Klasse 8. Eingeführtes Lehrbuch: Chemie heute SI (Schroedel Verlag) Inhaltsfeld 4: Metalle und Metallgewinnung

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1 Klasse 8 Eingeführtes Lehrbuch: Chemie heute SI (Schroedel Verlag) Inhaltsfeld 4: Metalle und Metallgewinnung Verwendeter Kontext/Kontexte: - Das Kupferzeitalter - Vom Eisen zum Hightechprodukt Stahl - Schrott - Abfall oder Rohstoff Möglicher Unterrichtsgang und methodisch-didaktische Hinweise Eine Welt voller Metalle Metalle werden in ihren Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten verglichen. Das Kupferzeitalter Wie stellten die Menschen vor 9000 Jahren Kupferwerkzeuge her? Weitere Gebrauchsmetalle / Zeitalter Einführung der chemischen Symbole und Formeln am Beispiel der Erze und Metalle, sowie Übungen hierzu konzeptorientierte Kompetenzen Mögliche prozessbezogene Kompetenzen M I. 1.b Ordnungsprinzipien für Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften und Zusammensetzung nennen, beschreiben und begründen: Reinstoffe, Gemische; Elemente (z. B. Metalle, Nichtmetalle), Verbindungen (z. B. Oxide, Salze, organische Stoffe). Fachbegriffe Härte, metallischer Glanz, Leitfähigkeit, Aggregatzustände, Dichte, Verformbarkeit, Siede-, Schmelztemperatur, Brennbarkeit, Magnetismus, Legierungen, edle und unedle Metalle Gebrauchsmetalle Erze Elemente und Verbindungen Verhältnisformel, z.b. Metalloxide, -sulfide 1

2 Kupfergewinnung durch Reaktion von schwarzem Kupferoxid mit Kohlenstoff Variation der Reaktionsbedingungen d.h. der Mengen der eingesetzten Edukte um zum bestmöglichen Ergebnis zu kommen Gesetz der konstanten Massenverhältnisse Reduktionswirkung von weiteren Metallen und Vergleich mit Kohlenstoff Vom Eisen zum Hightechprodukt Stahl - Hochofenprozess - Verarbeitung von Roheisen, - Unterscheidung von Roheisen, Stahl, Edelstahl CR I.5 Chemische Reaktionen durch Reaktionsschemata in Wort- und in Symbolformulierungen unter Angabe des Atomzahlenverhältnisses beschreiben und die Gesetzmäßigkeit der konstanten Atomzahlverhältnisse erläutern CR I.7.b Redoxreaktionen nach dem Donator-Akzeptor Prinzip als Reaktion deuten, bei denen Sauerstoff abgegeben und vom Reaktionspartner aufgenommen wird. CR I.1, I.2, I.5, I.6, I.8, I.12 E I.5 Konkrete Beispiele von [Oxidationen (Reaktionen mit Sauerstoff) und] Reduktionen als wichtige chemische Reaktionen benennen [sowie deren Energiebilanz qualitativ darstellen] E I.7b Vergleichende Betrachtung zum Energieumsatz durchführen E I.3, I.4, I.5 M I.1, I.2 CR II.10 einen Stoffkreislauf als eine Abfolge verschiedener Reaktionen deuten. CR I.11 Kenntnisse über Reaktionsabläufe nutzen, um die Gewinnung von Stoffen zu klären (z.b. Verhüttungsprozess) CR II.11.a wichtige technische Umsetzungen chemischer Reaktio- Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, exotherme Reaktion, Gesetz von den konstanten Massenverhältnissen Redoxreihe der Metalle, Verhüttung Chemische Vorgänge im Hochofen, Roheisen; Gebrauchsmetalle 2

