Zwei Unterrichtsvorschläge zur Arbeit mit dem Basiskonzept Struktur- Eigenschaftsbeziehungen Inhaltsübersicht

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1 Zwei Unterrichtsvorschläge zur Arbeit mit dem Basiskonzept Struktur- Eigenschaftsbeziehungen Inhaltsübersicht 1. Vorschlag zur Einführung der Strukturen von Metallen und Salzen Modellierübungen zur Einführung der Strukturen von Metallen und Salzen Zusatzmaterial Die Unterrichtseinheiten Arbeitsblätter zur ersten Variante der Unterrichtseinheit Vergleichstabelle Arbeitsblätter zur zweiten Variante der Unterrichtseinheit Vergleichstabelle Arbeitsblatt zum Umgang mit der Mikrowelle... 35

2 2 1. Vorschlag zur Einführung der Strukturen von Metallen und Salzen Um eine Idee zu bekommen, wie eine Einführung von Strukturen vonstatten gehen kann, soll hier ein mögliches Vorgehen aufgezeigt werden. Dies ist allerdings nur beispielhaft und enthält einiges an Zusatzmaterial, was ebenfalls verwendet werden könnte. Zudem haben diese Vorschläge keinen Anspruch auf Vollständigkeit und können andere Ansätze (z.b. nach G. Hauschild) erweitert oder ergänzt werden. Besonders die Modellierübungen und Arbeitsblätter sind sehr umfangreich gestaltet und müssen dem jeweiligen Leistungsstand der Klasse angepasst werden. Sie lassen sich aber sehr gut nutzen, um für alle Schüler differenzierte Aufgaben bereitzustellen. Phase Stundeninhalt Benutztes Modell Zusatzmaterial I Metalle Wiederholung des Atombegriffs nach Dalton, Erarbeitung der Kräftetabelle und Einführung des Periodensystems nach Barke Zellstoffkugeln: Herausfinden von Anordnungsmustern, Erarbeitung des Dreiecks- und Tabelle zu versch. Gittertypen von Metallen, zusätzl. Abb. zu Kugelpackungsanor Darstellung der versch. Anordnungsmöglichkeiten von Atomen (ABC, AB); Vierecksmuster, Bau der kubischdichtesten, dnungen, Erarbeitung von Packungsmodellen in Chemie Heute, Erarbeitung der wichtigsten Elementarzellen als Ausschnitt aus einem Kollektiv und ihrer Eigenschaften und Vorkommen, Bedeutung der Koordinationszahl hexagonalen und kubischraumzentrierten Elementarzelle II Salze Optional: unterschiedliche Lückenbesetzung Erarbeitung des Ionenbegriffs über Ladungsversuche Fortführung der Kräftetabelle, Anziehungskräfte durch gegensätzliche Ladung, Einordnung der Salze ins PSE, Ausfüllen der Lücken mit Knete Darstellung der Größe der Ionen über PSE und Zellstoffkugeln Anaglyphen, Salzlupe (Vergleich Modell + Realität), Erarbeitung des Aufbaus des Ionenkristalls, Zusammenhalt durch elektrostatische Modellierversuche mit Zellstoffkugeln zur Anziehung

3 3 Bindungskräfte Optional: Bestimmung der Formel durch die KZ, Unterschied Struktur und Formel gegesätzlich geladener Ionen (optional: Untersuchung der Lücken) 2. Modellierübungen zur Einführung der Strukturen von Metallen und Salzen Die hier genannten Modellierübungen sind insbesondere aus dem Buch von Barke Chemiedidaktik heute und aus der Zeitschrift Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 5 (1985) Nr.33 zusammengetragen. Modellierübungen zu Metallen (verändert nach Schmidt und Full 1985): Versuch 1: Ordnung ist das halbe Leben Material: 50 Zellstoffkugeln (ø 12 mm), runder und rechteckiger Plexiglasbehälter Durchführung 1: Gib eine Handvoll Zellstoffkugeln in den runden Behälter; Schüttele etwas! Beschreibe die Anordnung der Kugeln im Behälter! Betrachte den Behälter auch von unten, um das Muster am Boden zu erkennen. Durchführung 2: Schütte die Kugeln in den auf eine Kante geneigten rechteckigen Behälter! Beschreibe die Anordnung der Kugeln, wiederhole die Durchführung 2 mehrmals und achte auf verschiedene Anordnungen. Ergebnis: Die Kugeln lagern sich zusammen zu In der Ebene gibt es folgende Anordnungsmuster (Zeichne auf!)

4 4 Versuch 2: Mut zur Lücke Material: 90 Zellstoffkugeln (ø 24 mm), Holzleim Durchführung 1: Klebe die gezeichneten Anordnungen zusammen: dreimal viermal zweimal Durchführung 2: Lege drei Ebenen aus quadratischen Maschen übereinander! Lege drei Ebenen aus Dreiecksmaschen übereinander! Vergleiche die entstandenen Körper! Suche jeweils nach dreieckigen und quadratischen Formen! Ergebnis: Im ersten Körper finde ich folgende Maschen: Im zweiten Körper finde ich folgende Maschen: Versuch 3: Das ABC der Kugelschichten Material: 4 Ebenen aus Dreiecksmaschen und 2 Dreiecke aus Versuch 2 Durchführung: Lege die vier Ebenen aus Dreiecksmaschen übereinander!

