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KINETIK-LAB – Kurzanleitung für SchülerInnen

Vom beobachteten Phänomen zum Geschwindigkeitsgesetz

Das KINETIK-LAB begleitet euch Schritt für Schritt durch eine Untersuchung zur Reaktionskinetik von Kristallviolett und Hydroxidionen. Ihr beginnt mit einer Beobachtung, entwickelt einen Messplan, erprobt diesen virtuell, arbeitet mit realen Messdaten und leitet daraus schließlich eine begründete chemische Aussage ab.

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Wichtig

Die App soll euch nicht die Lösung vorsagen. Viele Entscheidungen trefft ihr selbst. Nutzt Hinweise, Diagramme und Hilfen, aber begründet eure Entscheidungen immer mit euren Beobachtungen und Messdaten.

Was ihr bereits wissen solltet

Hilfreich sind Grundkenntnisse zu:

  • Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung,
  • linearen Darstellungen und Regression,
  • Absorbanz und photometrischer Messung,
  • dem Zusammenhang zwischen Konzentration und Absorbanz.

Wenn euch einzelne Begriffe fehlen, nutzt die eingebauten Exkurse und Denkhinweise in der App.

Phase 1 – Beobachten

Was ist passiert?

Ihr seht zwei zunächst gleich aussehende Bechergläser mit Kristallviolett-Lösung. In einem davon verändert sich die Farbe deutlich.

Eure Aufgabe

  1. Beobachtet die Farbänderung genau.
  2. Beschreibt zunächst nur das, was ihr tatsächlich seht.
  3. Formuliert mögliche Hypothesen:
  4. Warum könnte sich die Farbe verändern?
  5. Welche Ursache könnte im Becherglas liegen?
  6. Tragt eure Beobachtung und eure Hypothesen in die vorgesehenen Felder ein.
  7. Besprecht eure Ideen anschließend in der Gruppe oder mit der Lehrkraft.

Tip

Trennt möglichst klar zwischen Beobachtung und Erklärung.
„Die Lösung wird heller“ ist eine Beobachtung.
„Die Konzentration nimmt ab“ ist bereits eine Deutung.

Phase 2 – Planen

Wie können wir die Farbänderung quantitativ erfassen?

Jetzt wird aus der Beobachtung eine untersuchbare Fragestellung.

Eure Aufgabe

  1. Formuliert eine Forschungsfrage.
  2. Überlegt, welche Messgröße geeignet sein könnte, um die Farbänderung nicht nur mit dem Auge zu beurteilen.
  3. Skizziert, welchen zeitlichen Verlauf ihr erwartet.
  4. Schätzt:
  5. ein sinnvolles Messintervall,
  6. eine sinnvolle Messdauer.
  7. Notiert mögliche Fehler- oder Störquellen.

Die kleine Simulation hilft euch einzuschätzen, wie schnell oder langsam der Vorgang ungefähr abläuft.

Denkt dabei an die spätere Messung

Braucht ihr wirklich sehr viele Messpunkte?
Oder wäre ein längerer Messzeitraum wichtiger als ein extrem kurzes Messintervall?

Am Ende könnt ihr „Ergebnisse zur Besprechung anzeigen“ verwenden und eure Planung mit der Lehrkraft besprechen.

Phase 3 – Erproben

Phase 3A – Wellenlänge

Zuerst untersucht ihr, bei welcher Wellenlänge Kristallviolett besonders stark absorbiert.

Vorgehen

  1. Startet den Spektralscan zunächst ohne Messgerät auszuwählen.
  2. Bestimmt aus dem Spektrum eine theoretisch günstige Wellenlänge.
  3. Wählt danach das tatsächlich verfügbare Messgerät aus.
  4. Prüft, welche Wellenlängen dieses Gerät wirklich verwenden kann.
  5. Wählt eine reale Messwellenlänge und begründet den Kompromiss.

Tip

Die theoretisch günstigste Wellenlänge und die praktisch verfügbare Wellenlänge müssen nicht identisch sein.

