Aller Anfang ist schwer?

Transkript

1 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 1 Aller Anfang ist schwer? Wie Lehrbücher beginnen (Markus Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, 2008)

2 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 2 Wolfgang Asselborn et al. (Herausgeber), Chemie heute SI, Schroedel, Braunschweig (2001) Reflexion Wie werden Sie den Unterricht beginnen? Annahme: Sie unterrichten Schüler, im 8. Schuljahr, die zum ersten Mal den Chemieunterricht besuchen. Amadeus Bärtsch

3 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 3 Das Teilchenmodell Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den Stoffumwandlungen. Die zentralen Fragen sind: Wie sind Substanzen aufgebaut? Wie lassen sich Substanzen verändern? Das Teilchenmodell gibt eine Vorstellung vom Aufbau der Substanzen. Die Schülerinnen sollen erfahren, dass Stoffe experimentell untersucht werden, damit man Informationen zur Struktur gewinnen kann. Resultat: Materie besteht aus Teilchen. In diesem Modell sind die Teilchen je nach Substanz Moleküle, Ionen oder Atome. Elementarteilchen stehen für Protonen, Neutronen und Elektronen und sind hier nicht gemeint. Damit der Begriff "Teilchen" nicht verwechselt wird, gibt es Lehrpersonen, die von Stoffteilchen oder Kugelteilchen sprechen. Teil A: Aus Experimenten wird das Teilchenmodell abgeleitet 1. Substanzen bestehen aus Teilchen Dieser Titel darf im Unterricht erst genannt werden, wenn das unten beschriebene Experiment ausgewertet ist. Die Lehrerin sollte das Ergebnis von Versuchen nicht vorwegnehmen. Vorschlag: Sie starten mit der Bemerkung, dass Naturwissenschafter die Erkenntnisse aus Experimenten gewinnen und demonstrieren zu Beginn das folgende Experiment. Demonstration 50 ml Alkohol und 50 ml Wasser mischen 50 ml Kichererbsen & 50 ml Linsen mischen + Beobachtung: Das Volumen der Mischung ist kleiner als 100 ml. Stichwort: Volumenkontraktion. Erklärung: Die Linsen füllen den Raum zwischen den Kichererbsen teilweise. Substanzen bestehen aus unsichtbar kleinen Teilchen, die sich von Substanz zu Substanz in der Grösse unterscheiden. Zur Bestätigung dieser Erklärung Bilder von Atomen oder Molekülen zeigen. Im Unterricht demonstriere ich ein Konzept häufig an einem Beispiel und erläutere dann, dass das Phänomen allgemeine Gültigkeit hat. Auf eine strenge Beweisführung verzichte ich, damit wir zügig vorankommen und uns nicht in den Details verlieren. Erkenntnis Substanzen bestehen aus Teilchen. Stoffteilchen unterscheiden sich in der Grösse. Dieses Experiment eignet sich als Demonstrations- und als Schülerversuch. Die Laboranleitung finden Sie auf