5 5 Suche unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten! Achte darauf, wie die Schichten übereinander liegen. Ergebnis: Es gibt. verschiedenene Anordnungsmöglichkeiten:. Durchführung 2: Lege die Kugelschichten folgendermaßen: von oben von unten Versuche durch Drehen des oben aufliegenden Dreiecks, die bei Durchführung 1 gefundenen Anordnungen zu erhalten! Ermittle die Koordinationszahl, also die Zahl der nächsten Nachbarn eines Atoms. Nimm das grün gekennzeichnete als Ausgangspunkt Ergebnis: Die Anordnungen unterscheiden sich dadurch, dass Auswertung: Die verschiedenen Kugelpackungen werden mit Hilfe der Schichtfolge unterschieden. Es gibt die Schichtenfolge Und die Schichtenfolge Versuch 4: Material:

6 6 28 Zellstoffkugeln (ø 24 mm), Holzleim, Schichten aus Versuch 2 Durchführung 1: und zweimal zweimal zweimal einmal Klebe dir die gezeichneten Anordnungen zusammen! Setze sie dann jeweils zu einem Würfel zusammen! Information: Einen Ausschnitt aus einer großen Ansammlung von Teilchen, nennt man Elementarzelle. Diese gibt die Anordnung wieder, die im gesamten Metallgitter vorherrscht. Wenn man ganze viele Elementarzellen aneinanderhängen würde, könnte man so das Metallgitter aufbauen. Das Gitter mit der Schichtfolge ABC wird kubisch-flächenzentriert genannt. Das Gitter mit der Schichtfolge AB wird hexagonal-dichtestes Gitter genannt. Die Elementarzelle des dritten Typs heißt kubisch-raumzentriert. Zusätzlich kann man noch Aufgaben machen, bei denen man die unterschiedliche Lücken der Dreiecks- und Vierecksanordnung aufzeigt. Dabei kann man die Lücken z.b. mit Knete ausfüllen lassen, wobei die Schüler feststellen werden, dass es je nach Anordnung zu einer unterschiedlichen Lückegröße kommt. Dies soll hier aber nicht weiter ausgeführt werden. Modellierübungen zu Salzen (verändert nach Barke 2001): Versuch 5: Materialien: Na + Ionen (ø 12 mm) und Cl - Ionen (ø 30 mm) Durchführung 1: Probiere aus, wie du die Natrium- und Chloridionen möglichst dicht zusammenordnen kannst. Beachte dabei die elektrostatischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte. Zeichne den Kristall auf!

7 7 Ergebnis 1: Die Kationen und Anionen eines Kristalls halten zusammen, weil Durchführung 2: Ermittle die Koordinationszahl beider Kugelarten. Zeichne die Kugeln in einem größeren Abstand voneinander auf und mache die sechs nächsten Nachbarn deutlich. Ergebnis 2: Ein Chloridion wird von Natriumionen umgeben. Ein Natriumion wird von Chloridionen umgeben. Information: Wenn man bei der Koordination der Ionen in einem Kristallgitter dasselbe Verhältnis von Kationen zu Anionen herausbekommt, so kann man dieses auf das kleinste gemeinsame Zahlenverhältnis kürzen. Die Formel für Natriumchlorid lautet also Ladungsversuche (zur Erarbeitung des Ionenbegriffs) Versuch 6: Geladene Ballons Material: 2 Ballons, Schnur, Kleidungsstück aus Wolle, Blatt Papier Durchführung 1: Blase die zwei Ballons auf und binde sie durch eine Schnur zusammen. Reibe mit dem Kleidungsstück aus Baumwolle an beiden Ballons und lasse sie an der Schnur herunterhängen. Beobachtung: Durchführung 2: Halte das Blatt Papier zwischen die Luftballons! Beobachtung 2:

8 8 Ergebnis 1 + 2: 3. Zusatzmaterial Naturwissenschaften im Unterricht Chemie (4/1998, 46) Ein Blick ins Kochsalz, Heftrücken, nach Steiner und Galle Darstellung der verschiedenen Kugelpackungen (Internet:

9 9 4. Die Unterrichtseinheiten Die beiden Unterrichtsvorschläge sind für zwei verschiedene Klassenstufen konzipiert. Der erste eignet sich für die Anfänge des Strukturunterrichts, der Zweite setzt bereits bestimmtes Grundwissen zur Struktur von Metallen und Salzen voraus. Dennoch wurden einige Versuche in beide Varianten aufgenommen bzw. werden diese unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht. Beide Vorschläge können als Stationen Lernen durchgeführt werden, sie fordern eine hohe Selbsttätigkeit und Kreativität der Schüler. Nach der Einführung über die Modellierübungen findet das Lernen an Stationen statt. Eine Sammlung der Ergebnisse sollte über die Erstellung einer entsprechenden Tabelle stattfinden, die sich jeweils hinter den Arbeitsblättern der beiden Varianten befindet. Für jede Station sind zwei Arbeitsblätter vorgesehen. Eins für einen konkreten Versuch und ein Arbeitsblatt, damit die Schüler die Vorgänge auf der Teilchenebene nachvollziehen können. Dadurch soll den Schülern die Trennung von Stoff- und Teilchenebene deutlich werden, ein Punkt, an dem häufig Schwierigkeiten auftreten. 5. Arbeitsblätter zur ersten Variante der Unterrichtseinheit Station 1 Basteln eines Namensschilds Material: ein kleines Aluminiumblech (Dicke 0,5 cm), 1 starke Schere zum Zuschneiden des Blechs, Kerzenwachs, Nagel, 1 Porzellanschale zum Erhitzen des Waches, Dreibein, Ceranplatte, Bunsenbrenner, Pinsel, Petrischale, Ätzflüssigkeit: in diesem Fall ca. 20% Salzsäure (HCl) Durchführung: 1. Schneide das Aluminiumblech mit der Metallschere in die passende Größe. 2. Schmelze das Wachs und bestreiche das Blech mit dem Pinsel von allen Seiten damit. Achte darauf, dass wirklich jede Stelle mit Wachs bedeckt ist. 3. Nimm nun den Nagel und ritze vorsichtig deinen Namen oder etwas anderes in das Blech. Du musst durch die Wachsschicht ein wenig in das Metall hineinritzen. 4. Lege das gewachste Blech in die Petrischale und gib vorsichtig soviel Salzsäure darauf, dass das Blech vollständig damit bedeckt ist. Lasse das Ganze nun etwas 20 min ruhig stehen. Beobachte was passiert. Beobachtung: Wortgleichung: a) Stelle die Wortgleichung auf! b) Verallgemeinere die Gleichung (Metalle + )!

