Inhalt und Einsatz im Unterricht

"Chemie des Wassers" (Chemie Sek. I, Kl. 7-9)

Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Chemische Eigenschaften desWassers" für die Sekundarstufe I (Klassenstufen 7-9). Die DVD ergänzt sich sehr gut mit der parallel konzipierten DVD "Physik desWassers", die die wesentlichen "physikalischen Eigenschaften des Wassers"für die Sek.I, Klassen 5-9, behandelt ("Fachübergreifender, projektorientierterUnterricht").

Das DVD-Hauptmenü bietet folgende 4 Filme zur Auswahl:

Aufbau des Wassermoleküls 7:20 minAtombindung des Wassers 7:20 minDipol und Wasserstoffbrückenbindung 6:10 minWasser als Lösungsmittel 6:10 min

(+ Grafikmenü mit 21 Farbgrafiken)

Sehr anschauliche 3D-Computeranimationen verdeutlichen den Aufbau einesWassermoleküls und seine chemischen Eigenschaften. Die Inhalte der Filmesind altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. Besonders in der ein-führenden Erklärung der Elemente Sauerstoff und Wasserstoff und derenatomaren Aufbaus werden einfache und leicht nachvollziehbare Atommodelle(Kern und Schalen) skizziert. Hier geht Verständlichkeit im Zweifel vor letzterchemisch-physikalischer Korrektheit. Das gilt ebenso für die analogeDarstellung des Wassermoleküls.Die 3D-Computeranimationen sind filmisch eingebettet in unterhaltsame kleineRahmenhandlungen: Die Filme begleiten einige Kinder und Jugendliche inunterschiedlichen Situationen des täglichen Lebens und vermitteln einen sehrumfassenden Eindruck von den alltagsrelevanten, chemischen Eigenschaftendes allgegenwärtigen Stoffes "Wasser".

Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

- 21 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

- 14 ausdruckbare pdf-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-"Testcenter" (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVD "Chemie des Wassers" interaktive undselbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sieonline bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichernund offline bearbeiten, ausdrucken etc.

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Begleitmaterial (pdf) auf dieser DVDÜber den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie dieDateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM".In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

start.htmlWenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einemMenü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterialder DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken undDVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER, etc.).Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sichautomatisch der Acrobat Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie denAdobe Acrobat Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung vor (miteingetragenen Lösungen). Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich derKerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar. Überdie Druckfunktion des Acrobat Reader können Sie aber auch einzelne oder alleArbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II)

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4

Die Filme

Aufbau des Wassermoleküls 5Atombindung des Wassers 7Dipol und Wasserstoffbrückenbindung 9Wasser als Lösungsmittel 11

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DVD-Inhalt - Strukturdiagramm

4

Hauptmenü

Aufbau des Wassermoleküls

Atombindung des Wassers

Wasser - Synthese

Menü Grafiken

Filme

Grafiken

Wasser - Analyse

Synthese / Analyse

Wasserstoff-Atom

Sauerstoff-Atom

Neon-Atom

Schalen-Elektronenbelegung

Atombindung

Dipol und Wasserstoffbrückenbindung

Wasser als Lösungsmittel

Exotherme Reaktion

Endotherme Reaktion

Unpolare Atombindung

Polare Atombindung

Elektronegativität

Wasser - Dipol

Dipol?

Wasserstoffbrückenbindung

Gitter-Energie

Hydratisierungs-Energie

Lösevorgänge

Polare Lösung

Unpolare Lösung

Aufbau des WassermolekülsLaufzeit: 7:20 min, 2009

Lernziele: - Erkennen, dass Wasser eine chemische Verbindung der Elemente Sauerstoff

und Wasserstoff ist; den Molekülaufbau des Wassers kennenlernen;- Die Synthese von Wasser und seine chemische Nachweisreaktion

kennenlernen;- Die Analyse von Wasser im Hofmann'schen Zersetzungsapparat und die

chemischen Nachweisreaktionen für die beiden gasförmigen Reaktions-produkte kennenlernen.

Inhalt:Der Film startet mit einigen schönen Wasser-Bildern und setzt dann als bekanntvoraus, dass Wasser aus den beiden Elementen Sauerstoff und Wasserstoffbesteht. Vor Milliarden Jahren ist Wasser auf der Erde natürlich entstanden,nun setzt der Film mit der Frage an: "Kann man die Entstehung, die Synthesevon Wasser im Experiment nachahmen?".

