55 11084 Didaktische FWU-DVD Die Elemente Kohlenstoff Mit 3D-Interaktion
Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler wissen um den Grundaufbau des Kohlenstoffatoms; verstehen die Verknüpfungsmöglichkeiten des Kohlenstoffatoms; kennen Aufbau, Eigenschaften, Vorkommen und Anwendung von: Graphit, Diamant, Fulleren, Graphen und Nanoröhren; kennen Aufbau, Eigenschaften, Vorkommen und Anwendung von Kohle; lernen, wie der Inkohlungsprozess abläuft; differenzieren Braunkohle, Steinkohle und Anthrazitkohle voneinander; lernen den Prozess der Verkokung kennen; wissen, wie Grillkohle aufbereitet wird; können die unterschiedlichen Eigenschaften von Diamant, Graphit usw. nachvollziehen; erkennen die Bedeutung von Kohlenstoffverbindungen; erkennen die Vielfalt von Kohlenstoffverbindungen; verstehen die zeitliche Dimension des Inkohlungsprozesses; unterscheiden zwischen Kohlenstoffverbindungen als Reinstoff und als Gemisch; können die wichtigsten Angaben im PSE korrekt einordnen; differenzieren die Begriffe Element, Atom und Molekül klar voneinander. 2
Zum Inhalt Die Elemente: Kohlenstoff Film (22 min) Alles um uns herum setzt sich aus kleinsten Teilchen zusammen: den Atomen. Besteht ein Stoff nur aus einer Sorte von Atomen, spricht man in der Chemie von einem Element. Eines dieser Elemente ist für unser Leben auf der Erde neben Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff besonders wichtig: Kohlenstoff. Im Alltag begegnen wir Kohlenstoff auf viele Weisen: in reiner Form, als Diamant oder als Graphit, oder chemisch gebunden, z. B. in Form von Karbonaten, Kohlenstoffdioxid, Kohlensäure, Erdöl und Erdgas oder Kohle. Und auch in jeder unserer Körperzelle ist Kohlenstoff enthalten. In anschaulichen Animationen zeigt der Film zunächst den atomaren Aufbau von Kohlenstoff sowie dessen Bindungseigenschaften und Modifikationen. Diamant, Graphit, Fulleren, Graphen und Nanoröhren werden Schritt für Schritt vorgestellt. Auch auf Kohlenwasser stoffe (Alkane, Cycloalkane, Aromaten) wird eingegangen. Abschließend widmet sich der Film der Frage Wie kam der Kohlenstoff in die Kohle?. 3
Menü Die Elemente: Kohlenstoff (Sequenzen) Kohlenstoff Element des Lebens (Filmsequenz 1:20 min) Kohlenstoff begegnet uns überall in unserem Alltag. Er steckt in jeder unserer Körperzellen, in jedem Tier und jeder Pflanze und auch in vielen Alltagsgegenständen, wie Papier, Bleistift oder Kleidung. Die Filmsequenz gibt einen Überblick über die Vielfalt von Kohlenstoff und zeigt, wie wichtig dieses Element für das Leben auf der Erde ist. Eigenschaften und Atommodell (Filmsequenz 2:20 min) Die Schülerinnen und Schüler lernen das Element Kohlenstoff im Periodensystem der Elemente kennen und verstehen dessen besondere Stellung. Am atomaren Aufbau wird gezeigt, dass Kohlenstoff zwei Aufenthalts-Wahrscheinlichkeits-Räume von Elektronen besitzt. Innerhalb der äußeren Elektronenhülle (Valenzhülle) kann ein Kohlenstoffatom vier Elektronen mit anderen Atomen teilen. Kohlenstoff ist also vierbindig. Graphit und Diamant (Filmsequenz 6:20 min) Warum ist Diamant so hart und Graphit so weich, obwohl beide Stoffe aus den gleichen Atomen bestehen? Am Beispiel von Diamant und Graphit wird in dieser Filmsequenz der Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften von Kohlenstoffmodifikationen klar herausgearbeitet. Anschauliche Animationen 4
