Atombau - Energiestufenmodell

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1 Atombau - Energiestufenmodell Jahrgangsstufen Fach/Fächer Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen 8 (NTG), 9 (SG, MuG, WSG) Chemie Unterrichtsstunde benötigtes Material --- Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler beurteilen die Eignung verschiedener Modelle zum Aufbau der Materie zur Erklärung von chemischen Phänomenen, erkennen dabei die Eigenschaften, Aussagekraft und Grenzen von Modellen und leiten daraus die Notwendigkeit ab, Modelle kritisch zu hinterfragen und weiterzuentwickeln. C8 (NTG) LB 1, C9 (SG) LB 1 vergleichen und bewerten die Aussagen verschiedener Modelldarstellungen zum Feinbau der Atome und beschreiben die Modellgrenzen. C8 (NTG) LB 5, C9 (SG) LB 5 Seite 1 von 6

2 Aufgabe Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Im bisherigen Unterricht wurden verschiedene Modellvorstellungen zum Bau der Materie behandelt. 1 Fertige eine Tabelle nach folgendem Muster an und fülle sie aus: Name der Modellvorstellung zeichnerische Darstellung wichtige Aussagen 2 Gib eine Reihenfolge für die von dir notierten Modellvorstellungen an. Begründe deine Reihenfolge. 3 Begründe, welches der Modelle du in den nachfolgenden Situationen zur Erklärung verwenden würdest: a) Der Ausbilder in einem Wälzlagerwerk erklärt den Auszubildenden, warum sich Stahl verformen lässt. b) Der Elektriker erklärt seinem Nachbarn, wie man sich den Stromfluss in einem Kupferkabel vorstellen kann. c) Der Meeresbiologe erklärt den Studierenden, wie das Leuchten von Plankton aus chemischer Sicht erklärt werden kann. (siehe hierzu Informationstext) d) Eine Reporterin erklärt in einem Artikel eines Wissenschaftsmagazins den Zusammenhang zwischen Energie und den unterschiedlichen Farben bei einem Feuerwerk. e) Du erklärst deinem Freund, warum stilles Mineralwasser den elektrischen Strom gut leitet, destilliertes Wasser dagegen nicht. Informationstext Lumineszenz Lebensräume mit wenig oder gar keinem Lichteinfall stellen ihre Bewohner vor große Aufgaben. In der Tiefsee herrscht ab ca. 800 Meter Tiefe vollkommene Finsternis. Es ist dann unmöglich, durch optische Signale (z. B. Warnfarben) Informationen zu übermitteln oder von anderen aufzunehmen. Eine mögliche Angepasstheit ist Biolumineszenz: Die Lebewesen leuchten selbst, indem sie die innere Energie, die sie mit der Nahrung aufgenommen haben, durch Stoffwechselvorgänge (chemische Reaktionen) auch in Form von Licht freisetzen. Ein analoger Prozess läuft in einem Knicklicht ab. Die Besonderheit ist, dass dabei kaum Wärme frei wird. Damit Energie in Form von Licht abgegeben werden kann, müssen Farbstoffmoleküle vorhanden sein, deren Elektronen durch Zufuhr von Energie auf/in einen energiereichen Zustand angeregt werden können. Diese Energie wird wieder freigesetzt, wenn diese Elektronen in einen energiearmen Zustand zurückkehren. Die Besonderheiten der Biolumineszenz sind, dass die Anregungsenergie direkt aus einem biochemischen Prozess stammt und dass die Freisetzung der Energie in Form von Licht und nicht nur in Form von Wärme erfolgt. Seite 2 von 6

