Dynamisches Gleichgewicht mit Stechhebern

Die interaktive Lernumgebung veranschaulicht das dynamische chemische Gleichgewicht anhand eines Stechheber-Modells für eine einfache umkehrbare Reaktion A ⇌ B. Zwei Bechergläser repräsentieren die Stoffmengen beziehungsweise – bei konstantem Reaktionsvolumen – die Konzentrationen von A und B. In jeder Übertragungsrunde werden mit zwei unterschiedlich breiten Stechheber-Röhrchen gleichzeitig Wassermengen von A nach B und von B nach A übertragen.

Im Bereich „Experiment“ können die Durchmesser der beiden Röhrchen A → B und B → A sowie die Startvolumina in beiden Bechern verändert werden. Die Startvolumina sind zusammen auf 1000 mL begrenzt; Änderungen setzen den Ablauf zurück. Der Versuch kann abgespielt, pausiert, schrittweise vor- und zurückgesetzt oder über eine Zeitleiste direkt angesteuert werden. Zusätzlich lässt sich das Tempo verändern.

Der Ablauf einer Runde wird in mehreren Phasen dargestellt: Eintauchen der Röhrchen, Verschließen und Anheben, Überführen zum jeweils anderen Becher und gleichzeitiges Abgeben der Wassermengen. Insgesamt können bis zu 30 Übertragungsrunden verfolgt werden.

Parallel zeigt ein Volumen-Zeit-Diagramm die Entwicklung der Volumina von A und B über die Übertragungsrunden. Außerdem werden die aktuellen Übertragungsmengen der Hin- und Rückrichtung miteinander verglichen. Das Modell kennzeichnet den Zustand als dynamisches Gleichgewicht, wenn beide Übertragungsraten annähernd gleich groß sind.

Optional können Messwerte eingeblendet werden. Angezeigt werden $v_\text{Hin}$, $v_\text{Rück}$, die Netto-Rate $\Delta V_B$ und der Modellwert $K = k_\text{Hin}/k_\text{Rück}$. Die Lernumgebung macht dabei die Beziehungen $v_\text{Hin}=k_\text{Hin}\cdot V_A$, $v_\text{Rück}=k_\text{Rück}\cdot V_B$ und im Modell $k\propto d^2$ sichtbar.

Im Bereich „Modell übertragen“ ordnen die Lernenden sechs Bestandteile des Stechheberversuchs Größen einer umkehrbaren chemischen Reaktion zu. Dazu gehören unter anderem Wasservolumen und Stoffmenge/Konzentration, Röhrchenbreite und Geschwindigkeitskonstante, übertragene Wassermenge und Reaktionsgeschwindigkeit sowie eine Übertragungsrunde und ein gleich langes Zeitintervall. Gleich große Übertragungsmengen werden dem dynamischen Gleichgewicht mit $v_\text{Hin}=v_\text{Rück}$ zugeordnet.

Ergänzend werden jeweils drei zufällig ausgewählte Verständnis- und Transferfragen aus einem größeren Fragenpool gestellt. Sie behandeln unter anderem aktuelle Hin- und Rückraten, Netto-Rate, Gleichgewichtsbedingungen, Veränderungen der Röhrchendurchmesser, den Zusammenhang $k\propto d^2$, veränderte Startvolumina und die Lage des Gleichgewichts.

Über „Auswertung prüfen“ erhalten die Lernenden unmittelbare Rückmeldung: richtige Antworten werden grün, falsche beantwortete Aufgaben als fehlerhaft markiert. Eine Fortschrittsanzeige gibt die Zahl richtiger Antworten von insgesamt neun Aufgaben an. Neue Dreiergruppen von Fragen können geladen und Antworten zurückgesetzt werden.