tionen einer chemi­schen Reaktion simuliert. Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die trans­por­tierte Flüssig­keits­menge der Hin- und Rückre­ak­tion identisch. Das System befindet sich im Gleich­ge­wicht. Die einzelnen Gruppen erhalten unter­schied­liche Glasrohre mit unter­schied­li­chen Durch­mes­sern. Somit lassen sich bei der Auswer­tung unter­schied­liche Gleich­ge­wichte erkennen.

Nachdem die Schüler:innen sich das chemi­sche Gleich­ge­wicht auf phäno­me­no­lo­gi­scher Ebene angeschaut haben, sollen sie im Anschluss die Ebene wechseln und sich die Teilchen­ebene genauer anschauen. Zur Durch­füh­rung einer entspre­chenden Simula­tion benötigt es jedoch eine detail­lierte Vorbe­rei­tung. Das Ziel besteht darin, zu verdeut­li­chen, dass das Gleich­ge­wicht auf Seiten der Edukte, Produkte oder in vergleich­baren Größen der Konzen­tra­tionen aller Reakti­ons­teil­nehmer liegen kann.

Zum Zweck der Visua­li­sie­rung können drei einzelne Simula­tionen visua­li­siert werden, die immer nach dem gleichen Muster ablaufen. Die Simula­tion wird jeweils zur abstrakten Reaktion A + B ⇌ C + D durch­ge­führt. Zur Durch­füh­rung werden jeweils 63 Teilchen der einzelnen Reakti­ons­teil­nehmer benötigt, die aus einer Vorlage ausge­schnitten werden. Die Anzahl von 63 Teilchen hat sich beim Auspro­bieren mit verschie­denen Zahlen als am besten umsetzbar gezeigt. Eine DIN-A3-Unter­lage dient als Simula­ti­ons­fläche. Die Simula­ti­ons­fläche wird in zwei Hälften unter­teilt. Dabei dient eine Hälfte für die Konzen­tra­tion und Darstel­lung der Edukt-Teilchen, während die andere Hälfte der Konzen­tra­tion und Darstel­lung der Produkt-Teilchen dient. Durch die Trennung der Simula­ti­ons­fläche in zwei Hälften wird der Aspekt der Stoßtheorie nicht berück­sich­tigt. Dies muss mit den Lernenden thema­ti­siert werden. Es sollte verdeut­licht werden, dass der Fokus auf der Darstel­lung der Dynamik von Hin- und Rückre­ak­tionen und den damit verbun­denen Konzen­tra­tionen der Teilchen auf den jewei­ligen Seiten liegt.

Im Arbeits­ma­te­rial findet sich eine Tabelle mit einzelnen Zeitschritten, die Geschwin­dig­keiten und die Konzen­tra­tionen bei der Reaktion angeben. Die Geschwin­dig­keit gibt jeweils für die Hin- bzw. Rückre­ak­tion an, wie viele Edukt-Teilchen zu Produkt-Teilchen bzw. bei der Rückre­ak­tion wieder zu Edukt-Teilchen reagieren. Die Spalte der Konzen­tra­tion muss während der Simula­tion von den Lernenden selbst ausge­füllt werden. Nach der erfolg­rei­chen Erstel­lung der Simula­tionen lässt sich im Anschluss daraus die Gleich­ge­wichts­kon­stante K beschreiben und berechnen.

Das folgende Video zeigt in einer Zeitraf­fer­auf­nahme, wie die Schüler:innen drei Simula­tionen erstellen und diese mit Hilfe von StopMo­tion-Videos festhalten.

Die folgenden drei Videos geben einen Einblick in die drei Simula­tionen auf Teilchenebene.