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Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S. Amadeus Bärtsch 22.09.2017 1 Das Teilchenmodell Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den Stoffumwandlungen. Die zentralen Fragen sind: Wie sind Substanzen aufgebaut? Wie lassen sich Substanzen verändern? Das Teilchenmodell gibt eine Vorstellung vom Aufbau der Substanzen. In diesem Modell sind die Teilchen – je nach Substanz – Moleküle, Ionen oder Atome. Elementarteilchen stehen für Protonen, Neutronen und Elektronen und sind hier nicht gemeint. Damit der Begriff "Teilchen" nicht verwechselt wird, gibt es Lehrpersonen, die von Stoffteilchen oder Kugelteilchen sprechen. Teil A: Aus Experimenten wird das Teilchenmodell abgeleitet Die Schülerinnen sollen erfahren, dass Stoffe experimentell untersucht werden, damit man Informationen zur Struktur gewinnen kann. 1. Substanzen bestehen aus Teilchen Dieser Titel darf im Unterricht erst genannt werden, wenn das unten beschriebene Experiment ausgewertet ist. Die Lehrerin sollte das Ergebnis von Versuchen nicht vorwegnehmen. Vorschlag: Sie starten mit der Bemerkung, dass Naturwissenschafter die Erkenntnisse aus Experimenten gewinnen und demonstrieren zu Beginn das folgendes Experiment. Demonstration 50 ml Alkohol und 50 ml Wasser mischen 50 ml Kichererbsen & 50 ml Linsen mischen + Beobachtung: Das Volumen der Mischung ist kleiner als 100 ml. Stichwort: Volumenkontraktion. Erklärung: Die Linsen füllen den Raum zwischen den Kichererbsen teilweise. Substanzen bestehen aus unsichtbar kleinen Teilchen, die sich von Substanz zu Substanz in der Grösse unterscheiden. Zur Bestätigung dieser Erklärung Bilder von Atomen oder Molekülen zeigen. Im Unterricht demonstriere ich ein Konzept häufig an einem Beispiel und erläutere dann, dass das Phänomen allgemeine Gültigkeit hat. Auf eine strenge Beweisführung verzichte ich, damit wir zügig vorankommen und uns nicht in den Details verlieren. Erkenntnis Substanzen bestehen aus winzigen Teilchen. Stoffteilchen unterscheiden sich in der Grösse. Dieses Experiment eignet sich als Demonstrations- und als Schülerversuch. Die Laboranleitung finden Sie auf www.fdchemie.pbworks.com

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Fachdidaktik Chemie ETH Teilchenmodell S.

Amadeus Bärtsch 22.09.2017

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Das Teilchenmodell Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den Stoffumwandlungen. Die zentralen Fragen sind:

Wie sind Substanzen aufgebaut? Wie lassen sich Substanzen verändern?

Das Teilchenmodell gibt eine Vorstellung vom Aufbau der Substanzen. In diesem Modell sind die Teilchen – je nach Substanz – Moleküle, Ionen oder Atome. Elementarteilchen stehen für Protonen, Neutronen und Elektronen und sind hier nicht gemeint. Damit der Begriff "Teilchen" nicht verwechselt wird, gibt es Lehrpersonen, die von Stoffteilchen oder Kugelteilchen sprechen.

Teil A: Aus Experimenten wird das Teilchenmodell abgeleitet Die Schülerinnen sollen erfahren, dass Stoffe experimentell untersucht werden, damit man Informationen zur Struktur gewinnen kann.

1. Substanzen bestehen aus Teilchen Dieser Titel darf im Unterricht erst genannt werden, wenn das unten beschriebene Experiment ausgewertet ist. Die Lehrerin sollte das Ergebnis von Versuchen nicht vorwegnehmen.

Vorschlag: Sie starten mit der Bemerkung, dass Naturwissenschafter die Erkenntnisse aus Experimenten gewinnen und demonstrieren zu Beginn das folgendes Experiment.

Demonstration 50 ml Alkohol und 50 ml Wasser mischen 50 ml Kichererbsen & 50 ml Linsen mischen

+

Beobachtung: Das Volumen der Mischung ist kleiner als 100 ml. Stichwort: Volumenkontraktion.

Erklärung: Die Linsen füllen den Raum zwischen den Kichererbsen teilweise. Substanzen bestehen aus unsichtbar kleinen Teilchen, die sich von Substanz zu Substanz in der Grösse unterscheiden.

