Modulbeschreibung Schulart: Fach: Zielgruppen: Autor: Zeitumfang: Realschule Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten (RS) 6 (RS), 8 (RS) Guido Hennrich Vier Stunden Die metallische Bindung ist gekennzeichnet durch frei bewegliche Elektronen im Metallgitter, die unter anderem für die elektrische Leitfähigkeit, den metallischen Glanz und die Verformbarkeit verantwortlich sind. In der vorliegenden Unterrichtseinheit wenden die Schüler/innen unter anderem Atommodelle an, um sich dem Verständnis dieser Art chemischer Bindungen zu nähern. Anhand von kleinen Versuchsaufbauten, Präsentationen und Filmmaterial werden die relevanten Prozesse anschaulich gemacht. (Modulbild: 2010 LMZ-BW/G. Hennrich) Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich: Stoffeigenschaften, Stoffklasse der Metalle; Atommodell (Schalenmodell), elektrostatische Gesetze; Ionen 1
Unterrichtsverlauf 1. Stunde: Metalle Als Einstieg in das Thema dient ein kurzes Bilderrätsel ( Dalli-Klick ) der Präsentation, bei dem nacheinander vier Gegenstände erraten werden müssen. Nachdem die Lösungen bekannt sind, werden die SuS gefragt, welche Gemeinsamkeit alle Gegenstände trotz aller Unterschiedlichkeit aufweisen. Alle Gegenstände bestehen zum größten Teil aus Metallen. Metalle bilden die überwiegende Stoffklasse innerhalb der chemischen Elemente. Viele davon sind den SuS zumindest dem Namen nach aus dem vorangegangenen NWA-Unterricht bekannt. Mit Folie 47 der Präsentation werden noch einmal bekanntere Vertreter gezeigt. In einem begleitenden Unterrichtsgespräch wird den SuS zudem klar, dass die Wahl eines Metalls als Werkstoff nicht beliebig ist, sondern meistens an die Funktion oder die Herstellungsweise des Gegenstands gebunden ist. Folie 48 führt diesen Gedanken weiter. Den SuS wird der Filmausschnitt Metalle und : chemischer Bau der Metalle spezifische Eigenschaften (1:20, aus der DVD "Chemische Bindungen I: Metalle und Salze", Verleihnummer 4602000) gezeigt. Im Anschluss an die Filmbetrachtung erhalten die SuS die kleine Aufgabe alltägliche Verwendungsmöglichkeiten von Metallen aufzuschreiben. Denkbar wäre an dieser Stelle des Unterrichts auch die Erstellung einer Mindmap zum Thema Metalle und ihre Verwendung. Am Ende der Einführung in das Thema soll den SuS bewusst sein, dass Metalle vielfache Verwendungen finden und nicht aus unserem Alltag wegzudenken sind. Folie 49 der Präsentation formuliert diesen Gedanken. Ein Steckbrief zu einem Metall, den die SuS einzeln oder in Gruppen als Hausaufgabe erarbeiten können, rundet die Themeneinführung ab (siehe Folie 50 der Präsentation). 2. Stunde: und Metalleigenschaften Am Stundenanfang wird zunächst der Gedanke aus der vorangegangenen Stunde aufgegriffen, dass die Funktion oder Herstellungsweise eines Gegenstands für die Auswahl des Metalls bestimmend ist. Hier kann auch das Arbeitsblatt Gebrauchsmetalle eingesetzt werden. Die Frage, wieso man Metalle für bestimmte Gegenstände nutzt, führt hin zu den Eigenschaften der Metalle. Mithilfe des Vorwissens der SuS über Stoffeigenschaften, werden schnell die typischen (allgemeinen) gemeinsamen Eigenschaften der Metalle erarbeitet und notiert (vgl. Folie 51 der Präsentation ). Daran knüpft sich die Frage an, woher zahlreiche Eigenschaften der Metalle rühren und der Aufbau der Metalle wird nun genauer betrachtet. Manche SuS wissen vielleicht noch aus der Filmbetrachtung in der 1. Stunde, dass Metalle aus Kristalliten bestehen (der kurze Filmausschnitt kann noch einmal wiederholt werden Metalle und : chemischer Bau der Metalle spezifische Eigenschaften (1:20, DVD siehe 1. Stunde)). Das Bild auf Folie 52 der Präsentation oder ein mitgebrachter verzinkter Gegenstand zeigen das sehr gut. 2