zeigen, dass Graphit aus übereinandergelagerten Kohlenstoffschichten besteht, die hexagonal miteinander verknüpft sind. Diamant hingegen hat eine kubische Struktur. Die Atome sind alle gleich weit voneinander entfernt und lassen sich wegen ihrer festen Bindung nur schwer gegeneinander verschieben oder voneinander trennen. Fullerene, Graphen und Nanoröhren (Filmsequenz 3:20 min) Neben Diamant und Graphit gibt es weitere Modifikationen des Kohlenstoffs, die derzeit noch wenig erforscht sind, aber in Zukunft eine große Rolle spielen könnten. So würden sich Fullerene wegen ihrer besonderen Eigenschaften sehr gut als Schmiermittel eignen. Graphene sind extrem stabil, biegsam, transparent und 100 Mal fester als Stahl dabei ist Graphen nur eine Atomlage dick. Sättigt man die Ränder nicht mit anderen Atomen ab, so formt sich die Schicht zu einer Röhre, einer Nanoröhre. Kohlenwasserstoffe (Filmsequenz 4:20 min) Kohlenstoff kann vier Elektronen mit anderen Atomen teilen. Dabei kann er sehr viele verschiedene chemische Bindungen eingehen. Die Schülerinnen und Schüler lernen in anschaulichen Animationen Beispiele aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe kennen. Es wird stets darauf geachtet, dass ein Bezug zu Nutzungsmöglichkeiten der genannten Stoffe besteht (Propangas im Campingkocher, Octan im Benzin, Cyclohexan bei der Produktion von Kunstfasern, Aromaten als Grundstoff für Medikamente, Kosmetika und Farbstoffe). Beispiel Kohle (Filmsequenz 3:30 min) Ein Rückblick in die Vergangenheit zeigt, wie über Jahrmillionen aus Holz zunächst Torf, dann Braunkohle und schließlich Steinkohle entstanden ist (Inkohlungsprozess). Dadurch wird deutlich: Kohle ist nie reiner Kohlenstoff. Zwischen den Graphitschichten sind noch viele weitere Moleküle enthalten. Auch auf die Nutzung von Kohle und ihre Veredelung zu Koks wird eingegangen. Wie bei der Grillkohle handelt es sich bei Koks um keinen natürlichen Stoff, sondern das Ergebnis eines künstlich beschleunigten Verkohlungsprozesses. 5
Menü Steckbrief Kohlenstoff (Grafiken) Das Element Kohlenstoff im PSE (Grafik) Die Grafik zeigt die wichtigsten Merkmale des Elements Kohlenstoff im Periodensystem der Elemente: Ordnungszahl, Hauptgruppe, Periode und Atommasse werden übersichtlich in einer Tabelle dargestellt. Die Angaben können ein- und ausgeblendet werden. Modifikationen und Eigenschaften (Grafik) In dieser Grafik werden die Modifikationen des Kohlenstoffs Diamant, Graphit und Fulleren hinsichtlich Aussehen/Farbe, Härte, elektrischer Leitfähigkeit, Dichte und Löslichkeit verglichen. Die Angaben können ein- und ausgeblendet werden. Atommodell (Grafik) Das Atommodell zeigt den atomaren Aufbau von Kohlenstoff: Den Kern bilden sechs Protonen und sechs Neutronen. Um diesen bewegen sich in der ersten Schale zwei Elektronen. In der Valenzhülle befinden sich vier Elektronen (Valenzelektronen). Die Beschriftung der Grafik kann ein- und ausgeblendet werden. Kohlenwasserstoffe Beispiel Alkane (2 Grafiken) Die erste Grafik (mit kurzem Infotext) zeigt Methan als die einfachste organische Verbindung. In einer zweiten Grafik wird darauf aufbauend die homologe Reihe der Alkane vorgestellt, bei der die aufeinanderfolgenden Moleküle um jeweils eine CH 2 -Gruppe ergänzt werden. 6
Beispielhaft werden die ersten vier Alkane Methan, Ethan, Propan und Butan dargestellt. Die Grafik dient als Anreiz, die Reihe fortzuführen und so den grundsätzlichen Aufbau der Alkane zu verstehen. Interaktionen Erforsche das Element Kohlenstoff (3D-Interaktion) Diese 3D-Interaktion erlaubt es den Schülerinnen und Schülern, das Element Kohlenstoff zur Vertiefung und Festigung der Thematik eigenständig zu erforschen. Nach Öffnen der Interaktion kann zunächst zwischen unterschiedlichen Darstellungsformen (z. B. Kristallgitter) der Modifikationen Diamant, Graphit und Fullerene gewechselt werden. Anhand von Aufgabe 1 können die Schülerinnen und Schüler üben, die Strukturmodelle der einzelnen Modifikationen mit den jeweiligen Eigenschaften in Verbindung zu bringen. Aufgabe 2 befasst sich mit der homologen Reihe der Alkane. Hierbei müssen sowohl die Summenformeln als auch die Namen der Verbindungen richtig zugeordnet werden. Das Periodensystem der Elemente (Interaktion) Die Schülerinnen und Schüler können mit diesem interaktiven Periodensystem die einzelnen Elemente und deren Eigenschaften erforschen und miteinander vergleichen. 7
