Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 1. Eine einfache Variante, den Atombau zu unterrichten

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1 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 1 Atombau Eine einfache Variante, den Atombau zu unterrichten Ausgangslage Im 9. und 10. Schuljahr sind die Schülerinnen 15 oder 16 Jahre alt und häufig mit sich selbst beschäftigt. Viele Klassen sind in dieser Phase schwierig zu führen, weil die Jungs laut und ungeduldig und die Mädchen schwatzhaft und nur zu zweit handlungsfähig sind. Der Atombau steht am Anfang des Chemieunterrichts. Sie stecken also in einer Phase, in der Sie die Klasse für die Chemie gewinnen müssen. Aus diesen Gründen schlage ich vor, den Atombau so einfach wie möglich zu unterrichten. Die Schüler sollten folgende Erkenntnisse gewinnen: Es lohnt sich die Konzepte der Chemie kennen zu lernen: mit einem einfachen Modell lässt sich die materielle Welt erklären. Die Valenzelektronen bestimmen die Chemie Das Schalenmodell lässt sich aus dem Periodensystem ableiten Unterrichtssequenz Das Modell von Dalton Stoffteilchen bestehen aus Atomen. Stoffteilchen sind Moleküle. Bsp. Wasser Das Periodensystem ist eine Liste aller Atomsorten. Weitere Moleküle im Kalottenmodell. Summenformeln beschreiben die Moleküle.

2 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 2 Kommentar: Aus 26 Buchstaben können unendlich viele Worte gebildet werden. Und wie bei den Buchstaben sind auch bei Atomen nicht alle Kombinationen möglich. (Eberhard Rossa (Hrsg.), Chemie-Didaktik, Cornelsen, Berlin, S. 93, 2005). Das Periodensystem Im Grundlagenfach verwende ich das Periodensystem, das zum Lehrbuch "Chemie heute SII" (W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, 2009) gehört. Es wird unter dem Titel "Das illustrierte Periodensystem" vom Verlag SILEA, 3604 Thun, info@stiftung-silea.ch, vertrieben. Exkurse Lückentext zu den Namen der Elemente Paul Strathern: Mendelejews Traum. Von den vier Elementen zu den Bausteinen des Universums, Ullstein, München, S. 307 bis 321 (2000) Tom Lehrer: The Element Song, Alle Materie so verschieden sie auch sein mag besteht aus ungefähr 100 verschiedenen Atomen. Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste angeben. Ergebnis: Viele Atomsorten sind ohne Bedeutung Christian Bürkli (HS 2013): Auf dem Lehrerpult stehen: 55 L Wasser, 14 kg Grill-Kohle, 2 kg CaCO 3, 140 g Schwefel, 140 g NaCl, 30 g Mg-Block und 3 g Eisen (idealerweise an einem Stück). Eventuell auch eine Stahlflasche mit Stickstoff. Was sie hier sehen, sind die Hauptbestandteile ihres Körpers... Diskussion: Wie viel wert ist ein Mensch? Die präsentierten Substanzen kosten wenige Franken. Erklärung: Im Körper kommen die Atome nicht in elementarer Form vor. Einige bilden komplizierte Moleküle, die sehr teuer sind. Zudem sind die Substanzen nicht gleichmässig verteilt, weil der Körper aus Zellen besteht.

