3. Chemie UB-nov
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STUDIENSEMINAR FÜR GYMNASIEN HEPPENHEIM Lehrkraft im Vorbereitungsdienst Herr Chemie / Politik&Wirtschaft 2. Hauptsemester Entwurf zum 3. Unterrichtsbesuch im Fach: Chemie Thema der Unterrichtseinheit: Synthetische Makromoleküle Thema der Unterrichtstunde: Synthese von Nylon – eine Polykondensationsreaktion Ausbildungsschule: Lerngruppe: Q2-Chemie-LK Datum: 21.02.14 Zeit: 5. Stunde, 11.35 – 12.20 Uhr Raum: Chemie Studienseminarleitung: Herr Dr. Bähr Schulleiter/in: Fachleiter/in Hr. Dr. Gräber Mentor/in: Schulseminarleiter/in: I Inhaltsverzeichnis 1) Bedingungsanalyse...........................................................................................................3 1.1) Organisatorische Voraussetzungen…………………………………………....3 1.2) Beschreibung der Lerngruppe……………………………………………...…3 1.3) Kompetenzorientierte Lernbedingungsanalyse und Förderaspekte..................4 2) Didaktische Entscheidungen 2.1) Sachanalyse.......................................................................................................5 2.2) Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe und Lehrplanbezug................6 2.3) Alltags-, Schüler- und Gesellschaftsrelevanz…………………………...…….7 2.4) Beabsichtigte(r) Lernzuwachs und Lernergebnisse…………………….…….8 3) Methodik im Einklang mit der Didaktik und in Rücksicht auf die Lerngruppe……….9 4) Geplanter Stundenverlauf...............................................................................................10 5) Sicherheitshinweise.........................................................................................................11 6) Versicherung....................................................................................................................11 7) Anhang............................................................................................................................12 8) Literaturverzeichnis und Internetquellen........................................................................19 II 1) Bedingungsanalyse 1.1) Organisatorische Voraussetzungen und äußere Bedingungen Der Q2-Chemie-Leistungskurs wird von Herrn M unterrichtet und stellt außerdem das Tutorium für die Schülerinnen und Schüler dar. Der Kurs wird von 14 Schülerinnen und Schülern besucht1, davon sind 6 Schülerinnen und 8 Schüler. Der Raum (Ch ) ist mit Whiteboard und interaktivem Smartboard ausgerüstet, somit steht die optimale mediale Unterstützung für den geplanten Unterrichtsverlauf zur Verfügung. Es ist ebenfalls ausreichend Platz für den Experimentalunterricht in Gruppen vorhanden. Die Chemiesammlung befindet sich direkt neben dem Raum Ch und ist von diesem durch zwei Brandschutztüren relativ leicht zugänglich. Es befinden sich allerdings auch viele der benötigten Gerätschaften und außerdem einige gängige Chemikalien im Fach-Raum selbst. 1.2) Beschreibung der Lerngruppe Die Lerngruppe ist in vielen Bereichen als homogen zu beschreiben. In einigen wenigen Bereichen wird jedoch auch eine gewisse Heterogenität deutlich. So gibt es einerseits mehrere, im mündlichen Bereich besonders leistungsstarke und regelmäßig aktive Schüler, wie J., S., D., Jo., K. und Y. Zudem zeigt L. besonders in letzter Zeit konstante Leistungen und beteiligt sich sehr regelmäßig. Andererseits fallen einige Schüler, wie Th., Ti. S. und I. durch ihre eher zurückhaltenden Art und Weise hinsichtlich der mündlichen Mitarbeit im Unterricht auf, die z.B. im Falle von I. und T. nicht mit ihren teils sehr guten schriftlichen Leistungen korreliert. Bei diesen zwei Schülern