Kristallite bestehen aus regelmäßig geordneten Metallatomen. Die kurze Filmsequenz Metalle und : chemischer Bau der Metalle Metallgitter (0:20, DVD siehe 1. Stunde) zeigt dies im Modell. Der Aufbau eines Metalls scheint also auf den ersten Blick dem von Salzen zu gleichen. Wieso beide Stoffklassen aber so unterschiedliche Eigenschaften haben, erklärt Folie 53 und die Filmsequenz Metalle und : chemischer Bau der Metalle (1:30, DVD siehe 1. Stunde). Nach Betrachtung der Filmsequenz und der Folienanimation formulieren die SuS den Sachverhalt noch einmal selbst und notieren ihn gegebenenfalls auf. Im Folgenden wird nun auf einige Eigenschaften näher eingegangen, die aus der abgeleitet werden können. Zuerst einmal die elektrische Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu Salzen sind Metalle in festem Zustand elektrisch Leitfähig. Dies können die SuS direkt aus dem Elektronengas-Modell der ableiten. Die interaktive Schaltfläche auf Folie 54 öffnet eine Animation zur elektrische Leitfähigkeit (Schaltfläche muss verlinkt sein). Nach deren Betrachtung erklären die SuS die elektrische Leitfähigkeit mit eigenen Worten. Gefestigt werden die Erkenntnisse anschließend mit dem FilmausschnittMetalle und : Leitfähigkeit und Schmelze Warum leitet Metall Strom? (1:20, DVD siehe 1. Stunde). 3. Stunde: Verformbarkeit, Schmelzpunkte Zu Beginn der Stunde werden kurz die Erkenntnisse aus der vorangegangenen Stunde wiederholt. Dann führt Folie 55 der Präsentation zum nächsten Teilthema - die Verformbarkeit von Metallen. Zunächst sehen die SuS ein Bild, in dem modellhaft ein bekannter Vorgang beschrieben wird: Ein Salzkristall zerspringt, wenn man mechanische Gewalt auf ihn ausübt. Die SuS erklären mit ihrem Vorwissen über die Ionenbindung diesen Umstand. Eine nachfolgende Betrachtung der Filmsequenz Salze und Ionenbindungen: Eigenschaften von Salzen Warum sind Salze spröde und brüchig? (1: 50, DVD siehe 1. Stunde) bringt alle SuS auf den gleichen Wissensstand. Das zweite Bild der Folie 55 zeigt ebenfalls modellhaft das Verhalten eines Metalls, wenn man mechanische Gewalt darauf ausübt. Die SuS wissen aus eigener Erfahrung, dass Metalle sich dabei verformen und nicht wie Salze zerspringen. Um zu verstehen, wieso das so ist, wird den SuS die Animation Was passiert bei der Verformung? gezeigt. Zunächst beschreiben sie das Gezeigte. Dann versuchen sie mit ihrem Wissen von den delokalisierten Elektronen ( Elektronengas ) in Metallen und der gesehenen Animation selbst zu erklären, wieso Metalle sich verformen und nicht zerspringen. Metalle sind aber nicht immer gut verformbar. Manche sind sogar sehr brüchig, so wie z.b. Gusseisen. Dass und wie die Verformbarkeit der Metalle beeinflussbar ist, können die SuS in einem einfachen Versuch nachvollziehen. Der Versuch Formbarkeit von Metall ist auch in der Filmsequenz Metalle und : Kristallite und Formbarkeit (5:20, DVD siehe 1. Stunde) zu sehen. Bei der anschließenden Betrachtung der o. g. Filmsequenz erfahren die SuS, woher die unterschiedliche Formbarkeit herrührt. An die Filmbetrachtung schließt sich ein kurzes Unterrichtsgespräch an, in dem die wesentlichen Punkte, wann ein Metall besonders gut verformbar ist, wann es brüchig 3
