VORANSICHT I/A. Zaubern mit Wasserstoffbrücken oder: Warum sich Wasser so verrückt verhält. Hintergrundinformationen. Ann-Kathrin Wolf, Oldenburg

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1 18. Warum sich Wasser so verrückt verhält 1 von 22 Zaubern mit Wasserstoffbrücken oder: Warum sich Wasser so verrückt verhält Ann-Kathrin Wolf, Oldenburg Niveau: Sek. I, Klasse 10 Dauer: 4 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Die Schülerinnen und Schüler beschreiben modellhaft den submikroskopischen Bau von Wasser unter Verwendung des Kugelwolkenmodells. Sie nutzen dieses Modell zur Deutung von speziellen Stoffeigenschaften des Wassers auf der Teilchenebene. Erkenntnisgewinnung: Das Experiment wird zur Überprüfung von Hypothesen eingesetzt. Daneben nutzen die Schülerinnen und Schüler das Kugelwolkenmodell, um chemische Fragestellungen zu bearbeiten. Kommunikation: Der Zusammenhang zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen wird mithilfe des Kugelwolkenmodells hergestellt. Dabei wird die Fachsprache bewusst in Alltagssprache übersetzt und umgekehrt. Bewertung: Die Schülerinnen und Schüler nutzen fachtypische vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen zu entwickeln und zu erschließen. Der Beitrag enthält Materialien für: Fachübergreifenden Unterricht Vertretungsstunden Hausaufgaben Schülerversuche Lehrerversuche Hintergrundinformationen Wasser ist ein Stoff, der trotz seiner Alltäglichkeit eine Reihe von höchst erstaunlichen Eigenschaften aufweist. Jeder weiß, dass ein Teich nur oben zufriert, und wahrscheinlich auch den Grund dafür: dass die Dichte des Eises geringer ist als die des lüssigen Wassers. Die meisten anderen festen Stoffe haben im festen Zustand eine größere Dichte. Bei näherer Betrachtung können Schülerinnen und Schüler aber auch darüber ins Staunen geraten, dass diese winzigen Wassermoleküle auch als Gase vorliegen. Immerhin ist ihre molare Masse vergleichbar klein, wie z. B. die von Methan, Ammoniak oder Neon, die sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei deutlich tieferen Temperaturen als Gase vorliegen, weil ihre Siedetemperatur sehr viel tiefer liegt als die von Wasser. Oder man wundert sich über die erstaunlich stabile Oberlächenspannung des Wassers, die eben bei anderen Flüssigkeiten wie Alkohol, Benzin oder Speiseöl deutlich schwächer ausgeprägt ist. Das alles liegt am Dipolcharakter der Wassermoleküle und an den daraus resultierenden starken elektrostatischen Anziehungskräften zwischen den einzelnen Wassermolekülen, die auch als Wasserstoffbrückenbindungen oder kurz als Wasserstoffbrücken bezeichnet werden.

2 18. Warum sich Wasser so verrückt verhält 5 von 22 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch FoVo = Folienvorlage M 1 Fo, Ab Aggregatzustände des Wassers M 2 Ab Die Anomalie unserer Lebensgrundlage Wasser M 3 Ab Atome und Bindungen nach dem Kugelwolkenmodell M 4 Ab Ein räumliches Wassermolekül-Modell M 5 Ab, FoVo Wasserteilchen im Verbund M 6 Ab, 2 SV Wasser hat keine Balken aber Oberlächenspannung V: 2 min D: 10 min V: 2 min D: 10 min Aluminium (als Folie mindestens 20 cm x 30 cm groß oder für Versuch 2 zusätzlich ein Aluminiumstück) Ethanol oder Brennspiritus 1 Becherglas (200 ml) 1 möglichst schmaler Messzylinder 1 Pipette 1 Petrischale M 7 Ab, LV Gibt es Wechselwirkungen zwischen Ladungen? M 8 Ab, SV Sind alle Stoffe in Wasser löslich? V: 5 min D: 10 min Traubenzucker Kochsalz Speiseöl Ethanol oder Brennspiritus M 9 Ab, FoVo Ein Salz löst sich in Wasser Die Erläuterungen und Lösungen inden Sie ab Seite 16. Pro Gruppe: 4 Reagenzgläser Reagenzglashalter

