Wasser Eine besondere Flüssigkeit

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1 Didaktische FWU-DVD Wasser Eine besondere Flüssigkeit Mit 3D-Interaktion

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen die Aggregatzustände des Wassers und können Beispiele für ihr Vorkommen aus Alltag und Natur nennen; verstehen, wie man eine Valenzstrichformel aufstellt und lesen aus ihr die Bindungsverhältnisse im Molekül heraus; können das Modell einer polaren kovalenten Bindung auf das Wassermolekül anwenden; kennen den Begriff Teilladung und können diesen durch Symbole kennzeichnen; haben ein Konzept vom Raumbedarf bindender und freier Elektronenpaare; wissen, dass Wasser eine Dichteanomalie zeigt und sich bei Gefrieren ausdehnt; können die Begriffe Hydrathülle, Wasserstoffbrückenbindung, Dipol definieren; wissen, dass sich Wasser und Öl nicht mischen; verstehen, dass Eis, flüssiges und gasförmiges Wasser aus den identischen Teilchen aufgebaut sind und entwickeln eine Vorstellung von der inneren Struktur des Wassers bei verschiedenen Aggregatzuständen; entwickeln ein Konzept davon, wie Wasserdipole ein Salzkristall auflösen können; erkennen, dass durch die Verschiebung der bindenden Elektronen in den polaren Atombindungen das Wassermolekül positivere und negativere Bereiche hat; verstehen, dass im Wassermolekül die Wasserstoffe und freien Elektronenpaare ein Tetraeder bilden; erkennen die Bedeutung des Wassers als universelles Lösemittel für alle polaren Stoffe; bewerten Wasser als unverzichtbar für alles Leben. 2

3 Zum Inhalt Wasser überall (Kurzfilm 3:10 min) Unsere Erde ist ein blauer Planet. Drei Viertel seiner Oberfläche bestehen aus Wasser. Es hat zum Teil unseren Planeten geformt. Auch die Lebewesen auf der Erde sind auf das Wasser angewiesen. Vielmehr noch sie bestehen sogar zum Großteil aus Wasser. Die Aggregatzustände (Kurzfilm 5:40 min) Wasser kommt als festes Eis, als flüssiges und als gasförmiges Wasser vor. Die Ursache für diese unterschiedlichen Erscheinungsformen liegt in der inneren Struktur begründet. In jeder dieser Formen besteht das Wasser aus Wasserteilchen. Im flüssigen Wasser können sich die Wasserteilchen gegeneinander bewegen. Zwischen ihnen gibt es schwache Anziehungskräfte, sodass immer wieder Teilchen aneinander hängen bleiben, sich aber auch wieder voneinander lösen. Dadurch ist das flüssige Wasser 3

4 leicht verformbar. Je kälter das Wasser wird, umso weniger bewegen sich die Wasserteilchen. Sie bleiben immer mehr aneinander hängen. Bei Null Grad Celsius, dem Gefrierpunkt, nehmen sie feste Plätze ein, auf denen sie noch schwingen, von denen sie sich aber nicht mehr fortbewegen. Es ist ein Feststoff entstanden, das Eis. Im gasförmigen Wasser lösen sich die Wasserteilchen von den anderen sie schweben frei und nutzen allen ihnen zur Verfügung stehenden Raum aus. Gasförmiges Wasser ist für uns nicht mehr sichtbar es ist aber da, wie man durch Kondensation des Gases an einer Glasscheibe belegen kann. Das Lösen (Kurzfilm 5:10 min) Wenn Salz sich in Wasser löst, verschwindet es nicht obwohl man es nicht mehr sieht. Was passiert auf Teilchenebene? Im flüssigen Wasser bewegen sich die Wasserteilchen durcheinander und ziehen sich immer wieder kurzzeitig gegenseitig an. Diese Anziehung kommt dadurch zustande, dass Wasserteilchen zwei unterschiedliche Seiten haben Wasser ist ein Dipol. Der Dipolcharakter des Wassers spielt auch beim Lösen von Eisteepulver oder Salz in Wasser eine Rolle. Die meisten Stoffe, die aus geladenen Teilchen bestehen, können vom Wasser gelöst werden. Solche wässrigen Lösungen spielen eine große Rolle in unserem Alltag und in der Natur. 4