ist und wie man die Verformbarkeit beeinflussen kann, herausgearbeitet werden. Die Ergebnisse werden stichwortartig festgehalten, bzw. fließen in das Versuchsergebnis des o. g. Versuchs ein (vgl. Formbarkeit von Metall Lösung). Die Größe der Kristallite und die Abstände zwischen ihnen erklären zwar die Verformbarkeit der Metalle, sie erklären jedoch nicht, wieso die Metalle so unterschiedliche Schmelzpunkte oder verschiedene Härten haben. In Folie 56 der Präsentation wird diese Frage gestellt. Um dies zu erklären, muss man sich noch einmal tiefer auf die Ebene der Atome begeben. Der Film Metalle und : Leitfähigkeit und Schmelze Warum haben unterschiedliche Metalle verschiedene Schmelzpunkte? (2:50, DVD siehe 1. Stunde) stellt die Zusammenhänge sehr gut dar. Nachdem die SuS ihn angesehen haben, werden sie aufgefordert einen Merksatz formulieren, in welchem die Atomgröße und Ladung des Atomrumpfs mit den Schmelzpunkten und der Härte der Metalle in Beziehung gesetzt wird. Beispiel: Ein Metall ist umso weicher und hat einen umso niedrigeren Schmelzpunkt, je geringer die Ladung seines Metallrumpfs (Metallions) ist und je größer der Metallrumpf und damit der Abstand zu den delokalisierten Elektronen ist. Der Zusammenhang, der i. d. R. zwischen Atomgröße und Schmelzpunkt/Härte herrscht, erschließt sich den SuS besonders gut anhand ihrer Kenntnisse über die Eigenschaften der Alkalimetalle. In der Elementfamilie ist das Element mit dem größten Atom auch das weichste und das mit dem niedrigsten Schmelzpunkt. Die zwei abschließenden Fragen auf Folie 56 der Präsentation dazu zeigen, ob die SuS die Zusammenhänge richtig verstanden haben. Der Atomrumpf des Quecksilbers hat eine zweifach positive Ladung. Das Atom ist mit 6 Elektronenschalen sehr groß, sodass die Anziehung zwischen den Metallionen und den delokalisierten Elektronen so schwach ist, dass es nicht für den festen Aggregatzustand reicht. Der Atomrumpf des (Halb-)Metalls Bor hat eine dreifache Ladung. Das Atom ist mit 2 Elektronenschalen sehr klein, sodass die Anziehung zwischen dem Metallion und den delokalisierten Elektronen sehr stark ist. Der Schmelzpunkt von Bor liegt bei ca. 2075 C, seine Mohs-Härte hat den Wert 9,5. Es ist nach dem Diamant (Kohlenstoff) das zweithärteste Element. Folie 57 der Präsentation fasst die wichtigsten Aspekte der noch einmal kurz zusammen. 4. Stunde: Legierungen; beeinflussende Faktoren der elektrischen Leitfähigkeit 4
Die letzte Stunde zum Thema widmet sich den Metall-Legierungen. Folie 58 der Präsentation führt zum Thema hin. Jede/r SuS kennt Messing, eine häufig verwendete Legierung. Was aber ist Messing? Ein Metall? Vielleicht sogar ein Element? Eventuell weiß sogar der/die eine oder andere Schüler/in, dass es sich bei Messing um eine Legierung handelt. Dann wird als nächstes der Begriff Legierung geklärt: Legierungen sind Stoffgemische aus zwei oder mehr Metallen. Sie sind fest und haben metallische Eigenschaften. Manche Legierungen sind den SuS gut bekannt, ihre Zusammensetzung aber nicht. Dies könnte der Anlass sein eine kurze Rechercheaufgabe durchzuführen, wie sie Folie 59 der Präsentation formuliert. Die SuS können neben Messing z.b. nach der Zusammensetzung von Bronze, Hartblei oder Edelstahl suchen. Jedoch auch Weißgold, Lötzinn oder Neusilber bieten interessante Nachforschungsgegenstände. Folie 60 dient der Besprechung der Rechercheaufgabe. Es schließt sich die Frage an, wieso