55 11336 Didaktische FWU-DVD Chemie Klasse 11 13 Trailer ansehen
Schlagwörter Anion; Apatit; Berliner Blau; Blut; Chelat; Chelateffekt; Chelatkomplex; chemische Bindung; chemisches Experiment; Chlorophyll; dative Bindung; EDTA; Eisen; Erythrozyt; Ethylendiamin; Farbumschlag; Ferriin; Ferroin; Filmblut; Häm-Gruppe; Hämoglobin; Indikator; Ion; Karies; Komplex; Komplexbildung; Koordinationszahl; Lactat; Ligand; Ligandenaustausch; Molekül; Nachweisreaktion; Runge, Friedlieb Ferdinand; Periodensystem; Porphyrin; Übergangsmetalle; Versuch; Werner, Alfred; Zahnschmelz; Zentralteilchen Systematik Chemie Anorganische Chemie Komplexchemie Biochemie Molekulare Grundlagen der Organismen Angewandte Chemie Chemie in Alltag und Umwelt 2
Zum Inhalt (Film 23 min) Im Alltag sind viele Lebewesen auf bedeutende Komplexe wie das Chlorophyll in der Fotosynthese oder die Häm-Gruppe im Hämoglobin angewiesen, um zu überleben. Der Film folgt bei der Erschließung des Themas zunächst einer historisch-problemorientierten Sichtweise. Sie beinhaltet die Entdeckung der Komplexe durch Alfred Werner und seine historische Leistung: die Erklärung der Komplexe auf Teilchenebene. Nach der Betrachtung exemplarischer, deren Aufbau und der gezielten Einführung neuer Fachbegriffe wie Ligand und Zentralteilchen, steht die Erarbeitung der dativen Bindung im Vordergrund. Im weiteren Verlauf wird das Phänomen des Ligandenaustausches thematisiert sowie die mehrzähnigen Liganden vorgestellt. Diese Erweiterung auf die Ebene der Chelatkomplexe lässt interessante Alltagsbezüge zu. Dabei wird der Zusammenhang von Milchsäurebakterien mit dem Apatit des Zahnschmelzes und der Entstehung bzw. Vermeidung von Karies ebenso behandelt wie die Funktionsweise des Hämoglobinproteins und des Chlorophyllmoleküls. Filmsequenzen Zusammensetzung von Komplexen (6:50 min) Wird es in einem Film actionreich, kann schon einmal Blut fließen. Das ist natürlich kein echtes Blut, sondern Filmblut ein Komplex, der sich auch im Labor relativ einfach herstellen lässt. Anhand des Hexa-aqua-eisen(III)-Komplexes werden die historischen Gegebenheiten und Entdeckungsleistungen Alfred Werners mit der eingangs dargestellten Thematik verknüpft sowie der Aufbau von Komplexen vorgestellt. Räumliche Struktur von Komplexen (2:20 min) Alfred Werner entwickelte als erster klare Vorstellungen über den räumlichen Bau von Komplexen. Da jeder Ligand möglichst viel Raum für sich beansprucht, liegen die Liganden so weit wie möglich auseinander. Neben der räumlichen Anordnung der Liganden beschäftigt sich die Sequenz mit den Bindungsverhältnissen in einem Komplex. Anwendung von (4:20 min) Den Farbumschlag bei vielen Komplexbildungsprozessen nutzen Chemiker gewinnbringend für Nachweisreaktionen. 3
Im Labor wird die Bildung des Tetraammin-kupfer(II)-Komplexes vorgestellt. Ferdinand Runges historische Entdeckung des gelben Blutlaugensalzes als Grundlage für die Synthese des Farbstoffs Berliner Blau zeigt anschließend die großchemische und wirtschaftliche Bedeutung der auf. Die Struktur des Komplexes wird auch an dieser Stelle auf Teilchenebene aus den Bestandteilen entwickelt. Chelatkomplexe (8:30 min) Liganden, die an mehreren Atomen jeweils ein freies Elektronenpaar besitzen, können mehrere Bindungen zum Zentralteilchen ausbilden. Sie können es wie eine Schere umschließen, was den Komplexen ihren Namen Chelatkomplexe vom Griechischen chele Krebsschere gegeben hat. Das erworbene Wissen wird anhand von zwei- und mehrzähnigen Liganden vertieft und angewandt. Ein Alltagsbezug wird zunächst am Zahnschutz hergestellt. Abschließend werden die Chelatkomplexe der Porphyrinringderivat-Liganden mit den Magnesium(II)- Ionen bzw. Eisen(II)-Ionen als Zentralionen behandelt: Chlorophyll a und die Häm-Gruppe. Interaktion Periodensystem der Elemente Die Schülerinnen und Schüler können mit diesem interaktiven Periodensystem die Gruppen bzw. einzelnen Elemente und deren Eigenschaften erforschen und miteinander vergleichen. 4
