Periodensystem der Atome und Ionen

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1 Stand: Februar 2017 Periodensystem der Atome und Ionen Jahrgangsstufen Fach/Fächer Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen benötigtes Material 8 (NTG) und 9 (SG, MuG, WSG) Chemie Unterrichtsstunden Kopie, Farbstifte, evtl. Material zur Modellierung von Ionengittern Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler nutzen die Symbol- und Formelsprache zur Beschreibung des submikroskopischen Aufbaus von Stoffen aus Atomen, Molekülen und Ionen C8 (NTG) LB 1, C9 (SG) LB 1 unterscheiden die gerichtete Anziehung zwischen den ungeladenen Nichtmetallatomen in Molekülen von der ungerichteten Anziehung zwischen Metall-Kationen und Nichtmetall- Anionen in einem Ionengitter, um Molekül- von Verhältnisformeln abzugrenzen. C8 (NTG) LB 4, C9 (SG) LB 4 leiten aus vorgegebenen Ionenladungen und Formeln für Molekül-Ionen die Verhältnisformeln von Salzen ab, um den Salznamen und die Formel ineinander zu überführen, und erklären die Eigenschaften von Salzen als Folge ihres Aufbaus aus Ionen. C8 (NTG) LB 4 leiten aus vorgegebenen Ionenladungen die Verhältnisformeln binärer Salze ab, um den Salznamen und die Formel ineinander zu überführen, und erklären die Eigenschaften von Salzen als Folge ihres Aufbaus aus Ionen. C9 (SG) LB 4 Seite 1 von 7

2 Arbeitsaufträge 1 Male die Kreissymbole für die Atome und Ionen auf dem Arbeitsblatt in folgenden Farben aus: Metall-Atome Nichtmetall-Atome Halbmetall-Atome Metall-Kationen Nichtmetall-Anionen grau gelb werden nicht ausgemalt rot blau 2 Male die Felder der Nebengruppenatome/-kationen grün aus. 3 Trage die Hauptgruppennummern über den jeweiligen Spalten ein. 4 Beschreibe, wie sich die Radien der Atome innerhalb einer Zeile (Periode) und innerhalb einer Spalte (Gruppe) ändern. 5 Vergleiche die Radien von Atomen und Ionen miteinander und finde Regelmäßigkeiten. 6 Leite ab, welcher Zusammenhang zwischen der Ionenladungszahl und der Hauptgruppennummer besteht. 7 Ermittle den Namen und die Verhältnisformeln binärer Salze, indem du frei gewählte Metall-Kationen und Nichtmetall-Anionen zu nach außen hin ungeladenen Salzen kombinierst. Verwende zur Benennung der Salze folgende Regeln: a) Salze, deren Ionen in der Hauptgruppe stehen: dt. Name des Metalls, von dem sich das Kation ableitet lat /griech. Wortstamm des Nichtmetallnames, von dem sich das Anion ableitet Endsilbe id z. B. Aluminiumoxid b) Salze, mit Metallkationen aus den Nebengruppen (variierende Ionenladungszahlen): dt. Name des Metalls, von dem sich das Kation ableitet Ionenladungszahl des Kations als röm. Zahl in runden Klammern, anschließend ein Bindestrich lat./griech. Wortstamm des Nichtmetallnames, von dem sich das Anion ableitet Endsilbe id z. B. Silber(I) oxid Seite 2 von 7

3 Arbeitsblatt: Periodensystem der Atome und Ionen Illustrierende Aufgabe zum LehrplanPLUS Gymnasium, Chemie

4 Quellen- und Literaturangaben Download von farbigen und kommentierten pdf-druckvorlagen des Periodensystems der Grundbausteine der Materie unter: H.-D. Barke, G. Harsch: Chemiedidaktik heute - Lernprozesse in Theorie und Praxis, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001, S. 354 M. Berger: Konzeption und Erprobung einer Unterrichtseinheit zum Strukturorientierten Chemieunterricht über die Stoffklassen in der 8. Klasse des naturwissenschaftlichen Gymnasiums mit begleitender Diagnose der Schülervorstellungen, Schriftliche Hausarbeit, Emil-von- Behring-Gymnasium, Spardorf, 2007 Hinweise zum Unterricht Die große Stoffklasse der Salze lässt sich nicht ohne weiteres in den Anfangsunterricht auf der Basis des Daltonschen Atommodells einfügen, da es sich bei den kleinen Teilchen, aus denen Salze aufgebaut sind, um zwei verschiedene, geladene Teilchenarten (Kationen und Anionen) handelt, die z. B. bei Lösevorgang voneinander getrennt werden. Die landläufige Meinung, dass die schulchemische Genese des Ionenbegriffs das differenzierte Atommodell erfordert, führt dazu, dass im Anfangsunterricht nicht sachgerecht von Ionen gesprochen wird, sondern diese als Verbindungsteilchen, Atome oder sogar gedachte Moleküle umschrieben bzw. visualisiert werden. Verhältnisformeln für binäre Verbindungen wurden bisher, unabhängig ob es sich um molekulare oder ionogene Verbindungen handelte, mithilfe der Wertigkeit ermittelt. Diese Umschreibung des Ionenbegriffs führt u. a. in Form von sog. Salz-Molekülen zu hausgemachten Fehlvorstellungen der Lernenden, die oftmals bis in die Sekundarstufe II nicht mehr korrigiert werden können. Durch die vergleichsweise frühe Einführung der Ionen als permanent existierende Teilchen in Salzkristallen (Ionengittern), Salzlösungen, Salzschmelzen, gestützt auf Beobachtungen zur elektrischen Leitfähigkeit und zur Ionenwanderung, werden die Lernenden schon in der Endphase des Anfangsunterrichts zur chemischen Reaktion mit den Ionen als der dritten Teilchenart aus der Materie aufgebaut ist, bekannt gemacht. Das Periodensystem der Atome und Ionen hilft ihnen, die Verhältnisformeln von Salzen zu ermitteln. Durch die sog. Kombiregeln nach Barke (rechts mit rechts => molekulare Verbindung, links mit links => Metalllegierung, links mit rechts => Salz) erhalten sie Faustregeln zur Zuordnung von Verbindungen zu den verschiedenen Stoffklassen, lange bevor die Elektronegativität eingeführt wird. Auch der Zusammenhang zwischen der Stellung im Periodensystem und der Ionenladung bzw. dem Atom-/Ionenradius lässt sich hier modellhaft erarbeiten. Die Ursache für die unterschiedliche Ionenladung bleiben einstweilen offen wie dies historisch auch der Fall war (S. Arrhenius, Elektrolytische Dissoziation, Nobelpreis 1903). Die frühe Einführung der Ionenladung ermöglicht die Erklärung der Eigenschaften von Salzen über die Ionenbindung und erleichtert im Unterrichtsfortgang nach Einführung des differenzierten Atombaus auch die Formulierung von Teilgleichungen zur Ionenbildung, da die Bedeutung der Ionenladungszahl inzwischen schon gefestigt sein sollte. Hinweis: Zur Aufgabe steht eine bearbeitbare Powerpoint-Präsentation als Material GYM_8_NTG_LB4_9SG_LB4_M_Periodensystem_Atome_Ionen zum Download zur Verfügung. Seite 4 von 7

