Stoffwechselvorgänge und Grenze des Teilchenmodells

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1 Stand: Juli 2017 Stoffwechselvorgänge und Grenze des Teilchenmodells Jahrgangsstufe 6 8 (NTG), 9 (SG, MuG, WSG) Fach/Fächer Natur und Technik (Schwerpunkt Biologie, propädeutische Chemie) Chemie Übergreifende Bildungs- und Erziehungsziele Zeitrahmen benötigtes Material 45 Minuten Arbeitsblatt, evtl. Magnetapplikationen für verschiedene Teilchen, steckbare Kunststoffklötzchen in drei verschiedenen Farben zur Modellierung der Reaktion Begleitend kann im Unterricht die zu gehörige ppt-datei Gym_6NT_LB1-2_M_Dalton_Zellatmung_Photosynthese.pptx eingesetzt werden. Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler vergleichen Modelle mit der Realität, erkennen Modelle als solche und beschreiben Abweichungen zur Realität. NT 6 LB 1.1 übertragen einfache Sachverhalte auf ein bestehendes Modell bzw. setzen ein bestehendes Modell zu einem einfachen Sachverhalt in Bezug. NT 6 LB 1.1 modellieren stark vereinfacht die Stoffänderung bei Zellatmung und Photosynthese als Umgruppierung von Atomen auf Teilchenebene und stellen einen Zusammenhang in stofflicher und energetischer Sicht zwischen Photosynthese und Zellatmung her. NT 6 LB 1.2 wenden das Dalton Atommodell an, um die Massenerhaltung und Stoffänderungen mit der Umgruppierung von Atomen auf der Teilchenebene zu erklären und Gemische, Verbindungen und Elemente voneinander abzugrenzen. C 8 (NTG) LB 3, C 9 (SG, MuG, WSG) LB 3 Seite 1 von 11

2 Aufgaben 1 Ergänze in Abbildung a) und b) jeweils die Stoffe, die bei der ZELLATMUNG und der PHOTOSYNTHESE von der Zelle benötigt bzw. abgegeben werden. 2 Skizziere in die Superlupen in Abbildung a) und b) deine Vorstellung vom Aufbau der jeweiligen Stoffe im Teilchenmodell. Beachte die Phase, in der der Stoff dabei vorliegt. 3 Finde jeweils eine zu der Abbildung passende Frage und schreibe sie in die Denkblase. Nach der Feststellung, dass mit dem Teilchenmodell die Vorgänge bei der Zellatmung und Photosynthese nicht erklärt werden können, erfolgt die Erweiterung zu einer einfachen Atomvorstellung nach Dalton. Dabei müssen die Begriffe Teilchen, Atom, Molekül präzisiert und gegeneinander abgegrenzt werden. Ansonsten wird in der Unterstufe nur von Teilchen gesprochen. 4 Bearbeite Abbildung c): 4.1 Beschreibe die Zusammensetzung der Teilchen der verschiedenen Stoffe. Nenne für jedes Teilchen die Art und Anzahl der unterschiedlichen Atome. 4.2 Überlege, wie viele Kohlenstoffdioxid- und Wasser-Moleküle entstehen, wenn ein einziges Traubenzucker-Molekül vollständig zu Kohlenstoffdioxid- und Wasser-Molekülen umgebaut wird. Gib an, wie viele Sauerstoff-Moleküle dazu notwendig sind. Nimm für deine Überlegungen Kunststoffklötzchen zu Hilfe. Im Chemieunterricht der Jahrgangsstufe 8 (NTG) bzw. 9 (SG, MuG, WSG) kann die Aufgabenstellung im Sinne des kumulativen und fächerübergreifenden Lernens im Lernbereich 3 wieder aufgegriffen werden, wenn der Übergang vom Teilchenmodell zum Dalton Atommodell und zur chemischen Formelsprache erfolgt. Hier kann nun auch Teilaufgabe 5 mit allen Lernenden bearbeitet werden. Besonders leistungsstarke Lernende der Jahrgangsstufe 6 können im Sinne der Binnendifferenzierung ebenfalls mit den Aufgaben 5.1 bis 5.3 herausgefordert werden. 5 Bearbeite Abbildung d): 5.1 Erkläre, was die Formel C 6 H 12 O 6 über die Zusammensetzung eines Traubenzucker- Moleküls aussagt. 5.2 Leite aus den Bauklötzchen-Bildern in Abbildung d) die Formeln der übrigen Moleküle ab. 5.3 Stelle mithilfe von Abbildung d) das Reaktionsschema (Stoffebene) und die Reaktionsgleichung (Teilchenebene) für die Photosynthese auf, indem du die Anzahl der jeweils notwendigen Moleküle den chemischen Formeln als Koeffizienten voranstellst. Seite 2 von 11

3 Kopiervorlage: Stoffwechselvorgänge und Grenzen des Teilchenmodells: 1 Ergänze in Abbildung a) und b) jeweils die Stoffe, die bei der ZELLATMUNG und der PHOTOSYNTHESE von der Zelle benötigt bzw. abgegeben werden. 2 Skizziere in die Superlupen in Abbildung a) und b) deine Vorstellung vom Aufbau der jeweiligen Stoffe im Teilchenmodell. Beachte die Phase, in der der Stoff dabei vorliegt. 3 Finde jeweils eine zu der Abbildung passende Frage und schreibe sie in die Denkblase. Abbildung a) Abbildung b) Seite 3 von 11

