Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen

Aufbau der Materie

Modelle und

Modellvorstellungen

1. Modelle

nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 3

Realität Bewusstsein

Sachverhalt(Original)

(abstraktes)Denk-modell

Modellentstehung

IrrelevanteZutaten

Wahrnehmungssieb

Kenntnisse

Wahrneh-mung

(konkretes)Anschauungs-

Modell

Veranschau-

lichung

Verständnis


Bsp.: ModellexperimentExo- und endotherme Reaktionen


Begriff: Modell

http://de.wikipedia.org/wiki/Modell :

• Das Wort: aus Italien (Renaissance)

•modello, aus modulo, dem Maßstab in der Architektur

• bis 18. Jh.: Fachsprache der bildenden Künstler

• um 1800: verdrängte im Deutschen das ältere, direkt vom lat. modulus entlehnte Model (Muster, Form, z.B. Kuchenform), das noch im Verb ummodeln fortlebt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Modell








Begriff: Modell

1. Abbildung natürlicher oder künstlicher Originale (die selbst wieder Modelle sein können).

2. Verkürzung. Erfasst nicht alle Seiten des Originals, sondern nur diejenigen, die dem Modellschaffer bzw. Modellnutzer relevant erscheinen.

3. Pragmatische Orientierung am Nützlichen. Frage Wozu? Ein Modell wird vom Modellschaffer bzw. Modellnutzer innerhalb einer bestimmten Zeitspanne und zu einem bestimmten Zweck für ein Original eingesetzt.


Begriff: Modell

Ein Modell zeichnet sich durch die bewusste Vernachlässigung bestimmter Merkmale aus, um die

für den Modellierer oder den Modellierungszweck wesentlichen Modelleigenschaften hervorzuheben.

Literatur: Stachowiak, Herbert (1973): „Allgemeine Modelltheorie“, Wien. Nach http://de.wikipedia.org/wiki/Modell









Schlussfolgerungen

1. Ein Modell ist nie „richtig“, also mit der Wirklichkeit identisch (Bsp.: Kochsalz, Strukturmodelle).

2. Ein Modell ist nie endgültig (Bsp.: Atommodell).

3. Ein Modell ist nie falsch, aber es kann für den Zweck ungeeignet sein.

4. Die Wissenschaft verwendet i.d.R. nur ein Modell („die exakteste Beschreibung der Wirklichkeit“), die Schule viele (z.B. historische Stufen).


Klassifikationsmöglichkeit für Modellartendynamisch

statisch

materiell ideell

Modellsubstanzen

Simulationen

bildliche Modelle

mathe-matisch-logische Modelle

Struk-tur- mo-delle

Modellexperiment

symbolische Modelle

c(A)m * c(B)n

c(C)p * c(D)q

= K

S8, Cl2

Cl-Cl

pH = -log(c)

Modellbau


Ein Kalottenmodell

• Materielles Modell

• Strukturmodell

• Kalottenmodell

• H2O, NH3, CH4

• Theorie später


Anleitung: Kalottenmodell aus Styropor1. Stecken Sie einen Zahnstocher möglichst senkrecht mitten

in den Ring, der auf der großen Styroporkugel an den Polen zu sehen ist.

2. Stellen Sie die Styroporkugel so in das Loch der Scha-blone, dass der Zahnstocher möglichst senkrecht steht.

3. Markieren Sie mit dem Filzstift die Position der 120°-Markierungen auf der Styroporkugel mit einem senk-rechten Strich.

4. Binden Sie den Faden mit einem Ende an dem schon steckenden Zahnstocher fest.

5. Markieren Sie mit dem Filzstift die Entfernung von 109/360 U mit einem waagrechten Strich. U = d * π. 109/360=0,30. An den entstehenden Kreuzungspunkten befinden sich die Positionen der Liganden.


Anleitung6. Markieren Sie an einem Zahnstocher von einem Ende her

die Entfernung von 5mm. Stecken Sie den Zahnstocher an jeder Ligandenposition bis zur Markierung hinein.

7. Schleifen Sie an jeder Markierung möglichst tangential so viel Styropor weg, dass das Loch nicht mehr zu sehen ist.

8. Streichen Sie die Kugel in der CPK-Farbe (Corey, Pauling, Koltun) des gewünschten Atoms (C = schwarz, H = weiß, O = rot, N = blau, S = gelb, Cl = grün...)

9. Schleifen Sie die Wasserstoff-Kugeln nach 6-7 auch an und kleben Sie sie einzeln mit etwas Styroporkleber auf; erst nach dem Trocknen folgt die nächste.

2. Atombau und Bindung


Aus dem Lehrplan

Aufbau der Materie:

• Größenverhältnisse Zelle – Molekül – Atom – (Elementarteilchen)

• Aufbau der Atome aus Kern (p+, n°) und Hülle (e-)

• Atommodelle: Kugelmodell – Kern-Hülle-Modell

• Unterscheiden von Elementen, z.B. H, He, Na, Cl, C aufgrund der Zahl der Protonen

• Unterscheidung von Isotopen aufgrund der Massezahl (p + n)


Größenverhältnisse

• Größenunterschied zwischen Kirchturm (100m) und einem (sehr kleinen) Sandkorn (1mm) = 10-5

• Durchmesser eines C-Atoms: 150pm = 1,5*10-10 m

• Das Kohlenstoffatom ist so viel mal kleiner als ein Sandkorn, wie ein Sandkorn kleiner ist als ein Kirchturm.