Verwendung im Unterricht Die vorliegende Produktion ist insbesondere für den Einsatz in der Mittelstufe konzipiert. Doch auch in der Oberstufe kann sie zur Wiederholung, als einführende Übersicht oder als Grundlage für eine weiterführende Vertiefung der Thematik dienen. Die Produktion soll den Schülerinnen und Schülern das grundlegende Fachwissen zu den vielseitigen Erscheinungsformen und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen des Elements Kohlenstoff und einer Auswahl seiner Verbindungen näherbringen. Dazu werden im Film zunächst die wichtigsten Grundbegriffe geklärt und die Grundeigenschaften des Kohlenstoffatoms eingeführt. Anschließend wird auf die Vielfalt der Verknüpfungsmöglichkeiten und entsprechenden Verbindungen, die das Kohlenstoffatom eingehen kann, eingegangen. Dabei werden die Reinstoffe Graphit, Diamant, Fulleren, Graphen, Nanoröhren vertieft und im Anschluss daran die Entstehung und Aufbereitung des Stoffgemisches Kohle und seiner verschiedenen Ausprägungen näher erläutert. Die Einsatzmöglichkeiten des Films sind flexibel. So kann der Film sowohl als Einstieg in die Thematik Kohlenstoff als auch als stückweise Begleitung zu den einzelnen Teilen einer entsprechenden Unterrichtseinheit verwendet werden, oder aber als Abschluss und grundlegende Zusammenfassung der Behandlung des Themas Kohlenstoff im Unterricht. Begleitend stehen vier einführende und zwei vertiefende Arbeitsblätter bereit, welche einzelne Aspekte des Films wiederholen sowie weiterführendes Wissen zu im Film nicht angesprochenen Punkten vermitteln. Durch den Erwerb des Fachwissens und den starken Alltagsbezug des Themas Kohlenstoff werden die Schülerinnen und Schüler motiviert, sich auch über die Lerneinheit hinaus weiter mit der Bedeutung und thematischen Reichweite von Kohlenstoffverbindungen auseinander zu setzen. Darüber hinaus stehen zwei Interaktionen zur Verfügung, mit denen die Schülerinnen und Schülern das Periodensystem der Elemente sowie insbesondere das Element Kohlenstoff (3D-Interaktion) auf spielerische Weise eigenständig erforschen können. 8
Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Interaktionen Bilder / Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Grundbegriffe 2) Vorkommen von Kohlenstoff 3.1) Kohlenstoffverbindungen (für Einsteiger) 3.2) Kohlenstoffverbindungen (für Experten) 4.1) Entstehung von Kohle (für Einsteiger) 4.2) Entstehung von Kohle (für Experten) 3D-Interaktion: Erforsche das Element Kohlenstoff Periodensystem der Elemente Das Element Kohlenstoff im PSE (mit und ohne Info) Modifikationen und Eigenschaften (mit und ohne Info) Atommodell (mit und ohne Info) Methan die einfachste organische Verbindung Kohlenwasserstoffe Beispiel Alkane Periodensystem der Elemente Filmkommentar als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9
Programmstruktur Hauptmenü Untermenü Die Elemente Kohlenstoff Die Elemente Kohlenstoff Die Elemente: Kohlenstoff Film 22 min Kohlenstoff Element des Lebens 1:20 min Die Elemente: Kohlenstoff Sequenzen Eigenschaften und Atommodell 2:20 min Graphit und Diamant 6:20 min Steckbrief Kohlenstoff Grafiken Fullerene, Graphen und Nanoröhren Kohlenwasserstoffe 3:20 min 4:20 min Arbeitsmaterial Beispiel Kohle 3:30 min Steckbrief Kohlenstoff Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 4 Arbeitsblätter (z. T. differenziert) Bilder und Grafiken 2 Interaktionen (davon eine 3D-Interaktion) Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Das Element Kohlenstoff im PSE Modifikationen und Eigenschaften Atommodell Kohlenwasserstoffe Beispiel Alkane Grafik Grafik Grafik 2 Grafiken 10