viele Gegenstände aus Legierungen hergestellt werden und nicht aus reinen Metallen worauf die SuS vermutlich selbst einige Antworten finden. Endgültige Klärung liefert die Filmsequenz Metalle und : Legierungen (3:00 DVD siehe 1. Stunde), in deren Anschluss die Gründe genannt und notiert werden. Man legiert Metalle, um je nach Anforderung, die an einen Gegenstand gestellt werden, gewünschte Eigenschaften zu erzielen: Härte, Zugfestigkeit, Verformbarkeit, Schmelzbarkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. Hat man etwas Woodsche Legierung (Woodsches Metall) in seiner Chemikaliensammlung, kann man den Unterschied zu den reinen Metallen aus dem die Legierung besteht eindrucksvoll demonstrieren. Woodsche Legierung besteht aus 50 % Bismut, 25 % Blei, 12,5 % Zinn und 12,5 % Cadmium. Während die SuS die Schmelzpunkte der reinen Metalle heraussuchen, bringt man ein Becherglas Wasser zum Sieden. Gibt man dann eine Probe der Legierung in das nicht mehr kochende Wasser, schmilzt das Metall nach kurzer Zeit. Woodsches Metall hat einen Schmelzpunkt von ca. 71 C. Bismut hingegen schmilzt bei 271 C, Blei bei 327 C, Zinn bei 232 C und Cadmium bei 321 C. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts wird Woodsches Metall z. B. in elektrischen Sicherungen oder als Schmelzsicherung für Sprinkleranlagen genutzt. Auch die elektrische Leitfähigkeit in Metallen ist eine veränderliche Eigenschaft. Um dies zu zeigen, betrachten die SuS zunächst die Animationen Stromleitung in Metallen auf Folie 62 der Präsentation (Schaltfläche muss verlinkt sein). Sie schauen zuerst die Animation des Versuchs an und beschreiben die darin angedeuteten Veränderungen - dass durch das Erhitzen des Metalldrahts die Stromstärke sinkt und die Lampe weniger hell leuchtet. Danach betrachten die SuS die Modelldarstellung und erklären, warum die Stromstärke bei einem erwärmten Metall abnimmt. Die zwei Ergebnissätze dazu auf Folie 62 können notiert werden. Folie 63 versucht eine Parallele zwischen den schwingenden Atomrümpfen in erwärmten Metallen und den Fremdionen in Legierungen zu ziehen. Eine einfache Animation zeigt, dass die Metallionen des legierten Metalls die Elektronen beim Durchfluss bremsen. Mit Folie 64, die abschließende Informationen liefert, endet die Erarbeitung des Themas. Die Bearbeitung des Arbeitsblatts Lückentext und/oder des Arbeitsblatts Metalle Eigenschaften beschließt das Thema. 5
Bildungsplanbezug Realschule Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten 1. KOMPETENZERWERB DURCH DENK- UND ARBEITSWEISEN Antworten und Erkenntnisse durch Kooperation und Kommunikation Die Schülerinnen und Schüler können mit Modellen sich selbst und anderen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen 2. KOMPETENZERWERB DURCH DAS ERSCHLIESSEN VON PHÄNOMENEN, BEGRIFFEN UND STRUKTUREN Den Mikrokosmos und modellhafte Deutungen erfahren Die Schülerinnen und Schüler können ein Atommodell zur Erläuterung von Bindungsverhalten und zum Verständnis des Periodensystems der Elemente (PSE) anwenden Phänomene und Möglichkeiten ihrer Beschreibung erleben Die Schülerinnen und Schüler können elektrische Leitungsvorgänge in Metallen, Flüssigkeiten, Gasen, dem Vakuum und Halbleitern beschreiben (Aus: Bildungsplan 2004 - Realschule, Klassen 5-10; Kompetenzen und Inhalte für Naturwissenschaftliches Arbeiten; Seiten 97, 100 und 101) Ausführliche Informationen zum Bildungsplan gibt es unter Bildung stärkt Menschen. 6