4 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S Stoffteilchen halten zusammen Demonstration Wirklichkeit: Ein wenig Wasser aus einem kleinen Becherglas auf einen Tisch leeren. Modell: Tischtennisbälle aus einem 5 Liter Becherglas auf den Tisch leeren. Beobachtung: Das Wasser bildet Tropfen und Pfützen. Die Tischtennisbälle verteilen sich dagegen einzeln im Schulzimmer. Folgerung: Es muss Kräfte zwischen den Stoffteilchen geben Labor: Wassertropfen auf Wachs und Glas. Anleitung auf Beobachtung kleiner und grosser Wassertropfen auf Wachs Wassertropfen auf Glas Erkenntnis Die Kräfte von Wasser zu Wachs sind kleiner als die Kräfte zwischen Wasser und Glas. Die Fehlvorstellung, dass Wachs Wasser abstösst, lässt sich leicht entkräften, wenn ein gewachster Karton mit einigen Wassertropfen versehen und dann umgedreht wird. Einige Wassertropfen bleiben am Wachs kleben und fallen nicht nach unten. Alltagsbezug Hier bietet sich die Gelegenheit über Imprägnierung und wasserdichte, atmungsaktive Regenjacken zu berichten. Ein mit Wachs behandeltes Sieb, lässt das Wasser nicht durch. Das Imprägnieren funktioniert ganz ähnlich: Die textilen Fasern werden mit einer hauchdünnen, wachsähnlichen Schicht versehen. Atmungsaktive Jacken sind mit einer Membran versehen, die viele winzige Löcher aufweist. Einzelne Wasserteilchen gehen durch. Wassertropfen werden zurückgehalten. Mit diesem aktuellen Alltagsbezug können Sie bereits in den ersten Lektionen zeigen, dass Chemie spannend ist und es sich lohnt, die Stoffteilchen kennen zu lernen. Oberflächenspannung Die Oberflächenspannung und die Form eines fallenden Wassertropfens sind auf die Kräfte zwischen den Teilchen zurückzuführen: (Bilder von Stephan Rüegg, Kantonsschule Freudenberg) Wenn Sie Zeit haben, können Sie im Unterricht an dieser Stelle auf die Oberflächenspannung von Wasser eingehen. Zu diesem Thema gibt es viele attraktive Experimente, die die Schülerinnen selber durchführen können. Die Oberflächenspannung kann aber auch im Zusammenhang mit Seife auf einem höheren Niveau diskutiert werden, wenn die Schüler Wasserstoffbrücken, Ladungen und Löslichkeit bereits kennen. Vielleicht zeigen Sie 2 Versuche hier und heben sich ein tolles Experiment auf das Kapitel Seife auf.

5 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 5 Labor: Mischbarkeit In Reagenzgläsern werden jeweils 2 Substanzen gemischt. Das Resultat wird protokolliert und mit den folgenden Abbildungen in Beziehung gesetzt. Aufträge an die Schülerinnen a) Zucker, Benzin, Wasser und Sonnenblumenöl werden gemischt. Unten sind die Resultate der Experimente im Teilchenmodell abgebildet. Um welche Gemische handelt es sich? b) Benenne die Stoffteilchen und male sie mit unterschiedlichen Farben aus. Gemisch von Gemisch von Vorstellung: Beobachtung: Vorstellung: Beobachtung: Gemisch von Gemisch von Vorstellung: Beobachtung: Vorstellung: Beobachtung: Erklärung: Substanzen mischen sich, wenn die Kräfte zwischen verschiedenen Teilchen stärker sind als die Kräfte zwischen gleichen Teilchen. In physikalischen Begriffen formuliert: Substanzen mischen sich, wenn die Adhäsion stärker ist als die Kohäsion. Die Laboranleitung und das vollständige Arbeitsblatt habe ich von Renato Galli, Kantonsschule Zürcher Oberland in Wetzikon, erhalten. Es ist auf zugänglich.

6 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S Stoffteilchen bewegen sich Demonstration auf Hellraumprojektor Experiment: Nadeln von Kaliumpermanganat in kaltes und heisses Wasser werfen. zu Beginn nach 2 min. nach 6 min. 2 C 28 C 60 C Dieses Resultat überzeugt nicht. Grund: Der Einfluss der Temperatur ist kaum zu sehen. Die Konvektion beeinflusst die Verteilung der Farbe in heissem Wasser stark Vorschläge zur Verbesserung: nur 2 Temperaturen wählen Experiment üben und die Konvektion minimieren das Experiment stoppen, wenn der Unterschied deutlich ist Beobachtung: Kaliumpermanganat verteilt sich in warmem Wasser schneller. Fachbegriff: Diffusion. Erklärung: Die Stoffteilchen bewegen sich. Fachbegriff: Brown'sche Bewegung. Die Wärmebewegung kann mit verdünnter Milch im Mikroskop gezeigt werden. Wenn eine Rauchkammer vorhanden ist, kann auch Rauch im Binokular betrachtet werden. Dabei wird der Rauch mit einem roten Laser beleuchtet. Wieder ist eine Drift neben der Zitterbewegung festzustellen. Erkenntnis: Stoffteilchen bewegen sich. Je heisser desto schneller sind die Teilchen. 4. Die Aggregatzustände: Ordnung und Chaos mit Stoffteilchen Lehrgespräch Ein kleines Becherglas mit Wasser hin und her kippen und das Wasser schliesslich in ein anderes Glas leeren. Mit Tischtennisbällen in einem 5 Liter Becherglas zeigen, dass das Modell der Wirklichkeit entspricht. Ein grosses Stück Eis zeigen. Wie sieht das Modell bei Eis aus? Demonstration: Einige Tischtennisbälle zeigen, die miteinander verklebt sind. Wasserdampf ist unsichtbar in der Luft vorhanden. Wie sieht das Modell von Wasserdampf aus? Demonstration: Einige Tischtennisbälle in einem 5 Liter Becherglas schütteln.