Produktionsangaben Die Elemente: Kohlenstoff (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Konzept Svenja Weiß DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 Bildnachweis Coverbild: Jeffrey Hamilton / Thinkstock 3D-Interaktion 3d-bewegungswekstatt, Gilching Interaktion PSE Christina Kokkalis Fachberatung Dr. Nina Harsch Arbeitsmaterial Dr. Nina Harsch Begleitheft Svenja Weiß, Christina Lehni Pädagogische Referentin im FWU Svenja Weiß Animationen Anna Lux, Blue Silver GmbH Bildnachweis Pflanzenlaus: macroart / istock / Thinkstock Schnitt Wolfgang Grimmeisen Fachberatung Dr. Nina Harsch, Peter Latzel Sprecher Sebastian Prittwitz Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung, besonders bei Mineralogische Staatssammlung München; Diatec Diamanttechnik GmbH; Mackrodt Schmuckdesign; Geopark Ries; RieskraterMuseum; Bayrisches Landesamt für Umwelt; AMG Mining AG, Kropfmühl; FC Sturm Hauzenberg; Gesamtverband Steinkohle e.v.; Augsburg TV; Klaus Meyer; Tom Wudi Redaktion Svenja Weiß, Christina Lehni Produktionsangaben zum Film Die Elemente: Kohlenstoff Produktion Lopane-Film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 Buch Svenja Weiß, Monika Latzel Regie Monika Latzel Kamera Axel Grabmann, Markus Krämer Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2014 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
Didaktische FWU-DVD 46 11084 Die Elemente: Kohlenstoff Ohne das Element Kohlenstoff wäre kein Leben auf der Erde möglich. Wir finden es in der Atmos phäre, im Boden oder im Ozean, in der Grillkohle, im Bleistift und nicht zuletzt in jeder unserer Körperzellen. Die FWU-Produktion stellt die Besonderheiten des Kohlenstoffs vor und zeigt mithilfe von anschaulichen Animationen seinen atomaren Aufbau sowie seine Modifikationen (u. a. Graphit, Diamant und Fullerene) und Bindungseigenschaften. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeitsblätter, zwei Interaktionen (davon eine 3D-Interaktion) und weitere ergänzende Unterrichts materialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2014 Laufzeit: 22 min Film: 1 Filmsequenzen: 6 Grafiken / Bilder: 5 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Interaktionen: Arbeitsblätter: Adressaten: Unterrichtsmaterialien 2 (davon eine 3D-Interaktion) 4 (mit Lösung; als PDF zum Ausfüllen; z. T. differenziert) Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-10) Schlagwörter: Alkane, Aromaten, Atom, Atommodell, Benzol, Butan, Diamant, Chemische Elemente, Erdgas, Erdöl, Ethan, Fulleren, Graphen, Graphit, Halbmetalle, Inkohlungsprozess, Kohle, Kohlenstoff, Kohlenstoffatom, Kohlenwasserstoffe, Koks, Methan, Molekül, Nanoröhre, Nichtmetalle, Nördlinger Ries, Octan, Organik, Pentan, Periodensystem der Elemente, Propan, Ruß, Wasserstoff, Valenzhülle, Verkokung Systematik: Chemie Biologie Physikalische Chemie Atombau, Periodensystem; Bindung, Struktur, Eigenschaften Anorganische Chemie Elemente Organische Chemie Kohlenwasserstoffe Angewandte Chemie Chemie in Alltag und Umwelt Allgemeine Biologie Biochemie FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 82031 Grünwald Telefon +49 (0)89-6497-1 Telefax +49 (0)89-6497-240 info@fwu.de www.fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI 4611084010 4611084010 www.fwu-shop.de Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444 vertrieb@fwu.de