10 10 Reaktionsgleichung: Ergebnis: 1. Welche Rückschlüsse kann man von der Reaktionsgleichung auf die Struktur der Stoffe ziehen?

11 Station 2 11 Warum Marmor bricht und Eisen nicht - oder doch? Wie reagieren Stoffe auf Einwirkungen durch Druck, z.b. einen Hammer? Geräte: Hammer, Spachtel, Unterlage, Schutzbrille Chemikalien: Kupfer, Eisen, Magnesiumband, Steinsalz Definiere den Unterschied zwischen Plastizität und Elastizität und gib ein Beispiel für jedes Phänomen! Durchführung 1: 1. Nimm den Hammer und bearbeite Kupfer, Eisen und Magnesium vorsichtig damit. Welche Unterschiede kannst du bei der Bearbeitung feststellen? 2. Nimm ein Metallblech und einen Metalldraht und beschreibe den Unterschied zwischen Plastizität und Elastizität. Beobachtung zu 1: Beobachtung zu 2: Durchführung 2: 1. Nimm ein Steinsalzkristall und hämmere zuerst ein kleines Stück ab. Beschreibe die Bruchstelle! Nimm dann den Spachtel und versuche ein möglichst gerades Stück abzuschlagen. Wie sieht diese Bruchstelle aus? 2. Wo lassen sich möglichst gerade Schnitte machen? Beobachtung zu 1: Beobachtung zu 2:

12 Station Wenn man Metalle bearbeitet, finden Veränderungen auf der Teilchenebene statt. Nimm das Kugelschichtenmodell zur Hilfe und beschreibe was passiert, wenn du die einzelnen Schichten verschiebst! Zeichne auf! 2. Wovon könnte abhängig sein, wie leicht sich die einzelnen Schichten verschieben lassen? Stelle Hypothesen auf! 3. Nimm das Salzmodell und bearbeite auch dieses mit einem Hammer. Zeichne auf was hier passiert, denke dabei an die elektrostatischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte. 4. Begründe anhand deiner Darstellung, warum Marmor (bzw. Salz) bricht, aber Eisen nicht! 5. Zeichne auf, was auf der Teilchenebene passiert, wenn ein Stoff plastisch verformbar ist. Nimm als Beispiel einen Draht. Wie verhalten sich die Teilchen? 6. Zusatz: Wie kannst du die Unterschiede bei der Bearbeitung von Kupfer und Magnesium auf ihren Aufbau zurückführen? Denke dabei an die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Elementarzellen!

13 Station 3 13 Geräte: AST-Element: Tontopf, zum Teil ausgefüllt mit Ofenmörtel, Aktivkohle; Porzellantiegel, Zementdeckel, Gussform (z.b. aus Ofenmörtel), Ceranplatte (feuerfeste Unterlage), präparierte Mikrowelle, Spatel, Waage, Tiegelzange, Leder-Schutzhandschuh, Gussform, Schutzbrille Chemikalien: 7 g Natriumchlorid Durchführung: 1.) Vor der Durchführung dieses Versuchs bitte erst das Merkblatt zur Arbeit mit der Mikrowelle lesen! 2.) Wiege ca. 7 g Natriumchlorid ein und gib es in einen Porzellantiegel. Präpariere das AST-Element wie auf dem Merkblatt vorgegeben. 3.) Lege den Deckel auf den Tiegel und stelle das gesamte Element in die Mikrowelle auf den dort markierten Hotspot. 4.) Stelle die Mikrowelle 5 min auf der höchsten Stufe an. Stelle in der Zwischenzeit eine Gussform auf einer Ceranplatte bereit.!!!!vorsicht beim Herausholen, alle Teile sind sehr heiß!!!!! 5.) Nimm den Tiegel mit der Tiegelzange vorsichtig heraus und gieße das Salz in die dafür vorgesehene Form. Stelle auch den Tiegel auf die Ceranplatte und warte einige Minuten, bis sich die Teile abgekühlte haben. 6.) Beobachte sorgfältig die Kristallisation des Natriumchlorids. Beachte bei der Beobachtung auch eventuelle Farbänderungen! Beobachtung:

14 14 Station 3 1. Recherchiere die Schmelzpunkte von Natriumchlorid und Magnesiumchlorid. Wie kannst du die Unterschiede begründen? Gehe dabei auf den Zusammenhalt der Teilchen ein? 2. Zeichne einen Natriumchloridkristall und dann die Schmelze. Was kannst du über den Abstand zwischen den Teilchen sagen? 3. Was kannst du über die Eigenschaften des Stoffes im festen Zustand und in der Schmelze sagen? Bleiben sie gleich oder treten Veränderungen auf? 4. Zusatz: Gehe auf den Link duisburg.de/dc/material/ virtklas/chemie/flash.htm und suche dir dort die Animation zur Ionenbindung heraus. Wie wird der Ionenkristall zusammengehalten und wie kommt es dazu?