3 Evt. Thermitverfahren nen vom Prinzip her erläutern (z. B. Eisenherstellung, Säureherstellung, Kunststoffproduktion) M II.3 Kenntnisse über Struktur und Stoffeigenschaften [zur Trennung, Identifikation, Reindarstellung anwenden und] zur Beschreibung großtechnischer Produktion von Stoffen nutzen. Thermitverfahren, Aluminium Schrott Abfall oder Rohstoff Erzbergwerk oder Handy? Der wertvolle Schrott von heute und sein Recycling Stoffkreislauf des Kupfers und des Eisens CR II.10 einen Stoffkreislauf als eine Abfolge verschiedener Reaktionen deuten. Prozessbezogene Kompetenzen: PE 3, PE 4, PE 9, PE 11 PB 2, PB 8, PB 13 PK 1, PK 3 Recycling Stoffkreislauf 3

4 Inhaltsfeld 5: Elementfamilien, Atombau und Periodensystem Verwendeter Kontext/Kontexte: - Exotische Metalle - Gefährliche Nichtmetalle und leuchtende Gase Möglicher Unterrichtsgang und methodisch-didaktische Hinweise Exotische Metalle - Konfrontation mit dem Element Natrium als Metall - Untersuchung der typischen Metalleigenschaften von Natrium (integrierte Wiederholung der Metalleigenschaften) - Steckbrief Natrium Versuchsplanung zur Untersuchung der Eigenschaften von Lithium, Demonstration der Experimente Lithium in Wasser. Vorhersage zu Kalium mit anschließender Überprüfung Einführung des Begriffs der Elementfamilie konzeptorientierte Kompetenzen Mögliche prozessbezogene Kompetenzen Fachbegriffe Härte, metallischer Glanz, Leitfähigkeit, Aggregatzustände, Flammenfärbung Dichte, Verformbarkeit, Elementeigenschaften, Steckbrief Elementfamilie Alkalimetalle Elementfamilie der Erdalkalimetalle - Versuchsplanung, - Schülerversuche zur Rektionsverhalten, Nachweis der Verbindungen in der Lösung, Elementfamilie der Erdalkalimetalle 4

5 Erweiterung des Atommodells von Dalton (eingeführt in Inhaltsfeld 3) zum differenzierten Atommodell mithilfe eines Gruppenpuzzles zum differenzierten Atombau: - Rutherford entdeckt den Atombau - Der Atomkern - Die Atomhülle Kern-Hülle Modell und Elementarteilchen (Protonen, Elektronen, Neutronen), Isotope Übungen zur Beschreibung verschiedener Metalle im Schalenmodell, Erklärung der Auffälligkeiten und Gemeinsamkeiten der Alkalimetalle mit dem ähnlichen Atombau M I. 7.a Atome mithilfe eines einfachen Kern-Hülle-Modells darstellen und Protonen, Neutronen als Kernbausteine benennen sowie die Unterschiede zwischen Isotopen erklären Teilchen-Modell Atommodell von Dalton Rutherfordscher Streuversuch Radioaktivität, Strahlung, Atomkern, Atomhülle, Schalen und Besetzungsschema, Edelgasregel Atomare Masse Elektronen, Neutronen, Protonen Isotope Gefährliche Nichtmetalle und leuchtende Gase 1. Elementfamilie der Halogene - Unterscheidung der Verbindungen von den elementaren Stoffen, - Nachweis der Verbindungen mit Silbernitrat - Bedeutung für die Ernährung, bleichende Wirkung Halogene, Atombau der Halogene, Silbernitratnachweis, 2. Elementfamilie der Edelgase - Verwendungen, Edelgase, Atombau der Edelgase 5

6 - Entdeckung Einführung der Lewis-Formeln als Hilfsmittel in der Chemie Lewis-Formeln Historischer Rückblick: Entdeckung und Aufbau des PSE; Zuordnung und Benennung der vier Elementfamilien Gruppen Alkali-, Erdalkalimetalle und Halogene M II. 1 Aufbauprinzipien des Periodensystems der Elemente beschreiben und als Ordnungs- und Klassifikationsschema nutzen, Haupt- und Nebengruppen unterscheiden PSE Alkalimetalle Erdalkalimetalle Halogene Prozessbezogene Kompetenzen: PE: 2; 3, 4, 8, 9, 10, PB: 6, 7 PK: 1, 3, 8, 6