Grafiken Zentral-Ion und Ligand (3 Grafiken) Anhand des Hexa-aqua-eisen(III)-Komplexes wird die Bindung einzähniger Liganden an ein Zentralteilchen dargestellt. Liganden (Auswahl) (2 Grafiken) In den beiden Grafiken findet sich eine Auswahl an möglichen Liganden wieder. Nicht nur Moleküle wie Wasser oder Ammoniak erweisen sich als koordinationsfähig, sondern auch viele Anionen oder Halogenid-Ionen. Die zweite Grafik zeigt die freien Elektronenpaare ausgewählter Liganden, die für die Ausbildung einer Komplexbindung entscheidend sind. Anordnung der Liganden (2 Grafiken) Da jeder Ligand möglichst viel Raum für sich beansprucht, liegen die Liganden so weit wie möglich auseinander. Dabei ergibt sich für zwei Liganden eine lineare Anordnung und für drei eine trigonal planare. Vier Liganden bilden einen Tetraeder und sechs Liganden ordnen sich oktaedrisch um das Zentralteilchen an. Die Anzahl der Liganden gibt die Koordinationszahl KZ an. Kovalente Bindung Dative Bindung (2 Grafiken) Bei der Ausbildung einer dativen Bindung zwischen Ligand und Zentralteilchen stammen im Gegensatz zu einer kovalenten Bindung beide Elektronen vom Liganden. 5
Chelateffekt (2 Grafiken) Anhand dieser Grafik lässt sich gut erkennen, warum Chelatkomplexe stabiler sind als ähnliche einzähnige Liganden. Mehrzähnige Liganden (2 Grafiken) Liganden, die an mehreren Atomen jeweils ein freies Elektronenpaar besitzen, können mehrere Bindungen zum Zentralteilchen ausbilden. Am Beispiel von Ethylendiamin und Phenanthrolin werden zwei zweizähnige Liganden vorgestellt. EDTA ist ein sechszähniger Ligand. Ferroin Ferriin (2 Grafiken) Wird Ferroin oxidiert, gibt es ein Elektron ab und geht in die oxidierte Form über. Es entsteht ein Eisen(III)-Komplex mit einem dreifach positiv geladenen Eisen-Ion. Chlorophyll a (4 Grafiken) Die Grafiken zeigen den besonderen Aufbau von Chlorophyll a. Dabei sind die wesentlichen Strukturen des Chlorophylls hervorgehoben: Vier Pyrrolringe sind über Methinbrücken ringförmig verknüpft. Im Zentrum ist ein zweiwertiges Magnesium-Ion komplex gebunden. Ein Phytolrest dient der Verankerung in der Membran. Hämoglobin (6 Grafiken) Die Grafiken zeigen zum einen die Grundstruktur von Hämoglobin, zum anderen den Aufbau der Häm-Gruppe (Häm b) als prosthetische Gruppe, die jede Protein-Einheit des Hämoglobins enthält. Das Hämoglobin-Tetramer kann also insgesamt vier Sauerstoffmoleküle 6
binden. Die wesentlichen Strukturen im Aufbau der Häm-Gruppe sind hervorgehoben: Vier Pyrrolringe sind über Methinbrücken ringförmig verknüpft. Ein Eisen(II)-Ion ist im Zentrum komplex gebunden. Die fünfte Koordinationsstelle des Eisen(II)-Ions führt zum Histidinrest der Proteinkette. An die sechste Position kann ein Sauerstoffmolekül binden. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler lernen den Aufbau von chemischen Komplexen auf der Teilchenebene kennen; begreifen die Entstehung der dativen Bindung als neue Bindungsart; lernen die Begriffe Ligand und Zentral-Ion kennen und können diese an Beispielen erläutern; verstehen das Prinzip der Ligandenaustauschreaktion; können den Aufbau unterschiedlicher Komplexe durch Austausch der Liganden nachvollziehen und skizzieren; üben das Benennen und Zeichnen von ; können die Leistungen von Naturwissenschaftlern einordnen; begreifen die Bedeutung und Einsatzmöglichkeiten von Komplexen im Alltag; übertragen