Magnesium mit Salzsäure
Magnesium reagiert mit Salzsäure unter Bildung von Wasserstoff. Das entstehende Gas wird in einer Spritze aufgefangen und sein Volumen in Abhängigkeit von der Zeit erfasst. Aus den Messwerten bestimmen die Lernenden die Stoffmenge des gebildeten Wasserstoffs sowie die Veränderung der Oxonium-Ionen-Konzentration und stellen den Reaktionsverlauf in einem Konzentrations-Zeit-Diagramm dar. Auf dieser Grundlage wird die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit quantitativ bestimmt.
In einer Erweiterung wird untersucht, wie der Zerteilungsgrad des Magnesiums die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst. Magnesiumband, Magnesiumspäne und Magnesiumpulver werden unter vergleichbaren Bedingungen eingesetzt und die Reaktionszeiten miteinander verglichen. Die Ergebnisse werden anschließend mithilfe der Stoßtheorie und der unterschiedlichen verfügbaren Oberflächen erklärt.
Die Simulation bildet das Realexperiment als digitalen Zwilling ab. Die Lernenden können die Masse des eingesetzten Magnesiums verändern und zwischen Magnesiumband, Magnesiumspänen und Magnesiumpulver wählen. Dadurch lässt sich untersuchen, wie Stoffmenge und verfügbare Oberfläche den Verlauf der Reaktion und die Bildung von Wasserstoff beeinflussen.
Während der Simulation werden Reaktionszeit und Wasserstoffvolumen kontinuierlich erfasst und als Volumen-Zeit-Diagramm dargestellt. Zusätzlich können eigene Messwerte aus dem Realexperiment eingegeben werden. Aus ihnen berechnet die Anwendung die Stoffmenge des gebildeten Wasserstoffs sowie die verbleibende Stoffmenge und Stoffmengenkonzentration der Oxonium-Ionen und überführt die Daten in ein Konzentrations-Zeit-Diagramm.
Die Simulation ist als integraler und immersiver Bestandteil des experimentellen Lernarrangements konzipiert. Sie ersetzt das Realexperiment nicht, sondern erweitert dessen Erkenntnispotenzial um eine interaktive, modellbasierte Perspektive. Die Lernenden können Masse und Form des Magnesiums gezielt variieren und unmittelbar untersuchen, wie sich diese Veränderungen auf den Reaktionsverlauf und die Bildung von Wasserstoff auswirken.
Der besondere Mehrwert entsteht durch die Verknüpfung von Realexperiment, experimentellen Messdaten und Simulation. Eigene Messwerte können in die Anwendung übertragen und den simulierten Verläufen unmittelbar gegenübergestellt werden. Abweichungen zwischen Experiment und Simulation werden dabei nicht ausgeblendet, sondern zum Ausgangspunkt für weiterführende Fragen nach Versuchsbedingungen, Modellannahmen und den Grenzen der Simulation. Genau diese Reflexion erweitert den experimentellen Erkenntnisprozess bis in den Anforderungsbereich III.
Die Simulation ersetzt das Realexperiment nicht. Sie erweitert seinen Erkenntnisraum. Sie kann unmittelbar in eine experimentelle Unterrichtsstunde integriert, zur Vor- oder Nachbereitung genutzt oder als Bestandteil von Blended-Learning- und hybriden Lernarrangements eingesetzt werden.