VORANSICHT. Zaubern mit Wasserstoffbrücken oder: Warum sich Wasser so verrückt verhält. Hintergrundinformationen. Ann-Kathrin Wolf, Oldenburg

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1 Zaubern mit stoffbrücken oder: Warum sich so verrückt verhält Ann-Kathrin Wolf, Oldenburg Niveau: Sek. I, Klasse 10 Dauer: 4 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Die Schülerinnen und Schüler beschreiben modellhaft den submikroskopischen Bau von unter Verwendung des Kugelwolkenmodells. Sie nutzen dieses Modell zur Deutung von speziellen Stoffeigenschaften des s auf der Teilchenebene. Erkenntnisgewinnung: Das Experiment wird zur Überprüfung von Hypothesen eingesetzt. Daneben nutzen die Schülerinnen und Schüler das Kugelwolkenmodell, um chemische Fragestellungen zu bearbeiten. Kommunikation: Der Zusammenhang zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen wird mithilfe des Kugelwolkenmodells hergestellt. Dabei wird die Fachsprache bewusst in Alltagssprache übersetzt und umgekehrt. Bewertung: Die Schülerinnen und Schüler nutzen fachtypische vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen zu entwickeln und zu erschließen. Der Beitrag enthält Materialien für: Fachübergreifenden Unterricht Schülerversuche Vertretungsstunden Lehrerversuche Hausaufgaben Hintergrundinformationen ist ein Stoff, der trotz seiner Alltäglichkeit eine Reihe von höchst erstaunlichen Eigenschaften aufweist. Jeder weiß, dass ein Teich nur oben zufriert, und wahrscheinlich auch den Grund dafür: dass die Dichte des Eises geringer ist als die des flüssigen s. Die meisten anderen festen Stoffe haben im festen Zustand eine größere Dichte. Bei näherer Betrachtung können Schülerinnen und Schüler aber auch darüber ins Staunen geraten, dass diese winzigen moleküle auch als Gase vorliegen. Immerhin ist ihre molare Masse vergleichbar klein, wie z. B. die von Methan, Ammoniak oder Neon, die sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei deutlich tieferen Temperaturen als Gase vorliegen, weil ihre Siedetemperatur sehr viel tiefer liegt als die von. Oder man wundert sich über die erstaunlich stabile Oberflächenspannung des s, die eben bei anderen Flüssigkeiten wie Alkohol, Benzin oder Speiseöl deutlich schwächer ausgeprägt ist. Das alles liegt am Dipolcharakter der moleküle und an den daraus resultierenden starken elektrostatischen Anziehungskräften zwischen den einzelnen molekülen, die auch als stoffbrückenbindungen oder kurz als stoffbrücken bezeichnet werden. Um die beobachteten Phänomene erklären zu können, legt dieser Beitrag großes Gewicht auf die Erklärung dieser Bindungen und in diesem Zusammenhang auf die Entstehung der dipole. Zu diesem Zweck wird das sogenannte Kugelwolkenmodell eingeführt, weil es in knapper und didaktisch erheblich reduzierter Form auf chemische Bindungen im

2 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch FoVo = Folienvorlage M 1 Fo, Ab Aggregatzustände des s M 2 Ab Die Anomalie unserer Lebensgrundlage M 3 Ab Atome und Bindungen nach dem Kugelwolkenmodell M 4 Ab Ein räumliches molekül-modell M 5 Ab, FoVo teilchen im Verbund M 6 Ab, 2 SV hat keine Balken aber Oberflächenspannung V: 2 min D: 10 min V: 2 min D: 10 min Aluminium (als Folie mindestens 20 cm x 30 cm groß oder für Versuch 2 zusätzlich ein Aluminiumstück) Ethanol oder Brennspiritus 1 Becherglas (200 ml) 1 möglichst schmaler Messzylinder 1 Pipette 1 Petrischale M 7 Ab, LV Gibt es Wechselwirkungen zwischen Ladungen? M 8 Ab, SV Sind alle Stoffe in löslich? V: 5 min D: 10 min Traubenzucker Pro Gruppe: Kochsalz 4 Reagenzgläser Speiseöl Reagenzglashalter Ethanol oder Brennspiritus M 9 Ab, FoVo Ein Salz löst sich in Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie hier.