• 10-5 * 10-5 = 10-10

Moleküle sind 1(-100) nm = 10-9 m groß.C60 = 1,002 nm

Bakterien sind 1 µm = 10-6 m groß.

Zellen sind 0,1 mm = 10-4 m groß.

2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau


Ein wenig Geschichte-500

0

500

1000

1500

2000

EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, ErdeDEMOKRIT: „Atomos“EPIKUR: „Chem. Bindung“ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“

2000 Jahre „Kirchenvakuum“:322 v. Chr. – 1632 n. Chr.Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ hingerichtet.

DALTON: 1. und 2. VerbindungsgesetzAVOGADRO: Gase, Moleküle

FARADAY: elektrische Natur der AtomeRUTHERFORD: experimentelle Beweise

BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie

GASSENDI, KEPLER, GALILEI


Rutherfords Versuch

Radioaktives Präparat (bitte anklicken)

Leuchtschirm

Goldfolie

Radioaktive Strahlen


Was wäre wenn...


Was wäre wenn...


Der Atomkern

H He Li Be B C N O

Wt

Legende:

ProtonenNeutronen

Wg

Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen!


Die Bedeutung von Kernteilchen

Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle.

Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr.

Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes.



Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist.

Bis zum Element 40Ca gilt: Je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr.

Bsp.: U23892

238 Nu - 92 p = 146 n

146 n : 92 p = 1,6

Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern.


Eine Applikation

D: ein selbst gebautes Atomkernmodell


Isotope

H Li C N O

W

2H 0,015

1H 99,9

3H

6Li 7,57Li 92,5

12C 98,913C 1,1

14N 99,615N 0,4

16O 99,717O 0,118O 0,2

%Nat.Vor-kommen

Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind!

Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1 Isotop 1Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2 Isotop 2Isotop 3 Isotop 3 Isotop 3



Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen.

Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen.

Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben.

Bsp.: Kohlenstoff-Atom-Zerfall

C146

+N147 + e-


Be

Die Atomhülle

H HeLi

B C N OAufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!


Aufbau der Elektronenhülle

1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor.2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die

zweite mehr.3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n2, wobei n = Schalennummer n=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 Elektronen

4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich.

5. Deshalb sind Atome immer neutral.


Das Bohr-Sommerfeld Modell

Atomkern

Schale 1 (K)

Verbotene Zone

Schale 2 (L)

Schale 2 (L)

Elektron

2.2 Probleme


Aus dem Lehrplan

10.3.2 Atome, Elemente, Bindungen:

• Atommodell: Kern-Schale („Hülle“); PSE als Erklärungshilfe für das Reaktionsverhalten chemischer Elemente

• Ionenbindung, Elektronenpaarbindung, physikalisch-chemische Eigenschaften aufgrund der Bindungsart

• Modelle und Formeln als Verständnishilfen für chemische Bindungen Verständnishilfen


Warum?

2.3 Lösung: das Kugelwolkenmodell nach

KIMBALL


Der Weg zum Kugelwolkenmodell

AtomkernAtomrumpf

Kugelwolke, voll besetzt

N

Schreibweisen:

Elektronenformel

N

„Valenzstrichformel“

halb besetztKugelwolke,

Bsp.: ein Stickstoffatom N


Leistungen

Kugelwolke,

AtomkernAtomrumpf

halb besetzt

109°idealer Tetraederwinkel

Bsp.: ein Kohlenstoffatom C


Der Weg zur chemischen Bindung

AtomkernAtomrumpfElektron

Bsp.: Methan CH4


Der Weg zur chemischen Bindung

AtomkernAtomrumpf




Orbitale


Zur Schreibweise

N

H

HH

AtomkernAtomrumpf



Valenzstrichformel

Bsp.: Ammoniak NH3


Abweichungen von der Idealgeometrie

105 °

AtomkernAtomrumpf



A

Bsp.: Wasser H2O


Partialladungen und Dipol

δ-

δ+

δ+



δ+

δ-


Demonstration

V: Nachweis des Dipolcharakters von Wasser

2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des

Kugelwolkenmodells


Bsp. 1: Ionenbindung

Al Al3+ 3 e-+

+

3+

- - -

Folgerung: das Al3+-Kation ist viel kleiner als das Al-Atom.


Bsp. 1: Ionenbindung

+

-

Br Br -e -+

-

Folgerung: das Br--Anion ist viel größer als das Br-Atom.


Bsp. 2: Mehrfachbindungen

10.5.1 Kohlenwasserstoffe:

• ungesättigte KW, z.B. Ethen, Propen; Modelle, Strukturformel, Summenformel

• Chemische Vorgänge bei der Herstellung von Kunststoffen; Polymerisation, Polykondensation, Makromoleküle; Modelle

• ...