7 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 7 Beschreibung Im festen Zustand sind die Teilchen geordnet, werden von den Kräften an ihren Plätzen gehalten und schwingen hin und her. Beim Erwärmen wird die Schwingung stärker bis der Schmelzpunkt erreicht ist. Bei dieser Temperatur verlassen die Teilchen die Plätze und die Substanz wird flüssig. Wird weiter erwärmt, kommen die Teilchen schneller vorwärts. Beim Siedepunkt sind die Teilchen so schnell, dass sie die Flüssigkeit verlassen und davon fliegen. Die Substanz verdampft und wird gasförmig. Feststoffe haben eine definierte Form, Gase füllen den ganzen Raum Weil die Kohäsionskräfte unterschiedlich sind, sind die Schmelz- und Siedetemperaturen der Stoffe verschieden. Darstellung der Aggregatzustände In der farbigen Beilage finden Sie mehrere Abbildungen der Aggregatzustände. Auftrag in der Fachdidaktik: Welches Bild bevorzugen Sie? Bitte begründen Sie Ihre Wahl. Experimente (Die Skizzen stammen von Paolo Hsiung, Kantonsschule Freudenberg) 1. Demonstration mit einer 100 ml Wegwerfspritze oder einem Kolbenprober aus Glas Inszenierung: Ein kräftiger Schüler erhält eine Spritze voll Wasser. Eine Schülerin erhält eine Spritze voll Luft. Ich sage nicht, dass der Inhalt verschieden ist und gebe vor, dass die Spritzen identisch seien. Wer kann besser drücken? Zuerst hält der Schüler seine Spritze zu und komprimiert, dann die Schülerin. Warum kann die Schülerin das Volumen vermindern? Auswertung mit Skizze Ein Gas lässt sich komprimieren Eine Flüssigkeit lässt sich nicht komprimieren 2. Wasserdampf erhitzen Dampf: 100 C Dampf: 260 bis 320 C Bei Normaldruck wird Wasser nicht heisser als 100 C, weil die Wasserteilchen entweichen, bevor sie weiter beschleunigt werden können. Wasserdampf kann dagegen ohne weiteres höhere Temperaturen erreichen. Im Experiment wird ein Metallrohr mit dem Gasbrenner erwärmt. Der Wasserdampf ist so heiss, dass er ein Blatt Papier braun verfärben kann.