3 M 1 Aggregatzustände des s Ein Stoff viele Erscheinungsformen! So unterschiedlich das auf den Fotografien auch zu sehen ist, bleibt es doch immer ein Verbund von molekülen. pixelio/m. Großmann pixelio/o. Weber Bild 1 Bild 2 Bild 3 pixelio/zoschke Bild 4 Bild 5 Bild 6 pixelio (a) (b) (c) 1. Auf den Bildern 1 6 siehst du in verschiedenen Aggregatzuständen. Schreibe den jeweils passenden Aggregatzustand unter die Bilder. 2. Auf den Grafiken (a), (b) und (c) sind die Aggregatzustände des s dargestellt. Welcher Aggregatzustand der Bilder 1 6 gehört zu welcher Grafik? 3. Was kannst du im Hinblick auf die Dichte der verschiedenen Aggregatzustände des s aus den Moleküldarstellungen schließen? Welcher Aggregatzustand hat die größte Dichte (ausgedrückt in Molekülen pro Flächeneinheit)?

4 M 4 Ein räumliches molekül-modell Viel besser vorstellen kann man sich das Kugelwolkenmodell, wenn man die Atome plastisch vor sich sieht. Hier kannst du (sehr stark vergrößert) ein eigenes molekül basteln. Sauerstoff So sollte dein fertiges Modell des moleküls aussehen 1. Schneide die Form aus. 2. Knicke das Papier entlang den inneren Strichen, sodass ein Tetraeder entsteht. 3. Fixiere die offenen Kanten mit Klebestreifen. 4. In die Ecken des Tetraeders denkt man sich die besetzten Kugelwolken. Setze in die mit nur einem Elektron ( )besetzten Ecken je eine Knetmassekugel. Sie repräsentiert jeweils ein stoffatom mit ebenfalls einem Elektron. 5. Bei molekülen spricht man von sogenannten Dipolen (Moleküle mit zwei (gr.: di-) Polen). Erkläre.

5 M 6 hat keine Balken aber Oberflächenspannung Füllt man in ein Gefäß, beobachtet man so etwas wie eine Haut auf der oberfläche, die sich sogar nach oben wölben kann. Diese Haut haben nicht viele Flüssigkeiten, und sie macht enorm tragfähig. Auch der läufer nutzt das aus. Schülerversuch 1: Kann Aluminium schwimmen? Vorbereitung: 2 min Durchführung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Aluminium (als Folie mindestens 20 cm x 30 cm groß) Geräte 1 Becherglas (200 ml) 1 möglichst schmaler Messzylinder Versuchsdurchführung Fülle das Becherglas mit. Lege ein kleines Stück Alufolie vorsichtig waagerecht auf die oberfläche, ohne das mit dem Finger zu berühren. Bestimme die Dichte des (trockenen) Aluminiums mithilfe der Waage und der verdrängung im Messzylinder. Achtung: Es darf keine Luft vom Aluminium eingeschlossen sein. 1. Notiere deine Beobachtung. 2. Berechne die Dichte von Aluminium und vergleiche sie mit der Dichte von (evtl. im Chemiebuch nachschlagen). 3. Formuliere eine Erklärung des scheinbaren Paradoxons mithilfe von Material 4 und 5: Überraschend ist, doch das erklärt sich durch Benutze den Begriff stoffbrücken für deine Erklärung. Schülerversuch 2: Nur ein Tröpfchen Vorbereitung: 2 min Durchführung: 10 min Chemikalien / Gefahrenhinweise Ethanol oder Brennspiritus (leicht entzündlich) Geräte 1 Pipette 1 Petrischale Achtung: Vom Alkohol nur kleine Mengen (ca. 5 ml im Reagenzglas) ausgeben. Entsorgung: im Ausguss Versuchsdurchführung Zähle mit der Pipette genau 100 Tropfen in die Petrischale und bestimme deren Masse und dann die Masse eines tropfens. Verfahre genauso mit dem Alkohol und vergleiche die Ergebnisse. 1. Was sagen die Ergebnisse über die Oberflächenspannung von und Alkohol aus? 2. Pharmafirmen nutzen die Oberflächenspannung für Dosierungsanleitungen von flüssigen Medikamenten, z. B. täglich dreimal 20 Tropfen. Hältst du diese Angabe für genau genug? Begründe deine Meinung.