Zur Bestätigung dieser Erklärung Bilder von Atomen oder Molekülen zeigen. Im Unterricht demonstriere ich ein Konzept häufig an einem Beispiel und erläutere dann, dass das Phänomen allgemeine Gültigkeit hat. Auf eine strenge Beweisführung verzichte ich, damit wir zügig vorankommen und uns nicht in den Details verlieren.

Erkenntnis Substanzen bestehen aus winzigen Teilchen. Stoffteilchen unterscheiden sich in der Grösse.

Dieses Experiment eignet sich als Demonstrations- und als Schülerversuch. Die Laboranleitung finden Sie auf www.fdchemie.pbworks.com

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Alternativer Demonstrationsversuch zur Volumenkontraktion

Ein Glasrohr (Länge ca. 1,2 m, Durchmesser ca. 1,5 cm) auf der einen Seite mit einem Gummistopfen versehen, zur Hälfte mit gefärbtem Wasser füllen, mit Alkohol überschichten und auf der andern Seite so mit einem Gummistopfen verschliessen, dass keine Luftblasen eingeschlossen werden. Glasrohr langsam drehen und die Flüssigkeiten vermischen. Ergebnis: Einige Zentimeter Hohlraum werden sichtbar. Die Stopfen sitzen fest, weil im Hohlraum ein geringer Druck herrscht.

Kritik an der Erklärung

Thomas Seilnacht und andere kritisieren die Deutung der Volumenkontraktion mit der unterschiedlichen Grösse der Stoffteilchen. Sie argumentieren, dass die Kräfte zwischen den Molekülen für den Effekt verantwortlich seien und beim Mischen einiger Substanzen eine Volumenausdehnung beobachtet werden kann. (http://www.seilnacht.com/PoStreit.htm (Zugriff am 21.9.17); F. Jürgensen in Chemie-Didaktik, Eberhard Rossa (Hrsg.), Cornelsen, Berlin, S. 92f, 2005). Dieser Einwand wird im Skript über die "didaktische Vereinfachung" ausführlich diskutiert.

In eigner Sache Dieses Skript enthält Experimente, Erklärungen, Aufgaben und Ideen, die als Bausteine im Unterricht eingesetzt werden können. Es enthält keine fertigen Lektionen, weil es die perfekte Lektion zum Teilchenmodell an allen Gymnasien nicht gibt. Sie müssen die Bausteine auswählen und aufeinander abstimmen, wenn Sie damit unterrichten möchten.

Je nach Maturprofil und Alter der Schüler müssen Sie andere Prioritäten setzen. Wenn Sie wenig Zeit einsetzen möchten, werden Sie die Volumenkontraktion demonstrieren und die Schüler nicht selbständig experimentieren lassen. Die Variante mit dem Glasrohr können Sie ganz weglassen. Sie können sie als Argument einsetzen, wenn Schülerinnen glauben, dass das Volumen abnimmt, weil Flüssigkeit in den Glaswaren zurückbleibt. Sie können diese Variante aber drittens auch prima als Einstieg in die Folgelektion nutzen: Das Experiment weckt das Interesse, weil es auf den ersten Blick neu wirkt. Es ist aber doch so einfach, dass die Schülerinnen die Volumenkontraktion erkennen können und so an das Phänomen erinnert werden.

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2. Stoffteilchen halten zusammen Demonstration Wirklichkeit: Ein wenig Wasser aus einem kleinen Becherglas auf einen Tisch leeren. Modell: Tischtennisbälle aus einem 5 Liter Becherglas auf den Tisch leeren. Beobachtung: Das Wasser bildet Tropfen und Pfützen. Die Tischtennisbälle verteilen sich dagegen

einzeln im Schulzimmer. Folgerung: Es muss Kräfte zwischen den Stoffteilchen geben

Labor: Wassertropfen auf Wachs und Glas. Anleitung auf www.fdchemie.pbworks.com. Dort ist auch die Herstellung der Wachsplatten beschrieben.

Beobachtung

kleiner und grosser Wassertropfen auf Wachs Wassertropfen auf Glas

Erkenntnis Die Kräfte von Wasser zu Wachs sind kleiner als die Kräfte zwischen Wasser und Glas. Die Fehlvorstellung, dass Wachs Wasser abstösst, lässt sich leicht entkräften, wenn ein gewachster Karton mit einigen Wassertropfen versehen und dann umgedreht wird. Einige Wassertropfen bleiben am Wachs kleben und fallen nicht nach unten.

