Unterrichtssequenz zum Kontext 1 und Kontext 2

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1 Unterrichtssequenz zum Kontext 1 und Kontext 2 Laut Kernlehrplan Chemie des Landes NRW wird unser Kontext 1 in das Thema Stoffe als Energieträger eingegliedert. Als Primär- oder Rohenergieträger bezeichnet man Energieträger, die in der Natur zur Verfügung stehen. Die meisten dieser Stoffe sind organischen Ursprungs. Natürliche Energieträger wie Erdöl werden industriell aufbereitet, um Nutzenergie (Wärme, Bewegung, Licht) bei Bedarf zur Verfügung zu stellen. Die Weiterverarbeitung dieser organischen Stoffe in wichtigen Zweigen der chemischen Industrie eröffnet zahlreiche Arbeits- und Berufsfelder. Es ergibt sich die Notwendigkeit, durch Verwendung nachwachsender Rohstoffe und durch Recycling schonend mit den knappen natürlichen Ressourcen umzugehen. Zu Beginn der Unterrichtsstunde kann ein Film gezeigt werden zum Thema Auto und Treibstoff (bis Minute 3:00) Danach kann man mit den SuS den Versuch (vgl. Portfolio 1.1) Vergleich der Flammen und Rußentwicklungen bei der Verbrennung verschiedener Alkane durchführen und hier erneut deutlich machen, wie Benzin verbrennt und dieser entstehende Ruß unsere Umwelt schädigt. Anschließend sollen die SuS mittels einer Internetrecherche ein paar Informationen herausfinden, dies wird in drei Gruppen (Erdgas, Autogas, Benzin) aufgeteilt. Folgende Fragen sollen beantwortet werden: - Was ist? - Wie gewinnt man...? - Wieviel Energie wird bei der Verbrennung frei? - Wie viel Gramm Kohlenstoffdioxid werden pro Kilometer ausgestoßen? - Kosten? - Gibt es Unterschiede bei den Unterhaltskosten (Steuer, Versicherung, Treibstoff)? Nachdem diese Ergebnisse an der Tafel von den jeweiligen Gruppen vorgestellt worden sind, wird ein kleines Experiment (vgl. Portfolio 1.5) Die Mischung machts durchgeführt, um die Wirkungsweise eines Ottomotors nachzustellen. Danach wird der oben angeführte Film erneut von Minute 6:26 bis Minute 7:30 gezeigt, um eine Überleitung zu alternativen Treibstoffen zu erhalten. Dies soll abschließend mit einem eigenen Experiment, Versuche mit einem Brennstoffzellenauto HyRunner T207 (vgl. Portfolio 1.6) mit den SuS durchgeführt werden. Als Hausaufgabe soll zur Sicherung ein Arbeitsblatt bearbeitet werden, welches den Aufbau und die Wirkungsweise eines 4-Takt-Motors darstellt. Dazu kann die Aufgabe 1.1 (Skript) verwendet werden. Ebenso soll der Aufbau und das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle mit Reaktionsgleichungen festgehalten werden. Diese Unterrichtssequenz kann ebenso als fachübergreifender Unterricht behandelt werden, indem innerhalb der Biologie die Ökologie und die Auswirkungen auf unsere Umwelt behandelt und in der Chemie die Herstellung von alternativen Treibstoffen. Jedoch kann dies auch fächerverbindend unterrichtet werden, indem man in der Physik den technischen Aufbau von Solar- und Brennstoffzellen behandelt und dies in der Chemie mit den entsprechenden Reaktionsgleichungen belegen kann.