das Wissen von mit einzähnigen Liganden auf mehrzähnige Liganden; kennen den Aufbau von Häm- und Chlorophyll-Komplexen; erfassen die Bedeutung natürlicher Komplexe wie die des Chlorophylloder des Häm-Komplexes. Didaktische Hinweise Die Produktion eignet sich zur Einführung und Vertiefung des Themas. Sie vermittelt den Schülerinnen und Schülern das notwendige Fachwissen und ermöglicht den Zugang zu diesem neuen oder phänomenologisch betrachtet auch längst bekannten Thema. Es werden die Grundlagen bezüglich des Zustandekommens, des (räumlichen) Aufbaus und der Ligandenaustauschvorgänge von anschaulich erklärt. Daneben sollen sich die Schülerinnen und Schüler stets der Einsatzmöglichkeiten und der Bedeutung von bewusst sein, wobei ergänzend zu einem lebensnahen Kontext immer der Bezug 7
zur Modellebene und deren Nützlichkeit hergestellt wird. Die Produktion kann ebenso zur Vertiefung des Aufstellens von Reaktionsgleichungen, der Vorstellung des räumlichen Baus von Teilchen in der Chemie sowie der Bedeutung von freien Elektronenpaaren und deren Wichtigkeit für die Ausbildung chemischer Bindungen eingesetzt werden. Zudem können Indikatorwirkungen, das Konzept der Bildung von Ionen und deren Aufbau sowie der Nutzen von Modellvorstellungen wiederholt und vertiefend geübt werden. Durch die Auseinandersetzung mit den einzelnen Filmsequenzen kann einerseits an bereits vorhandenes Wissen angeknüpft und dieses vertiefend erweitert werden, andererseits können auch durchdachte Lernperspektiven durch den Übungseinsatz der ergänzenden Materialien erzeugt werden. So ergeben sich neben der Verwendung als Einstieg bzw. als Gesamtüberblick über den Fachinhalt der Komplexe diverse weitere Einsatzmöglichkeiten der Produktion. Sie kann ebenfalls als Abschluss einer Unterrichtseinheit verwendet werden und Grundlegendes zusammenfassen und einüben. Ebenso ergibt sich die Möglichkeit, den Unterricht sequenzweise zu begleiten oder chemisches und biologisches Grundwissen zu sichern. Gerade in diesem Zusammenhang ist der Film mit seinen Zusatzmaterialien gut als fachübergreifendes und fächerverbindendes Medium mit all seinen Sachinhalten einsetzbar. Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte: Zusammensetzung und räumlicher Bau von Komplexen Koordinationszahl und geometrische Anordnung der Liganden Schreibweise und Benennung von Entstehung der dativen Bindung als weitere Bindungsart Ligandenaustauschreaktionen Chelatkomplexe Biologisch wichtige Chelate wie z. B. Hämoglobin und Chlorophyll Synthese von chemischen Komplexen im Labormaßstab Entdeckung von Komplexen in der Historie der Naturwissenschaft Chemie Karies durch Chelate Einsatz und Bedeutung von Modellvorstellungen in den Naturwissenschaften 8
Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, der Interaktion sowie zu den Grafiken und ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Kreuzworträtsel rund um die 2) Struktur und Nomenklatur ausgewählter I 3) Struktur und Nomenklatur ausgewählter II 4) Die Häm-Gruppe des Hämoglobins 5) Demonstrationsexperiment: Kunstblut Interaktion Das Periodensystem der Elemente Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Zentral-Ion und Ligand (3 Grafiken) Ligandenaustausch (3 Grafiken) Periodensystem der Elemente (2 Grafiken) Liganden (Auswahl) (2 Grafiken) Anordnung der Liganden (2 Grafiken) Kovalente Bindung Dative Bindung (2 Grafiken) Herstellung Berliner Blau (2 Grafiken) Chelateffekt (2 Grafiken) Mehrzähnige Liganden (2 Grafiken) Ferroin Ferriin (2 Grafiken) Tris-ethylendiamin-nickel(II)-Komplex (Grafik) Komplexbildung Lactat-Ion (3 Grafiken) Chlorophyll a (4 Grafiken) Hämoglobin (6 Grafiken) Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9