15 15 Station 4 Geräte: Kunststoffwanne, Solnhofener Bruch, Wachs, Pinsel, Bunsenbrenner, Dreibein, Becherglas, Ceranplatte, Schmirgelpapier (grob und fein), Handschuhe, Schutzbrille Chemikalien: verdünnte Salzsäure Durchführung: 1.) Reibe den Solnhofener Kalkstein zuerst mit grobem Schmirgelpapier, dann mit Feinem auf einer Unterlage ab. Wasche die Schmirgelspäne mit Wasser ab und lasse den Stein trocknen. 2.) Fülle einige Wachsstücke in ein Becherglas. Stelle das Becherglas auf das Dreibein mit Ceranplatte, entzünde den Bunsenbrenner und lasse das Wachs schmelzen. Nimm dir einen Pinsel und male mit dem geschmolzenen Wachs ein Bild auf den getrockneten Stein, z.b. einen Rahmen und in diesen Rahmen eine Figur. Überziehe auch die Seitenflächen des Steines mit Wachs. 3.) Lege den Kalkstein in die Kunststoffwanne und übergieße die Seite mit deinem Bild mit wenig verdünnter Salzsäure und warte ein paar Minuten. Halte dabei genügend Sicherheitsabstand, es besteht Spritzgefahr. Wenn die Reaktion beendet ist, schütte die Säure auf dem Stein vorsichtig in die Wanne- benutze dazu Handschuhe. Führe den Säureüberguss 5-6-mal durch. Am Ende kannst du den Wachsüberzug mit einem Spatel abkratzen. Zeichnung: mit Wachs überzogene Fläche mit Wachs überzogene Fläche Beobachtung:

16 16 Station 4 1. Entwickle einen Versuch mit dem du das entstehende Gas nachweisen kannst. Verwende möglichst kleine Mengen an Chemikalien. 2. Wenn du weißt welches Gas es ist, stelle die Reaktionsgleichung als Wort- und Reaktionsgleichung auf. Wortgleichung: Reaktionsgleichung: 3. Welche Rückschlüsse kannst du über die Reaktionsgleichung auf die Struktur ziehen? Welche Auskünfte werden dir gegeben? 4. Welche besonderen Eigenschaften zeichnen die Carbonate aus? Begründe warum sie zur Gruppe der Salze gehören. Recherchiere dazu im Internet!

17 Station 5 17 Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Stoff Einwirkungen von außen, zum Beispiel durch Hämmern, entgegensetzt. Die Härte gehört zu den physikalischen Stoffeigenschaften. Um den Härtegrad bestimmen zu können, hat ein Herr Mohs eine Skala aufgestellt anhand derer man verschiedene Stoffe einordnen kann. Durchführung: Nimm einen Salzkristall und ein Metallblech und versuche sie innerhalb der Skala einzuordnen. Besorge dir die entsprechenden Messutensilien und führe mehrere Proben durch. Beobachtung: Ergebnis:

18 Station Welche Unterschiede ergeben sich bei der Bearbeitung von Metallen und Salzen? Wie kann man das auf ihre unterschiedliche Struktur zurückführen? Benutze zur Begründung deiner Antwort ein Zellstoffkugelmodell zu Metallen und zur Ionenbindung. 2. Da man in der modernen Werkstofftechnik genauere Angaben über die Härte braucht, wurde ein zweites Verfahren nach Vickers entwickelt, bei dem eine Diamantspitze immer mit einer vorgegebenen Kraft auf das Material gedrückt wird. Je kleiner der Eindruck ist, umso härter ist das Material. Aufgabe: Nimm dir die Zeichnung des Vorgehens nach Vickers vor. Wenn du dir das Metallschichtenmodell zur Hilfe nimmst, wie kann man sich das Eindringen des Diamant in die Kugelschichten vorstellen? Zeichne auf! 3. Wovon hängt die Härte eines Stoffes ab bzw. der Grad wie weit der Diamant in einen Stoff eindringen kann? 4. Welches der Nachweisverfahren (Vickers/Mohs) ist deiner Meinung nach genauer? Begründe! Zusatz: Recherchiere im Internet, wo Einsatzgebiete der beiden Verfahren sind.

19 Station 6 19 Geräte: AST-Element: Tontopf, zum Teil ausgefüllt mit Ofenmörtel, Aktivkohle; Porzellantiegel, Zementdeckel, Ceranplatte (feuerfeste Unterlage), präparierte Mikrowelle, Spatel, Waage, Tiegelzange, Leder-Schutzhandschuh, Gussform, Schutzbrille Chemikalien: 15 g Zinnpulver Durchführung: 1.) Lies dir das Merkblatt zum Umgang mit der Mikrowelle durch 2.) Wiege etwa 15 g Zinnpulver ab und gib es in den Porzellantiegel. 3.) Präpariere das AST-Element wie auf dem Merkblatt beschrieben. 4.) Lege den Deckel auf das AST-Element und stelle es in die Mikrowelle. Lass es 5 min auf der höchsten Stufe in der Mikrowelle durchglühen. 5.) Stelle in der Zwischenzeit die Form, in die du das Zinn gießen willst auf einer Ceranplatte bereit.!!!vorsicht beim Herausnehmen, alle Teile sind sehr heiß!!!! 6.) Nimm nur den Tiegel vorsichtig mit einer Tiegelzange heraus und gieße das Zinn in die dafür vorgesehene Gussform. Warte einige Minuten bis sich alle Geräte etwas abgekühlt haben. Beobachtung: Ergebnis:

20 Station Suche aus der Literatur die Schmelz- und Siedepunkte von Zinn heraus! Vergleiche diese mit denen von Eisen und Kupfer. Worauf sind die Unterschiede zurückzuführen? Beziehe die Teilchenebene mit ein! 2. Vergleiche die Schmelz- und Siedepunkte! Warum muss anscheinend mehr Energie (z.b. in Form von Wärme) zugeführt werden, wenn ein Stoff verdampft wird als wenn er nur geschmolzen wird? 3. Eine wichtige Eigenschaft von Stoffen sind ihre Schmelz- und Siedepunkte, da diese bei einem Stoff immer gleich sind und man sie daran identifizieren kann. Schmelz- und Siedepunkte geben den Übergang von einem Aggregatzustand in den nächsten an. Dabei finden wichtige Veränderungen auf der Teilchenebene statt. Kannst du diese beschreiben? Du kannst dir Zellstoffkugeln zur Hilfe nehmen. Vergleiche deine Ergebnisse mit der Homepage