7 Inhaltsfeld 6: Ionenbindung und Ionenkristalle Verwendeter Kontext/Kontexte: - Salze und Gesundheit - Salzbergwerke Möglicher Unterrichtsgang und methodisch-didaktische Hinweise Salze und Gesundheit: - Welche Bedeutung haben Getränke beim Sport und welche Getränke sind besonders gut geeignet? Untersuchung der Etiketten von Mineralwässern: - Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen Sorten, - Abgleich von vorhandenem Wissen mit Informationen der Etiketten. - Entwicklung von Fragestellungen: - Wie lassen sich die unterschiedlichen Schreibweisen der Inhaltsstoffe erklären? - Was bedeuten die Formeln von zusammengesetzten Teilchen?.. konzeptorientierte Kompetenzen Mögliche prozessbezogene Kompetenzen Fachbegriffe Mineralstoffe, Elektrolyt, Salzlösungen Elementfamilien Atomaufbau 7

8 Warum leiten manche Lösungen den elektrischen Strom, andere nicht? Untersuchung der Auswirkungen der Inhaltsstoffe im Mineralwasser auf die Leitfähigkeit von Wasser durch Vergleich mit Destilliertem Wasser Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den verschiedenen Lösungen: - Ladungsträger, - neutrale Teilchen, - Bewegung der Teilchen Leitfähigkeit, Salze, Leitfähigkeit von Salzlösungen Strom Aufbau von Atomen und Ionen Unterschiede zwischen Atomen und Ionen im Aufbau der Teilchen Ionenladung, Kationen, Anionen, Edelgasregel, Oktettregel, Kritisches Hinterfragen von Werbung und Etiketten: z.b. Wasser natriumarm Salzbergwerke Vorkommen und Gewinnung natürlicher Salze z.b. aus Bergwerken Herstellung von Salzen im Labor Reaktion von Natrium und Chlor (flash-animation der Uni Wuppertal) CR II. 1 Stoff- und Energieumwandlung als Veränderung in der Anordnung von Teilchen und als Umbau chemischer Bindungen erklären. Ionen als Bestandteil eines Salzes Ionengitter, Ionenbindung und -bildung 8

9 Entwicklung der Reaktionsgleichung Formelschreibweise einüben Aufbau, Bestandteile und Benennung von Salzen M II. 4 Zusammensetzung und Strukturen verschiedener Stoffe mit Hilfe von Formelschreibweisen darstellen (Summen /Strukturformeln, Isomere). CR II.2 Mit Hilfe eines angemessenen Atommodells und Kenntnissen des Periodensystems erklären, welche Bindungsarten bei chemischen Reaktionen gelöst werden und welche entstehen. M II. 7.a chemische Bindungen (Ionenbindung, Elektronenpaarbindung) mithilfe geeigneter Modelle erklären und Atome mithilfe eines differenzierteren Kern- Hülle-Modells beschreiben. CR I. 5 chemische Reaktionen durch Reaktionsschemata in Wort- und evtl. Symbolformulierungen unter Angabe des Atomanzahlverhältnisses beschreiben und die Gesetzmäßigkeit der konstanten Atomanzahlverhältnisse erläutern. CR II. 5 Stoffe durch Formeln und Reaktionen durch Reaktionsgleichungen beschreiben und dabei in quantitativen Aussagen die Stoffmenge benutzen und einfache stöchiometrische Berechnungen durchführen. M II. 2 die Vielfalt der Stoffe und ihrer Eigenschaften auf der Basis unterschiedlicher Kombinationen und Anordnungen von Atomen mit Hilfe von Bindungsmodellen erklären (z. B. Ionenverbindungen,). M II. 6 Chemische Formelschreibweise und Reaktionsgleichungen. Endung id, Atom Anion, Kation, Ionenladung (+/-) Kern (Protonen/Neutronen) Hülle / Schalen (Elektronen) 9

