Planungsbeispiel Chemie am Beispiel des Kompetenzschwerpunktes

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1 Vom Lehrplan zur individuellen Unterrichtsplanung Planungsbeispiel Chemie am Beispiel des Kompetenzschwerpunktes Chemischen Prozess der Metallgewinnung darstellen Im Folgenden wird analog dem Planungsbeispiel Kohlenstoff, Silicium als bedeutende Stoffe vergleichen vorgegangen. Die theoretischen Grundlagen sind diesem Beispiel zu finden. 1 Zuordnung der Wissensbestände zu den zu entwickelnden Kompetenzen Zur weiteren Gestaltung des Fortbildungsmaterials sind die Teilkompetenzen und die Wissensstände durchnummeriert. Kompetenzschwerpunkt: Chemischen Prozess der Metallgewinnung darstellen Fachwissen anwenden Erkenntnisse gewinnen Kommunizieren F 1 F 2 F 3 E 1 E 2 E 3 E 4 Bewerten B 1 Gewinnung von Metallen aus Erzen an einem ausgewählten Beispiel erklären Arbeitsweisen bei technischen Verfahren erklären und Zusammenhänge zwischen der Stoff- und Energieumwandlung erläutern für Redoxreaktionen Wort- und Reaktionsgleichungen aufstellen, Teilreaktionen sowie Oxidations- und Reduktionsmittel charakterisieren Teilreaktionen an vorgegebenen Beispielen erkennen, erklären und auf Redoxreaktionen schließen Sicherheits- und Umweltaspekte bei technischen Verfahren erklären Verknüpfungen zwischen gesellschaftlicher Entwicklung und Erkenntnissen der Chemie exemplarisch aufzeigen geeignete Modelle und Abbildungen nutzen, um die technische Metallherstellung zu beschreiben K 1 Zusammenhänge zwischen chemischen Reaktionen und technologischen Sachverhalten bei der Gewinnung eines Metalls fachlich korrekt beschreiben und erklären B 2 begrenzte Verfügbarkeit von Erzen auf der Erde diskutieren Anwendungsbereiche und Berufsfelder bei der Metallgewinnung, in denen chemische Kenntnisse bedeutsam sind, charakterisieren

2 Grundlegende Wissensbestände Oxidation, Reduktion (W 1) Redoxreaktion als Sauerstoffübertragung (W 2) Oxidationsmittel, Reduktionsmittel (W 3) Metallgewinnung (W 4) Bedeutung und Vielfalt an Erzen (W 5) Da die Kompetenzen an konkreten Wissensbeständen entwickelt werden, erfolgt die Zuordnung im anschließenden Schema: Mögliches Schema der Zuordnung Grundlegende Wissensbestände Fachwissen Erkenntnisse Kommunizieren Bewerten anwenden gewinnen Oxidation, Reduktion F 3 E 1 Redoxreaktion als F 3 E 1 Sauerstoffübertragung Oxidationsmittel, F 3 E 1 Reduktionsmittel Metallgewinnung F 1, F 2 E 2, E 3, E 4 K 1 B 2 Bedeutung der Vielfalt an Erzen B 1 Die folgenden Schemata sollen auf das Wesentliche orientieren, der Vorbereitung des Unterrichts dienen, die Diagnose der Schülerentwicklung unterstützen und das im Unterrichtprozess bei den Lernenden herauszubildende Wissen aufzeigen. Da die Auswahl eines Metalls und dessen Herstellung den regionalen Bedingungen anzupassen ist und damit der schulinternen Planung obliegt, werden zwei Varianten der Metallherstellung (Eisen/Stahl und Kupfer) angeboten.

3 Stahl als naturnaher Stoff Variante 1 Roheisen- / Stahlherstellung Ein Blick zurück Eisenzeit Emission Recycling Chemischen Prozess der Metallgewinnung darstellen Vom Eisenerz zum Roheisen Veredlung von Roheisen Eisenerze Oxidation Reduktion Stahl Stahlgewinnung Werkstoff Stahl Hochofenprozess Redoxreaktion Reduktionsmittel Oxidationsmittel Edelstahl Luft, Koks, Zuschläge Roheisen, Schlacke, Gichtgas