21 21 4. Kleine Denkaufgabe: Wir nehmen für einen Metalldraht die folgenden Eigenschaften an: a. er leitet Strom b. braune Farbe c. Schmiedbarkeit Wenn wir den Draht in einem geschlossenen Behälter erhitzen und verdampfen würden, entsteht ein Gas mit den folgenden Eigenschaften: a. starker Geruch b. gelbe Farbe c. greift Kunststoff an i) Wenn es möglich wäre ein einzelnes Atom aus dem Metalldraht zu entfernen, welche der sechs beschriebenen Eigenschaften würde es haben? Begründe! ii) Wenn man ein einzelnes Atom aus dem Metallgas isolieren könnte, welche der sechs Eigenschaften würde dieses haben. Begründe! 6. Vergleichstabelle Aufbau Metall Salz Bausteine Atome Ionen (Kationen und Anionen) Anordnung Metallgitter, dichteste Kugelpackung Eigenschaften Schmelzbarkeit Reaktion mit Säure Härte Zinn ist leicht schmelzbar, Metalle lassen sich in leicht- und schwerschmelzbare einteilen, durch Energiezufuhr löst sich das Gitter auf, die Teilchen benötigen mehr Platz Reaktionsgleichung, Reaktionsart, Entstehung von Wasserstoff, Zeichnung der RG anhand des Dalton Modells an der Tafel Die Härte hängt vom Zusammenhalt der Teilchen ab, Metalle können weich und hart sein, z.b. Zinn und Eisen; nach Mohs werden sie als weich definiert,metallatome halten sehr fest zusammen; durch Legieren kann man Metalle erhärten Ionengitter, Kationen und Anionen ziehen sich gegenseitig an Natriumchlorid ist bei 801 C schmelzbar, das Gitter löst sich auf, die Ionen bleiben in der Schmelze erhalten Reaktionsgleichung, Reaktionsart, Carbonate gehören zur Gruppe der Salze, reagieren aber spezifisch Natriumchlorid ist nicht sehr hart, es wird mit einem Härtegrad von 2 Mohs ausgeschrieben, der Zusammenhalt von Ionen ist schwächer als der von Atomen in einer Metallbindung Plastizität Metalle sind plastisch verformbar, Natriumchlorid ist nicht plastisch verformbar, es bricht Elastizität Metalle sind elastisch, wenn man sie ein wenig biegt, können sie wieder in die Ausgangposition zurückfedern Natriumchlorid ist nicht elastisch, es lässt sich nicht verformen Abbildung der Strukturvorstellung Abbildung der Strukturvorstellung

22 22 7. Arbeitsblätter zur zweiten Variante der Unterrichtseinheit Station 1 Eine wichtige Eigenschaft von Stoffen ist ihre Fähigkeit Elektronen zu leiten. Überprüfe, ob dies bei Salzen im festen und geschmolzenen Zustand der Fall ist. Löse es zusätzlich in Wasser und miss dort die Leitfähigkeit! Material: Dreibein, Drahtnetz, Stative, Klemmen, 2 Eisennägel, Kabel, Krokodilklemmen, Porzellanschale, 4,5-Volt Flachbatterie, Bechergläser, Grafit-Elektroden, Strommesser, Glühlampe Chemikalien: Steinsalzkristall, Lithiumchlorid, Kaliumchlorid, destilliertes Wasser, Eisenblech, Aluminiumblech, Zinkblech (falls ihr schon Metall gegossen habt, probiert auch dieses aus) Durchführung: 1. Baue einen Stromkreis auf und miss die Leitfähigkeit eines festen Salzkristalls. 2. Baue einen Stromkreis aus Batterie, Strommesser, Glühlampe und zwei Grafit- Elektroden (Eisennägel?) auf. Gib eine Mischung aus 21 g Lithiumchlorid und 7 g Kaliumchlorid in eine Porzellanschale und erhitze kräftig, bis eine klare Schmelze vorliegt. Tauche die beiden Grafit-Elektroden in die Schmelze ein. 3. Gib ca. 5 g der oben angegebenen Salze in ein Becherglas und gib destilliertes Wasser hinzu. Führe nun die Leitfähigkeitsmessung wie im vorherigen Versuch durch. Protokolliere deine Ergebnisse. Messergebnisse: Steinsalz (fest): Salzmischung (Schmelze): Lithiumchlorid (gelöst): Kaliumchlorid (gelöst): Ergebnis: Schlussfolgerung:

23 Station Schaue dir auf der Seite die Simulation zum Thema Ionenbindung an. Welche Schlussfolgerungen kann man daraus in Bezug auf die Leitfähigkeit von Ionen und Ionenkristallen ziehen? 2. Begründe die Ergebnisse des durchgeführten Versuchs! Wie sind diese auf der Teilchenebene zu erklären? 3. Beschreibe die Vorgänge bei der Leitfähigkeitsmessung in der Natriumchloridschmelze. Verwende dabei die Begriffe: Kathode, Anode und Elektrolyse. 4. Zusatz: Beschreibe die Vorgänge beim Lösen von Salzen in Wasser! Wann entstehen die Ionen und wie liegen sie in Lösung vor?

24 24 Station 2 Geräte: Batterie, Kabel, Lampe, Kupferblech, Zinkblech, Eisenblech Durchführung: Baue einen Stromkreis aus Batterie, Kabel und Lampe auf, so dass du die verschiedenen Metallbleche zwischenschalten kannst. Wenn die Lampe aufleuchtet, weißt du, ob das Metall leitet oder nicht. Beobachtung: Kupfer: Zink: Eisen: Ergebnis: Zusatz: 1. Finde drei Alltagsbeispiele, bei denen die Leitfähigkeit von Metallen ausgenutzt wird! Sage dabei auch, um welches Metall sich explizit handelt. 2. Definiere die Begriff Leiter, Halbleiter und Isolator und gib Beispiel für ihre Anwendung.