8 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 8 Substanzen im Teilchenmodell zeichnen Ziel: Die Schüler sollen eine lebendige Vorstellung ihrer stofflichen Welt bekommen, damit sie selber auf die Idee kommen, Phänomene mit dem Teilchenmodell zu erklären. Auftrag in der Fachdidaktik: Stellen Sie Rotweinessig, Olivenöl und Salatsauce im Teilchenmodell dar und benennen Sie die Teilchen. Wenn Sie einer Klasse den Auftrag in der oben formulierten Form stellen, werden die Schülerinnen wenig zu Stande bringen und viele Fragen haben. Was heisst "im Teilchenmodell darstellen"? Welche Teilchen kommen in Essig vor? Welche Teilchen sind gross, welche klein? usw. Auch mit viel Phantasie können Sie sich gar nicht alle Unklarheiten vorstellen, die bei Anfängern entstehen. Deshalb lohnt es sich, wenn Sie ein Beispiel vorlösen. Dieses Musterbeispiel bezeichne ich als Input. Nach dem Input ist es viel einfacher, die Aufgabe zu lösen. Vorgehen im Unterricht Die Lehrperson zeigt Rotweinessig, Olivenöl und Salz und mischt sie zu einer Salatsauce. Alle müssen sehen, dass eine Emulsion entsteht. Dann wird die Aufgabenstellung projiziert: Stelle Rotweinessig, Olivenöl und Salatsauce im Teilchenmodell dar und schreibe die Teilchen an. 1. Input: Damit die Schülerinnen die Aufgabe verstehen, skizziert die Lehrperson das Teilchenmodell von Rotweinessig und teilt der Klasse alle Überlegungen mit: Zuerst muss man die Zusammensetzung kennen. Rotweinessig besteht zur Hauptsache aus viel Wasser, wenig Essigsäure und ganz wenig Farbstoff. Olivenöl enthält dagegen nur Ölteilchen. 2. Aufgabe: Anschliessend skizzieren die Schüler das Teilchenmodell von Olivenöl und Salatsauce. Die Lehrperson zirkuliert und verschafft sich einen Überblick über den Fortschritt der Arbeit. Einige erhalten Folien und Schreiber, damit ihre Vorschläge am Hellraumprojektor gezeigt und zur Diskussion gestellt werden können. Oft entstehen Darstellungen, die sich deutlich unterscheiden. Amadeus Bärtsch

9 Teilchenmodell S. 9 Fachdidaktik Chemie ETH 3. Diskussion der Darstellungen. Die hier gezeigten Skizzen von Salatsauce stammen von verschiedenen Autorinnen. Deshalb sind die Wasser-Teilchen von Abbildung zu Abbildung verschieden. Dieselben Teilchen sollten in allen Abbildungen identisch sein. Abb.1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Das Öl bildet Tröpfchen, die sich oben sammeln, wenn man die Substanzen vorsichtig mischt. Wenn man intensiv schüttelt entsteht eine trübe Mischung. Die Tröpfchen sind so klein, dass es sehr lange dauert, bis sie oben aufschwimmen. Fehler: Die Ölteilchen sollten Tröpfchen bilden Fehler: Die Ölteilchen sollten Tröpfchen bilden. Es ist ein Kristall und nicht eine Flüssigkeit dargestellt. Essig besteht aus verschiedenen Stoffteilchen. 4. Information: Homogene Mischungen sind transparent, heterogene dagegen trübe. Demonstration auf dem Projektor, im Leuchtgestell oder bei abgedunkeltem Raum mit einem Laserpointer. Beispiele: Essig, Olivenöl, Salatsauce, Tinte, Wasserfarbe, Milch, Rauch und Staub Die Demonstration mit dem Laser wird eindrücklich, wenn die Proben stark verdünnt sind und der Strahl in heterogenen Mischungen sichtbar bleibt. 5. Aufgabe: Stellen Sie Tinte und Wasserfarbe im Teilchenmodell dar und benennen Sie die Teilchen. Weitere Beispiele finden Sie auf unter "2. Gemische und Reinstoffe". Amadeus Bärtsch