5 Der Bau des Wassermoleküls (Kurzfilm 7:20 min) Kühlt man eine Wasserflasche unter Null Grad Celsius ab, so kann sie platzen. Aber warum platzt die Wodkaflasche nicht? Die Ursache liegt auf der Teilchenebene: In der Chemie wird Wasser mit der Formel H 2 O abgekürzt. Jedes Wasserstoffatom ist mit dem Sauerstoff eine Atombindung eingegangen, auch kovalente Bindung genannt. Die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs spielen eine große Rolle für den gesamten Bau des Wassermoleküls, denn sie beanspruchen Platz! Räumlich gesehen müssen um den zentralen Sauer stoff herum die zwei bindenden Elektronenpaare mit den Wasserstoffatomen und die zwei freien Elektronenpaare des Sauerstoffs Platz finden. Ordnet man diese vier Elektronenpaare um den Sauerstoff so an, dass sie immer den gleichen Abstand zueinander haben und verbindet die Spitzen dieses Gebildes, erhält man einen Tetraeder. Konzentriert man sich nun auf das Wasser molekül an sich, so wird deutlich, dass Wasserstoffatome und Sauerstoffatome nicht auf einer Linie liegen können. Das Wassermolekül ist vielmehr gewinkelt aufgebaut und damit ein Dipol. Die Dichteanomalie (Kurzfilm 3:20 min) Im flüssigen Wasser ziehen sich die Dipolmoleküle immer wieder gegenseitig an. Diese Anziehung nennt man Wasserstoffbrückenbindungen. Sie werden immer wieder gebrochen, da im flüssigen Wasser die Bewegungsenergie der Wassermoleküle zu hoch ist. Kühlt man die Flüssigkeit ab, so bewegen sich die Moleküle immer weniger, bis die Wasserstoffbrückenbindungen dauerhaft bestehen bleiben und die Moleküle nur noch auf der Stelle schwingen. Es entsteht ein regelmäßiges Gitter. Vergleichen wir dieses mit der Flüssigkeit, so wird deutlich, dass die Moleküle im Eis durch die regelmäßige Anordnung mehr Platz einnehmen. Wasser dehnt sich also beim Gefrieren aus. Pro Raumvolumen befinden sich also im festen Eis weniger Moleküle als im flüssigen und damit hat Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Das ist bei fast keinem anderen Stoff so. Der Würfel aus gefrorenem Olivenöl sinkt im flüssigen Öl ab und auch das Schokoladenstück sinkt in die geschmolzene Schokolade ein. Nur bei Wasser schwimmt der Eiswürfel man spricht von der Dichteanomalie des Wassers. 5

6 Wasser-Wissen (Kurzfilm 5:10 min) Während eine Büroklammer im Olivenöl und im Alkohol absinkt, schwimmt sie auf der Oberfläche von Wasser. Wasser hat also eine besonders hohe Oberflächenspannung. Diese kommt dadurch zustande, dass die Moleküle in der Flüssigkeit einen energetisch besonders günstigen Zustand haben, da sie gleichmäßig von anderen Wassermolekülen umgeben sind und mit diesen in Wechselwirkung treten. Für die Moleküle, die die Phasengrenze bilden, stimmt das nicht. Sie befinden sich in einem energetisch ungünstigeren Zustand und haben das Bestreben, in die Phase hinein zu gelangen. Insgesamt resultiert dies in der hohen Oberflächenspannung des Wassers. Das Phänomen, dass Teilchen das Bestreben haben, möglichst von gleichartigen Teilchen umgeben zu sein, bedingt noch ein anderes Phänomen: Schüttet man Öl ins Wasser, so bilden sich zwei Phasen. Vergleicht man die Wassermoleküle mit den Ölmolekülen, so wird deutlich, dass sie sehr verschieden sind: Wasser ist ein Dipol und insgesamt eher klein und kugelig. Olivenöl besteht aus langen Kohlenwasserstoffketten, die praktisch ungeladen sind. Ladung, Form und Größe der Moleküle unterscheiden sich also deutlich. Bilder / Grafiken Formen des Wassers (Bilder) Auf sechs Bildern werden verschiedene Zustandsformen des Wassers gezeigt, von gasförmig über flüssig bis hin zu gefroren. Diese Bilder eignen sich als Impuls zum Einstieg in das Thema Formen des Wassers sowie in das Thema Aggregatzustände. Alle Bilder finden sich noch einmal einzeln im Arbeitsmaterial, sodass eine individuelle Bildergalerie erstellt werden kann. Die Aggregatzustände (Grafik) Diese Grafik veranschaulicht die Aggregatzustände im Teilchenmodell. Sie liegt mit Beschriftung und ohne vor, sodass die Besonderheiten der verschiedenen Aggregatzustände je nach Anspruch erarbeitet werden können. 6