25 25 Station 2 1. Wie kann man sich die Stromleitung innerhalb von Metallen vorstellen? Zeichne auf? 2. Gehe nun auf den Link duisburg.de/dc/material/ virtklas/chemie/flash.htm. Gehe dort zu der Aufgabe Stromleitung in Metallen und klicke die erste Folie an. Schaue dir die Seite genau an und führe den dort aufgebauten Versuch durch. Was stellst du fest? 3. Schaue dir die Modellvorstellung der Stromleitung an (Button oben rechts)! a. Stimmt sie mit deiner Darstellung überein? b. Wie kannst du das Ergebnis der zweiten Aufgabe erklären?! Nutze die Grafik für deine Argumentation

26 26 Station 3 Geräte: AST-Element: Tontopf, zum Teil ausgefüllt mit Ofenmörtel, Aktivkohle; Porzellantiegel, Zementdeckel, Plätzchenform: Stern, Ceranplatte (feuerfeste Unterlage), präparierte Mikrowelle, Spatel, Waage, Tiegelzange, Leder- Schutzhandschuh, Amboss, Hammer, Schmirgelpapier Chemikalien: 8 g Kupferpulver, 2 g Zinnpulver oder für ein besseres Gießergebnis 12 g Kupfer und 4 g Zinn feste Zinn- und Kupferproben Durchführung: 1.) Lies dir das Merkblatt zum Umgang mit der Mikrowelle durch. 2.) Wiege die angegebenen Mengen Kupfer und Zinn ab, gib sie in den Porzellantiegel und vermische sie gut miteinander. Gib etwas Aktivkohle auf die Mischung. 3.) Lege einen Deckel auf den Tiegel und stelle das AST-Element in die Mikrowelle. Glühe es dort bei 700 Grad 6 Minuten lang durch. 4.) Stelle in der Zwischenzeit deine Gussform bereit.!!vorsicht beim Herausnehmen, alle Teile sind nun sehr heiß!!! 5.) Kippe den Inhalt des Tiegels schnell in die vorbereitete Gussform, die sich auf der Ceranplatte befindet und stelle den Tiegel daneben. 6.) Warte bis das Metallstück fest geworden ist und sich abgekühlt hat. Um es schneller abkühlen zu lassen, kannst du es auch unter den Wasserhahn halten. 7.) Um eine bessere Farbe zu erhalten, kannst du die Glockenbronze abschmirgeln. Aufgabe 1: An der Station liegen ebenfalls Kupfer- und Zinnproben. Untersuche diese auf ihre Eigenschaften, besonders Schmiedbarkeit und Härte. Kannst du Unterschiede feststellen? Beobachtung:

27 27 Station 3 1. Bei Legierungen werden in das Metallgitter Fremdatome eingelagert. Es gibt zwei Arten von Legierungen, die so genannten Einlagerungs- und die Substitutionsmischkristalle. O b e i n S t o f f in die eine oder andere Kategorie gehört, hängt von den Radien seiner zusammensetzenden Atome ab. Suche die Radien von Zinn und Kupfer und von Stahl (Gemisch aus Eisen und Kohlenstoff) heraus. Ordne ein, um welchen Mischkristall es sich jeweils handelt! 2. Unterscheide zwischen einem Gemisch und einer Legierung! Stelle dies mit Hilfe von Zellstoffkugeln dar und zeichne auf. Begründe! 3. Mit welchem dir bekannten Modell kann man die Bindungsverhältnisse in einer Legierung beschreiben? Zeichne auf! 4. Glockenbronze setzt sich aus Kupfer und Zinn zusammen. Es liegen zwei Proben der jeweiligen Stoffe bereit. Sind nennenswerte Unterschiede zwischen Kupfer, Zinn und Glockenbronze herauszustellen? 5. Welche Vorteile haben also die Legierungen? Welche Einsatzfelder von Legierungen kennst du aus deiner Umwelt? Finde 3 Beispiele!

28 28 Station 4 Geräte: Kunststoffwanne, Solnhofener Bruch, Wachs, Pinsel, Bunsenbrenner, Dreibein, Becherglas, Ceranplatte, Schmirgelpapier (grob und fein), Schutzbrille, Handschuhe Chemikalien: verdünnte Salzsäure Durchführung: 1. Reibe den Solnhofener Kalkstein zuerst mit grobem Schmirgelpapier ab, dann mit Feinem auf einer Unterlage ab. Wasche die Schmirgelspäne mit Wasser ab und lasse den Stein trocknen. 2. Fülle einige Wachsstücke in ein Becherglas. Stelle das Becherglas auf das Dreibein mit Ceranplatte, entzünde den Bunsenbrenner und lasse das Wachs schmelzen. Nimm dir einen Pinsel und male mit dem geschmolzenen Wachs ein Bild auf den getrockneten Stein, z.b. einen Rahmen und in diesen Rahmen eine Figur. Überziehe auch die Seitenflächen des Steines mit Wachs. 3. Lege den Kalkstein in die Kunststoffwanne und übergieße die Seite mit deinem Bild mit wenig verdünnter Salzsäure und warte ein paar Minuten. Halte dabei genügend Sicherheitsabstand, es besteht Spritzgefahr. Wenn die Reaktion beendet ist, schütte die Säure auf dem Stein vorsichtig in die Wanne- benutze dazu Handschuhe. Führe den Säureüberguss 5-6-mal durch. Am Ende kannst du den Wachsüberzug mit einem Spatel abkratzen. Zeichnung: mit Wachs überzogene Fläche mit Wachs überzogene Fläche Beobachtung:

29 29 Station 4 5. Entwickle einen Versuch mit dem du das entstehende Gas nachweisen kannst. Verwende möglichst kleine Mengen an Chemikalien. 6. Wenn du weißt welches Gas es ist, versuche die Reaktionsgleichung als Wort- und Reaktionsgleichung aufzustellen. Wort- und Reaktionsgleichung: 7. Welche besonderen Eigenschaften zeichnen die Carbonate aus? Begründe warum sie zur Gruppe der Salze gehören. 8. Rückschluss: Wie weist man Carbonate nach?

