Titel:NANOTECHNOLOGIE: Bau eines Fulleren-Modells

Transkript

1 Plan Titel:NANOTECHNOLOGIE: Bau eines Fulleren-Modells Thema: NANOTECHNOLOGIE: Bau eines Fulleren-Modells Zeit: 90 Minuten (2 Unterrichtseinheiten) Alter: 10. Schulstufe Jahre Differenzierung: Richtlinien, IKT Unterstützung etc.: Schülerinnen und Schüler mit höherer Leistungsfähigkeit können die nötigen Parameter berechnen Mit diesen können ebenfalls die geometrischen Strukturen eines Fullerenmoleküls besprochen werden. Schülerinnen und Schüler, die die Arbeitsaufträge rasch erledigen, werden aufgefordert die Erweiterungsaufgaben zu erledigen. Schülerinnen und Schüler wird ein durchgängiger Arbeitsfluss dargeboten. Eine Erklärung, wie man ein Fullerenmodell baut, wird zur Verfügung gestellt. Sie werden aufgefordert, die Aktivitäts-Arbeitsblätter einzeln oder in Gruppen von 2-3 Lernendenauszuarbeiten. Jede Gruppe muss Informationen über Fullerene in einem bestimmten Aspekt finden und organisieren, um sie dann vor den anderen zu präsentieren. 1

2 Plan Benötigtes Zubehör für diese Aktivität: Zwei Kopien von Anhang 1 Ein Ausdruck von Anhang 2. Papierscheren Klebeband (besser transparent) Aktivitätsblatt Benötigte Kenntnisse: Vorstellungen von Atomen, Kohlenstoffatomen. Arten von Vielecken, Winkelsumme von Vielecken Gesundheit und Sicherheit: Vorsicht beim Umgang mit Scheren. Lernergebnisse für diese Aktivität: Alle Werden die neuesten Beispiele an Technologien um uns herum kennen. Werden vertraut sein mit dem Ansatz von Nanotechnologien Fullerene. Werden dazu fähig sein, ein Fullerenmolekül-Modell anzufertigen. Können die geometrische Struktur eines Fullerens erkennen. Die meisten Werden im Stande sein, Informationen über Fullerene zu finden, systematisieren und präsentieren. Können die geometrische Struktur eines Fullerens beschreiben. Einige Werden dazu in der Lage sein, geometrische Parameter eines Fullerenmoleküls zu berechnen. Werden die Anwendung von Fullerenen jetzt und in der Zukunft kennen und beschreiben können. 2

3 Plan Hauptaktivität Die Schülerinnen und Schüler beginnen die Arbeit an dem NANOTECHNOLOGIE: BAU EINES FULLEREN-MODELLS Arbeitsblatt. Fulleren ein Molekül, das ausschließlich aus Kohlenstoffatomen besteht und dazu fähig ist, die Form eines hohlen Balls, eines Ellipsoids oder eines Schlauches (einer Nanoröhre) anzunehmen. Von der Struktur her ist es Graphit ähnlich, aber es kann auch fünfeckige oder achteckige Augen haben. Es ist benannt nach dem IngenieurBuckminster Fuller, der ähnlich aussehende geodätische Konstruktionen entwarf. Fullerene sind die dritte bekannte Kohlenstoffmodifikation neben Graphit und Diamant. Das sind Moleküle, die ausschließlich aus Kohlenstoff geformt sind (die Anzahl der Atome darf nicht kleiner als 20 sein und unbedingt gerade, mit der Form einer Hohlkugel, eines Ellipsoids, eines Schlauches oder flacher Form). Kugelförmige Fullerene werden auch buckyballs genannt und diejenigen mit Zylinderform heißen auch buckytubes. Mehr dazu auf: Eine praktische Erklärung ist gegeben.wie man ein Fulleren-Modell baut Ein Fulleren C 60 Molekül ist auf dieselbe Art aufgebaut wie ein Fußball. Es hat 32 Oberflächen, von denen 20 regelmäßige Sechsecke und 12 Fünfecke sind. Diese Oberflächen sind durch 60 Punkte (Spitzen) miteinander verbunden. In Fullerenen befindet sich an jeder dieser Spitzen ein Kohlenstoffatom. Ein C 60Fulleren Papiermodell kann ganz einfach im Unterricht oder auch Zuhause hergestellt werden. Es wird aus 20 Sechsecken bestehen, die so miteinander verbunden sind, dass 12 Löcher in Form von Fünfecken übrig bleiben. Arbeitsablauf 1. Fertige Kopien der Seiten an (zwei vonanhang 1, eine von Anhang 2). 2. Schneide die Form von der ersten Seite von Anhang 1aus. 3. Verbinde die Enden, die mit dem Buchstaben C markiert sind, mit Hilfe von Klebeband. 4. Pass auf, dass du fünf Sechsecke bekommst, die Löcher in Form von Fünfecken umgeben. 5. Wiederhole die Arbeitsschritte auch mit der zweiten Kopie von Anhang 1. 3