2 Unterrichtssequenz zu Kontext 3 Im Kernlehrplan Chemie des Landes NRW wird unser Kontext 3 in das Thema Stoffe als Energieträger eingegliedert. Der Kontext 3 beschäftigt sich mit der Alkoholischen Gärung. Die Gärung behandelt die Herstellung von Ethanol. Als Einstieg kann man verschiedene Fruchtsäfte mitbringen und verschiedene Flüssigkeiten welche nicht benannt werden. Dazu wird ein Lehrerversuch (vgl. 3.2 Portfolio (welcher bereits vorab angesetzt wurde) ) durchgeführt. Im Anschluss daran kann man im Plenum mithilfe eines Tafelbildes verschiedene Möglichkeiten festhalten, wieso der Stoff am Ende des Steigrohres brennt. Hierzu geht es primär darum ein paar Stichpunkte festzuhalten und nicht bereits die Lösung festzustellen. Im weiteren Verlauf der Stunde wird ein Gruppenpuzzle durchgeführt, indem die SuS in 3 Gruppen (Ethanol, Glykol und Glycerin) aufgeteilt werden. Hier sollen in jeder Gruppe ein Poster mit folgenden Informationen entworfen werden: - Strukturformel mit systematischem Namen - Vorkommen und Verwendung - Eigenschaften (mit Begründung) Dazu sollen die jeweiligen Chemiebücher als Infomaterial dienen. Nachdem diese von den jeweiligen Gruppen vorgestellt worden sind, wird in mehreren Kleingruppen der Versuch Glykol und Glycerin als Frostschutzmittel (vgl. Portfolio 3.10) von den SuS durchgeführt, um die Verwendung im Alltag, welche vorher (hoffentlich) herausgefunden wurde, zu überprüfen. Da Frostschutzmittel aus Ethanol hergestellt wird und dies auch in industrieller Form massenweise hergestellt wird, kann man die SuS zum Abschluss der Stunde noch den Versuch (vgl. Portfolio 3.11) Trennung von Ethanol und Wasser durchführen lassen. Hiermit kann den SuS nahegebracht werden, dass es keine großtechnischen Maschinen benötigt, sondern ebenfalls mit relativ kleinem Aufwand eine solche Trennung vorgenommen werden kann. Als Hausaufgabe kann man den SuS folgendes Arbeitsblatt zur Vertiefung aufgeben. 1.) Lückentext zu Alkanolen Unter Alkohol verstehen die meisten Menschen den Trinkalkohol (1). Doch auch bei den Alkanolen gibt es eine (2) Reihe mit vielen unterschiedlichen Verbindungen z. B. (3) und (4). Das Kennzeichen der Alkanole ist die (5), auch (6) genannt. Im Namen findet man diese Gruppe in der Endung (7) wieder. Die Hydroxylgruppe ist verantwortlich für die (8) der Alkanole. So ist Methanol im Gegensatz zu Methan (9) ((10) ). Ethanol ist sowohl in (11) als auch in (12) löslich. Deshalb wird es in der (13), im Labor und im (14) als (15) eingesetzt z. B. in (16) oder im (17). Je länger allerdings die C-Kette ist, desto (18) lösen sich die Alkanole in Wasser. Ihre Siedetemperatur (19) jedoch in der homologen Reihe an.

3 Lösung Unter Alkohol verstehen die meisten Menschen den Trinkalkohol Ethanol. Doch auch bei den Alkanolen gibt es eine homologe Reihe mit vielen unterschiedlichen Verbindungen z. B. Methanol und Propanol. Das Kennzeichen der Alkanole ist die OH-Gruppe, auch Hydroxylgruppe genannt. Im Namen findet man diese Gruppe in der Endung -ol wieder. Die Hydroxylgruppe ist verantwortlich für die Eigenschaften der Alkanole. So ist Methanol im Gegensatz zu Methan wasserlöslich (hydrophil). Ethanol ist sowohl in Wasser als auch in Benzin löslich. Deshalb wird es in der Pharmazie, im Labor und im Haushalt als Lösungsmittel eingesetzt z. B. in Medikamenten oder im Fensterputzmittel. Je länger allerdings die C-Kette ist, desto schlechter lösen sich die Alkanole in Wasser. Ihre Siedetemperatur steigt jedoch in der homologen Reihe an. 2.) Zuordnung von Strukturformeln und deren systematischem Namen Propansäure Heptan-1-ol Butan Hexansäure Octanal