30 30 Station 5 Namensschilder basteln Geräte: Aluminiumblech, Becherglas, Wachs, Petrischale, Pinsel, Dreibein, Ceranplatte, Bunsenbrenner, Nagel Chemikalien: verdünnte Salzsäure Durchführung: Stelle auf das Dreibein mit Ceranplatte ein Becherglas und gib etwas Wachs hinein. Positioniere den Bunsenbrenner dort unter und zünde ihn an. Lass das Wachs langsam schmelzen. Wenn das Wachs geschmolzen ist, nimm den Pinsel, bestreiche das Aluminiumblech von allen Seiten mit Wachs und lass es trocknen. Ritze mit dem Nagel deinen Namen in das Blech und lege es vorsichtig in die Petrischale. Gib Salzsäure über das Blech in die Petrischale, so dass es vollständig mit Säure bedeckt ist. Lass das Ganze 30 min stehen und beobachte es zwischendurch! Beobachtung: Wort- und Reaktionsgleichung: 1. Verallgemeinere die Wortgleichung: ( Metall +.), welche Stoffe entstehen? 2. Welche Rückschlüsse kann man von der Formel auf die Struktur ziehen? 3. Wie kann man Metall vor Säureangriff schützen?

31 31 Station 6 Wir schreiben das Jahr 1756, der kleine Hannes erinnert sich: Jedes Jahr im August fand auf dem Dorfplatz ein riesiger Jahrmarkt statt. Unser Dorf lag in der Nähe von Paris und es traten Künstler aus aller Welt auf. Derjenige, der mich am meisten beeindruckt hat, nannte sich Puccini, der Starke. Dieser brüstete sich mit seiner Fähigkeit, eine mindestens 5 cm dicke Eisenstange mit seinen zwei Händen verbiegen zu können. Trotz seines recht monströsen Auftretens von immerhin 150 kg Muskelmasse wollte ihm das natürlich keiner so recht glauben. Wetten wurden abgeschlossen und alles wartete gespannt auf die 15 Uhr Vorstellung. Dann war es endlich soweit. Puccini, der Starke trat vor und nahm die Stange in beide Hände. Schweiß trat ihm auf die Stirn, er begann die Stange fest zu drücken. Die Stimmung im Publikum war angespannt. Und tatsächlich! Zentimeter für Zentimeter bog sich die Stange, bis sie einen beachtlichen Knick in der Mitte hatte. Das Publikum war jedes Mal außer sich, denn dass hätte keiner gedacht. Ein kleiner Junge sammelte stets das Geld der verlorenen Wetten ein; es kam immer eine ganze Menge zusammen. Wie schaffte Puccini das nur?! Geräte: Eisennagel, Tiegelzange, Bunsenbrenner Durchführung: Nimm den Eisennagel in beide Hände und versuche ihn zu biegen! Schalte den Bunsenbrenner an und halte den Nagel mit der Tiegelzange für etwa 1-2 Minuten in die Flamme. Halte ihn ganz ruhig und warte, bis die Stelle rot glüht. Versuche nun den Nagel mit Hilfe einer weiteren Tiegelzange zu biegen, fasse ihn aber nicht an. Beobachtung:

32 32 Station 6 Früher wussten die Leute noch nicht so gut darüber Bescheid wie Stoffe von innen aufgebaut sind, was sich fahrende Künstler wie Puccini zunutze machten. Du als Strukturdetektiv wärst ihm aber sicherlich nicht auf den Leim gegangen, oder?! Wie kann man erklären, dass sich die Eisenstange so gut durchbiegen ließ, obwohl es schon mit einem kleinen Nagel ziemlich schwierig ist? 1. Begründe dies mit den verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten des Eisens in der dichtesten und hexagonal-dichtesten Kugelpackung. Darstellungen dazu kannst du im Internet finden. 2. Stelle mit Hilfe von Zellstoffkugeln dar, wie man die eine in die andere überführen kann.

33 33 Station 7 Geräte: Hammer, Spatel, Natriumchloridkristall, Bunsenbrenner, Handschuhe Durchführung: a) Versuche den Salzkristall zu verbiegen oder zu brechen. Nimm dann Hammer und Spatel zur Hilfe und versuche es damit. b) Erhitze den Natriumchloridkristall und versuche ihn zu brechen. Ziehe dazu Handschuhe an, da der Kristall sehr heiß werden kann! Beobachtung: Auswertung: Zusatz: a) Beschreibe die Bruchstelle des Kristalls möglichst genau und/oder zeichne sie!

34 34 Station 7 1. Statt Verformbarkeit spricht man bei Salzen eher von Sprödigkeit. Wie kannst du das begründen? 2. Zeichne die Modellvorstellung eines Natriumchloridkristalls auf! Nimm zur Lösung der folgenden Aufgaben das Zellstoffkugelmodell eines Natriumchloridkristalls zu Hilfe und probiere erst aus! a) Was passiert mit den Schichten, wenn man sie verformt?! b) Wie kann man anhand dessen begründen, dass der Kristall zerbricht? 8. Vergleichstabelle Aufbau Metalle Salze Bausteine Atome Ionen Anordnung Dichteste Kugelpackungen bzw. positive Atomrümpfe und delokalisierte Elektronen Art der Bindung Elektronengasbindung, positive Atomrümpfe und Elektronenwolke Eigenschaften Schmelz-und Siedepunkt Zinn ist bei 290 C schmelzbar, es gehört zu den niedrigschmelzenden Metallen, die Schmelzbarkeit leitet sich von der Festigkeit der Bindung ab, je höher diese ist, umso schwerer ist es das Metallgitter zu zerstören Kationen und Anionen setzen sich abwechselnd zu einem Gitter zusammen Ionenbindung, Erklärung durch die Schalentheorie Natriumchlorid ist bei 801 C schmelzbar, Ionenverbindungen haben sehr unterschiedliche Schmelzpunkte, die Höhe hängt von der Ladung der Teilchen ab. Reaktion mit Säure Reaktionsgleichung Reaktionsgleichung Legierbarkeit Metalle sind legierbar, bei Glockenbronze handelt es sich um eine Substitutionslegierung, die Metallatome sind nahezu gleichgroß, die Bindung ist dieselbe wie im Metall mit NaCl ist eine Verbindung von einem Metall-Ion und einem Nichtmetall-Ion, der Begriff Legierung wird nur im Zusammenhang mit Metallen verwendet.