Im Film wird nun per 3D-Computeranimation die Synthese von Wasser als"Verbrennung von Wasserstoff" (mit Sauerstoff) demonstriert. Hierbei wird auchdie Sicherheitsvorschrift "Knallgasprobe" explizit erwähnt.Die im Experiment entstandene klare Flüssigkeit wird in einer Nachweisreaktionmit Kupfersulfat (Färbung weiss zu blau) als Wasser identifiziert.

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Abbildung 1: Synthese von Wasser aus O2 und H2

Im zweiten Schritt geht der Film an die Analyse von Wasser. Der Hofmann'scheZersetzungsapparat wird kurz vorgestellt, dann wird im 3D-computeranimiertenVersuch Wasser zerlegt (der Film erwähnt das Zusetzen von Schwefelsäure nicht,bleibt im Ermessen der Lehrer). Es folgen die Nachweisreaktionen der beidenentstandenen Gase (Knallgasprobe, Glimmspanprobe).

Der Film stellt und löst die Frage nachden entstandenen Gasmengen: 2Raumteile Wasserstoff und 1 Raum-teil Sauerstoff sind bei der Analysevon Wasser entstanden. Dieses Mengenverhältnis führtschließlich zur Aufstellung der Reak-tionsgleichungen von Synthese undAnalyse.

Der Film schließt mit der Darstellungeines Wassermoleküls im Kalotten-modell: Ein gewinkeltes Molekül mit derFormel H2O ("Ha-zwei-O"), in demzwei Wasserstoffatome jeweils direktan ein Sauerstoffatom gebundensind.

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Abbildung 2: Analyse von Wasser im Hofmann'schen Zersetzungsapparat

Abbildung 3: H2O, Synthese und Analyse

Abbildung 4: Struktur des Wassermoleküls

Atombindung des WassersLaufzeit: 7:20 min, 2009

Lernziele: - Den Aufbau des Sauerstoff- und Wasserstoffatoms kennenlernen;- Den generellen Aufbau eines Atoms aus Kern mit Neutronen und Protonen

und Schale(n) mit Elektronen verstehen;- Den Begriff "Edelgaskonfiguration" nachvollziehen können;- Die (synonymen) Begriffe "Atombindung" und "Elektronenpaarbindung"

kennenlernen;- Synthese und Analyse von Wasser als exotherme und endotherme chemische

Reaktionen verstehen.

Inhalt:Der Film nimmt die Erkenntnis über den Molekülaufbau des Wassers auf undbetrachtet nun den atomaren Aufbau und die Atombindungen von Wasserstoffund Sauerstoff.

Der Aufbau eines Atoms aus Neutronen und Protonen im Kern und Elektronenin den Schalen wird sehr ausführlich erklärt. In diesem Zusammenhang erläutertder Film auch die "Edelgaskonfiguration" (am Bsp. Neon) und nennt die gefüllteAußenschale als Ziel jeder chemischen Reaktion.Dann leitet die Erklärung hin zur chemischen Bindung über gemeinsameElektronenpaare, die jedem Bindungspartner quasi "das gute Gefühl gibt", seineEdelgaskonfiguration erreicht zu haben (zunächst Beispiele H2 und O2).

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Abbildung 5: Atommodelle von Wasserstoff und Sauerstoff

In sehr plastischer 3D-Computeranimation (Volumen- und Schnittansichten derElektronenschalen) erläutert der Film dann die Atombindungen von Sauerstoffund Wasserstoffatom über gemeinsame Elektronenpaare: Das Wassermolekül.

Detailliert zeigen dann zweianimierte Grafiken, wie Syntheseund Analyse des Wassersenergetisch ablaufen. Zunächstentsteht dabei das Schema derexothermen Synthese-Reaktion(Die Begriffe "Aktivierungs-energie" und "Reaktionsenergie"werden erläutert).

Dann wird das Schema derendothermen Analyse-Reaktiongezeigt. Hier ist die freiwerdendeReaktionsenergie geringer als dienötige Aktivierungsenergie (wasman am stetig notwendigen Zu-führen von Strom im Hof-mann'schen Zersetzungsapparatgut erkennen kann).