4 Ethandiol 3.) Benennung der folgenden Verbindungen Da man sich in diesen Kontext, zum Beispiel bei der Destillation, der Hilfe und Eigenschaften von Mikroorganismen bedarf, ist hier die Einbeziehung der Biologie und Mikrobiologie

5 notwendig. Die Stoffwechselaktivitäten dieser Mikroorganismen müssen für die SuS anschaulich dargestellt werden. Somit kann hier ein fachübergreifender Unterricht stattfinden, welcher sich zum Teil auf Grundlagen der Biologie stützt, jedoch das Fach Chemie die Struktur des Unterrichts vorgibt.

6 Unterrichtssequenz zu Kontext 4 Im Kernlehrplan des Landes NRW wird unser Kontext 4 in das Thema Produkte der Chemie eingegliedert und wie folgt beschrieben: In Deutschland ist die Chemieproduktion ein wichtiger Industriezweig. Zur Vielfalt der erzeugten Produkte gehören Artikel des täglichen Bedarfs wie Duft- und Aromastoffe, aber auch Lebensmittel und deren Zusatzstoffe, Kunststoffe sowie neue High-Tech-Werkstoffe. Der Aufbau sowie Strukturen und Funktionen dieser Stoffe unterliegen gemeinsamen Prinzipien. Durch aktuelle chemische Forschung werden gezielt neue Produkte für spezielle Verwendungen entwickelt. Dabei ergeben sich einerseits Chancen zur Verbesserung unserer Lebensbedingungen, andererseits können aber auch Risiken in der Anwendung und im Produktionsprozess entstehen, die bewertet und beherrscht werden müssen. Das Thema Ether & Ester ist in diesem Kontext von besonderer Bedeutung. Ether sind aufgrund ihres ambivalenten Charakters hervorragende Lösungsmittel. Sie werden in der chemischen und medizinischen Industrie sowie im Laborbedarf benötigt. Auch Ester sind für die SuS von Relevanz. Sie kommen in Biodiesel, Bienenwachs, vielen Aromastoffen, Kunststoffen (Polyester), Weichmachern (PVC), Insektiziden und in Kosmetika vor. Mit vielen dieser Produkte kommen auch die SuS in ihrer Freizeit in Kontakt. In den Basiskonzepten Stoff-Teilchen und Struktur-Eigenschaft wird Bezug zum Thema genommen. Dabei sollen die SuS die Molekülstruktur und die funktionellen Gruppen der folgenden Stoffklassen beschreiben können: Alkane, Alkene, Aromaten, Alkanole, Alkanale, Alkanone, Alkansäuren, Ester, Ether, Halogenkohlenwasserstoffe, Aminosäuren. Zu Beginn der Unterrichtsstunde werden diverse Lebensmitteln, Klebstoff und Nagellack mitgebracht und von den Schülern mittels Geruchsprobe untersucht. Um den SuS anschließend zu erklären, woraus sich diese Dinge zusammensetzen, wird der Versuch (vgl. Portfolio 4.1) Bildung von Estern im Reagenzglas durchgeführt. Dabei wird festgestellt, dass in den meisten alltäglichen Dingen Produkten und Lebensmitteln Ester enthalten sind, welche als Duftstoffe wirken. Diese Ergebnisse können in einem Tafelbild festgehalten werden, wo mit den SuS die jeweiligen Reaktionsgleichungen zu bilden ist. Die SuS lernen zunächst die Bildung und die Struktur von Ester und stellen dabei fest, dass diese unterschiedliche Gerüche vermitteln. Aufgrund der Neueinführung der Kondensation oder Veresterung sollen die SuS feststellen, dass aufgrund zur Herstellung eines Esters ein Alkohol und eine Carbonsäure benötigt wird. Einen weiteren Alltagsbezug kann mit dem anschließenden Schülerversuch Nachweis von Estern in Fruchtbonbons durchführen, mit dessen verdeutlicht werden soll, dass Ester ebenfalls Bestandteile von Fruchtbonbons sind und hier als Aromastoffe dienen. Zum Abschluss einer Doppelstunde fasst man kurz im Plenum zusammen, dass man mit einem Alkohol und einer Carbonsäure einen Ester herstellen kann, welcher verschiedene Duftstoffe annehmen kann und wie man in alltäglichen Dingen Ester nachweisen kann. Somit kann mit dem Versuch Duftstoffgewinnung durch Schnellextraktion der Abschluss geschaffen werden, indem die SuS selbst aus Blüten oder wie in unserem Fall Nelken einen eigenen Duftstoff entwickeln. Mit diesen Versuchen kann den SuS klar gemacht werden, welchen Stellenwert Ester im heutigen Alltag besitzen und dass es neben tierischen und pflanzlichen auch synthetische Duftstoffe gibt, welche nicht unbedingt in großtechnischen Verfahren, wie einer Destraktion