3 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 3 Das Periodensystem enthält viele Angaben über Substanzen und Atome. Input: Legende auf beiden Seiten des Periodensystems zeigen Aufgabe: Magnesium und Fluor vergleichen. Versuchen Sie so viele Angaben wie möglich zu machen. Fluor Magnesium Masse des Atoms 19,00 u 24,31 u Anzahl Protonen 9 12 Dichte 1,58 g/l 1,74 g/cm 3 = 1,74 kg/dm 3 = 1,74 kg/l Schmelzpunkt C 650 C Aggregatzustand: fest, flüssig oder gasförmig gasförmig fest Metall? Nichtmetall Metall Grösse des Atoms pm = 0, m Die Aufgabe ist auf das Periodensystem von Schroedel SII zugeschnitten. Die Lösung ist grau unterlegt. Die Schüler werden nicht alles ausfüllen können. Die Aufgabe gibt die Gelegenheit über die Angaben im Periodensystem zu sprechen. Wo findet man Metalle, wo Nichtmetalle? Wie sind die Aggregatzustände angegeben? Die Frage nach den Protonen leitet zum nächsten Kapitel über. Atome bestehen aus Elementarteilchen Symbol Masse in g Masse in u Neutron n 1, ,0087 u Proton p + 1, ,0073 u Elektron e - 0, ,00055 u Masse eines Neutrons: 0, g = 1, g oder: 1,0087 u mit der, der atomaren Masseneinheit "unit": 1 u = 1, g Das Modell von Rutherford Eine grundlegende Falle Erwarten Sie nicht, dass die Schüler ohne Hilfe allein aufgrund der Beobachtung auf das Kern- Hülle-Modell kommen. Die Frage der Lehrperson: Hat jemand eine Idee? Klingt vor allem hilflos. Wenn man die das Kern-Hülle -Modell nicht kennt, kommt man nie drauf. Auch renommierte Forscher haben die Erklärung für Beobachtungen häufig nicht in 5 Minuten nachdenken gefunden. Vorschläge den Unterricht anschaulich zu machen Animation zeigen. Z. Bsp. oder Experiment: Eine alte Uhr oder eine andere radioaktive Quelle vor eine Aluminiumfolie halten und dahinter einen Geigerzähler aufstellen. Strahlung geht durch die Folie ohne sie zu beschädigen (R. Gauss)

4 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 4 Modellversuche: Carambole-ähnliches Modell (R. Oetterli) Die Schüler spielen mit dem Modell BEVOR ihnen das Modell erklärt wird und sie müssen selber auf die Idee kommen, was da in dem abgedeckten Bereich vor sich geht. Dadurch können sie die Schlussfolgerungen Rutherfords selber nachvollziehen. Ausserdem bringt man ein spielerisches Element in den Unterricht Bei einem (vermutlich späteren) Ausflug ins CERN könnte man das Experiment selber sehen und durchführen. Da ist ein Schaukasten mit alpha- Strahler, Goldfolie und Detektoren rundrum Erklärung mit Skizzen Daniel Marti: Schüler skizzieren Die SuS sollen ihre Phantasie walten lassen und selber den Aufbau eines Atoms zeichnen (im Prinzip in einem Kreis die Protonen, Neutronen und Elektronen anordnen). Danach könnte man den Streuversuch von Rutherford vorstellen und sich überlegen, welche der gebrachten Vorschläge mit diesen experimentellen Befunden vereinbar sind und welche Vorstellungen wohl verworfen werden müssen. Lehrperson skizziert Grössenvergleich von α-teilchen und Goldatom: Ein Goldatom besteht aus 79 Protonen, 79 Elektronen und 118 Neutronen Ein α-teilchen besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen

5 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 5 Schülerinnen erklären, warum die meisten Alpha-Strahlen ungehindert durch die Goldfolie gelangen und wann die Alphastrahlen stark abgelenkt werden. Anschliessend werden die Flugbahnen eingezeichnet. Resultat: Kern-Hülle-Modell Protonen und Neutronen bilden einen winzigen Kern Elektronen bilden die Hülle und nehmen sehr viel Raum ein Zwischen den Elektronen ist keine Materie Isotope Die Zahl der Elementarteilchen mit dem Periodensystem von "Chemie heute SII" bestimmen (W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, 2009) Input: Gold, da Gold in Legende gross abgebildet ist und im Experiment von Rutherford vorkam. Lernaufgabe: Aluminium und Chlor im Kern- Hülle-Modell zeichnen. Definition "Nuklide des gleichen Elements, die sich in ihrer Neutronenzahl und damit in ihrer Atommasse unterscheiden, werden isotope Nuklide oder kurz Isotope genannt. (griech. isos, gleich; topos, Ort)" (Markus Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, 2008) Diese Formulierung ist wenig fassbar und setzt eine Vertrautheit mit dem Begriff "Nuklid" voraus. Formulieren Sie eine prägnantere Definition:

6 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 6 Beispiele machen Definitionen verständlicher Wasserstoff weist 3 Isotope auf. Die Neutronen haben fast keinen Einfluss auf die Reaktivität. Wasserstoff Deuterium Tritium 1 1H 2 1H 3 1H Die drei Brüder besitzen den gleichen Familiennamen, unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse. Sie sind Isotope, die sich nur im Fettanteil voneinander unterscheiden. Quelle: Abbildung der 3 Brüder aus Januschewsky, Chemie 1 Oberstufe, Ueberreuter, Wien, S. 35 (1989) Kräfte zwischen elektrischen Ladungen (Coulomb-Kräfte) Schülerversuch Martin Schwarz, Kantonsschule Schaffhausen: Trinkhalm 2 cm lang auf einen Reissnagel mit rundem Kopf stecken, an verschiedenen Textilien reiben und auf die Arbeitsfläche stellen. Mit einem geladenen, langen Trinkhalm beeinflussen. Der Reissnagel dreht mit, wenn er auf einer geeigneten Oberfläche steht. Die Schülerinnen können die Einflüsse auf die Kraft erkunden. Experiment Ein Lappen aus Wolle wird an einem Kunststoff- und einem Glasstab gerieben. Der Kunststoffstab wird negativ, der Glasstab positiv geladen. In Worten: gleiche Ladungen stossen sich ab, ungleiche Ladungen ziehen sich an je grösser die Ladung, desto grösser die Coulomb-Kraft je näher die Ladungen, desto viel grösser die Coulom-Kraft Experiment Flying Stick bei kaufen. Das Spiel mit den Schwebefiguren eignet sich beispielsweise bestens als Einstieg in die nächste Lektion.

7 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 7 Aufgabe Welche Darstellungen sind falsch und wie könnten sie verbessert werden? Die Aufgabe gibt Anlass zu einer Diskussion über Kernkräfte, die Stabilität von Atomkernen, Wasserstoffisotope und das Problem, dass die Elektronen in den Kern stürzen sollten. Ionisierungsenergien Die Struktur der Elektronenhülle kann aus Messungen der Ionisierungsenergien abgeleitet werden. Input: Die Ionisierungsenergie muss aufgebracht werden, wenn ein Elektron entfernt wird. Je mehr Elektronen entfernt werden, desto grösser ist die Ionisierungsenergie, was an der Länge der Pfeile zu erkennen ist. Welches Modell passt zu den Ionisierungsenergien (IE), die für Lithium gemessen wurden? 1. Ionisierungsenergie 5,4 ev 2. Ionisierungsenergie 75,6 ev 3. Ionisierungsenergie 122,5 ev Resultat: Das Modell links unten stimmt mit den gemessenen Ionisierungsenergien überein: Ein Elektron in der 2. Schale lässt sich leicht entfernen, 2 Elektronen in der ersten Schale sind schwer zu entfernen, weil sie sich näher beim Kern aufhalten.

8 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 8 Lernaufgabe zur Tabelle mit den Ionisierungsenergien: 1) Zeichnen Sie ausgehend von den gemessenen Ionisierungsenergien das Schalenmodell von Magnesium, Stickstoff und Fluor. 2) Markieren Sie alle grossen Unterschiede in der Aufstellung der Ionisierungsenergien. Wie viele Elektronen haben in der ersten, wie viele Elektronen in der zweiten Schale Platz? 3) Warum sind die Elemente im Periodensystem so merkwürdig angeordnet? Warum sind in der ersten Zeile 2, in der zweiten und dritten Zeile aber 8 Elemente aufgeführt?

