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Lö­sungs­vor­schlag

In­fo­box

Diese Seite ist Teil einer Ma­te­ria­li­en­samm­lung zum Bil­dungs­plan 2004: Grund­la­gen der Kom­pe­tenz­ori­en­tie­rung. Bitte be­ach­ten Sie, dass der Bil­dungs­plan fort­ge­schrie­ben wurde.


Ver­such 1 Ge­dan­ken­ex­pe­ri­ment zur Dif­fu­si­on einer Salz­lö­sung:

  • SuS zu­nächst in EA, dann PA, dann Ple­num (Sys­tem der „Wach­sen­den Grup­pe“)
  • Be­ob­ach­tung (ein­ge­zeich­net) nach t = 20 h: Gleich­ver­tei­lung der Ka­li­um- und Chlo­r­idio­nen im ge­sam­ten Gefäß
  • Er­klä­rung: Ka­li­um- und Chlo­r­idio­nen dif­fun­die­ren aus dem Kom­par­ti­ment 1 (hohe Aus­gangs­kon­zen­tra­ti­on) ins Kom­par­ti­ment 2 (ge­rin­ge Aus­gangs­kon­zen­tra­ti­on) bis ein Kon­zen­tra­ti­ons­aus­gleich, d. h. eine Gleich­ver­tei­lung der Ionen, er­reicht ist. An­trieb für diese Durch­mi­schung ist die Ei­gen­be­we­gung der Teil­chen (Brown’sche Mo­le­ku­lar­be­we­gung).

Ver­such 2 – Ka­li­um-Chlo­rid-Lö­sung an einer Ka­li­umio­nen se­lek­ti­ven Mem­bran

  • zu­nächst Ge­dan­ken­ex­pe­ri­ment : Si­tua­ti­on ohne Span­nungs­mes­ser: SuS ma­chen be­grün­de­te Vor­her­sa­ge

    SuS zu­nächst in EA, dann PA, dann Ple­num
  • Be­ob­ach­tung (ein­ge­zeich­net) nach t = 10 min: Ei­ni­ge Ka­li­umio­nen dif­fun­die­ren über die Mem­bran ins Kom­par­ti­ment 2. Die Chlo­r­idio­nen blei­ben voll­stän­dig zu­rück.
  • Er­klä­rung: So­wohl für für Ka­li­um- als auch für Chlo­r­idio­nen be­steht ein Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le von Kom­par­ti­ment 1 nach Kom­par­ti­ment 2. Die Chlo­r­idio­nen kön­nen nicht das Kom­par­ti­ment wech­seln, da sie von der Mem­bran zu­rück­ge­hal­ten wer­den. Die Ka­li­umio­nen kön­nen – ihrem Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le fol­gend - z. T. die Seite wech­seln.

Con­cept-Test I - Ab­stim­mungs­fra­ge oder Cli­cker-Frage oder Con­cept-Car­toon 1
Bei wel­chem der bei­den Si­tua­tio­nen (Ver­such 1 bzw. 2) kann mit einem Volt­me­ter elek­tri­sche Span­nung ge­mes­sen wer­den?

  1. bei bei­den
  2. nur bei Si­tua­ti­on 1 (Ver­such 1)
  3. nur bei Si­tua­ti­on 2 (Ver­such 2)
  4. bei kei­nem

Ex­pe­ri­men­tel­le Über­prü­fung der Ab­stim­mung! (vgl. An­lei­tung)

Ant­wort c ist kor­rekt! → Be­grün­dung :
Si­tua­ti­on 1 : Die po­si­ti­ven und ne­ga­ti­ven La­dun­gen sind gleich­mä­ßig ver­teilt. Vor­aus­set­zung für elek­tri­schen Strom ist, dass La­dun­gen ge­trennt vor­lie­gen.
Durch eine Tren­nung von La­dung - wie z. B. durch eine Ka­li­um-se­lek­tiv-per­me­able Mem­bran ( Si­tua­ti­on 2 ) - wird eine Po­ten­ti­al­dif­fe­renz auf­ge­baut, d. h. eine Span­nung zwi­schen po­si­ti­vem und ne­ga­ti­vem Pol. (Je mehr La­dungs­trä­ger von­ein­an­der ge­trennt sind, desto grö­ßer ist die Span­nung.)