7 Gefroren und flüssig (Grafik) Gefrorenes Wasser hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Dieses Phänomen ist der speziellen Anordnung der Wasserteilchen in Eis geschuldet. Mit dieser Grafik lässt sich die Anordnung der Wassermoleküle in Eis und flüssigem Wasser anschaulich vergleichen. Lösung von Kochsalz in Wasser (Grafik) Wird Kochsalz (NaCl) in Wasser gegeben, werden die positiven Natrium-Ionen von den negativ geladenen Seiten des Wassermoleküls aus dem Verbund gelöst und die negativen Chlorid-Ionen von den positiv geladenen Seiten des Wassermoleküls. Es bilden sich Hydrathüllen um die Ionen. Dieser Vorgang wird hier veranschaulicht. 3D-Interaktion Wasser Eine besondere Flüssigkeit Diese 3D-Interaktion ermöglicht das Untersuchen einiger Phänomene des Wassers. Es kann das Auflösen eines Kochsalzkristalls in einer Animation beobachtet werden. Dargestellt werden hier die Wassermoleküle sowohl als Teilchen als auch in der Molekülstruktur (Stick&Ball-Darstellung). Der Aufbau des Wassers kann in einer weiteren Stufe untersucht werden. Hier stehen informative Texte zur Verfügung. Des Weiteren können das Verhalten von Wassermolekülen bei verschiedenen Temperaturen und der Wechsel der Aggregatzustände, inkl. der Dichteanomalie des Wassers, beobachtet werden. Hierzu finden sich Infotexte, die das Geschehen erläutern. Durch die komplette Absolvierung der Interaktion wird das Wissen rund um die besondere Flüssigkeit Wasser nachhaltig gefestigt und zum Teil erweitert. Zwischen den einzelnen Stufen kann jederzeit nach Bedarf gewechselt werden. Dieser Aufbau ermöglicht einen Einsatz der Interaktion in einem niveaudifferenzierten Unterricht. Die 3D-Interaktion eignet sich hervorragend für den Einsatz am digitalen Whiteboard. 7

8 Didaktische Hinweise Das Thema Wasser ist in den Lehrplänen in der Regel für das erste Jahr Chemieunterricht vorgesehen. Für das tatsächliche Verständnis des molekularen Aufbaus ist jedoch einiges an Vorwissen und vor allem die kombinierte Anwendung verschiedener abstrakter Konzepte auf in der Regel gerade neu erworbene Modelle nötig. Neben dem Modell einer kovalenten Bindung müssen die Schülerinnen und Schüler innere Vorstellungen von der Polarisierung der Atombindung und dem Zustandekommen von Teilladungen sowie vom Raumbedarf freier Elektronenpaare und dem daraus folgenden tetraedrischen Bau des Moleküls entwickeln und all diese Vorstellungen in Kombination anwenden, um schließlich zu verstehen, warum Wasser aus Dipolmolekülen besteht. Diese Anforderungen sind komplex und verlangen ein sehr geordnetes und didaktisch streng aufeinander abgestimmtes Vorgehen. In dieser Produktion wird ein neuer Weg vorgeschlagen: Auf die Erklärung der Aggregatzustände mithilfe des Kugel-Teilchenmodells folgt die Erläuterung, dass Wasserteilchen nicht symmetrisch sind, sondern eine leicht positiv geladene und eine leicht negativ geladene Seite haben. Hiermit wird die Anziehung, die aus der Erklärung der Aggregatzustände bekannt ist, begründet und zugleich ein elementarer Begriff im Zusammenhang mit dem Verständnis von Wasser und seinen Eigenheiten eingeführt. Auf dieser Ebene wird das Lösen von Stoffen am Beispiel eines Salzkristalls besprochen. Im folgenden Kurzfilm wird die genaue Struktur des Wassermoleküls mit polarer Atombindung und räumlichem Bau erarbeitet, also der eigentliche Grund für Asymmetrie und Ladung. Aus dem Umstand, dass Wasser ein Dipol ist, werden dann vielfältige Folgen abgeleitet wie das Entstehen von Wasserstoffbrückenbindungen, die Oberflächenspannung, die Dichteanomalie des Wassers und die Polarität des Lösemittels Wasser. Da die Polarität von Molekülen sowohl in der organischen Chemie als auch beim Thema Säure-Base redundant auftaucht und zu den zentralen Prinzipien der Chemie gehört, ist es besonders wichtig, den SchülerInnen von Anfang an ein korrektes und vollständiges inneres Bild vom Bau des Wassermoleküls, seiner Struktur und den resultierenden Eigenschaften zu vermitteln. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen; z. T. differenziert) 3D-Interaktion Texte Bilder / Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der Kurzfilme, der Bilder / Grafiken und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Formen des Wassers in der Natur 2.1) Wasser als Lösemittel (Mittelstufe) 2.2) Wasser als Lösemittel (Oberstufe) 3) Der Bau des Wassermoleküls 4) polar und unpolar Wasser Eine besondere Flüssigkeit Schüler-Übung: Räumlicher Bau des Wassers Rollenspiel: Die polare Atombindung Bildergalerie: Formen des Wassers Die Aggregatzustände Gefroren und flüssig Wasser bei 0 C Wasser bei 20 C Lösung von Kochsalz in Wasser Filmkommentare als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zu den Filmen 9