4 Kupfer als Edelmetall Variante 2 Kupferherstellung Ein Blick zurück Emission Recycling Chemischen Prozess der Metallgewinnung darstellen Kupferzeit Vom Kupfererz zum Rohkupfer Veredeln von Rohkupfer Kupfererze Oxidation Reduktion Legierungen Werkstoff Kupfer Luft, Koks, Kupfererze Redoxreaktion Reduktionsmittel Oxidationsmittel Bronze Rotgold Messing Rösten, Verhütten von Kupfererzen Rohkupfer

5 2 Ausgangssituation der Kompetenzentwicklung Die folgende Übersicht zeigt bereits erworbene Kompetenzen und Wissensbestände anderer Fachlehrpläne sowie des Fachlehrplans Chemie, die die Erarbeitung des Kompetenzschwerpunktes unterstützen: Fächer Sjg. Kompetenzschwerpunkte 5/6 Frühe Lebensform von Menschen Geschichte Technik Chemie 7/8 Die Entstehung der Industriegesellschaft 7/8 Lösungen für technische Probleme untersuchen, vergleichen und bewerten 7/8 Vielfalt der Metalle und Legierungen untersuchen Luft als lebensnotwendiges Stoffgemisch charakterisieren und analysieren Kompetenzen verschiedenen Sachtexten Informationen zur Lebensweise der frühen Menschen entnehmen und strukturiert wiedergeben auf der Grundlage zeitlich verschiedener Bildquellen (Gemälde, Stiche, Fotos) Industrialisierungsprozesse einer Region in einem historischen Sachtext beschreiben den Einfluss der Technik auf Berufsfelder erkennen und beim individuellen Berufskonzept berücksichtigen Lösungsvarianten für technische Probleme erkennen, Zielkonflikte erkennen und Entscheidungen nachvollziehen Metalle als Stoffklasse mit charakteristischen Eigenschaften beschreiben Zusammenhänge zwischen Eigenschaften und Verwendung von Metallen erläutern Merkmale chemischer Reaktionen am Beispiel der Oxidation erklären grundlegende Wissensbestände Bronzezeit, Himmelsscheibe von Nebra Besonderheiten der Industrialisierung im heutigen Sachsen- Anhalt Verfahren des Fügens, Urformens, Umformens, Trennens oder der Beschichtung von Metallen Stoffklasse der Metalle Metallbindung, Verwendung der Metalle Korrosion und Korrosionsschutz, Recycling ausgewählte Legierungen Oxidation, ausgewählte Metall- und Nichtmetalloxide, Wort- und Reaktionsgleichungen

6 3 Anregungen zur Gestaltung des Unterrichtsmoduls Nachfolgende Materialien (M1, M2 ) sollen Anregungen zur Gestaltung des Unterrichtsmoduls geben. Sie sind als nicht verbindlich anzusehen. Durch eigene Beobachtungen, durch Gespräche in der Fachschaft und mit Lehrkräften, die in der Klasse unterrichten, kann die Lernentwicklung der Klasse analysiert werden, hinsichtlich: - anwendbarer chemischer Kenntnisse (Metalle, Legierungen, Oxidation, chem. Zeichensprache, Teilchenaufbau) - Stand der Entwicklung handlungsorientierter Kompetenzen (planen, durchführen und auswerten von Experimenten, arbeiten mit Modellen und Abbildungen, recherchieren, diskutieren, erschließen von Sachtexten, fachlich korrekt beschreiben und erklären) - Vertrautheit der Schülerinnen und Schüler mit Sozialformen wie Partnerlernen, Gruppenarbeit Für eine differenzierte Unterrichtsplanung und gestaltung sollte man oben genannte Voraussetzungen auch individuell für einzelne Schülerinnen und Schüler erfassen. Für den Unterrichtsverlauf wird unter Berücksichtigung des jeweiligen Standes der Kompetenzentwicklung ein Zeitrichtwert von 12 Stunden empfohlen. Übersicht über erstellte Materialien M 1 Sinnstiftender Kontext (2 Varianten) M 2 Eisen selbst hergestellt M 3 Schienenreparatur durch aluminothermisches Schweißen Fachdidaktische Hinweise sind als Anregungen zu verstehen. Mögliche Sozialformen sind durch folgende Piktogramme gekennzeichnet: Einzelarbeit Gruppenarbeit Die Materialsammlung soll während der Erprobung des Lehrpans an den Sekundarschulen erweitert werden. Wir bitten Sie, Vorschläge, Anregungen und Hinweise an petra.meinel@lisa.mk.sachsen-anhalt.de zu senden.

