Die Elemente des Periodensystems im Baumarkt entdecken

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1 Die Elemente des Periodensystems im Baumarkt entdecken Sylvia Pross, Marburg Niveau: Dauer: Sek. I 6 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: F1: Stoff-Teilchen-Beziehung: Benennung und Beschreibung bedeutsamer Stoffe mit ihren typischen Eigenschaften F2: Struktur-Eigenschaftsbeziehung: Beschreibung und Begründung von Ordnungsprinzipien für Stoffe mit ihren typischen Eigenschaften, Erschließen der Verwendungsmöglichkeiten eines Stoffes über seine Eigenschaften, Nutzung eines geeigneten Modells zur Deutung von Stoffeigenschaften auf Teilchenebene (z. B. Eigenschaften von Metallen) F3: Chemische Reaktion: Beschreibung von Phänomenen der Stoffumwandlung bei chemischen Reaktionen (z. B. Flammenfärbung), Beschreibung von Stoffkreisläufen in der Technik als Systeme chemischer Reaktionen (z. B. technischer Kalkkreislauf). Erkenntnisgewinnung: Überprüfen von Vermutungen im selbst geplanten Experiment, Treffen von sicherheits- und umweltrelevanten Maßnahmen, fachgerechter Umgang mit Chemikalien, Nutzung geeigneter Modelle (Bohr sches Atommodell, Bindungsmodell für Metalle), um chemische Fragestellungen zu beantworten Kommunikation: Herstellung von Zusammenhängen zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen, bewusstes Übersetzen von Alltagssprache in Fachsprache und umgekehrt, fachlich korrekte und folgerichtige Argumentation bei chemischen Fragestellungen Bewertung: Diskussion und Bewertung von Verwendungsmöglichkeiten verschiedener Stoffe Der Beitrag enthält Materialien für: offene Unterrichtsformen Schülerversuche Lehrerversuch Hausaufgaben außerschulisches Lernen Hintergrundinformationen Die Einführung des Periodensystems der Elemente ist für die Kassenstufe 8 (Lehrplan G8) vorgesehen. Die Schülerinnen und Schüler beklagen in dieser Phase oft die starke Theoretisierung des Chemieunterrichtes. Dieser Unterrichtsbeitrag bietet die Möglichkeit, das Periodensystem der Elemente aus dem Alltag in das Klassenzimmer zu bringen und als Informationsschema und Ordnungsprinzip kennenzulernen. Den Rahmen bietet eine Baumarkterkundung, sodass den Lernenden der Bezug zu ihrem Alltag verdeutlicht wird. Hinweise zur Didaktik und Methodik Diese Einheit ist gut für ein Stationenlernen geeignet. Die Baumarkterkundung kann im Klassenverband erfolgen oder als längerfristige Hausaufgabe angelegt werden. Sie sollte in den Gruppen der Stationsarbeit durchgeführt werden, um zu gewährleisten, dass sich die Lernenden gegenseitig unterstützen und ihre Fähigkeit zur konstruktiven Zusammenarbeit stärken. Die einzelnen Stationen sind so angelegt, dass die Lernenden einfache Schülerversuche selbstständig durchführen und in der Gruppe eigenständig ihre Erkenntnisse gewinnen

2 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch AB = Arbeitsblatt mit Aufgaben D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch FO = Folie M 1 FO PSE-Dart: zielen, werfen, Atommodell zeichnen magnetische Pfeile Overheadprojektor M 2 AB Wir erkunden unseren Baumarkt Periodensystem Tabelle zur Dokumentation Station 1 AB, SV V: 5-10 min D: 10 min Station 2 AB, LV V: 5 min D: 5-10 min Station 3a AB Station 3b AB, SV V: 5 min D: min Nachweis von Alkali- und Erdalkalimetallen Magnesiastäbchen Calciumchlorid Strontiumchlorid SrCl 2 Kaliumchlorid KCl Lithiumchlorid LiCl Natriumchlorid