10 den Zusammenhang zwischen Stoffeigenschaften und Bindungsverhältnissen (Ionenbindung,) erklären. Stationenarbeit zur Untersuchung weiterer Eigenschaften der Salze: z.b. Löslichkeit, Sprödigkeit, hohe Schmelz- und Siedepunkte Praktische Lernzielkontrolle Nachweis von Ionen in einer Lösung Steckbriefe verschiedener Salze erstellen Zusammenfassung der gemeinsamen Eigenschaften Erklärung der Eigenschaften mit dem Modell / Aufbau Referate Konservierende / giftige Wirkung von Salzen Meersalz, Siedesalz, Steinsalz Salzbergwerke,.. Löslichkeit, Ionen, Hydratisierung, Ionenbindung lockern, Ionengitter, Ionenverbindung, Ionenbindung, Abstoßung, Abhängigkeit der Schmelzpunkte von der Ladung Silbernitratnachweis, Flammenfärbung, Salzstrukturen, -kristalle Kugelpackungsmodell, Raumgittermodell, Anziehung durch elektrostatische Kräfte, Koordiantionszahl Prozessbezogene Kompetenzen: PE: 2, 3, 4, 8, 9, 10, PK: 1, 3, 4, 5, 8 PB: 4, 6, 7, 11 10

11 Inhaltsfeld 7: Freiwillige und erzwungene Elektronenübertragungen Verwendeter Kontext/Kontexte: - Dem Rost auf der Spur - Unedel - dennoch stabil - Metallüberzüge - nicht nur Schutz vor Korrosion Möglicher Unterrichtsgang und methodisch-didaktische Hinweise Dem Rost auf der Spur: - Konfrontation mit rostigen Gegenständen oder Bilder von diesen (Autos, Eiffelturm...) - Warum rosten Gegenstände? - Welche Bedingungen führen zum Rosten? Aufstellen von Hypothesen. (Luft, Feuchtigkeit, salzige Umgebung) - Planung und Aufbau eines Experimentes: - Rosten von Eisenwolle unter unterschiedlichen Bedingungen - (unbehandelte trockene Eisenwolle, mit Wasser befeuchtete Eisenwolle, mit Salzwasser befeuchtete Eisenwolle,...). - Erste Beobachtungen und Auswertungen zum Experiment: - Thematisierung/Überprüfung, dass Sauerstoff als Bestandteil der Luft mit der Eisenwolle reagiert. Verwendete konzeptbezogene Kompetenzen Mögliche prozessbezogene Kompetenzen Fachbegriffe Korrosion Rosten. 11

12 Aufstellen der Reaktionsgleichung. Vergleich mit der Verbrennung von Eisenwolle an der Luft und in reinem Sauerstoff. Thematisierung exotherme Reaktion. Vergleich der bekannten Eisenoxide Oxidation als Abgabe von Elektronen. Reduktion als Aufnahme von Elektronen Weitere Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen E II.3 erläutern, dass Veränderungen von Elektronenzuständen mit Energieumsätzen verbunden sind. Oxidation, Exotherme Reaktion Oxidationen als Elektronenübertragungsreaktion Reduktion, Redoxreaktion Elektronendonator, Elektronenakzeptor Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen Unedel dennoch stabil: Aufstellen einer Redoxreihe, z.b. durch Versuche mit Magnesium, Zink, Kupfer, Eisen und Silber sowie der entsprechenden Salzlösungen. Elektronenübergänge edle und unedle Metalle Anwendung der Redoxreihe zur Vorhersage von Reaktionsverläufen Schutz unedler Metallen durch Passivierung Redoxreihe (edle und unedle Metalle) Reaktionen zwischen Metallatomen und Metallionen Redoxreaktion Elektronendonator und Elektronenakzeptor Passivierung 12