4 4 Bearbeite Abbildung c): 4.1 Beschreibe die Zusammensetzung der Teilchen der verschiedenen Stoffe. Nenne für jedes Teilchen die Art und Anzahl der unterschiedlichen Atome. 4.2 Überlege, wie viele Kohlenstoffdioxid- und Wasser-Moleküle entstehen, wenn ein einziges Traubenzucker-Molekül vollständig zu Kohlenstoffdioxid- und Wasser-Molekülen umgebaut wird. Gib an, wie viele Sauerstoff-Moleküle dazu notwendig sind. Nimm für deine Überlegungen Kunststoffklötzchen zu Hilfe. Seite 4 von 11

5 5 Bearbeite Abbildung d): 5.1 Erkläre, was die Formel C 6 H 12 O 6 über die Zusammensetzung eines Traubenzucker-Moleküls aussagt. 5.2 Leite aus den Bauklötzchen-Bildern in Abbildung d) die Formeln der übrigen Moleküle ab. 5.3 Stelle mithilfe von Abbildung d) das Reaktionsschema (Stoffebene) und die Reaktionsgleichung (Teilchenebene) für die Photosynthese auf, indem du die Anzahl der jeweils notwendigen Moleküle den chemischen Formeln als Koeffizienten voranstellst. Seite 5 von 11

6 Hinweise zum Unterricht Die vorliegende Aufgabe dient dazu, dass sich die Schülerinnen und Schüler im Rahmen der propädeutischen Chemie erstmals mit den Vorgängen bei einer chemischen Reaktion auseinandersetzen. Für den Unterricht in Jahrgangsstufe 6 ist es dabei ausreichend, Atome als die Basisteilchen, aus denen Moleküle aufgebaut sind, einzuführen und herauszuarbeiten, dass Atome weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgruppiert werden können. Dabei wird im Unterricht auch deutlich herausgearbeitet, dass mit dem einfachen Teilchenmodell eine angemessene Beschreibung der Vorgänge bei einer chemischen Reaktion (Zellatmung, Photosynthese) nicht möglich ist, und deshalb das Teilchenmodell zwingend erweitert werden muss. Zur Modellierung der stofflichen Reversibilität von Zellatmung und Photosynthese eignen sich Kunststoffklötzchen (oder Molekülbaukästen). Die Formulierung der zugehörigen Reaktionsgleichungen ist nicht nötig. Besonders leistungsfähige Lernende können bereits in Jahrgangsstufe 6 die Abstraktion hin zur Reaktionsgleichung schaffen. Im Chemieunterricht der Jahrgangsstufen 8 (NTG) bzw. 9 (SG, MuG, WSG) kann die Aufgabenstellung aufgegriffen und um die zugehörigen Reaktionsgleichungen erweitert werden. Im Biologieunterricht der Jahrgangsstufe 12 wird im Lernbereich 3.3 zusätzlich geklärt, dass es sich bei der Zellatmung nicht um eine direkte Umkehr der Photosynthese handelt, sondern sich die Stoffwechselwege deutlich unterscheiden. Um die Anschaulichkeit der Vorgänge auf Teilchenebene zu erhöhen, empfiehlt es sich, die Lernenden parallel zur Bearbeitung des Arbeitsblattes die Vorgänge in Gruppen arbeitsteilig mit steckbaren Kunststoffklötzchen bearbeiten und die Schülerinnen und Schüler ihre Überlegungen vorstellen zu lassen. Eine begleitende Präsentation steht im Serviceteil zum Download zur Verfügung. Bei der Visualisierung der Teilchenebene wurde darauf geachtet, dass bei der Zellatmung die Stoffe vereinfacht auch in der im Organismus vorliegenden Phase (Zellatmung: wässrige Lösung, Photosynthese: Gasphase / wässrige Lösung) dargestellt sind. Im Unterricht muss geklärt werden, dass auch Pflanzen Zellatmung parallel zur Photosynthese treiben. Anregung zum weiteren Lernen Die energetische Betrachtung der Zellatmung und der Photosynthese sollte deutlich getrennt von der stofflichen Betrachtung erfolgen, um der Vermischung von Energie und Stoff entgegenzuwirken. Reaktionsschemata und gleichungen in denen die Energieänderung mit + Licht oder + Wärme aufgenommen wird, sollten deshalb vermieden werden. Nach DIN gilt: Angaben von molaren Reaktionsenthalpien werden nicht in die Reaktionsgleichungen aufgenommen, sondern von der Gleichung durch einen Zwischenraum abgesetzt oder nach einem Trennzeichen z. B. einem senkrechten Strich angefügt. ( ) Will man nur qualitativ die Richtung der Enthalpieänderung angeben, so wird empfohlen, der Reaktionsgleichung die Begriffe exotherm oder endotherm anzufügen. Im Anfangsunterricht können die Begriffe exotherm mit Energie wird freigesetzt bzw. Energie wird aufgenommen umschrieben werden. Außerdem bietet sich zur Visualisierung der Energieänderungen z. B. der Einsatz von Säulendiagrammen oder Energieflussdiagrammen an. Seite 6 von 11

7 a) Stoff- und Energieströme beim Eichhörnchen Quelle: Hinweis: Für Stoff- und Energieströme können auch voneinander getrennte Pfeile verwendet werden. b) Energieumwandlung beim Eichhörnchen Seite 7 von 11

8 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler Seite 8 von 11

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11 Mögliches begleitendes Tafelbild / möglicher begleitender Whiteboardanschrieb in Natur und Technik (Schwerpunkt Biologie) 6 LB 3: für den Chemieunterricht in 8 (NTG) oder 9 (SG, MuG, WSG) LB 3: Seite 11 von 11