9. – 12. Schuljahr

Ralf van Nek

Digitale Messwertsysteme nutzen

Säure-Base-Reaktionen digital erfassen und auswerten

Analytische Verfahren sind wichtige Inhalte des Chemieunterrichts in der Sekundarstufe II. Aus diesem Inhaltsfeld sind gerade Säure-Base-Titrationen besonders relevant. Neben der Bestimmung von Konzentrationen von Lösungen werden mit dem Aufnehmen und Auswerten von Titrationskurven wesentliche Kompetenzerwartungen an Schülerinnen und Schüler gestellt. Gerade in diesem Bereich bietet es sich an, digitale Messwertsysteme zu nutzen, wie sie mittlerweile von mehreren Lehrmittelfirmen und weiteren Elektronikanbietern vertrieben werden (Tab.1 ). Diese Systeme zeigen einen ähnlichen Leistungsumfang. Die verschiedenen Systeme sind in der Regel jedoch nicht untereinander kombinierbar. Im Folgenden werden drei Beispiele für die digitale Messwerterfassung vorgestellt.
Das Lernarrangement
Das Angebot im Bereich der digitalen Erfassung und Auswertung von Messwerten ist inzwischen sehr vielfältig geworden. Daher wird in diesem Artikel beispielhaft ein System der Firma Vernier in Kombination mit der App Graphical Analysis 4 vorgestellt. Aus dem Bereich der chemischen Analytik wurden drei Beispiele ausgewählt, in denen die Daten digital erfasst wurden. Die Diskussion zur übergeordneten Fragestellung nach dem didaktischen Mehrwert der Erfassung und Auswertung mithilfe von digitalen Systemen kann daran angestoßen werden (vgl. auch Kasten1).
Messwerte digital oder analog aufnehmen?
Messwerte digital oder analog aufnehmen?
Mit der digitalen Erfassung und Auswertung der Messwerte wird auf das manuelle Erstellen eines Diagramms verzichtet. Dies beinhaltet aus didaktischer Sicht Vorteile und Nachteile. Das manuelle Verfahren zum Erstellen von Diagrammen und die manuelle zeichnerische Auswertung sind Fertigkeiten, die Schülerinnen und Schüler in ihrer Schulausbildung erlernen müssen. Dazu kann die Chemie einen sinnvollen Beitrag leisten. Das zuvor geübte Erstellen eines Diagramms kann durch Einbindung der digitalen Messwerterfassung zu kurzzeitigen Motivationseffekten nach dem Prinzip der Passung führen [2]. Zudem kann ein Wechsel der Darstellungsform ein tieferes Verstehen des Sachverhalts fördern. Bei der Erstellung eines Diagramms aus Rohdaten wird zwischen bildlicher, sprachlicher, symbolischer und mathematischer Ebene der Darstellungsform gewechselt [3].
Die Systeme sind in der Anschaffung teuer und müssen trotz ihrer robusten und nutzerfreundlichen Bauweise sorgfältig behandelt werden. Dies kann einerseits die Übernahme von Verantwortung von Schülerinnen und Schülern für ihre Lernumgebung stärken, andererseits führt ein unbekümmerter Umgang mit den Geräten eventuell zu kostenintensiven Verlusten.
Den genannten Nachteilen steht eine Zeitersparnis gegenüber, die das Aufnehmen und Auswerten der Messdaten auf digitaler Basis mit sich bringt. Nach dem ersten Austesten des neuen Systems können Messreihen ohne großen Zeitaufwand für eine anschließende Auswertung aufgenommen werden. Erfolgt beispielsweise die Titration mehrerer Säuren im Vergleich können die unterschiedlichen Titrationskurven schnell erstellt, verglichen und ausgewertet werden. Insbesondere die enormen Datenmengen, wie sie bei der Durchführung der Titration mittels Tropfenzähler oder bei einer zeitbasierten Messung wie bei der Bestimmung der Neutralisationsenthalpie entstehen, würde bei der manuellen Auswertung zu einem enormen Zeitbedarf führen. Beim arbeitsteiligen Vorgehen können die Messwerte unkompliziert ausgetauscht werden. In der Auswertung können dann alle Messdaten berücksichtigt werden. Über die Auswertung mittels Differentenquotienten kann die Funktion der Mathematik verdeutlicht werden. Werden außerdem die pH-Werte von der Tabellenkalkulation in die Konzentrationen der H3O+-Ionen umgerechnet, kann der Verlauf der Titrationskurve mit dem pH-Sprung um den Äquivalenzpunkt mit der Änderung der Anzahl der H3O+-Ionen erklärt werden. Dies...

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