9 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 9 Was das Periodensystem über den Atombau aussagt Die Zeile heisst Periode und entspricht der Schale Die K-Schale ist nach dem Kern benannt. Die Fortsetzung im Alphabet gibt die Buchstaben für die weiteren Schalen. Die Spalte heisst Gruppe und bestimmt die chemischen Eigenschaften Experiment: Alkalimetalle, Schwefel und Kohlenstoff in Wasser 1) Aufgabe: Die Schülerinnen zeichnen mit Hilfe des Periodensystems das Schalenmodell von Li, Na, K, S und C. 2) Experiment demonstrieren und Beobachtung festhalten Vorsicht: Die Oxidschicht von Kalium kann zu Explosionen und üblen Verbrennungen führen! 3) Diskussion: Warum ist die Reaktivität derart verschieden? Erkenntnis: Die Valenzelektronen bestimmen die Reaktivität. Elemente einer (Haupt-)Gruppe besitzen dieselbe Zahl an Valenzelektronen. Übergangsmetalle Auftrag: Al und Ga im Schalenmodell darstellen. Information: Weil Al und Ga in derselben Gruppe stehen, müssen sie 3 Valenzelektronen besitzen. Die Übergangsmetalle sind eingeschoben. In der 3. Schale finden zunächst 8 Elektronen Platz. Dann erhält die 4. Schale 2 Elektronen und erst anschliessend wird die 3. Schale vollständig mit Elektronen aufgefüllt.

10 Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Atombau S. 10 Aufgabe: Cr, Ni, Fe, As und Ag im Schalenmodell zeichnen Demonstration: Übergangsmetalle sehen ähnlich aus, glänzen, leiten den elektrischen Strom und reagieren wenn überhaupt sehr langsam mit Wasser. Erkenntnis: Übergangsmetalle besitzen 2 Valenzelektronen Vielleicht lohnt es sich mit den Ionisierungsenergien auch die Unterschalen einzuführen, damit Sie den Zusammenhang mit dem Periodensystem, die Elektronenkonfiguration und den Einschub der Übergangsmetalle erklären können. In der Tabelle der Ionisierungsenergien ist der Unterschied etwas grösser, wenn es von der s- zur p-schale geht. Allerdings werden die Unterschalen anschliessend nicht mehr gebraucht und sind sogar ein Hindernis bei der Einführung der Lewisformeln. Bei Lewisformeln werden alle Valenzelektronen mit Punkten und Strichen dargestellt und die Unterschalen dürfen nicht berücksichtigt werden. Deshalb verzichte ich auf die Unterschalen und stelle auch die Elektronenkonfiguration nicht vor. Übung 4: Schalenmodell & Radioaktivität Aufgabe 1: Anwendung des Schalenmodells Der Alltagsbezug zeigt den Schülern, dass der Unterricht von Bedeutung ist. Gesucht sind 1 bis 2 Phänomene aus dem Alltag, die mit dem Schalenmodell erklärt werden können und für Schülerinnen und Schüler interessant sind. Damit soll gezeigt werden, dass sich die Auseinandersetzung mit dem Atombau gelohnt hat. Bitte geben Sie neben dem Titel eine stufengerechte Erklärung der Anwendung für Schülerinnen, die das Schalenmodell im Grundlagenfach bereits kennen gelernt haben. Aufgabe 2: Radioaktivität a) Welche Fragen sollen im Unterricht über Radioaktivität beantwortet werden? Bitte stellen Sie 5 Fragen, die aus Sicht der Schüler am wichtigsten sind. Die Antworten müssen nicht angegeben werden. b) Das Heft "Kernenergie Basiswissen" von Martin Volkmer ist eine wahre Goldgrube für den Unterricht. Es kann unter heruntergeladen werden. Sie schauen das Heft an, wählen 2 wichtige Abbildungen aus und formulieren eine Frage, die mit der Abbildung beantwortet, und eine Erkenntnis, die mit der Abbildung gewonnen werden kann. Wenn Sie die Abbildungen aus Platzgründen nicht mit dem Text liefern möchten, können Sie einfach die Nummer angeben. c) Entwerfen Sie eine Handskizze, die so einfach wie möglich erklärt, wie ein Kernkraftwerk funktioniert. Erwartung: Dokument von 1 bis 2 Seiten Länge, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten im Word- Format, im Notfall als PDF. Abgabe bis Donnerstag, 27. Okt Uhr, per Mail an amadeus.baertsch@kfr.ch