4 Plan 6. Schneide die Vorlagen auf der Kopie von Anhang 2 aus. Du solltest zwei gleichartige Streifen erhalten (jeder davon besteht aus fünf Fünfecken. 7. Verbinde das Ende des einen Streifens, der mit dem Buchstaben A markiert ist, mit demselben Ende des anderen Streifens unter Verwendung von Klebeband. 8. Klebe die Kante mit dem Buchstaben B an die andere Kante, die mit demselben Buchstaben gekennzeichnet ist. 9. Verbinde den Teil der ersten Seite mit dem Teil, der gerade hergestellt worden ist. Klebe die freien Sechseck-Kanten mit Klebeband wie in den Abbildungen gezeigt. 10. Kippe die hergestellte Figur und befestige den anderen Teil der ersten Seite auf dieselbe Art. 11. Das ist alles. In deinen Händen hältst du nun ein C60 Modell. Arbeitsblatt-Aktivität Schülerinnen und Schüler werden angewiesen, die Aktivitäts-Arbeitsblätter einzeln zu bearbeiten und die Fragen zu beantworten. Fähigere Schülerinnen und Schüler können aufgefordert werden, die nötigen Parameter zu berechnen. Erweiterungsaktivität Schülerinnen und Schüler, die die Arbeit schnell erledigen, werden angeregt, an den Erweiterungsaufgaben zu arbeiten, die zur Verfügung gestellt werden (NANOTECHNOLOGIE: Bau eines Fullerens). Plenum Schülerinnen und Schüler werden über die durchgeführte Vorgehensweise befragt und gebeten, die Antworten zu den gestellten Fragen zu beantworten. Mit den talentierteren Schülerinnen und Schülern werden die geometrischen Strukturparameter von Fulleren-Modellen besprochen. 4

5 Worksheet NANOTECHNOLOGIE: FULLERENE Das Ziel der Unterrichtsstunde.Vertraut werden mit dem Beginn von Nanotechnologien Fullerene. Bekannt werden mit der Fulleren C60-Struktur, herstellen eines Fullerenmolekül-Modells. Nanotechnologie ist ein interdisziplinäres und eines der am schnellsten wachsenden Wissensgebiete. Diese Wissenschaft und fortschreitende Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Materialien und Geräte; von denen man sich keine zuvor vorstellen hätte können. Unglücklicherweise wissen nur sehr wenige Leute, dass die Entdeckung von Fullerenen im Jahr 1985 der Nanotechnologie einen Aufschwung gab, und nicht nur dieses neue Feld der Wissenschaft eröffnete, sondern auch die Physik, Chemie und viele andere wissenschaftliche Felder stark beeinflusste (ACS tohonor Discovery offullerenes. Azo Nanotechnology, nano.com/news.asp?newsid=19,861). Die Entdeckung von Fullerenen war so wichtig, dass sie im Jahr 1996 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Dieser Fund hat große Bedeutung in der Physik, der Chemie, der Informatik und anderen Gebieten der Wissenschaft. Fullerene ist die dritte gefundene allotropische Kohlenstoff-Modifikation nach Graphit und Diamant. Das sind Moleküle, die nur aus Kohlenstoff bestehen (die Anzahl der Atome darf nicht kleiner als 20 sein und muss unbedingt gerade sein), in Form einer Hohlkugel, eines Ellipsoids, eines Schlauches oder in flacher Form. Kugelförmige Fullerene werden auch als buckyballs und zylinderförmige als Kohlenstoff- Nanoröhrchen oder buckytubes bezeichnet. Fullerene ähneln von ihrer Struktur her Graphit, einer anderen allotropischen Kohlenstoff-Modifikation, die aus gestapelten Blättern geformt ist, in denen sechseckige Ringe miteinander verbunden sind, aber die im Inneren auch fünfeckige (manchmal auch siebeneckige) Ringe haben sollte, die den Stapel davon abhalten sollen, flach zu sein. Wasserstoff- und Eisenatome können sich mit den Fullerenen verbinden und so große, komplizierte Moleküle formen. Fullerene sind eine von den primären Nanomaterial-Kugeln zusammen mit Nanokompositen, Die Molekülstruktur eines Fullerens ist interessant, weil sich im Inneren jedes Kohlenstoff balls eine Hohlkugel formt, in welche man, aufgrund der Kapillareigenschaften, Atome und Moleküle von anderen Substanzen einfügen kann. Es gibt künstliche und untersuchte Fullerenmoleküle, die aus verschiedenen Mengen von Kohlenstoffatomen bestehen nämlich von 36 bis zu Mehr dazu hier: 5