10 Wasser Eine besondere Flüssigkeit Programmstruktur Wasser Eine besondere Flüssigkeit Programmstruktur Hauptmenü Wasser Eine besondere Flüssigkeit Wasser überall Die Aggregatzustände 3:10 min 5:40 min Untermenü Das Lösen 5:10 min Allerlei Wässriges Der Bau des Wassermoleküls 7:20 min Formen des Wassers Bild Die Dichteanomalie 3:20 min Die Aggregatzustände Grafik Wasser-Wissen 5:10 min Flüssig und gefroren Grafik Allerlei Wässriges Grafiken / Bild Lösung von Kochsalz in Wasser Grafik Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 4 Arbeitsblätter (mit Lösungen) 3D-Interaktion 2 Texte 6 Bilder 5 Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Wasser Eine besondere Flüssigkeit (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Bilder / Grafiken thinkstock istock / moodboard / TerricDelayn / amlet Arbeitsmaterial Katja Weirauch Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zu den Filmen Wasser überall Die Aggregatzustände Das Lösen Der Bau des Wassermoleküls Die Dichteanomalie Wasser-Wissen Produktion SchwabenFilm im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 mit Sven Falge, Noah Falge Drehbuch Markus Matschke Regie und ausführende Produktion Sven Falge, Markus Matschke Kamera Markus Matschke, Sven Falge, Felix Karliczek, Thomas Trautsch Schnitt Sven Falge, Markus Matschke, Thomas Trautsch Animation Sven Falge, Markus Matschke, Florian Stanger, Thomas Trautsch Musikstück Der Regen ist toll Musik: Markus Matschke Gesang: Freddy Behringer Weitere Musik Bluevalley Produktionshelfer Thomas Trautsch, Felix Karliczek Sounddesign & Mischung Tobias von Brockdorff TONSCHIEBER / Tonstudio-Stuttgart Sprecher Fabian Gröver Redaktion Dr. Maike Schuchmann Fachberatung Katja Weirauch Vielen Dank an Freddy Behringer, Tatiana Falge Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2014 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Wasser Eine besondere Flüssigkeit Wasser ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Das gibt den Anreiz, die besonderen Eigenschaften von Wasser genauer zu untersuchen und zu verstehen. Dabei werden Erstarrungs- und Siedetemperatur, Oberflächenspannung und die Dichteanomalie des Wassers ebenso nähergebracht wie dessen Eigenschaften als Lösemittel. Zusätzlich stehen Arbeitsblätter, eine 3D-Interaktion, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2014 Laufzeit: 30 min Kurzfilme: 6 Grafiken: 5 Bilder: 6 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Interaktion: Arbeitsblätter: Adressaten: Unterrichtsmaterialien 3D-Interaktion 4 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen, z. T. differenziert) Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-11) Schlagwörter: Anziehung, Aggregatzustand, Bau, Bindung, Dichte, Dichteanomalie, Dipol, Eis, Elektron, Elektronenpaar, Feststoff, Flüssigkeit, Gefrierpunkt, Hydrathülle, Kondensation, Ladung, Lösemittel, Lösen, kovalente Bindung, Molekül, Natur, Oberflächenspannung, Rohstoff, Sauerstoff, Schmelzen, Schmelzpunkt, Strukturformel, Teilladung, polar, Polarität, unpolar, Valenzstrichformel, Verbindung, Wärmeenergie, Wasserdampf, Wasserstoff, Wasserstoffbrücken bindung, Wechselwirkung, Winkel Systematik: Chemie Physik Physikalische Chemie Bindung, Struktur, Eigenschaften Angewandte Chemie Chemie in Alltag und Umwelt Wärmelehre Aggregatzustände, Lösungen Wärmelehre Temperatur, Wärmemenge FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0)

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