Programmstruktur Untermenü Hauptmenü Film 23 min Zusammensetzung von Komplexen Zusammensetzung von Komplexen 6:50 min Zentral-Ion und Ligand Grafik Liganden (Auswahl) 2 Grafiken Periodensystem der Elemente Grafik Zusammensetzung von Komplexen Räumliche Struktur von Komplexen Sequenz/Grafiken Sequenz/Grafiken Räumliche Struktur von Komplexen Räumliche Struktur von Komplexen 2:20 min Anwendung von Chelatkomplexe 4:20 min Sequenz/Grafiken Anordnung der Liganden Kovalente Bindung Dative Bindung Grafik 2 Grafiken Arbeitsmaterial Chelatkomplexe Chelatkomplexe 8:30 min Mehrzähnige Liganden 2 Grafiken Arbeitsmaterial Tris-ethylendiaminnickel(II)-Komplex Chelateffekt Grafik Grafik Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter 36 Grafiken Ferroin Ferriin Chlorophyll a Hämoglobin Grafik Grafik 2 Grafiken 1 Interaktion Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10
Produktionsangaben (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018 DVD-Konzept Christina Lehni DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Bildnachweis Coverbild: FWU Institut für Film und Bild Grafiken: FWU Institut für Film und Bild 3D-Modelle: Avogadro: an open-source molecular builder and visualization tool. Version 1.2.0, http://avogadro.cc/ Arbeitsmaterial Ulrich Hammon Begleitheft Christina Lehni Pädagogische Referentin im FWU Christina Lehni Produktionsangaben zum Film Produktion Weichelt Film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Drehbuch Christina Lehni Kamera Fabian Weichelt, Stefan Weichelt 2D- & 3D-Animationen Stefan Weichelt Schnitt Stefan Weichelt Musik GEMAfreie Musik von audeeyah.de Footage Material Weichelt Film, Wikipedia, Shutterstock, Bigstockphoto, Videohive Sprecher Andreas Karg Fachdidaktische Beratung Ulrich Hammon, Haldor Neumann Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung, besonders bei Haldor Neumann und dem Lise-Meitner- Gymnasium Unterhaching Redaktion Christina Lehni, Dr. Maike Schuchmann, Katrin Opitz Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet www.fwu.de 11
46 11336 Didaktische FWU-DVD Ob Hämoglobin als Sauerstofftransporter im Blut oder Chlorophyll als Energietransporter in der Fotosynthese viele Lebewesen sind auf angewiesen, um überleben zu können. Die Produktion öffnet mithilfe anschaulicher Alltagsbezüge den Blick in die Welt der Komplexchemie. Dabei ermöglichen Animationen die Grundlagen des Zustandekommens, des (räumlichen) Aufbaus und der Ligandenaustauschvorgänge von auf sub mikroskopischer Ebene darzustellen. Chemische Experimente im Labor ergänzen genauso wie historische Bezüge aus der großchemischen Industrie das Fachwissen. Laufzeit 23 min Klasse 11 13 Sprache DE Film 1 Filmsequenzen 4 Arbeitsblätter 5 Grafiken 36 Interaktion 1 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler lernen den Aufbau von chemischen Komplexen auf der Teilchenebene kennen; begreifen die Entstehung der dativen Bindung als neue Bindungsart; verstehen das Prinzip der Ligandenaustauschreaktion; begreifen die Bedeutung und Einsatzmöglichkeiten von Komplexen im Alltag; gewinnen einen Einblick in die natürlichen Vorkommen von ; üben das Benennen und Zeichnen von. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 11 13 Zusammensetzung von Komplexen Räumliche Struktur von Komplexen Anwendung von Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG und 60b UrhG Chelatkomplexe GEMAFREI 4611336010 4611336010 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz 3 82031 Grünwald Telefon +49 (0)89-6497-1 Telefax +49 (0)89-6497-240 info@fwu.de www.fwu.de www.fwu-shop.de Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444 vertrieb@fwu.de