  • Kom­par­ti­ment 1: [Chlo­r­idio­nen] > [Ka­li­umio­nen] → ne­ga­ti­ver La­dungs­über­schuss (ne­ga­ti­ver Pol)
  • Kom­par­ti­ment 2: aus­schließ­lich Ka­li­umio­nen → po­si­ti­ver La­dungs­über­schuss (po­si­ti­ver Pol)

Jedes Ka­li­umi­on, das die Seite wech­selt, ver­grö­ßert das Un­gleich­ge­wicht, d. h. die La­dungs­t­ren­nung = Po­ten­ti­al­dif­fe­renz, d. h. die elek­tri­sche Span­nung.
SuS er­gän­zen Span­nungs­mes­ser(Volt­me­ter): Ver­such 1 U = 0 V, Ver­such 2 U = 60 mV (oder Er­geb­nis des Kon­troll­ex­pe­ri­ments) und si­chern Be­grün­dung (evtl. Ta­fel­an­schrieb).

Con­cept-Test II - Ab­stim­mungs­fra­ge oder Cli­cker-Frage oder Con­cept-Car­toon
Wird für die Ka­li­umio­nen das Kon­zen­tra­ti­ons­gleich­ge­wicht er­reicht?

  • ja, weil die Ka­li­umio­nen sich gleich­mä­ßig ver­tei­len.
  • nein, da nur ein klei­ner Teil der Ka­li­umio­nen die Seite wech­selt.
  • nur kurz­zei­tig, da mit der Zeit alle Ka­li­umio­nen die Seite wech­seln.

Ant­wort b ist kor­rekt! → Be­grün­dung :
Mit jedem Ka­li­umi­on, das in Kom­par­ti­ment 2 dif­fun­diert, ver­grö­ßert sich der La­dungs­über­schuss ne­ga­ti­ver La­dung in Kom­par­ti­ment 1 (ne­ga­ti­ver Pol). Diese Po­ten­ti­al­dif­fe­renz über die Mem­bran hin­weg er­zeugt eine elek­tro­mo­to­ri­sche Kraft auf die Ka­li­umio­nen: Ka­li­umio­nen in Kom­par­ti­ment 1 wer­den zu­rück­ge­hal­ten, Ka­li­umio­nen in Kom­par­ti­ment 2 wer­den Rich­tung Kom­par­ti­ment 1 zu­rück­ge­zo­gen.
Nach einer ge­wis­sen Zeit ent­steht eine Gleich­ge­wichts­si­tua­ti­on: Ei­ni­ge Ka­li­umio­nen be­fin­den sich in Kom­par­ti­ment 2, je­doch nicht so viele wie für den Kon­zen­tra­ti­ons­aus­gleich not­wen­dig wären. Die elek­tro­mo­to­ri­sche Kraft und das Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le für Ka­li­umio­nen wir­ken in ent­ge­gen­ge­setz­ter Rich­tung und sind gleich groß. Sie hal­ten sich daher die Waage. Man spricht von einem Gleich­ge­wichts­po­ten­ti­al. Es ist eine Folge der se­lek­ti­ven Ei­gen­schaft der Mem­bran.

 

SuS kor­ri­gie­ren ggf. die Ein­zeich­nun­gen in Ab­bil­dung und er­gän­zen Er­klä­rung.

 

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Ru­he­po­ten­ti­al: Her­un­ter­la­den [docx] [2,2 MB]

Ru­he­po­ten­ti­al: Her­un­ter­la­den [pdf] [1,1 MB]