ist es zudem so, dass sie bei spontanem Aufruf oftmals gute bis sehr gute Beiträge leisten. T. ist auch ein ruhigerer aber sicher solider Schüler, der sich vom Leistungsniveau im befriedigenden Bereich bewegt. Bei S. ergibt sich ein ähnliches Bild, wobei er von der Qualität der Leistungen her öfter im guten Notenbereich zu verorten ist. Ähnlich sind die Beiträge von N. und M.e einzuordnen, die sich manchmal im guten und manchmal im befriedigenden Bereich bewegen. Bei beiden ist allerdings die Eigeninitiative bzw. die eigenständige Beteiligung etwas stärker ausgeprägt. Ch. hingegen schöpft sein Potential im Moment nicht ganz aus. Bei ihm entsteht der Eindruck, dass er die Inhalte des Unterrichts nicht ganz so ernst nimmt wie die anderen Kursteilnehmer/innen, die allgemein ein sehr hohes Interesse an chemischen Sachverhalten zeigen. Hinsichtlich zurückhaltendem und selbstbewusstem Charaktere lassen sich ebenfalls Unterschiede innerhalb der Lerngruppe anführen. Hier ist auf der einen Seite vor allem K. zu nennen, der sicherlich auch qua Amtes als Schulsprecher ein eher selbstbewusstes Auftreten an den Tag legt und gleichzeitig als sehr kommunikativ und schulpolitisch engagiert charakterisiert werden kann. Auf der anderen Seite sind einige sehr zurückhaltende Schüler wie T., I. und Se. zu nennen, die durch ihre sehr ruhige 1 Im weiteren Verlauf wird die gebräuchliche Abkürzung SuS oder Schüler als generisches Maskulinum verwendet. -3- Art wesentlich unauffälliger innerhalb des Kurses agieren. Die anderen Schüler fügen sich zwischen den beiden skizzierten Charaktertypen ein. Ein ähnlich ausgeglichenes Bild ergibt sich beim Blick auf das Leistungsniveau des Kurses. Generell lässt sich dieses als gut beschreiben, wobei es eine relativ breite Spitze gibt, die vom Leistungsvermögen sicher als sehr gut einzustufen ist. Basierend auf meinen Beobachtungen bis zu diesem Zeitpunkt lässt sich auch schon sagen, dass alle Schüler der Lerngruppe sowohl in Einzel- als auch in Partner- und Gruppenarbeitsphasen effektiv (zusammen) arbeiten können. Zwischen den einzelnen Schülern gibt es jedoch – genau wie beim persönlichen Auftreten innerhalb des Kurses – in Bezug auf die fachlichen Kompetenzen Unterschiede. Dies spiegelt sich vor allem in der Relation von Quantität und Qualität der mündlichen Beiträge wider. Das (Ein-)Üben und die weitere Vertiefung von Fachsprache sowie deren exakte Verwendung stehen deshalb im Fokus der methodischen und didaktischen Überlegungen in dieser Stunde. Für die kompetenzorientierte Lernbedingungsanalyse und die entsprechenden Förderaspekte ergibt sich daher aus meiner Sicht das Folgende. 1.3) Kompetenzorientierte Lernbedingungsanalyse und allgemeine Förderaspekte2 Die allgemeinen Förderaspekte, die in dieser Stunde im Vordergrund stehen, sind zunächst in der Vertiefung überfachlicher Kompetenzen zu verorten. Die Sozialkompetenz ist in meinen Augen möglichst umfassend und stufenübergreifend zu fördern, sodass sich bei den Schülern ein Mehr an Rücksichtnahme und Anerkennung hinsichtlich der Leistungen von allen Mitgliedern der Lerngruppe erzeugen lässt. Es geht dabei primär um die Anerkennung der Leistungen von Dritten und die Erkenntnis, dass man selbst vom (Vor-)Wissen anderer profitieren kann, was der Lerngruppe bereits gut gelingt. Voraussetzung für diese Erkenntnis ist, dass sich das Arbeiten in Gruppen beziehungsweise im Team erstens kaum vermeiden lässt (z.B. im späteren Arbeitsleben) und zweitens viele Mehrwerte schaffen können. Damit einhergehend ist, dass die Schüler über eine gewisse Selbstregulierung, Rücksichtnahme