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Abbildung 6: Atom- bzw. Elektronenpaar-Bindungen im Wassermolekül

Abbildung 7: Exotherme Wassersynthese

Abbildung 8: Endotherme Wasseranalyse

Dipol und WasserstoffbrückenbindungLaufzeit: 6:10 min, 2009

Lernziele: - Den Begriff "Dipol" und die Eigenschaften eines Dipol-Moleküls am Beispiel

von Wasser kennenlernen;- Die Elektronegativität als Eigenschaft kennenlernen und die Bildung polarer

und unpolarer Atombindungen nachvollziehen können;- Das Prinzip der Wasserstoffbrückenbindung kennenlernen;- Spezielle Eigenschaften des Wassers mit seinem Dipol-Charakter erklären

können; den Begriff "Anomalie des Wassers" kennenlernen.

Inhalt:Der Film erläutert in mehreren Erklärschritten die Ladungsverteilungen imWassermolekül, die für seine Dipol-Eigenschaften verantwortlich sind.

Im Zuge dieser Erklärung werdendie Begriffe "Elektronegativitätund "polare" ebenso wie "unpo-lare Atombindung" erläutert. Diebeiden Atombindungen zwischendem Sauerstoffatom und denWasserstoffatomen sind wegender starken Elektronegativität desSauerstoffs polare Bindungen.

Hinzu kommt die Winkelung des Wassermoleküls. Beides bewirkt die Bildungvon Teilladungen im Wassermolekül, es hat eine positiv und eine negativgeladene Seite.

Dann bringt der Filmeinige Beispiele fürMoleküle, in denen zwarauch Ladungsverschie-bungen existieren, dieaber wegen ihrer Mole-külstruktur keine Dipolesind (CO2, BF3).

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Abbildung 9: Wasser, ein Dipolmolekül

Abbildung 10: CO2, BF3 - beides keine Dipole

Nun geht die Darstellung über zur Erklärung der Wasserstoffbrückenbindung.Zunächst werden die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen angesprochen: Aufgrundihrer Teilladungen ziehen sich Dipolmoleküle gegenseitig elektrostatisch an.Wegen des daraus resultierenden Zusammenhalts im Molekülverband habenDipol-Verbindungen relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte.

Jedes Wassermolekül kann über seine beiden Wasserstoffatome und über diebeiden freien Elektronenpaare des Sauerstoffs insgesamt vier solcherWasserstoffbrückenbindungen eingehen. Diese Wasserstoffbrücken sind keineechten Bindungen, sondern "nur" elektrostatische Anziehungskräfte - rechthohe Kräfte allerdings.

Die Wasserstoffbrückenbindungen sind auch für die "Anomalie des Wassers"verantwortllich, die hier nur knapp angesprochen wird. Auf der GIDA-DVD"Physik des Wassers" wird die Anomalie des Wassers ausführlich erläutert.

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Abbildung 11: Vier Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers

Abbildung 12: Anomalie des Wassers, Eis-Kristallstruktur

Wasser als LösungsmittelLaufzeit: 6:10 min, 2009

Lernziele: - Die Lösungsmittel-Eigenschaften des Dipolmoleküls Wasser erkennen, u.a.

bei der Hydratisierung von Salzen (Ionen) in Wasser;- Die Begriffe "Gitterenergie" und "Hydratisierungsenergie" kennenlernen;- Die Aussage "Gleiches löst sich in Gleichem" an polaren (hydrophilen) und

unpolaren (hydrophoben) Beispielen nachvollziehen können.

Inhalt:Der Film zeigt sehr ausführlich, wie und warum sich Kochsalz gut in Wasserlöst. Dabei werden der Begriff "Hydratisierung von Ionen" und auch dieZusammenhänge zwischen Gitterenergie und Hydratisierungsenergie imDetail erläutert.

Wasser-Dipole umhüllendie positiv und negativ ge-ladenen Ionen des Koch-salzes.Generell gilt: Wenn dieGitterenergie, die die Ionenin ihrem Verband festhält,kleiner ist als die freiwer-dende Hydratisierungs-energie, dann gehen dieIonen in Lösung.

Schließlich werden nochdie Begriffe "hydrophil"und "hydrophob" fürpolare bzw. unpolare Stoffeeingeführt, die sich gutbzw. schlecht in polarenLösungsmitteln wie z.B.Wasser lösen. Die Erkenntnis "Gleicheslöst sich in Gleichem"beschließt den Film.

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Abbildung 13: NaCl-Hydratisierung durch H2O-Dipole

Abbildung 14: Polare bzw. unpolare Stoffe lösen sich in polaren bzw. unpolaren Lösungsmitteln