3 Quellen- und Literaturangaben Wegner, C; Welz, T.: Die Fähigkeit zu leuchten. In: MNU - Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 67(3) 2014, S Hinweise zum Unterricht Diese Aufgabe bietet sich nach dem Unterricht zum Lernbereich 5 an. Bei Aufgabe 2 wurde bewusst keine Sortierkriterium angegeben: Die Sortierreihenfolge der einzelnen Schülerinnen und Schüler sowie deren Begründung soll diskutiert werden. Auch im Physikunterricht werden unterschiedliche Modellvorstellungen zum Bau der Materie thematisiert, weshalb es sich empfiehlt, im Vorfeld jeweils durch entsprechende Diagnoseaufgaben das Vorwissen der Lernenden zu eruieren und den Chemieunterricht darauf abzustimmen: erklären elektrostatische Phänomene aus dem Alltag (z. B. Reibungselektrizität) mithilfe ihrer Kenntnisse über Ladungseigenschaften und über das Kern-Hülle-Modell des Atoms. NT7 LB 1.1 konstruieren auf der Grundlage einer vereinfachten Teilchenvorstellung ein Modell zum Aufbau der Materie. Sie ergänzen die Teilchenvorstellung um die Betrachtung der mittleren kinetischen Energie der Teilchen und verfügen so über ein tieferes Verständnis für die Temperatur und die Einführung der absoluten Temperaturskala. Ph8 LB 3 analysieren mithilfe des Teilchenmodells die nachfolgenden physikalischen Prozesse: Änderung des Aggregatzustands, Mischen von Wassermengen unterschiedlicher Temperatur, Volumenänderung von Gasen bei Temperaturänderung. Hierbei unterscheiden sie bewusst zwischen Modell- und Realitätsebene und wenden das Energiekonzept an. Ph8 LB 3 Das Phänomen der Biolumineszenz ist eine mögliche Anwendung des Energiestufenmodells und ist nicht zwingend vom Lehrplan vorgeschrieben. Die verwendeten Beispiele sollten je nach Unterricht, Leistungsstärke der Schülerinnen und Schüler, örtlichen Gegebenheiten etc. variiert werden. Die Lernprodukte der Schülerinnen und Schüler (Aufgabe 1 und 2) können in der Klasse diskutiert werden. Seite 3 von 6

4 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler zu 1: mögliche Schülerlösungen: E Seite 4 von 6

5 Bei allen Lösungen kommt es zur Vermischung von Atom- und Bindungsmodellen. Die Schüler verwenden auch das Elektronengasmodell aus dem Physikunterricht. Übersichten und Informationen über die Modellvorstellungen finden sich unter: Chemie 8 (NTG) Lernbereich 2 Materialien Datei Aggregatzustände und Teilchenmodell Chemie 8 (NTG) Lernbereich 2 Materialien Datei Häufig beobachtbare Fehlvorstellungen zum Teilchenkonzept Chemie 8 (NTG) Lernbereich 2 Materialien Datei Kernaussagen zum Teilchenmodell Chemie 8 (NTG) Lernbereich 2 Materialien Datei Teilchenmodell: Darstellung von Stoffgemischen Chemie 8 (NTG) Lernbereich 3 Materialien Datei Kernaussagen zum Daltonschen Atommodell Chemie 8 (NTG) Lernbereich 4 Materialien Datei Kernaussagen zum Kern-Hülle Modell (Rutherford) Chemie 8 (NTG) Lernbereich 5 Materialien Datei Kernaussagen zum Energiestufenmodell zu 2: mögliche Schülerlösung: Die in der Musterlösung vorgegebene Reihenfolge entspricht dem zeitlichen Ablauf der Postulierung der Modelle. zu 3: mögliche Schülerlösung: Wie bereits bei Aufgabe 2 kommt es häufig zur Durchmischung von Atom- und Bindungsmodellen. Dies ist aufgrund der Aufgabenstellung nicht ungewöhnlich und kann dazu genutzt werden, die Atom- und Bindungsmodelle miteinander zu vernetzen. a) Der Ausbilder in einem Wälzlagerwerk erklärt den Auszubildenden, warum sich Stahl verformen lässt. Daltonsches Atommodell, denn hier muss das Verschieben der Atome gegeneinander erklärt werden. b) Der Elektriker erklärt seinem Nachbarn, wie man sich den Stromfluss in einem Kupferkabel vorstellen kann. Kern-Hülle-Modell, denn hier muss die Beweglichkeit von Elektronen erklärt werden. Seite 5 von 6

6 c) Der Meeresbiologe erklärt den Studierenden, wie das Leuchten von Plankton aus chemischer Sicht erklärt werden kann. Energiestufenmodell der Atomhülle, denn hier muss erklärt werden, wie Elektronen angeregt werden können. d) Eine Reporterin erklärt in einem Artikel eines Wissenschaftsmagazins den Zusammenhang zwischen Energie und den unterschiedlichen Farben bei einem Feuerwerk. Energiestufenmodell der Atomhülle, denn hier muss erklärt werden, wie Elektronen angeregt werden können. e) Du erklärst deinem Freund, warum stilles Mineralwasser elektrisch leitend ist, destilliertes dagegen nicht. Kern-Hülle-Modell, denn hier muss auf die Existenz von Ionen hingewiesen werden. Anregung zum weiteren Lernen Anhand einer entsprechenden Aufgabe zu den Bindungsmodellen könnten auch diese vergleichend betrachtet werden. Seite 6 von 6