Alltagsbezug Hier bietet sich die Gelegenheit über Imprägnierung und wasserdichte, atmungsaktive Regenjacken zu berichten. Ein mit Wachs behandeltes Sieb, lässt das Wasser nicht durch. Das Imprägnieren funktioniert ganz ähnlich: Die textilen Fasern werden mit einer hauchdünnen, wachsähnlichen Schicht versehen. Atmungsaktive Jacken sind mit einer Membran versehen, die viele winzige Löcher aufweist. Einzelne Wasserteilchen gehen durch. Wassertropfen werden zurückgehalten.

Mit diesem aktuellen Alltagsbezug können Sie bereits in den ersten Lektionen zeigen, dass Chemie spannend ist und es sich lohnt, die Stoffteilchen kennen zu lernen.

Bemerkung Wachsplattem müssen gegossen werden. Einfacher ist es Brillengläser an Stelle von Wachsplatten zu verwenden. Vielleicht können imprägnierte Regenjacken, Blechreinpapier oder Plastiksäcke eingesetzt werden. Falls Sie eine überzeugende Alternative für Wachsplatten kennen, bin ich froh um eine Mitteilung.

Oberflächenspannung Die Oberflächenspannung und die Form eines fallenden Wassertropfens sind auf die Kräfte zwischen den Teilchen zurückzuführen:

(Bilder von Stephan Rüegg, Kantonsschule Freudenberg)

Wenn Sie Zeit haben, können Sie im Unterricht an dieser Stelle auf die Oberflächenspannung von Wasser eingehen. Zu diesem Thema gibt es viele attraktive Experimente, die die Schülerinnen

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selber durchführen können. Die Oberflächenspannung kann aber auch im Zusammenhang mit Seife auf einem höheren Niveau diskutiert werden, wenn die Schüler Wasserstoffbrücken, Ladungen und Löslichkeit bereits kennen. Vielleicht zeigen Sie 2 Versuche hier und heben sich ein tolles Experiment auf das Kapitel Seife auf.

Labor: Mischbarkeit

In Reagenzgläsern werden jeweils 2 Substanzen gemischt. Das Resultat wird protokolliert und mit den folgenden Abbildungen in Beziehung gesetzt.

Aufträge an die Schülerinnen a) Zucker, Benzin, Wasser und Sonnenblumenöl werden gemischt. Unten sind die Resultate

der Experimente im Teilchenmodell abgebildet. Um welche Gemische handelt es sich? b) Benenne die Stoffteilchen und male sie mit unterschiedlichen Farben aus.

Gemisch von

......................................................

Gemisch von

......................................................

Vorstellung: Beobachtung: Vorstellung: Beobachtung:

Gemisch von

......................................................

Gemisch von

......................................................

Vorstellung: Beobachtung: Vorstellung: Beobachtung:

Erklärung: Substanzen mischen sich, wenn die Kräfte zwischen verschiedenen Teilchen stärker sind als die Kräfte zwischen gleichen Teilchen. In physikalischen Begriffen formuliert: Substanzen mischen sich, wenn die Adhäsion stärker ist als die Kohäsion.

Die Laboranleitung und das vollständige Arbeitsblatt habe ich von Renato Galli, Kantonsschule Zürcher Oberland in Wetzikon, erhalten. Es ist auf http://fdchemie.pbworks.com zugänglich.

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3. Stoffteilchen bewegen sich Demonstration auf dem Hellraumprojektor Experiment: Nadeln von Kaliumpermanganat in kaltes und heisses Wasser werfen. 2°C 28°C 60°C zu Beginn

nach 2 min.

nach 6 min.

Dieses Resultat überzeugt nicht.

Grund:

Vorschläge zur Verbesserung:

Beobachtung: Kaliumpermanganat verteilt sich in warmem Wasser schneller. Fachbegriff: Diffusion.

Erklärung: Die Stoffteilchen bewegen sich. Fachbegriff: Brown'sche Bewegung. Die Wärmebewegung kann mit verdünnter Milch im Mikroskop gezeigt werden. Wenn eine Rauchkammer vorhanden ist, kann auch Rauch im Binokular betrachtet werden. Dabei wird der Rauch mit einem roten Laser beleuchtet. In beiden Fällen ist neben der Zitterbewegung eine Drift der Partikel festzustellen.

Erkenntnis: Stoffteilchen bewegen sich. Je heisser desto schneller sind die Teilchen.