3 6 von Warum sich Wasser so verrückt verhält M 1 Aggregatzustände des Wassers Ein Stoff viele Erscheinungsformen! So unterschiedlich das Wasser auf den Fotograien auch zu sehen ist, bleibt es doch immer ein Verbund von Wassermolekülen. Pixelio/M.Großmann Pixelio/O.Weber Bild 1 Bild 2 Bild 3 Pixelio/Zoschke Bild 4 Bild 5 Bild 6 Pixelio (a) (b) (c) 1. Auf den Bildern 1 6 siehst du Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen. Schreibe den jeweils passenden Aggregatzustand unter die Bilder. 2. Auf den Graiken (a), (b) und (c) sind die Aggregatzustände des Wassers dargestellt. Welcher Aggregatzustand der Bilder 1 6 gehört zu welcher Graik? 3. Was kannst du im Hinblick auf die Dichte der verschiedenen Aggregatzustände des Wassers aus den Moleküldarstellungen schließen? Welcher Aggregatzustand hat die größte Dichte (ausgedrückt in Molekülen pro Flächeneinheit)?

4 18. Warum sich Wasser so verrückt verhält 9 von 22 M 4 Ein räumliches Wassermolekül-Modell Viel besser vorstellen kann man sich das Kugelwolkenmodell, wenn man die Atome plastisch vor sich sieht. Hier kannst du (sehr stark vergrößert) ein eigenes Wassermolekül basteln. Sauerstoff 1. Schneide die Form aus. 2. Knicke das Papier entlang den inneren Strichen, sodass ein Tetraeder entsteht. 3. Fixiere die offenen Kanten mit Klebestreifen. So sollte dein fertiges Modell des Wassermoleküls aussehen 4. In die Ecken des Tetraeders denkt man sich die besetzten Kugelwolken. Setze in die mit nur einem Elektron ( )besetzten Ecken je eine Knetmassekugel. Sie repräsentiert jeweils ein Wasserstoffatom mit ebenfalls einem Elektron. 5. Bei Wassermolekülen spricht man von sogenannten Dipolen (Moleküle mit zwei (gr.: di-) Polen). Erkläre.

5 18. Warum sich Wasser so verrückt verhält 11 von 22 M 6 Wasser hat keine Balken aber Oberlächenspannung Füllt man Wasser in ein Gefäß, beobachtet man so etwas wie eine Haut auf der Wasseroberläche, die sich sogar nach oben wölben kann. Diese Haut haben nicht viele Flüssigkeiten, und sie macht Wasser enorm tragfähig. Auch der Wasserläufer nutzt das aus. Schülerversuch 1: Kann Aluminium schwimmen? Vorbereitung: 2 min Durchführung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Aluminium (als Folie mindestens 20 cm x 30 cm groß) Geräte 1 Becherglas (200 ml) 1 möglichst schmaler Messzylinder Versuchsdurchführung Fülle das Becherglas mit Wasser. Lege ein kleines Stück Alufolie vorsichtig waagerecht auf die Wasseroberläche, ohne das Wasser mit dem Finger zu berühren. Bestimme die Dichte des (trockenen) Aluminiums mithilfe der Waage und der Wasserverdrängung im Messzylinder. Achtung: Es darf keine Luft vom Aluminium eingeschlossen sein. 1. Notiere deine Beobachtung. 2. Berechne die Dichte von Aluminium und vergleiche sie mit der Dichte von Wasser (evtl. im Chemiebuch nachschlagen). 3. Formuliere eine Erklärung des scheinbaren Paradoxons mithilfe von Material 4 und 5: Überraschend ist, doch das erklärt sich durch Benutze den Begriff Wasserstoffbrücken für deine Erklärung. Schülerversuch 2: Nur ein Tröpfchen Vorbereitung: 2 min Durchführung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Ethanol oder Brennspiritus (leicht entzündlich) Geräte 1 Pipette 1 Petrischale Achtung: Vom Alkohol nur kleine Mengen (ca. 5 ml im Reagenzglas) ausgeben. Entsorgung: im Ausguss Versuchsdurchführung Zähle mit der Pipette genau 100 Tropfen Wasser in die Petrischale und bestimme deren Masse und dann die Masse eines Wassertropfens. Verfahre genauso mit dem Alkohol und vergleiche die Ergebnisse. 1. Was sagen die Ergebnisse über die Oberlächenspannung von Wasser und Alkohol aus? 2. Pharmairmen nutzen die Oberlächenspannung für Dosierungsanleitungen von lüssigen Medikamenten, z. B. täglich dreimal 20 Tropfen. Hältst du diese Angabe für genau genug? Begründe deine Meinung.