NaCl Bariumchlorid Blumendünger Reagiert Natrium mit Wasser? Natrium Glaswanne Wasser Pinzette Farbindikator Messer z. B. Phenolphthalein Schutzbrille Der technische Kalkkreislauf Gips Kalkmörtel Mineralwasser Streusalz Streichhölzer Bunsenbrenner Tüpfelplatte oder 12 Uhrgläser Kobaltglas Schutzbrillen Der technische Kalkkreislauf im Experiment Calciumoxid Schutzbrillen Wasser Becherglas (100 ml) Sand Thermometer 4 Tonstücke oder Indikatorpapier Kachelscherben Spatel, breit Plastiktüte Spatel Station 4 AB, Video Halogene die Salzbildner V: 5 min Computer D: 10 min Video zum Versuch Station 5 AB Station 6 AB Station 7 AB Station 8 AB, SV V: 5 min D: 10 min Station 9 AB, SV V: 5 min D: 10 min Magnete Kreide Glühende Tatsachen Verwendung von Edelgasen und Halogenen bei Lampen Die Stoffeigenschaften der Metalle Kohlenstoff jetzt wird es organisch Nitratnachweis in Spezialdüngern Nitrat- oder Ammoniumteststäbchen oder Schutzbrillen Becherglas (50 ml) Testflüssigkeit verschiedene Spezialdünger und Blumendünger Sauerstoff eine brenzlige Sache Silber(I)oxid Wasser 1 Reagenzglas Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie hier. Stativ Glimmspan Schutzbrillen Spatel

3 M 2 Wir erkunden unseren Baumarkt Im Baumarkt ist eine Vielzahl der Elemente des Periodensystems zu finden! Eure Aufgabe ist es, herauszufinden, wofür die Elemente verwendet werden: Erstellt dazu in eurem Heft eine Tabelle, in die ihr die im Baumarkt gesammelten Informationen eintragen könnt! Verwendet eine Doppelseite, damit ihr genug Platz habt. Zusätzlich braucht ihr noch euer Periodensystem. Zudem werden die folgenden Tipps euch die Suche im Baumarkt erleichtern. Ihr habt eine Hauptgruppe zugeteilt bekommen, auf die ihr euch konzentrieren sollt. Allerdings solltet ihr zu jeder Hauptgruppe Verwendungsmöglichkeiten für ein Element finden. Thinkstocjk/iStockphoto Element Chemisches Symbol Hauptgruppe Periode Verwendung Elementar oder Verbindung? Atommodell Tipp 1: Alkali- und Erdalkalimetalle werdet ihr nicht in elementarer Form im Baumarkt finden. Sie kommen aber in Verbindungen in vielen Stoffen vor. Seht mal auf die Inhaltsangaben einer Mineralwasserflasche, eines Blumendüngers oder von Blumenerde. Was ist eigentlich Streusalz? Was ist Kalkmörtel, oder Zement? Was ist der Zündstoff von Wunderkerzen? Tipp 2: Die Halogene werdet ihr ebenso wie die Alkali- und Erdalkalimetalle nicht in elementarer Form im Baumarkt finden. Was ein Glück ist, denn viele der Halogene sind gesundheitsschädlich. Allerdings treten sie oft in Verbindung mit den Metallen der 1. und 2. Hauptgruppe auf! Also könnt ihr hier gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen! Tipp 3: Die Metalle der Nebengruppen und die der 3. und 4. Hauptgruppe wie Aluminium, Zink, Zinn und Blei werdet ihr in elementarer Form bei Werkzeugen, Schrauben, Nägeln, aber auch bei Kabeln, Wasserrohren, Dachrinnen usw. finden. Metalle sind sehr wichtige Werkstoffe, da sie in vielen Bereichen Verwendung finden! Aber auch in Verbindungen sind sie zu finden: Versucht herauszufinden, wofür Titandioxid verwendet wird oder Blei und Bleioxid. Tipp 4: Silicium ist ein Halbmetall: es weist also Eigenschaften der Metalle und der Nichtmetalle auf. Es findet in der Technik vielfach Verwendung! Siliciumdioxid gewährt dir zudem den absoluten Durchblick! Wo findet Glas im Baumarkt Verwendung? Tipp 5: Abgesehen davon, das Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil der Luft ist, dient es als Schutzgas beim Schweißen oder auch als Lampenfüllgas. In Verbindungen kommt Stickstoff z. B. in Düngemitteln oder in Blumenerde vor, ebenso in Phosphorverbindungen. Phosphor findet man natürlich auch bei Streichhölzern, während Stickstoffverbindungen in Wunderkerzen Verwendung finden. Welche Verbindungen sind das? Tipp 6: Grillkohle, Bleistiftminen und Diamanten bestehen aus demselben Grundelement: Kohlenstoff! Wofür werden Kohle und Grafit darüber hinaus verwendet? Bestehen Diamantschleifscheiben wirklich aus Diamanten? Kohlenstoffverbindungen sind in Kunststoffen zu finden oder in Holz! Wofür werden diese Werkstoffe verwendet? Tipp 7: Neonröhren? Xenonlampen? Welche Edelgase findet ihr bei Leuchtmitteln? Tipp 8: Das erste Element der 6. Hauptgruppe ist in elementarer Form überall um euch herum zu finden. Welche Verbindungen könnt ihr im Baumarkt entdecken?

4 Station 1 Nachweis von Alkali- und Erdalkalimetallen Alkali- und Erdalkalimetalle lassen sich durch die Methode der Flammenfärbung in verschiedenen Stoffen identifizieren. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei der Verbrennung von Verbindungen der verschiedenen Metalle der 1. und 2. Hauptgruppe ebenso wie die Salze einiger Nebengruppenmetalle charakteristisch gefärbte Flammen entstehen. An dieser Station sollt ihr zunächst herausfinden, welche Flammenfarbe bei ausgewählten und bekannten Salzen auftritt (Vergleichsprobe), und eure Beobachtungen genau dokumentieren, um dann Produkte aus dem Baumarkt in einem selbst geplanten Versuch unter diesem Gesichtspunkt zu untersuchen. Schülerversuch: Flammenfärbung von Alkali- und Erdalkalimetallverbindungen V: 5 min D: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Magnesiastäbchen Lithiumchlorid LiCl Calciumchlorid Natriumchlorid NaCl Strontiumchlorid SrCl 2 Bariumchlorid Kaliumchlorid KCl Achtung: Schutzbrille und feuerfeste Unterlage verwenden! Geräte Streichhölzer Bunsenbrenner Tüpfelplatte feuerfeste Unterlage Schutzbrillen Entsorgung: Die Chemikalienreste können weiterverwendet werden, die dunkle Spitze des Magnesiastäbchen kann abgebrochen werden. Versuchsdurchführung Halte das Magnesiastäbchen in die rauschende (blaue) Bunsenbrennerflamme bis es glüht und die Flamme nicht mehr gefärbt ist. Nimm mit dem Magnesiastäbchen etwas von der ersten Probe auf, indem du die Spitze kurz in der pulverförmigen Probe drehst. Halte das Magnesiastäbchen dann wieder in die rauschende Flamme des Bunsenbrenners. Notiere die Farbe der Flamme. Lass das Magnesiastäbchen abkühlen und brich anschließend das benutzte Stück ab. Wiederhole den Vorgang mit den anderen Proben. Manche Salze sind durch Natriumverbindungen verunreinigt. Betrachte die Flammenfarben zusätzlich durch das blaue Kobaltglas und notiere den Farbeindruck. Das Kobaltglas filtert die orangene Natriumflamme heraus, sodass sie die anderen Farbeindrücke nicht überdeckt. Aufgaben 1. Legt eine Tabelle nach folgendem Muster an und haltet eure Beobachtungen fest. Salz Strontium Flammenfarbe (genaue Beschreibung) Flammenfarbe mit Kobaltglas 2. Untersucht die folgenden Baumarktprodukte auf Alkali- und Erdalkalimetalle: Blumendünger, Gips, Kalkmörtel, Mineralwasser, Streusalz. 3. Plant und protokolliert euer Vorgehen fachgerecht, indem ihr ein Versuchsprotokoll in eurem Heft anfertigt (Fragestellung, Versuchsdurchführung, Beobachtungen, Auswertung)!