und eine ausgeprägt soziale Wahrnehmungsfähigkeit verfügen. Das Mittel der Wahl zur Vertiefung dieser – in der Lerngruppe bereits ausgeprägten – Kompetenzen ist eindeutig die Kommunikation bzw. die Kommunikationsstruktur. In diesem Punkt schließt sich zum ersten Mal direkt die Frage an, was die konkrete Gestaltung des Stundenverlaufs für die Lerngruppe zu leisten vermag? Die angesprochene Kommunikationsstruktur – die Schüler sollen im Unterrichtsgespräch 2 Die jeweils relevanten Kompetenzbereiche und Kompetenzen sind fett gedruckt. -4- miteinander kommunizieren – spielt in diesem Zusammenhang eine ganz zentrale Rolle. Wobei einige wichtige Schritte auf dem Weg zu diesem Ziel den Schülern bereits gelingen. So die versuchen sie beispielsweise im Unterrichtsgespräch auf die Argumente, Ideen und Annahmen des jeweiligen Vorredners einzugehen sowie Tipps oder Vorschläge durch den Lehrer mit in ihre Aussagen einzubinden. Das wiederum lässt auf eine ausgeprägte Kommunikationskompetenz schließen. Da die Lerngruppe diese Voraussetzungen zu großen Teilen schon mitbringt, wird – zu ihrer Vertiefung – im Unterricht über die Anwendung der Redekette hinaus mit dem Experimentieren in Gruppen in Kombination mit der TSS-Methode und der TPS-Methode auf kommunikative Problemlösungsstrategien gesetzt. Die vorgeschlagene – und im Verlauf dieses UB-Entwurfs beschriebene und begründete – Art und Weise des Experimentierens und des Arbeitens in (Klein-)Gruppen3 sehe ich zudem als eine spezifische Fördermaßnahme in den Bereichen der Selbstregulierung, der Rücksichtnahme und der sozialen Wahrnehmungsfähigkeit an. So dürfte sich das Gruppengefüge noch weiter stärken lassen. Damit ist während der einzelnen Unterrichtsphasen einhergehend, dass möglichst viele der Schüler den Lernprozess und das Arbeitsergebnis gemeinsam mitgestalten. 2) Didaktische Entscheidungen 2.1) Sachanalyse Bereits 1934 entwickelt der amerikanische Chemiker Carothers ein Syntheseverfahren für Nylon. Dabei reagieren Moleküle mit jeweils zwei Amino-Gruppen (-NH2) und Moleküle mit jeweils zwei Carboxyl-Gruppen (-COOH) unter Freisetzung von Wasser zu einem Polyamid (Nylon). Im Jahr 1940 kamen in den USA dann die ersten Nylonstrümpfe auf den Markt. Innerhalb weniger Stunden wurden 5 Millionen Paare verkauft, obwohl sie doppelt so teuer waren wie Seidenstrümpfe. Nylon war die erste vollsynthetische Faser4. Bei der Polykondensation geht man von Monomeren mit zwei funktionellen Gruppen aus (z.B Hydroxyl-, Carbonyl-, Carboxyl- oder Amino- Gruppen). Die Verknüpfung erfolgt jeweils aus zwei Monomeren unter Abspaltung kleiner Moleküle wie z.B. Wasser, Halogenwasserstoff, Alkohol oder Ammoniak. Die Polykondensation von bifunktionellen Menomeren führt zu linearen Makromolekülen. Nylon entsteht aus 1,6-Diaminohexan (Hexamethylendiamin) und Hexan-1,6disäure (Adipinsäure) oder auch – wie in dem im Unterricht gezeigten Versuch – dem reaktionsfreudigeren Hexandisäuredichlorid (Adipinsäuredichlorid). Es besteht aus zwei MonomerBausteinen, die jeweils 6 Kohlenstoffatome besitzen und trägt deshalb auch die Bezeichnung 6,63 4 Vgl. Matthes, Wolfgang - Methoden im Unterricht, Schöningh Verlag im Westermann Schulbuch, Mai 2011, S. 178f. Asselborn, Wolfgang et al.: Chemie heute – Sek I, Schroedel-Verlag, Braunschweig 2007, S. 358 -5- Nylon. In Polyamiden liegen Amid-Bindungen (-NH-CO-) vor. Sie bilden sich aus Diaminen und Dicarbonsäuren. Wegen ihrer relativ hohen Zugfestigkeit werden Verbindungen wie Nylon z.B. zur Herstellung von (Textil-)Fasern, Getriebeteilen, Schiffsschrauben oder Knochenprothesen verwendet5. Außerdem