35 35 Leitfähigkeit einigen Fremdatomrümpfen Metalle sind gute Leiter, die Leitfähigkeit nimmt bei Erwärmung des Metalls ab; die freien Elektronen können sich frei durch das Metall bewegen und somit den Strom leiten, Wärme regt die Schwindung der Atomrümpfe an und behindert so den Strom Salze leiten im festen Zustand nicht den Strom, die Ionen sind fest im Gitter verankert; in der Schmelze leiten sie den Strom, da die Ionen als Elektronenträger dienen; im flüssigen Zustand werden Ionen von Wassermolekülen umgeben und bleiben deshalb erhalten, sie leiten dort den Strom 9. Arbeitsblatt zum Umgang mit der Mikrowelle Sicherheitshinweise zum Umgang mit der Mikrowelle Die Mikrowelle bietet sich zur Durchführung von Versuchen an, die Temperaturen benötigen, die mit einem Bunsenbrenner nicht mehr zu erreichen sind. Das bedeutet aber auch, dass die Temperaturen auf die sich Versuchsgeräte aufheizen so hoch sind, dass man sich an ihnen verbrennen kann. Deshalb ist beim Umgang mit der Mikrowelle IMMER Vorsicht geboten! Um die Temperaturen von ca. 900 C zu erreichen, sind zwei Dinge nötig. Zum einen muss man den so genannten HOT SPOT finden, einen Punkte, an dem die Mikrowellenstrahlung besonders stark ist. In der benutzten Mikrowelle ist dieser Punkt bereits markiert. Zum anderen muss man seinen Versuch in einem AST-Element durchführen, welches rechts dargestellt ist. In einem AST-Element befindet sich Aktivkohle, ein Stoff, der besonders gut Wärme absorbiert (aufnimmt). Dadurch heizt sich das Element noch mehr auf. Um mit dem AST-Element arbeiten zu können, füllt man den zu schmelzenden Stoff in den Porzellantiegel und stellt diesen in den Tontopf. Dann füllt man den Topf von allen Seiten Aktivkohle auf, damit der Tiegel von allen Seiten damit umgeben ist. Zum Schluss bedeckt man den Tiegel mit einem Deckel. Danach kann das komplette Element auf den markierten HOT SPOT gestellt und die Mikrowelle auf die gewünschte Zeit eingestellt werden. Nach der Erhitzung des AST- Elements in der Mikrowelle sind alle Gegenstände nur noch mit einer Tiegelzange und NICHT MEHR MIT DEN HÄNDEN zu berühren. Zum Gießen des Stoffes sollte lediglich der Tiegel aus der Mikrowelle herausgenommen werden, nicht das ganze AST-Element. Alle gegossenen Stoffe müssen einige Minuten zum Abkühlen stehen gelassen werden!

36 36 Literatur 1. Barke, H.- D.: Chemiedidaktik: Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg Barke, H.D., Wirbs, Hilde: Chemische Symbole für kleinste Struktureinheiten. In: Praxis der Naturwissenschaften- Chemie 2 (2000) 49, S Barke, H.D.: Das chemische Dreieck. In Naturwissenschaft im Unterricht Chemie 13 (2002) 67, S Barke, H.D.: Formeln ableiten aus Modellen. In: Unterricht Chemie 15 (2004) 82/83, S Barke, Hans- Dieter, Harsch, Günther: Chemiedidaktik heute: Lernprozesse in Theorie und Praxis. Springer- Verlag, Berlin Heidelberg Bauer, H., Grosser, C.G.: Zur Strukturorientierung im Chemieunterricht. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 5 (1985) 33, S Bauer, H.: Die heiligen Kühe des Chemieunterrichts- ein zentrales Problem der Fachdidaktik; in: Dahnke, H.: Zur Didaktik der Physik und Chemie. Schroedel, Hannover 1974, S Haupt, Peter: Chemikalienmodelle für den Anfangsunterricht. Didaktisches Zentrum Oldenburg, Zentrum für pädagogische Berufspraxis Grosser, C.G.: Strukturorientierter Chemieunterricht von Anfang an. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 5 (1985) 33, Nick, S., Buchholtz, K.: Eine alte Methode neu entdeckt. Rot- grün Abbildungen zur Darstellung dreidimensionaler Strukturen im Chemieunterricht. In: Praxis der Naturwissenschaften- Chemie in der Schule 2 (2003) 52, S Sauermann, Dieter, Barke, H.D.: Chemie für Quereinsteiger- Band 1- Strukturchemie und Teilchensystematik. Schüling Verlag, Münster Sauermann, Dieter, Barke, H.D.: Chemie für Quereinsteiger- Band 2- Struktur der Metalle und Legierungen. Schüling Verlag, Münster Schmidt, Stefan, Full, Roland: Metalle und Legierungen im Anfangsunterricht. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 5 (1985) 33, Schmidt, Stefan: Das strukturorientierte Unterrichtskonzept. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 5 (1985) 33,