13 Metallüberzüge - nicht nur Schutz vor Korrosion: Rückkehr zur Korrosion: Ist es sinnvoll, Eisen mit Überzügen aus edlen oder unedlen Metallen zu schützen? (z.b. Versuch mit Eisenwolle vom Beginn der Reihe aufgreifen und dabei Eisenwolle jeweils in Kontakt mit Kupfer bzw. Magnesium bringen. Metallüberzüge - Zink und Zinn - Aluminiumoxid - Farbe/ Lacke Metallüberzüge durch Galvanisieren herstellen Von der freiwilligen zur erzwungenen Reaktion Beispiel einer einfachen Elektrolyse E II.3 erläutern, dass Veränderungen von Elektronenzuständen mit Energieumsätzen verbunden sind. E II.5 Die Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie und umgekehrt von elektrischer in chemische Energie bei elektrochemischen Phänomenen beschreiben und erklären. CR II.7 Elektrochemische Reaktionen (Elektrolyse und elektrochemische Spannungsquellen) nach dem Donator- Akzeptorprinzip als Aufnahme und Abgabe von Elektronen deuten, bei denen Energie umgesetzt wird. Metallüberzüge, Korrosionsschutz Galvanisieren Beispiel einer einfachen Elektrolyse Prozessbezogene Kompetenzen: PE: 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11 PK: 1, 4, 5, 9, 10 PB: 1, 2, 6, 8, 12 13

14 Erläuterungen zu den Abkürzungen: Schülerinnen und Schüler PErkenntnisgewinnung 1 beobachten und beschreiben chemische Phänomene und Vorgänge und unterscheiden dabei Beobachtung und Erklärung. PE 2 erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe chemischer und naturwissenschaftlicher Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind. PE 3 analysieren Ähnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen. PE 4 führen qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch und protokollieren diese. PE 5: recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten, Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus. PE 7 stellen Hypothesen auf, planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Überprüfung, führen sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Rückbezug auf die Hypothesen aus. PE 8 interpretieren Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen, erklären diese und ziehen geeignete Schlussfolgerungen PE 9 stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her und grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab. PE 10 beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und mit Hilfe geeigneter Modelle und Darstellungen. PE 11 zeigen exemplarisch Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und Erkenntnissen der Chemie auf. PKommunikation 1 argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig. PK 2 vertreten ihre Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und reflektieren Einwände selbstkritisch. PK 3 planen, strukturieren, kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit, auch als Team. PK 4 beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache, ggfs. mit Hilfe von Modellen und Darstellungen. PK 5: dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachgerecht, situationsgerecht und adressatenbezogen, auch unter Nutzung elektronischer Medien, in Form von Texten, Skizzen, Zeichnungen, Tabellen oder Diagrammen. PK 7 beschreiben und erklären in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungsgehalt von fachsprachlichen bzw. alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien. 14

15 PK 8 prüfen Darstellungen in Medien hinsichtlich ihrer fachlichen Richtigkeit. PK 9 protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von Untersuchungen und Diskussionen in angemessener Form. PK 10 recherchieren zu chemischen Sachverhalten in unterschiedlichen Quellen und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus. PBeurteilung 1: beurteilen und bewerten an ausgewählten Beispielen Informationen kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten. PB 2: stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen chemische Kenntnisse bedeutsam sind. PB 4 beurteilen an Beispielen Maßnahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit. PB 6 binden chemische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein, entwickeln Lösungsstrategien und wenden diese nach Möglichkeit an. PB 7 nutzen Modelle und Modellvorstellungen zur Bearbeitung, Erklärung und Beurteilung chemischer Fragestellungen und Zusammenhänge. PB 8 Beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells PB 11 nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen. PB 12 entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen, die unter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie beantwortet werden können. PB 13 diskutieren und bewerten gesellschaftsrelevante Aussagen aus unterschiedlichen Perspektiven auch unter dem Aspekt der nachhaltigen Entwicklung. 15