7 M 1 Sinnstiftender Kontext (Variante 1) Die ältesten Eisengegenstände sind etwa 6000 Jahre alt. Auf der Erde kommt dieses Metall nur selten elementar vor, sondern ist in Erzen meist chemisch mit Sauerstoff verbunden. Daneben sind die Carbonate und Sulfide von untergeordneter Bedeutung. Name des Erzes Formel Eisengehalt Vorkommen Magneteisenstein Fe 3 O 4 ca % Russland Schweden, Norwegen Roteisenstein Fe 2 O 3 ca % Russland, Deutschland, USA, Brasilien Brauneisenstein Fe 2 O 3 n H 2 O ca % Russland, Frankreich, Deutschland Spateisenstein FeCO 3 ca % Russland, Österreich Schwefelkies FeS 2 ca. 45% Polen, Spanien, Schweden, USA, Deutschland Früher erhitzte man Eisenerz im Holzkohlefeuer unter kräftiger Luftzufuhr, um Eisen zu gewinnen. Heute wird Roheisen in den Hochöfen der Eisenhütten gewonnen. Es ist das wichtigste Gebrauchsmetall und wird meist in Form von Stahl, einer Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, verwendet. Zur Reparatur im Gleisbau wird eine geringe Menge Eisen an Ort und Stelle durch das sogenannte aluminothermische Schweißen (Thermitverfahren) gewonnen. Wie auch beim Hochofenprozess, wird dem Erz durch ein weiteres Element der Sauerstoff entzogen, d.h. es wird reduziert. MMM1 Sinnstiftender Kontext (Variante 2) M1, Der Koloss von Rhodos, eine 35 m hohe Statue, wurde dem Gott der Sonne zu Ehren errichtet. Feinde belagerten 304 v.u.z. die Insel Rhodos, konnten sie aber nicht einnehmen. Sie zogen sich zurück und warfen dabei einen Belagerungsturm um, der mit einem mächtigen Eisengerüst umgeben war. Für das Eisen des Turms erhielten die Bewohner von Rhodos von Händlern 300 Bronzeblöcke von je 26,2 kg. Chares von Lindos, ein großer Bildhauer, ließ die Bronze dünnen und verkleidete damit eine hölzerne Statue. Viele Jahre konnten Gäste dieses Weltwunder besichtigen. Nach einem Erdbeben, dem das verfaulte Holz nicht standhielt, zerfiel die Statue in mehrere Stücke. Da man keinen guten Bildhauer hatte, wurden die Bronzeteile wieder zu Blöcken umgeschmolzen, d. h. recycelt.

8 Fachdidaktische Hinweise Begriff Sinnstiftende Kontexte Sinnstiftende Kontexte beziehen sich auf natürliche oder chemische Problemstellungen, die für Schülerinnen und Schüler von Bedeutung sind. Diese Kontexte sollen den Interessen der Schülerinnen und Schüler entsprechen, einen aktuellen gesellschaftlichen Bezug aufzeigen, vielfältige aufbereitete Informationen bereit stellen, die Kompetenzentwicklung fördern, dem Erwerb von Basiskonzepten dienen. Mögliche Aufgabenstellungen für oben formulierte Kontextvarianten wären: Formuliere Fragen, die sich für dich aus den Quellen ergeben. Erstelle eine ABC-Liste zu möglichen Sachverhalten. Entwickle eine Übersicht durch Brainstorming.