4. Die Aggregatzustände: Ordnung und Chaos mit Stoffteilchen

Lehrgespräch Ein kleines Becherglas mit Wasser hin und her kippen und das Wasser schliesslich in ein anderes

Glas leeren. Mit Tischtennisbällen in einem 5 Liter Becherglas zeigen, dass das Modell der Wirklichkeit entspricht.

Ein grosses Stück Eis zeigen. Wie sieht das Modell bei Eis aus? Demonstration: Einige Tischtennisbälle zeigen, die miteinander verklebt sind.

Wasserdampf ist unsichtbar in der Luft vorhanden. Wie sieht das Modell von Wasserdampf aus? Demonstration: Einige Tischtennisbälle in einem 5 Liter Becherglas schütteln.

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Beschreibung Im festen Zustand sind die Teilchen geordnet, werden von den Kräften an ihren Plätzen gehalten und schwingen hin und her. Beim Erwärmen wird die Schwingung stärker bis der Schmelzpunkt erreicht ist. Bei dieser Temperatur verlassen die Teilchen die Plätze und die Substanz wird flüssig. Wird weiter erwärmt, kommen die Teilchen schneller vorwärts. Beim Siedepunkt sind die Teilchen so schnell, dass sie die Flüssigkeit verlassen und davon fliegen. Die Substanz verdampft und wird gasförmig.

Feststoffe haben eine definierte Form, Gase füllen den ganzen Raum

Weil die Kohäsionskräfte unterschiedlich sind, sind die Schmelz- und Siedetemperaturen der Stoffe verschieden.

Darstellung der Aggregatzustände

In der farbigen Beilage finden Sie mehrere Abbildungen der Aggregatzustände. Auftrag in der Fachdidaktik: Welches Bild bevorzugen Sie? Bitte begründen Sie Ihre Wahl.

Experimente (Die Skizzen stammen von Paolo Hsiung, Kantonsschule Freudenberg)

1. Den Druck erhöhen. Demonstration mit einer 100 ml Wegwerfspritze oder einem Kolbenprober aus Glas

Auswertung mit Skizze

2. Wasserdampf erhitzen

Heizplatte Dampf: 100°C

Heizplatte Dampf: 260°bis 320°C

Bei Normaldruck wird Wasser nicht heisser als 100°C, weil die Wasserteilchen entweichen, bevor sie weiter beschleunigt werden können. Wasserdampf kann dagegen ohne weiteres höhere Temperaturen erreichen. Im Experiment wird ein Metallrohr mit dem Gasbrenner erwärmt. Der Wasserdampf ist so heiss, dass er ein Blatt Papier braun verfärben kann.

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Substanzen im Teilchenmodell zeichnen

Ziel: Die Schüler sollen eine lebendige Vorstellung ihrer stofflichen Welt bekommen, damit sie selber auf die Idee kommen, Phänomene mit dem Teilchenmodell zu erklären.

Auftrag in der Fachdidaktik: Stellen Sie Rotweinessig, Olivenöl und Salatsauce im Teilchenmodell dar und benennen Sie die Teilchen.

Wenn Sie einer Klasse den Auftrag in der oben formulierten Form stellen, werden die Schülerinnen wenig zu Stande bringen und viele Fragen haben. Was heisst "im Teilchenmodell darstellen"? Welche Teilchen kommen in Essig vor? Welche Teilchen sind gross, welche klein? usw. Auch mit viel Phantasie können Sie sich gar nicht alle Unklarheiten vorstellen, die bei Anfängern entstehen. Deshalb lohnt es sich, wenn Sie ein Beispiel vorlösen. Dieses Musterbeispiel bezeichne ich als Input. Nach dem Input ist es viel einfacher, die Aufgabe zu lösen.

Vorgehen im Unterricht Das Vorgehen im Unterricht ist im Skript auf der Plattform www.fdchemie.pbworks.com unter "Stoffe im Teilchenmodell" ausführlich beschrieben.

Übung 1: Teilchenmodell

1. Zeichnen Sie mindestens 3 Substanzen im Teilchenmodell und beschriften Sie die Teilchen. Vorschläge: Luft; Nebel; Sirup; Meerwasser; Velopneu innen und aussen; Heissluftballon innen und aussen; Gemisch von Kalkpulver und Wasser; Milch, Rahm und Butter; den Inhalt einer zur Hälfte mit kohlensäurehaltigem Mineralwasser gefüllten Flasche. Auch andere Substanzen sind willkommen. Ich stelle mir Skizzen von Hand vor, die nicht perfekt sind.