10 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 10 Übung 1: Teilchenmodell 1. Zeichnen Sie mindestens 3 Substanzen im Teilchenmodell und beschriften Sie die Teilchen. Vorschläge: Luft; Nebel; Sirup; Meerwasser; Velopneu innen und aussen; Heissluftballon innen und aussen; Gemisch von Kalkpulver und Wasser; Milch, Rahm und Butter; den Inhalt einer zur Hälfte mit kohlensäurehaltigem Mineralwasser gefüllten Flasche. Auch andere Substanzen sind willkommen. Ich stelle mir Skizzen von Hand vor, die nicht perfekt sind. 2. Schlagen Sie mindestens 2 Experimente vor, die mit dem Teilchenmodell interpretiert werden können und in der Fachdidaktik nicht vorgestellt wurden. Bitte beschreiben Sie die Experimente konkret, ähnlich wie ich es mit dem Zusammendrücken von Luft und Wasser in den Einwegspritzen gemacht habe. 3. Unter finden Sie sehr viele Animationen. a) Wozu könnte die Animation "Aggregatzustände im Vergleich" im Unterricht gezeigt werden? Beschreiben Sie Unterrichtssituationen, in denen diese Animation eingesetzt werden kann. Direkter Link zur Animation: b) Die Animation "Aggregatzustände im Vergleich" überzeugt mich nicht vollständig. Welche Aspekte sind problematisch? Erklären Sie die Schwächen der Visualisierung. Umfang: 1 bis 2 Seiten für Aufgabe 2 und 3. Am liebsten als Word-Dokument, im Notfall als PDF. Skizzen bitte scannen. Abgabe bis Donnerstag, 24. Sept Uhr, per Mail an amadeus.baertsch@kfr.ch. Die sollte maximal 2 MB gross sein.

11 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 11 Experiment: Wie gross sind Stoffteilchen? Laboranleitung Die Abklärung dieser Frage erfolgt mit dem Ölfleck-Versuch. Öl schwimmt auf Wasser. Geben wir einen Tropfen Öl auf Wasser, so bildet sich ein Ölfleck. Aus Experimenten weiss man, dass bei diesem Ölfleck alle Öl-Teilchen nebeneinander zu liegen kommen. Die Öl-Teilchen liegen also nicht aufeinander. Was wir also in diesem Öl-Fleck haben ist eine Schicht, welche genauso dick ist wie ein Öl-Teilchen. Wir geben einen Tropfen einer Lösung von Öl in Benzin auf Wasser. Wir nehmen eine Lösung, weil mit reinem Öl der Flecken zu gross würde. Das Benzin verdunstet und zurück bleibt wirklich nur der Ölfleck. Um die Grösse des Fleckes sichtbar zu machen, bestäuben wir das Wasser mit einem feinen Pulver. Die Öl-Teilchen breiten sich aus. Es entsteht ein Fleck, welcher genauso dick ist wie ein Öl- Teilchen. A h Somit ist ein sehr flacher Zylinder entstanden. Wir bestimmen sein Volumen und seine Grundfläche. Daraus errechnen wir die Höhe des Zylinders oder eben die Grösse eines Stoff- Teilchens. (Aus einer Anleitung von Renato Galli, Kantonsschule Zürcher Oberland, Wetzikon. Die ganze Anleitung mit einer genauen Vorschrift für das praktische Vorgehen und die Auswertung finden Sie auf der Plattform) Vorgehen Ölsäure mit Petrolether 1 : 2500 verdünnen. Tropfen für 1 ml zählen: Pasteurpipette senkrecht halten und Gumminuggi nur wenig zusammendrücken. Ca. 60 Tropfen ergeben 1 ml. Projektor abstellen. 1 cm Wasser in eine Schale mit mindestens 18 cm Durchmesser geben, auf eine Folie mit Millimeter-Skala legen und warten bis sich das Wasser beruhigt hat. Mit einem Spatel recht viel Lycopodium darüber streuen. Projektor anstellen. Aus einer senkrecht stehenden Pasteurpipette einen Tropfen in der Mitte plazieren. Beobachtung: Fleck mit einem Radius von 6 bis 7 cm

12 Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. 12 Bemerkungen Mit wenig Lycopodium ergibt sich etwa die gleiche Fläche. Der Fleck wird aber nicht kreisförmig. Bei den Schülern sprechen wir von Benzin und nicht von Petrolether. Nach meiner Erfahrung ist dieser Versuch für Schülerinnen und Schüler des 8. Schuljahrs anspruchsvoll. Die Schwierigkeiten begannen damit, dass sie die Fläche eines Kreises nicht berechnen konnten, weil die Kreisfläche in Mathematik noch nicht behandelt war. Zudem hatten viele Mühe mit den Einheiten und dem Verständnis des Vorgehens. Erkenntnis: Substanzen bestehen aus Teilchen. Teilchen sind ungefähr 1 Millionstel Millimeter gross.