Aus dem Lehrplan:


Die Doppelbindung

AtomkernAtomrumpf




Die Doppelbindung

AtomkernAtomrumpf


C C



Die Dreifachbindung

AtomkernAtomrumpf




Die Dreifachbindung

AtomkernAtomrumpf




Die Dreifachbindung

AtomkernAtomrumpf


C C



Demonstration

Ein Modell zur Polymerisation

2.5 PSE und Bindung


PSE: Elektronegativitäten

Schale

I/1Alkali-metalle

II/2Erdalkali-metalle

III/13Borgruppe

IV/14Kohlenstoff

-gruppe

V/15Stickstoff-

gruppe

VI/16Sauerstoff

-gruppe

VII/17Halogene

VIII/18Edelgase

1K

2L

3M

4N

5O

6P

7Q

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra

2.2

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

1 1 1.5 1.8 2.1 2.5 3

1 1 1.6 1.8 2 2.4 2.8

1 1 1.7 1.8 2 2.1 2.5

0.7


Die chemische Bindung in Schubladen

Polare Bindung

Ionenbindung

Kovalente Bindung

H2, O2, F2, N2

CsF

CH4

NH3

CCl4

H2O

HF

NaCl

CF4

1.

3.

2.


Die chemische Bindung

Koval. Bindung IonenbindungPolare Bindung

100%Kovalenzcharakter

0%Ionencharakter

0%Kovalenzcharakter

100%Ionencharakter

H2

O2

F2

N2

CsFCH4 NH3 CCl4 H2O HF NaClCF4

0 3.00.3 0.8 1.0 1.3 1.8 2.51.5

Metalle?


Zusammenhänge zwischen Bindungstypen

Cs

H2, O2, F2 CsFCH4 NH3 CCl4 H2O HF NaClCF4

ΔEN= 0 3

0ΔEN=

Na2S

[NaSi]

Mg

Al

Si

P4

S8

ΣEN~2

ΣEN>2

2.6 Zwischenmolekulare Kräfte

Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren Molekülen

(enthalten nur kovalente Bindungen).


momentaner Dipol

kein Dipol

momentaner Dipol


induzierter Dipol

z.B. Br2 Br2

momentaner Dipol induzierter Dipol

Dipolkräfte wirken zwischen Molekülenmit polaren Bindungen.



δ+

δ-

z.B. H2O

Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen.


Elektrostatische Anziehung


Folgen: Eigenschaften von ion. Verb.

-

-+

-

-

++

++

-

-

-

++

Anion

Kation


++

++

-

-

-

-

Folgen: Eigenschaften von Metallen

++

++

-

-

-

-

Elektronengas

Rumpf


Folgen: Formelschreibweise „HCl“

δ+ δ-

HCl

HCl

HCl


Die „Summenformel“

Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei kovalenten und polaren Bindungen Moleküle, weil

• die Bindungen gerichtet sind und• die Zuordnung der Atome eindeutig ist.


Folgen: Formelschreibweise „NaCl“

Na+ Cl-

Na+

Na+

Na+


Die „Summenformel“

Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei ionischen Bindungen das Zahlenverhältnis von Kationen zu Anionen, weil

• die Bindungen nicht gerichtet sind und• die Zuordnung der Ionen zueinander nicht

eindeutig ist.

Diese Gleichbehandlung, wo keine Gleichheit herrscht, ist für Schüler in höchstem Maße irreführend.


Vorschläge zur Lösung

HCl

Kovalente Verbindungen

Polare Verbindungen

Ionische Verbindungen

H2O

NH3

H2

O2

Cl2

Na+Cl-

Ca2+O2-

Pb4+O22-

PbO2

NaCl

CaO

Nicht Salzsäure!

Nicht Ammoniakwasser!


Ein Modell für kovalente Bindungen


Modelle für ionische Bindungen

• NaCl 1: käufliches Gittermodell

• NaCl 2: Gittermodell „Wattekugeln“

• NaCl 3: Gittermodell „Glas“

• Magnetmodell / Overhead


Ein Selbstbau-PSE-Modell......und sein Einsatz im schülerzentrierten Unterricht


3. Schlussbesprechung

• Was haben Sie heute gelernt?• Was ist ein Modell?• Sind Modelle immer anfassbar?• Wozu braucht ein Naturwissenschaftler

Modelle?• Wozu braucht ein Chemiker Modelle?• Wozu brauchen wir in der Schule Modelle?


Epikurs Atome harter Materialien

Quelle:Beer – Glöckner - Letterer.Chemische Analytik...,C. C. Buchner,Bamberg 1983.


z.B. Ammoniak NH3

Schritt 2: Finden der Tetraeder-Positionen auf der Kugel,

Schablone

120°120°

120°


z.B. Ammoniak NH3

Schritt 3: Winkelmarkierung


Das Geiger-Müller-Zählrohr

+

-

R

Verstärker Schreiber

Glimmerfolie

Zählgas (He, Ne)+

Löschgas (BF3, C2H4)

Sehr hoheSpannungU= 2-10 kV

R*

-++

-

-++

-

-

W

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