2. Schlagen Sie mindestens 2 Experimente vor, die mit dem Teilchenmodell interpretiert werden können und in der Fachdidaktik nicht vorgestellt wurden. Bitte entwerfen Sie das Tafelbild, ähnlich wie ich es mit dem Zusammendrücken von Luft und Wasser in den Einwegspritzen gemacht habe.

3. Unter http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm# finden Sie sehr viele Animationen.

a) Wozu könnte die Animation "Aggregatzustände im Vergleich" im Unterricht gezeigt werden? Beschreiben Sie Unterrichtssituationen, in denen diese Animation eingesetzt werden kann. Direkter Link zur Animation: http://www.chemie-interaktiv.net/html_flash/ff_aggregat.swf

b) Die Animation "Aggregatzustände im Vergleich" überzeugt mich nicht vollständig. Welche Aspekte sind problematisch? Erklären Sie die Schwächen der Visualisierung.

Umfang: 1 bis 2 Seiten. Am liebsten als Word-Dokument, im Notfall als PDF. Skizzen bitte scannen.

Abgabe bis Donnerstag, 28. Sept. 2017 14 Uhr, per Mail an [email protected]. Die E-Mail sollte maximal 2 MB gross sein.

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Experiment: Wie gross sind Stoffteilchen? Laboranleitung

Die Abklärung dieser Frage erfolgt mit dem Ölfleck-Versuch. Öl schwimmt auf Wasser. Geben wir einen Tropfen Öl auf Wasser, so bildet sich ein Ölfleck. Aus Experimenten weiss man, dass bei diesem Ölfleck alle Öl-Teilchen nebeneinander zu liegen kommen. Die Öl-Teilchen liegen also nicht aufeinander. Was wir also in diesem Öl-Fleck haben ist eine Schicht, welche genauso dick ist wie ein Öl-Teilchen. Wir geben einen Tropfen einer Lösung von Öl in Benzin auf Wasser. Wir nehmen eine Lösung, weil mit reinem Öl der Flecken zu gross würde. Das Benzin verdunstet und zurück bleibt wirklich nur der Ölfleck. Um die Grösse des Fleckes sichtbar zu machen, bestäuben wir das Wasser mit einem feinen Pulver.

Die Öl-Teilchen breiten sich aus. Es entsteht ein Fleck, welcher genauso dick ist wie ein Öl-Teilchen.

Somit ist ein sehr flacher Zylinder entstanden. Wir bestimmen sein Volumen und seine Grundfläche. Daraus errechnen wir die Höhe des Zylinders oder eben die Grösse eines Stoff-Teilchens.

(Aus einer Anleitung von Renato Galli, Kantonsschule Zürcher Oberland, Wetzikon. Die ganze Anleitung mit einer genauen Vorschrift für das praktische Vorgehen und die Auswertung finden Sie auf der Plattform)

Vorgehen Ölsäure mit Petrolether 1 : 2500 verdünnen. Tropfen für 1 ml zählen: Pasteurpipette senkrecht halten und Gumminuggi nur wenig zusammendrücken. Ca. 60 Tropfen ergeben 1 ml. Projektor abstellen. 1 cm Wasser in eine Schale mit mindestens 18 cm Durchmesser geben, auf eine Folie mit Millimeter-Skala legen und warten bis sich das Wasser beruhigt hat. Mit einem Spatel recht viel Lycopodium darüber streuen. Projektor anstellen. Aus einer senkrecht stehenden Pasteurpipette einen Tropfen in der Mitte plazieren. Beobachtung: Fleck mit einem Radius von 6 bis 7 cm

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Bemerkungen

• Mit wenig Lycopodium ergibt sich etwa die gleiche Fläche. Der Fleck wird aber nicht kreisförmig.

• Bei den Schülern sprechen wir von Benzin und nicht von Petrolether.

• Nach meiner Erfahrung ist dieser Versuch für Schülerinnen und Schüler des 8. Schuljahrs anspruchsvoll. Die Schwierigkeiten begannen damit, dass sie die Fläche eines Kreises nicht berechnen konnten, weil die Kreisfläche in Mathematik noch nicht behandelt war. Zudem hatten viele Mühe mit den Einheiten und dem Verständnis des Vorgehens.

Erkenntnis: Substanzen bestehen aus Teilchen. Teilchen sind ungefähr 1 Millionstel Millimeter gross.