6 M 9 Ein Salz löst sich in In den Abbildungen wird illustriert, was im Versuch zur Löslichkeit beobachtet wurde. 1. Wie unterscheiden sich die Ummantelungen durch moleküle (Hydratmäntel) an Kationen und Anionen? Beschreibe. 2. Setze die fehlenden Begriffe in den folgenden Lückentext ein: brownsche Teilchenbewegung, Dipole, Hydrathülle, Ionen, Lösungsmittel, negativ geladenem Ion, Temperatur, moleküle Da moleküle kleine sind d. h., sie haben an beiden Enden unterschiedliche elektrische Ladung, ist ein sehr gutes für Stoffe, die ebenfalls aus Dipolmolekülen aufgebaut sind, und für Ionenverbindungen, da sie aus geladenen Teilchen aufgebaut sind. Aufgrund der prallen die moleküle mit einer von der abhängigen Geschwindigkeit auf den Kristall und lösen einzelne heraus. Aufgrund ihres Dipolcharakters drehen sich alle in der Nähe befindlichen mit ihrer negativen Seite zum positiv geladenen Ion bzw. mit ihrer positiven Seite zum. Es bildet sich so ein mantel (Hydrathülle) um das jeweilige Ion. Diesen Vorgang nennt man Hydratisierung.

7 Erläuterungen und Lösungen M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 M 9 Erläuterung (M 1) Mit den Abbildungen von in verschiedenen Erscheinungsformen holen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler in deren Erfahrungswelt ab. Sie werden voraussichtlich keine Schwierigkeiten haben, die längst bekannten Aggregatzustände zuzuordnen. Die Kunst besteht nun darin, ihnen zu vermitteln, dass man in der Chemie mit Molekülvorstellungen arbeitet und dass die Anordnung der moleküle etwas mit der Erscheinungsform des s auf der sichtbaren Makroebene zu tun hat. Die Bearbeitung der sollte demzufolge unbedingt ein Unterrichtsgespräch begleiten, anhand dessen die Zusammenhänge zwischen der erfahrbaren Welt (auf den Fotos) und der modellhaften Vorstellungswelt (auf den Abbildungen) deutlich werden. Je nach Kompetenzstand Ihrer Schüler können die Bilder in Begleitung von Abbildungen und auch als stummer Impuls eingesetzt werden. Lösungen (M 1) Zu 1.: Der Aggregatzustand des tropfens (Bild 1), der Gischt (Bild 2) und der Wolkenbildung (Bild 4) ist flüssig. Eisblumen (Bild 3) und Schnee (Bild 6) liegen im festen Aggregatzustand vor. Das über dem Topf mit dem siedenden (Bild 5) ist gasförmig, allerdings sieht man bereits kondensiertes, das wiederum flüssig ist. Zu 2.: Die erste Grafik (a) zeigt im gasförmigen Aggregatzustand. Grafik (b) zeigt moleküle im Kristallgitter und Grafik (c) zeigt flüssiges. Zu 3.: Abbildung 1: vier Moleküle pro Flächeneinheit, Abbildung 2: ca. neun Moleküle pro Flächeneinheit und Abbildung 3: ca. elf Moleküle pro Flächeneinheit. Erläuterung (M 2) Mit diesem Arbeitsblatt werden Messungen grafisch umgesetzt, sodass die erhobenen Daten visualisiert werden. Natürlich können Sie die Daten auch im Schülerversuch selbst mit Ihrer Lerngruppe erheben, wenn Sie genug Zeit zur Verfügung haben (dann mindestens eine Doppelstunde einplanen), doch ist insbesondere die Dichtemessung von sehr fehlerträchtig, da mehrere Nachkommastellen gemessen werden müssen, um überhaupt Dichteunterschiede feststellen zu können. Wiederum liegt die Hauptschwierigkeit für die Schülerinnen und Schüler darin, aus beobachteten Phänomenen auf Gesetzmäßigkeiten und Ergebnisse zu schließen. In Aufgabe 5 werden die Ergebnisse dieses Arbeitsblatts deshalb sprachlich zusammengefasst.