7 (diese kann beispielweise kurz an der Tafel oder einem OHP vorgestellt werden) hergestellt werden müssen. Als Hausaufgabe sind natürlich für alle drei durchgeführten Experimente die jeweiligen Versuchsprotokolle zu erstellen, sowie abschließend ein kleines Quiz, welches als Arbeitsblatt ausgegeben wird. Markiere bei den folgenden Fragen die richtige(n) Antworten. Wenn du alles richtig gemacht hast, ergibt sich aus den Buchstaben ein Lösungswort. 1. Die ersten vier Glieder der homologen Reihe der Alkansäuren sind: A) Methansäure, Ethansäure, Propansäure, Butansäure. (V) B) Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure. (A) C) Ethansäure, Propansäure, Pentansäure, Butansäure. (C) D) Methansäure, Prutansäure, Pentansäure, Hexansäure. (H) 2. Ethansäure, auch Essigsäure genannt, wird genutzt als... A) Putzmittel. (L) B) Würzmittel. (E) C) Bleichmittel. (U) D) Konservierungsmittel. (R) 3. Ethansäure ist... A) bei Raumtemperatur gasförmig. (B) B) farblos. (I) C) geruchlos. (K) D) hydrophil. (A) 4. Ethansäure wird bei der sogenannten Essigsäuregärung hergestellt. Dabei wird... A) Ethanol mit Hilfe von Hefen vergoren. (T) B) Ethanol mit Hilfe von Bakterien vergoren. (N) C) Sauerstoff ausgeschlossen. (T) D) Wein erwärmt. (!) 5. Die funktionelle Gruppe der Alkansäuren heißt fachsprachlich korrekt... A) Carbonylgruppe. (L) B) alkoholische Gruppe. (O) C) Carboxylgruppe. (S) D) Essiggruppe. (E) 6. Nur eine der folgenden Verbindungen kann nicht in Wasser gelöst werden. Welche? A) Ethansäure (W) B) Propansäure (G) C) Octansäure (A) D) Methansäure (P) 7. Alkansäuren reagieren mit unedlen Metallen unter Bildung von... A) Salz und Wasser. (E) B) Säure und Base. (U) C) Metalloxid und Wasser. (L) D) Salz und Wasserstoff. (E) 8. Ester können aus folgenden Verbindungen hergestellt werden:

8 A) Butansäure und Ethanol. (U) B) Methanol und Ethansäure. (R) C) Butanal und Propanol. (N) D) Octansäure und Glycerin. (E) Lösungswort: Zu diesem Kontext kann ein fächerverbindender Unterricht stattfinden. Zum einen kann man in der Biologie das Thema Pheromone und Duftstoffe in Bezug auf die Kommunikation von Tieren untereinander bearbeiten, während man im Chemieunterricht den chemischen Hintergrund mit Herstellung, Bildung und Nachweis dieser Duftstoffe behandeln kann.