5 Anregung zum weiteren Lernen Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Schülerinnen und Schüler erfinden/modellieren auf der Basis der Grundgesetze zur Elektrostatik den Aufbau von Salzen, indem sie aus vorgegebenen Materialien wie z. B. zwei verschiedenfarbigen Sorten von Knetgummi- oder Salzteigkugeln, Weingummi-Beeren, evtl. Zahnstochern oder auch zusätzlich noch Zellstoff- oder Holzkugeln und Heißkleber Modelle für die Anordnung von Ionen entwickeln. Häufig bauen die Lernenden dabei Salz-Moleküle, setzen Stäbe zwischen den Kugeln ein, bleiben bei der Anordnung in einer Ebene. Durch geschickte Moderation der verschiedenen Schülerlösungen lässt sich in dieser Unterrichtsstunde das Ionengitter erfinden und die räumlich ungerichtete Anziehung zwischen Ionen, im Vergleich zur räumlich gerichteten Anziehung zwischen den Atomen in einem Molekül herausarbeiten. Als Zusammenfassung können dann die Kombinationsregeln nach Barke abgeleitet werden. Auch über irrelevante Zutaten in Modellen sollte an dieser Stelle, im Sinne von Modellkritik (Was leistet das Modell, was leistet es nicht?) gesprochen werden. Beispiel aus dem Unterricht: Magnetmodell (entwickelt von StRefin Urban, Emil-von-Behring-Gymnasium, Spardorf, 2015): 2-dimensional 3-dimensional Seite 5 von 7

6 Ergänzende Informationen zum LehrplanPLUS Gymnasium, Chemie Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler / Musterlösungen

7 Weitere Lösungsvorschläge: zu 4: Innerhalb einer Periode nimmt der Atomradius normalerweise ab. Innerhalb einer Hauptgruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten zu. zu 5: Kationen sind stets kleiner als die zugehörigen Atome. Anionen sind stets größer als die zugehörigen Atome. zu 6: Für Atom-Ionen aus den Hauptgruppen gilt: Die Ionenladungszahl der Kationen entspricht der Hauptgruppennummer. Die Ionenladungszahl der Anionen lässt sich ermitteln, wenn man von der Hauptgruppennummer die Zahl 8 subtrahiert. zu 7: Hinweis: Im Zusammenspiel mit dieser Übungsaufgabe lässt sich die systematische Nomenklatur für binäre Salze einführen. Durch die Verwendung von Kationen mit unterschiedlicher Ionenladungszahl, wird herausgestellt, dass die teilweise als Lernhilfe verwendete Kreuzregel nicht in allen Fällen trägt. Ihre Einführung wird deshalb nicht empfohlen. Name des Salzes Art und Anzahl der Ionen pro Formeleinheit Verhältnisformel des Salzes Bariumnitrid 3 Ba 2+ / 2 N 3- Ba 3 N 2 Calciumphosphid 3 Ca 2+ / 2 P 3- Ca 3 P 2 Lithiumsulfid 2 Li + / S 2- Li 2 S Blei(II)-oxid Pb 2+ / O 2- PbO Blei(IV)-oxid Pb 4+ / 2 O 2- PbO 2 Blei(II,IV)-oxid = Tribleitetraoxid = Mennige 2 Pb 2+ / Pb 4+ / 4O 2- Pb 3 O 4 Chrom(III)-oxid 2 Cr 3+ / 3 O 2- Cr 2 O 3 Eisen(II)-oxid Fe 2+ / O 2- FeO Eisen(III)-oxid = Hämatit 2Fe 3+ / 3 O 2- Fe 2 O 3 Eisen(II, III)-oxid = Trieisentetraoxid = Magnetit Fe 2+ / 2 Fe 3+ / 4O 2- Fe 3 O 4 Zink(II)-bromid Zn 2+ / 2 Br - ZnBr 2 Chrom(IV)-oxid Cr 4+ / 2 O 2- CrO 2 Blei(IV)-chlorid Pb 4+ / 4 Cl - PbCl 4 Seite 7 von 7