9 M2 Eisen selbst hergestellt Eisen(II)-oxid kannst du nicht durch Zufuhr von Wärme in Eisen und Sauerstoff zersetzen. Du musst einen chemischen Trick anwenden. Dem Eisen(II)-oxid muss durch einen geeigneten Reaktionspartner der Sauerstoff entzogen werden. Man sagt, Eisen(II)-oxid wird reduziert und nennt die ablaufende Teilreaktion Reduktion. Geeignet für den Sauerstoffentzug ist Kohlenstoff. Er nimmt den Sauerstoff auf und wird somit zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt und laufen gleichzeitig ab. Diese Reaktion bezeichnet man als Redoxreaktion. Eisen(II)-oxid liefert den Sauerstoff und wird Oxidationsmittel genannt. Kohlenstoff, der den Sauerstoff aufnimmt, wirkt als Reduktionsmittel. 1. Plant ein Experiment, um die beschriebene Redoxreaktion durchführen zu können. 2. Fordert die benötigten Geräte und Chemikalien an, führt das Experiment durch. 3. Notiert eure Beobachtungen, wertet diese aus, indem ihr dazu Wort- sowie Reaktionsgleichung erstellt und unter Verwendung der im Text verwendeten Fachbegriffe interpretiert. Fachdidaktische Hinweise Schülerinnen und Schüler sind mit Hilfe dieser Aufgabe in hohem Maße selbstständig tätig. Sie müssen sach- und fachbezogene Informationen erschließen, Begriffe erarbeiten, ein chemisches Experiment durchführen und protokollieren. Diese Aufgabe dient dazu Kompetenzen der Bereiche Fachwissen anwenden und Erkenntnisse gewinnen zu entwickeln.

10 M 3 Schienenreparatur durch aluminothermisches Schweißen Bildquelle: Elemente der Zukunft: Chemie Oldenburg Verlag 1996 An einer viel befahrenen Strecke der Straßenbahn der Halleschen Verkehrsbetriebe muss ein schadhaftes Stück Schiene ausgewechselt werden. Dazu wird ein neues Schienenstück eingepasst. Zuvor wird das schadhafte Stück so herausgeschnitten, dass an jeder Seite ein Spalt von ca. 2,5 cm entsteht. Um eine feste Verbindung herzustellen, wird die Stelle mit geschmolzenem Eisen verschweißt. Die Reaktion läuft in einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Termittiegel ab. Dieser hat am Boden eine Öffnung, die mit einem Eisenstift verschlossen und mit einer feuerfesten Masse abgedeckt ist. Das Reaktionsgemisch besteht aus Eisen(III)-oxid und Aluminiumpulver. Es wird mit Hilfe eines Zündmittels auf ca C schnell erwärmt. Bei der Reaktion gibt Eisen(III)-oxid Sauerstoff ab und wird zu Eisen reduziert. Aluminium nimmt Sauerstoff auf und reagiert zu Aluminiumoxid. Zum Schutz vor glühenden Spritzern wird der Thermitiegel abgedeckt. Am Ende der Reaktion wird der Verschlussstift in den Tiegel hineingestoßen. Der Stift schmilzt, die Bodenöffnung wird frei, und das Eisen fließt ab. Das flüssige Eisen gelangt in eine Form und füllt die Lücke zwischen den Schienenstücken, so dass diese fest miteinander verschweißt werden. In kurzer Zeit werden so verhältnismäßig große Lücken zwischen zwei Werkstücken ausgefüllt. Die Teile können an Ort und Stelle repariert werden, so dass der Transport der schadhaften Schienen zur Werkstatt entfällt. Auch wären andere Schweißverfahren in solchen Fällen mit höheren Kosten verbunden und zeitaufwendiger. 1 Lies den Artikel durch und beschreibe das aluminothermische Schweißen. 2 Nenne Gründe für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. 3 Beschrifte die Skizze des Thermittiegels. 4 a) Formuliere die Wortgleichungen für die beim Vorgang ablaufenden Reaktionen. b) - Bestimme und begründe die Reaktionsart. - Kennzeichne die Teilreaktionen, interpretiere.

11 Fachdidaktische Hinweise Die Schülerinnen und Schüler müssen sich selbständig ein unbekanntes technisches Verfahren erarbeiten und müssen den Zusammenhang zwischen dem chemischen Sachverhalt sowie dessen praktischer Anwendung erkennen, wobei auch fächerübergreifende Aspekte Berücksichtigung finden. Die Aufgabe ist relativ zeitaufwändig. Sie könnte u. a. gut bei Stationsarbeit, aber auch in Vertretungsstunden eingesetzt werden. Autorinnen des Planungsbeispiels: Uta Koeck Falkenstein/Harz Petra Meinel Halle Karola Rode Schönebeck Das Planungsbeispiel und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte bleiben vorbehalten. Die Nutzung zu privaten und nichtkommerziellen schulischen Zwecken ist zulässig. Jegliche darüber hinausgehende Nutzung ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des LISA Halle (Landesinstitut für Schulqualität und Lehrerbildung Sachsen-Anhalt) zulässig.