9 Unterrichtssequenz zu Kontext 5 und 6 Im Kernlehrplan des Landes NRW wird unser Kontext 5 in das Thema Produkte der Chemie eingegliedert und wir gehen speziell auf Seifen und Tenside ein. Zu Beginn werden verschiedene Stofffetzen von der Lehrperson mitgebracht und diese vor der Klasse verunreinigt. Danach sollen die SuS probieren, die vorhandenen Flecken mit verschiedenen Stoffen, wie beispielsweise Seife, Oxi-Reiniger, Voll- und Buntwaschmittel zu entfernen. Die hierbei festgestellten Ergebnisse werden in einem kurzen Tafelbild zur Sicherung festgehalten. Anschließend wird ein kurzer Film zu den Phasen der Reinigung (welchen wir uns auch angeschaut haben) gezeigt und hier sollen die SuS mithilfe eines Arbeitsblattes die verschiedenen Phasen der Reinigung als Sicherung notieren (siehe Skript S. 34). Anschließend wird eine Gruppenarbeit durchgeführt, wo vier Gruppen gebildet werden, welche sich mit folgenden Themen auseinandersetzen. Geschichte der Seife, Wirkungsweise von Seife, Industrielle Herstellung von Seife und Inhaltsstoffe von Waschmitteln. Diese sollen anhand von Plakaten festgehalten und der restlichen Klasse vorgestellt werden. Daraufhin können sich die SuS, wie in Versuch (vgl. Portfolio 5.1) Herstellung einer Kernseife, ihre eigene Seife produzieren, welches nach einer Woche Aushärtung auch mit nach Hause genommen werden darf. Da man von zu häufigem Waschen der Hände eine trockene Haut bekommen kann, kann man relativ leicht einen Übergang zum Kontext 6 Kosmetika schaffen. Dies kann beispielsweise mit dem Versuch (vgl. Portfolio 5.8) Herstellen einer Handcreme als Schülerexperiment den Einstieg bilden. Somit haben die SuS nach diesem Experiment Ihre eigene Seife und zugehörige Handcreme hergestellt. Die Zusammensetzung von Kosmetika sollte auf chemischer Ebene den Mittelpunkt des Unterrichts darstellen. Zudem kann veranschaulicht werden, dass Kosmetika leicht selber hergestellt werden und in vielen Bereichen wie Körperpflege, Schönheitserhaltung oder auch optische Makelbeseitigungen dienen können. So kann zum Beispiel über die Zusammensetzung von Deodorants gesprochen werden, welche in den meisten Fällen von jedem Schüler heutzutage verwendet wird. Hierzu können verschiedene Deo s (eins mit Aluminiumzusatz, eins ohne) wunderbar mit dem Versuch 6.1 Nachweis von Aluminiumsalzen in Antitranspiranten untersucht werden. Dabei wird den SuS klargemacht, was teilweise für Stoffe in solch alltäglichen Dingen vorhanden sind und diese nicht unbedingt gesundheitsförderlich sind. Abschließend wird als Hausaufgabe ein Arbeitsblatt aufgegeben, welche folgende Fragestellung beinhaltet. 1) Nenne mindestens drei Anwendungsgebiete von Kosmetika! 2) Nenne mindestens vier Bestandteil von Kosmetika! 3) Zeichne chemisch relevante Moleküle auf und begründe diese! 4) Welche Rolle spielen Gesetzgeber und Tierversuche bei Kosmetika und deren Herstellung?

10 Die Thematik Kosmetika kann sowohl als fachübergreifender Unterricht stattfinden, sodass die SuS bereits die Wirkungsweise von diversen Cremes und sonstige Mitteln auf die Haut kennen und dies kritisch behandeln. Anderenfalls kann auch ein fächerverbindender Unterricht stattfinden, wo innerhalb der Biologie der Aufbau und Wirkungsweise von Cremes auf der Haut thematisiert werden und im Chemieunterricht die Herstellung und Aufbau solcher Kosmetika.