6 14 von Warum sich Wasser so verrückt verhält M 9 Ein Salz löst sich in Wasser In den Abbildungen wird illustriert, was im Versuch zur Löslichkeit beobachtet wurde. 1. Wie unterscheiden sich die Ummantelungen durch Wassermoleküle (Hydratmäntel oder Hydrathülle genannt) an Kationen und Anionen? Beschreibe. 2. Setze die fehlenden Begriffe in den folgenden Lückentext ein: brownsche Teilchenbewegung, Dipole, Hydrathülle, Ionen, Lösungsmittel, negativ geladenem Ion, Temperatur, Wassermoleküle Da Wassermoleküle kleine sind d. h., sie haben an beiden Enden unterschiedliche elektrische Ladung, ist Wasser ein sehr gutes für Stoffe, die ebenfalls aus Dipolmolekülen aufgebaut sind, und für Ionenverbindungen, da sie aus geladenen Teilchen aufgebaut sind. Aufgrund der prallen die Wassermoleküle mit einer von der abhängigen Geschwindigkeit auf den Kristall und lösen einzelne heraus. Aufgrund ihres Dipolcharakters drehen sich alle in der Nähe beindlichen mit ihrer negativen Seite zum positiv geladenen Ion bzw. mit ihrer positiven Seite zum Es bildet sich so ein Wassermantel (Hydrathülle) um das jeweilige Ion. Diesen Vorgang nennt man Hydratisierung..

7 16 von Warum sich Wasser so verrückt verhält Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Mit den Abbildungen von Wasser in verschiedenen Erscheinungsformen holen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler in deren Erfahrungswelt ab. Sie werden voraussichtlich keine Schwierigkeiten haben, die längst bekannten Aggregatzustände zuzuordnen. Die Kunst besteht nun darin, ihnen zu vermitteln, dass man in der Chemie mit Molekülvorstellungen arbeitet und dass die Anordnung der Wassermoleküle etwas mit der Erscheinungsform des Wassers auf der sichtbaren Makroebene zu tun hat. Die Bearbeitung der sollte demzufolge unbedingt ein Unterrichtsgespräch begleiten, anhand dessen die Zusammenhänge zwischen der erfahrbaren Welt (auf den Fotos) und der modellhaften Vorstellungswelt (auf den Abbildungen) deutlich werden. Je nach Kompetenzstand Ihrer Schüler können die Bilder in Begleitung von Abbildungen und auch als stummer Impuls eingesetzt werden. Lösungen (M 1) Zu 1.: Der Aggregatzustand des Wassertropfens (Bild 1), der Gischt (Bild 2) und der Wolkenbildung (Bild 4) ist lüssig. Eisblumen (Bild 3) und Schnee (Bild 6) liegen im festen Aggregatzustand vor. Das Wasser über dem Topf mit dem siedenden Wasser (Bild 5) ist gasförmig, allerdings sieht man bereits kondensiertes Wasser, das wiederum lüssig ist. Zu 2.: Die erste Graik (a) zeigt Wasser im gasförmigen Aggregatzustand. Graik (b) zeigt Wassermoleküle im Kristallgitter und Graik (c) zeigt lüssiges Wasser. Zu 3.: Abbildung 1: vier Moleküle pro Flächeneinheit, Abbildung 2: ca. neun Moleküle pro Flächeneinheit und Abbildung 3: ca. elf Moleküle pro Flächeneinheit. Erläuterung (M 2) Mit diesem Arbeitsblatt werden Messungen graisch umgesetzt, sodass die erhobenen Daten visualisiert werden. Natürlich können Sie die Daten auch im Schülerversuch selbst mit Ihrer Lerngruppe erheben, wenn Sie genug Zeit zur Verfügung haben (dann mindestens eine Doppelstunde einplanen), doch ist insbesondere die Dichtemessung von Wasser sehr fehlerträchtig, da mehrere Nachkommastellen gemessen werden müssen, um überhaupt Dichteunterschiede feststellen zu können. Wiederum liegt die Hauptschwierigkeit für die Schülerinnen und Schüler darin, aus beobachteten Phänomenen auf Gesetzmäßigkeiten und Ergebnisse zu schließen. In Aufgabe 5 werden die Ergebnisse dieses Arbeitsblatts deshalb sprachlich zusammengefasst. Lösungen (M 2) Zu 1.: Wasser hat bei einer Temperatur von 4 C die höchste Dichte. Dichte (g/cm 3 )