6 Worksheet C60 Das als Erstes gefundene, bekannteste und auch am besten erforschte Fulleren. Es ist das am meisten abgerundete und das symmetrischste Molekül, das bis jetzt gefunden wurde. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, von denen jedes im Molekül in den Verbindungsspitzen von zwei Sechsecken und einem Fünfeck. In C60 Molekülen ist die Anzahl der Sechsecke 20 und die der Fünfecke 12. Jedes Fünfeck ist nur an Sechsecke angrenzend und jedes Sechseck hat drei gewöhnliche Seiten mit Sechsecken und drei mit Fünfecken. Dieselbe Struktur hat auch ein europäischer Fußball. Dieses Molekül ist 7-15 Å im Durchmesser und so dick wie ein Kohlenstoffatom. Es ist sehr aus chemischer und physikalischer Sicht aus sehr stabil (es beginnt sich nicht zu dissoziieren bis zu 1000 C). Es hat eine größere Leistungsgrenze an Dehnung, als jede andere bekannte zweidimensionale Struktur oder jedes bekannte Element. Es hat die größte Packungsdichte von allen bekannten Strukturen. Im Normalzustand ist es nicht passabel für alle Elemente. Auch für ein Heliumatom mit 5eV Energie. Wasserstoff- und Eisenatome können sich mit ihm verbinden und so große, komplizierte Moleküle bilden. Es hat vergleichsweise kleine kritische Temperaturen (33K), deshalb hat es die Eigenschaften von Supraleitern. C60 formt gelbe Kristalle, aber wenn es aufgelöst wird, verändert sich seine Farbe in Violett. 6

7 Worksheet - Mehr dazu online: Arbeitsauftrag für die nächste Unterrichtsstunde Finde und systematisiere die Information über Fullerene aus dem Internet in Bezug auf diese Aspekte: Wie Fullerene entdeckt wurden - die Geschichte von der Entdeckung der Fullerene Entdecker Wissenschaftler, die Fullerene entdeckt haben (Harold W. Kroto, Robert F. Curl, Richard E. Smalley); Nobelpreis wann, an wen und wofür wurde der Preis verliehen Zweiter Nobelpreis eine weitere bedeutende Auszeichnung, die in Verbindung mit Fullerenen steht Graphen, seine Entdeckung und die Möglichkeiten seiner Verwendung Bedeutung der Entdeckung Was sind die Nutzen der Entdeckung von Fullerenen für Wissenschaft und die Menschheit, welche neuen Möglichkeiten werden damit eröffnet; Was sind Fullerene Theorie, Definition, Beispiele und Illustrationen Die Herkunft des Terms warum und woher kam dieser Name für eine neu entdeckte Substanz; Anwendungen was sind die Anwendungen von Fullerenen heute und was sind die Chancen für die Zukunft; Arten von Fullerenen eine Beschreibung der existierenden Arten von Fullerenen 7

8 Answer sheet NANOTECHNOLOGIE: Bau eines Fulleren-Modells Antwortbogen Aus welchen Atomen besteht Fulleren? Aus Kohlenstoff (C) Aus wie vielen Atomen besteht ein Fullerenmolekül? Aus 60 Kohlenstoffatomen Welche anderen Stoffe kennst du, die aus Kohlenstoffatomen bestehen? Graphit, Diamant, Graphen. Wie viele und welche geometrischen Figuren bilden Fulleren C60? 20 Sechsecke und 12 Fünfecke. 8

9 Answer sheet Winkelsumme von Vielecken s = (n - 2) 180, n Anzahl der Seiten oder Winkel. Berechne die Summe der Innenwinkel eines Fünfecks unter Verwendung der Winkelsummenformel für Vielecke. Was ist das Maß eines Innenwinkels eines Fünfecks? Berechne die Summe der Innenwinkel eines Sechsecks mit Hilfe der Winkelsummenformel für Vielecke. Was ist das Maß eines Innenwinkels eines Sechsecks? 9

10 Extension In den Bildern werden Beispiele für regelmäßige Fünfecke gezeigt, die in der Natur auffindbar sind. Gib mehr Beispiele für regelmäßige Fünfecke in der Natur. Prunkwinde geschnittene Okraschote Seestern Pentagon Verteidigungsministerium der USA Berechne mit gegebenem Wert eines Innenwinkels eines Fünfecks die Werte der Innenwinkel eines Dreiecks. 10

11 Extension In den Bildern sieht man Beispiele für regelmäßige Sechsecke in der Natur. Gib weitere Beispiele für regelmäßige Sechsecke, die in der Natur auffindbar sind. Waben (Honigwaben) Die ideale kristalline Struktur von GraphenChinesischer Pavillon (Kohlenstoffatome) Berechne die Werte der Innenwinkel eines Dreiecks ABC, unter Beachtung der Kenntnis der Innenwinkels eines Sechsecks. 11

12 Appendix 1 Mache zwei Kopien von dieser Seite Pattern 1 Print two copies of this page.

13 Appendix 2 Mache eine Kopie von dieser Seite 13