Phase 3B – Messstrategie

Jetzt testet ihr, ob euer geplanter Messablauf eine aussagekräftige Kurve liefert.

Vorgehen

  1. Wählt Messintervall und Messdauer.
  2. Startet einen virtuellen Testlauf.
  3. Prüft:
  4. Wie viele Messpunkte entstehen?
  5. Wie groß ist der erfasste Teil der Reaktion?
  6. Ist der Verlauf gut genug aufgelöst?
  7. Verändert Messintervall oder Messdauer, wenn ihr mit dem Ergebnis noch nicht zufrieden seid.
  8. Erst wenn ihr mindestens einen Testlauf durchgeführt habt, übernehmt ihr euren Messplan.

Warning

Eine sehr kurze Messung kann einen gekrümmten Verlauf fast geradlinig erscheinen lassen.
Umgekehrt bringen sehr viele Messpunkte wenig, wenn nur ein kleiner Teil der Reaktion erfasst wird.

Phase 4 – Real messen

Messplan prüfen

Nun arbeitet ihr mit einer realen oder realitätsnahen Messreihe.

Je nach Unterrichtssituation kann eure Datenquelle sein:

  • ein eigener Realversuch,
  • ein realer Referenzdatensatz,
  • ein bereitgestellter Entwicklungs- oder Testdatensatz.

Beim CSV-Import

Wenn eure Datei mehrere Spalten enthält, kontrolliert vor dem Import:

  • Welche Spalte enthält die Zeit?
  • Welche Spalte enthält die Absorbanz bzw. Extinktion?

Wählt ausdrücklich die Absorbanz-/Extinktionsspalte aus. Eine Transmission in Prozent ist für die weitere Auswertung nicht die Zielgröße.

Dokumentiert zusätzlich

  • verwendete Wellenlänge,
  • Messintervall,
  • Messdauer,
  • Temperatur,
  • mögliche Startverzögerung,
  • auffällige Beobachtungen.

Note

Bei einem realen Versuch beginnt die Reaktion schon beim Mischen. Bis die Küvette im Gerät steht, vergeht meist etwas Zeit. Diese Startverzögerung soll dokumentiert, aber nicht einfach „wegkorrigiert“ werden.

Danach könnt ihr wieder „Ergebnisse zur Besprechung anzeigen“ verwenden.

Phase 5 – Auswerten und Erkenntnis gewinnen

Jetzt wird aus der Messkurve schrittweise eine chemische Aussage.

Phase 5A – Rohdaten prüfen

Leitfragen

  • Verläuft die Kurve grundsätzlich plausibel?
  • Gibt es auffällige Einzelwerte?
  • Ist der frühe Verlauf ausreichend erfasst?
  • Nähert sich die Kurve am Ende bereits einem stabilen Wert?

Für die weitere Auswertung wird ein Wert A∞ benötigt.

A∞ festlegen

Ihr habt mehrere Möglichkeiten:

  • einen bereitgestellten realen Referenzwert verwenden,
  • A∞ aus einem tatsächlich erreichten Endplateau schätzen,
  • einen begründeten Wert manuell eingeben.

Warning

Verwendet nicht einfach die letzten Messpunkte als A∞, wenn die Kurve dort noch deutlich weiter abfällt.

Phase 5B – Realität und Modell vergleichen

Vergleicht reale und virtuelle Kurve zunächst als Rohdaten und anschließend normiert.

Achtet besonders darauf

  • Welche Unterschiede betreffen nur Start- und Endwerte?
  • Welche Unterschiede bleiben auch nach der Normierung bestehen?
  • Ist der zeitliche Verlauf grundsätzlich ähnlich?

Info

Das virtuelle Modell wurde an einer realen Schulmessung kalibriert. Trotzdem ist eine exakte Übereinstimmung mit einem Realversuch weder zu erwarten noch notwendig.