5 Station 3a Der technische Kalkkreislauf Das Element Calcium kommt in der Natur hauptsächlich in Verbindungen vor, die zu Baustoffen wie Kalkmörtel und Zement verarbeitet werden. Die Herstellung von Kalkmörtel findet im technischen Kalkkreislauf statt. Nach dem Kalkabbau in Steinbrüchen beginnt der technische Kalkkreislauf mit dem Vorgang des Kalkbrennens. Dabei wird der Kalk (Calciumcarbonat, CaCO 3 ) sehr stark erhitzt und zerfällt in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid (I). Calciumoxid wird auch als gebrannter Kalk bezeichnet. Anschließend wird zu dem gebrannten Kalk Wasser gegeben. Die Reaktion verläuft stark exotherm und es entsteht Calciumhydroxid (II). Der Vorgang wird Kalklöschen genannt. Durch die Reaktion zwischen Calciumhydroxid mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft bilden sich Calciumcarbonat (III) und Wasser. Diese letzte Phase des technischen Kalkkreislaufens nennt man Abbinden. Aufgaben 1. Stellt den technischen Kalkkreislauf schematisch dar. Verwendet die Begriffe: Aufnahme von Kohlenstoffdioxid, Aufnahme von Wasser, Abgabe von Kohlenstoffdioxid, Abgabe von Wasser, Kalk, Kalkbrennen, gelöschter Kalk, Abbinden, Kalklöschen, gebrannter Kalk. 2. Stellt die im Text genannten Wortgleichungen (I) (III) und die entsprechenden Reaktionsgleichungen auf. Tragt in die Klammern die jeweiligen Aggregatzustande ein (s für solid = fest, l für liquid = flüssig, g für gasförmig). Wortgleichung (I) + Reaktionsgleichung (I) ( ) ( ) + ( ) Wortgleichung (II) Reaktionsgleichung (II) + ( ) + ( ) ( ) Wortgleichung (III) Reaktionsgleichung (III) Mischt man den gelöschten Kalk (1 Teil) mit drei Teilen Sand und etwas Wasser, erhält man Kalkmörtel. Dieser wurde vor der Erfindung des Zementes z. B. als Bindemittel zwischen Mauersteinen verwendet. Die Kalkkristalle und die Sandkörner bilden ein ineinander verfilztes, festes Gebilde und halten so die Mauersteine zusammen. + + ( ) + ( ) ( ) + ( ) Thinkstocjk/iStockphoto

6 Thinkstocjk/ Wavebreak Media Thinkstocjk/Hemera Station 5 Glühende Tatsachen Verwendung von Edelgasen und Halogenen bei Lampen Bei den ersten Glühlampen nach Thomas Edison befand sich ein Kohlefaden in einem Vakuum (luftleerer Glaskolben). Durch diesen Kohlefaden wurde Strom geleitet, sodass er sich erwärmte, bis er schließlich weiß glühend leuchtete. Dieses Grundprinzip wurde weitestgehend beibehalten, allerdings wird heute statt des Kohlefadens ein Wolframdraht verwendet und das Vakuum wird mit einem Edelgas gefüllt. Die Verwendung des Wolframs wird bevorzugt, da man aus dem Metall leichter einen gleichmäßigen Draht herstellen kann, der auf diese Weise nicht an dünneren Stellen durchglüht. Man verwendet eine Edelgasfüllung, da es schwieriger ist, einen Glaskolben vollkommen luftleer zu pumpen (kleinste Spuren von Sauerstoff führen dazu, dass der Glühdraht oberflächlich verbrennt und sich der Glaskolben innen schwarz färbt), als ihn mit einem Edelgas zu füllen. Edelgase wirken dem Verdampfen des Glühdrahtes entgegen und die Fadentemperatur kann in einer Edelgasatmosphäre erhöht werden, sodass der Draht heller glüht und mehr weißes Licht spendet (Fadentemperatur im Vakuum: 2100 C, in Neon: 2400 C, in Argon: 2430 C, in Xenon: 2510 C). Zudem führt ein Vakuum im Glaskolben bei Beschädigung dazu, dass der Glaskolben implodiert, was durch die Edelgasfüllung verhindert werden kann. Seit dem dürfen allerdings keine Standard-Glühbirnen mehr hergestellt oder vertrieben werden. Als Ersatz dienen z. B. Halogenlampen. Halogenlampen sind ähnlich wie Glühlampen aufgebaut. Allerdings wird hier, wie der Name schon sagt, kein Edelgas zur Füllung des Glaskolbens verwendet, sondern ein Halogen. Der Wolframdraht befindet sich in der Mitte eines Rohres aus Quarzglas, das eine Temperatur von etwa 500 C nach Einschalten der Lampe hat. Bei Halogenlampen ist die Glühtemperatur um einige hundert Grad höher als bei Glühlampen (ca C). Dadurch wird die Helligkeit der Lampen stark erhöht. Normalerweise würde eine solche Erhöhung der Fadentemperatur dazu führen, dass das Wolfram des Glühdrahtes schneller verdampft. An dünnen Stellen würde der Glühdraht nach wenigen Stunden durchbrennen. Dies wird verhindert, indem Halogene (hauptsächlich Brom und Jod) als Füllgase verwendet werden: Das Wolfram verdampft, es reagiert mit dem Füllgas zu gasförmigem Wolframhalogenid (Wolframbromid, Wolframiodid), das am heißen Glühdraht wieder in Wolfram und das entsprechende Halogenid zerfällt, sodass sich Wolfram wieder am Glühdraht abscheidet. Natürlich darf sich das Wolframhalogenid nicht an der heißen Glaswand abscheiden, sodass der Kreislauf unterbrochen wird. Dies wird verhindert, indem man sehr kleine Glaskolben verwendet, die sich sehr schnell aufheizen. Aufgaben 1. Fertigt eine beschriftete Skizze einer Glühlampe und einer Halogenlampe an. 2. Skizziert den Kreisprozess der Wiederherstellung des Wolframdrahtes in einer Halogenlampe (während die Halogenlampe eingeschaltet ist) und erklärt die Vorgänge schriftlich. 3. Erklärt die Verwendung von Edelgasen als Füllgase ausführlich unter Einbezug ihrer Stellung im Periodensystem.

7 Station 8 Nitratnachweis in Spezialdüngern Pflanzen benötigen neben Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid aus der Luft Mineralstoffe aus dem Boden, um wachsen zu können. Die Mineralstoffe liegen in Form von Salzen vor und werden gelöst im Wasser über die Wurzeln aufgenommen. Ein normaler Blumendünger enthält als Hauptbestandteil Stickstoffverbindungen. Stickstoff kann von Pflanzen nur in Form von Nitraten (NO 3 -Ion) und Ammonium-Ionen (NH 4 + -Ion) aufgenommen werden. Sterben in der Natur Pflanzenteile ab, werden sie zersetzt und die Mineralstoffe gelangen wieder in den Boden. Bei Zimmerpflanzen wird abgestorbenes Pflanzenmaterial meist entfernt und im Hausmüll entsorgt. Daher müssen die verlorengegangenen Mineralstoffe durch Pflanzendünger wieder zugeführt werden. Im Baumarkt findet man neben normalem Blumendünger auch verschiedene Spezialdünger: Kakteendünger, Kräuterdünger, Orchideendünger usw. Aufgaben 1. Formuliert eine Fragestellung sowie eine Hypothese zu der Konzentration an Stickstoffverbindungen in Spezialdüngern und plant anschließend eine Versuchsreihe zur Überprüfung der Hypothese. Schülerversuch: Nitratnachweis in Spezialdüngern