Phase 5C – Reaktionsordnung bezüglich Kristallviolett

Nun prüft ihr nacheinander verschiedene mathematische Darstellungen:

  • A − A∞ gegen t
  • ln(A − A∞) gegen t
  • 1/(A − A∞) gegen t

Vorgehen

  1. Wechselt zwischen den drei Darstellungen.
  2. Betrachtet Kurvenform, Regression und R².
  3. Fragt euch: Welche Darstellung lässt sich über den größten Messbereich am besten durch eine Gerade beschreiben?
  4. Formuliert eine erste Schlussfolgerung.
  5. Wählt anschließend bei „Vorläufige Vermutung zur Reaktionsordnung“ eine Möglichkeit aus und prüft eure Vermutung.

Wenn ihr unsicher seid, verwendet den eingebauten Exkurs „Was hat eine Gerade mit der Reaktionsordnung zu tun?“.

Note

Sehr nahe an A∞ werden kleine Messfehler durch Logarithmus und Kehrwert stark vergrößert. Deshalb verwendet die App für die Regression nur einen geeigneten Auswertungsbereich. Die ursprünglichen Rohdaten bleiben vollständig erhalten.

Phase 5D – Rolle der Hydroxidionen

Bisher habt ihr vor allem untersucht, wie sich Kristallviolett im zeitlichen Verlauf verhält. Nun wird die Hydroxidkonzentration betrachtet.

Arbeitsweg

  1. Verändert nur die Konzentration der Hydroxidionen.
  2. Bestimmt für jeden Lauf k_app aus der geeigneten linearen Darstellung.
  3. Übertragt die erhaltenen k_app-Werte in die Tabelle.
  4. Betrachtet das Diagramm k_app gegen [OH⁻].
  5. Formuliert eine Schlussfolgerung zur Reaktionsordnung bezüglich OH⁻.

Bei nur vier Werten ist die manuelle Übertragung bewusst vorgesehen. Dadurch bleibt sichtbar, welcher k_app-Wert zu welcher Hydroxidkonzentration gehört.

Info

Der Punkt bei 0,030 mol/L OH⁻ ist an einem realen Schulversuch kalibriert. Die anderen Werte prüfen zunächst das zugrunde liegende Modell.

Phase 5E – Einfluss der Wellenlänge

Kehrt jetzt zu eurer Entscheidung aus Phase 3A zurück.

Vergleicht

  • die theoretisch günstige Wellenlänge,
  • die tatsächlich verfügbare Messwellenlänge.

Untersucht, was sich stärker verändert:

  • die Höhe des gemessenen Signals,
  • oder der daraus abgeleitete zeitliche Verlauf.

Formuliert eure Beurteilung im vorgesehenen Textfeld.

Abschluss – Erkenntnis formulieren

Jetzt fasst ihr den gesamten Erkenntnisweg zusammen.

Tragt ein:

  1. Reaktionsordnung bezüglich CV⁺
  2. Reaktionsordnung bezüglich OH⁻
  3. Geschwindigkeitsgesetz
  4. Beobachtungen und Auswertungen, die eure Aussage stützen
  5. verbleibende Unsicherheiten oder Einschränkungen

Die kleinen Denkhilfe-Schaltflächen erinnern euch an die dafür wichtigen Auswertungsschritte, ohne die Lösung vollständig vorzugeben.

Die wichtigste Abschlussfrage

Welche Aussage lässt sich aus euren Messdaten tatsächlich ableiten – und wie sicher ist diese Aussage?

Zum Schluss könnt ihr:

  • die Erkenntnis zur Besprechung anzeigen,
  • euren vollständigen Arbeitsstand als Markdown-Datei exportieren.

Für die gemeinsame Besprechung

An mehreren Stellen bietet die App „Ergebnisse zur Besprechung anzeigen“ an.

Nutzt diese Funktion insbesondere nach:

  • Phase 2 – Messplanung,
  • Phase 3 – virtuelle Erprobung,
  • Phase 4 – reale Messung,
  • Phase 5 – finale Erkenntnis.

Die Ergebnisse können in die Zwischenablage kopiert und gemeinsam mit der Lehrkraft besprochen werden.

Merksatz

Nicht der einzelne Messwert ist das Ziel, sondern der Weg von der Beobachtung über die Messkurve zur begründeten chemischen Aussage.