V: 5 min D: 10 min Chemikalien Nitrat- oder Ammoniumteststäbchen oder Testflüssigkeit Blumendünger, Kakteendünger, Orchideendünger, Bonsaidünger Geräte Becherglas (50 ml) Schutzbrillen Achtung: Schutzbrille verwenden! Unterscheidet sich die Konzentration der Stickstoffverbindungen in Spezialdüngern überhaupt? Und benötigen verschiedene Pflanzenarten die gleiche Konzentration an Stickstoffverbindungen im Dünger? Entsorgung: Die Düngerproben können über das Abwassernetz entsorgt werden. 2. Haltet eure Beobachtungen fest und wertet den Versuch anhand dieser aus. Tipps zur Hypothesenbildung Da Kakteen meist keine Blätter besitzen, sondern aus einer stark verdickten Sprossachse bestehen, in die Wasser und Mineralstoffe eingelagert werden, ist der Mineralstoffkreislauf bei diesen Gewächsen sehr verlangsamt. Viele Orchideen wachsen in Astgabeln von Bäumen. Sie werden daher nicht in normale Erde gepflanzt, sondern in spezielle Orchideenerde, die aus großen Holz- und Rindenstücken sowie etwas Moos besteht. Das Gießwasser wird in diesem groben Substrat nur kurz gehalten. Bonsaibäume werden in sehr kleine und flache Schalen gepflanzt. Das Wachstum soll dadurch verlangsamt werden bzw. die Pflanzen sollen klein und gedrungen bleiben, weil sie in diesen Schalen nur ein sehr kleines Wurzelnetz ausbilden können.

8 Erläuterungen und Lösungen Erläuterungen (M 1) So wird das PSE-Dart gespielt: Zuerst trägt einer der Schüler die Hauptgruppen- und Periodennummern in das PSE ein. Danach zielt ein Gruppenmitglied mit den magnetischen Pfeilen und wirft. Die Gruppe findet heraus, um welches Element es sich handelt, und zeichnet das Atommodell nach Bohr in das entsprechende Kästchen. Erläuterungen (Station 1) Bei diesem Versuch ist es sehr wichtig, dass die Lernenden sauber und ordentlich arbeiten, damit sie die verschiedenen Salze nicht verwechseln, die Flammen durch das Kobaltglas betrachten usw. Dieser Punkt sollte vor dem Beginn des Stationenlernens angesprochen werden. Lösungen (Station 1) Zu 1.: Element Strontium Lithium Natrium Kalium Barium Calcium Flammenfarbe rot dunkelrot gelb rosa-violett grün/gelbgrün orange Zu 2.: Fragestellung: Sind in den fünf Baumarktprodukten Alkali- oder Erdalkalimetallverbindungen enthalten? Versuchsdurchführung: a. Man hält das Magnesiastäbchen in die rauschende (blaue) Bunsenbrennerflamme, bis es glüht und die Flamme nicht mehr gefärbt ist. b. Man nimmt mit dem Magnesiastäbchen etwas von der Probe 1 (Gips) auf, indem man die Spitze kurz in der pulverförmigen Probe dreht, und hält das Magnesiastäbchen dann wieder in die rauschende Flamme des Bunsenbrenners. c. Man lässt das Magnesiastäbchen abkühlen und bricht anschließend das benutzte Stück ab. d. Der Vorgang wird mit Blumendünger, Kalkmörtel, Streusalz und Mineralwasser wiederholt. Beobachtungen: Produkt aus dem Baumarkt Flammenfarbe Streusalz intensiv gelb Blumendünger gelb (erscheint rot durch Kobaltglas) Gips orange-rötlich Kalkmörtel orange-rötlich Mineralwasser gelb Auswertung: Streusalz enthält Natriumsalze, Gips und Kalkmörtel enthalten Calciumverbindungen und im Blumendünger sind Natrium- und Kaliumsalze enthalten.