besteht eine chemische Verwandtschaft zu den Proteinen, deren MonomerBausteine, die Aminosäuren, auch durch Amid-Bindungen, den sogenannten Peptid-Bindungen, verknüpft sind6 (Achtung: Die Besonderheit bei den Aminosäuren ist jedoch, dass sie jeweils eine Amino- und eine Carboxyl-Gruppe besitzen, über die sie sich mit der entsprechenden Amino- oder Carboxyl-Gruppe der nächsten Aminosäure verknüpfen). Bei der gezeigten Nylon-Synthese verbinden sich zu Beginn der Reaktion jeweils ein Hexamethylendiamin über eine Amino-Gruppe (-NH2) und eine Carbonsäurchlorid-Gruppe (-COCl) unter Freisetzung eines Wasser-Moleküls. Erst dann ist ein Molekül entstanden, dass an seinen Enden jeweils eine nucleophile Amino-Gruppe und eine elektrophile Carbonsäurechlorid-Gruppe besitzt (ganz ähnlich zu den Aminosäuren). Jetzt kann die Polykondensations-Reaktion an beiden Enden des enstandenen bifunktionellen Moleküls starten. Die Polykondensation (Mechanismus: siehe Anhang) läuft solange das Nebenprodukt der Reaktion (Chlorwasserstoff) abgeführt wird. Da der Nylon-Faden aus einer wässrigen Phase gezogen wird (Durchführung: siehe Anhang), kann davon ausgegangen werden, dass sich der Großteil des entstandenen Chlorwasserstoffs in Wasser löst. Mit einem Stück pH-Papier kann während und nach dem Versuch außerdem direkt über den beiden flüssigen Phasen der stark saure Chlorwasserstoff nachgewiesen werden. 2.2) Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe und Lehrplanbezug7 Das Thema der gezeigten Stunde knüpft an dem Vorwissen der Schüler aus dem Themenblock Kohlenwasserstoffverbindungen und funktionelle Gruppen (Q1 LK Chemie der Kohlenwasserstoffverbindungen I) an. Dort geht es bereits um die Erweiterung der bisherigen Kenntnisse zur Kohlenwasserstoffchemie aus der Einführungsphase (E2 Einführung in die Chemie der Kohlenwasserstoffverbindungen). Es werden zunächst Kohlenwasserstoffverbindungen mit weiteren funktionellen Gruppen (aktuell: Adipinsäuredichlorid als Carbonsäurechlorid und 1,6Diaminohexan als aliphatisches Amin) kennen gelernt und näher untersucht. Die Leitlinien „Korrelation 5 6 7 zwischen Struktur und Eigenschaft“ sowie „Reaktionstypen Kirsch, Wolfgang et al.: Chemie- Prüfungs- und Basiswissen der Oberstufe, Tandem Verlag Königswinter, S. 178 Dr. Bitter, Thomas et al.: Elemente Chemie 2, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2010, S. 313 Hessischer Lehrplan für das Fach Chemie (Aufgabengebiet III) -6- und Reaktionsmechanismen“ sind bereits in dieser Phase übergeordnet. Diese Leitlinien gelten ebenso für die Behandlung technisch (aktuell: Nylon als technisch verwertbarer, thermoplastischer Kunststoff) und biologisch (aktuell: Verwandtschaft des synthetischen Polyamids Nylon zu der chemisch verwandten Stoffklasse der natürlichen Polyamide Proteine und Peptide) wichtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (Q2 LK Chemie der Kohlenwasserstoffverbindungen II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenwasserstoffverbindungen). Die Vielzahl der Reaktionen wird auch hier nach Reaktionstypen (aktuell: Polykondensations-Reaktion) eingeteilt und an ausgewählten Beispielen (aktuell: Nylon) wird ihr Reaktionsmechanismus (aktuell: zunächst eine Protonierung, dann ein nucleophiler Angriff eines Electrophils und schließlich wird über den Ladungsausgleich ein Nebenprodukt frei wie z. B. Wasser oder Chlorwasserstoff) formuliert. Offensichtlich wird die Einordnung des Themas der Stunde in den Lehrplan außerdem beim Blick auf den Themenblock „Synthetische Makromoleküle“ in Q2, da dort die Reaktionstypen zur Verknüpfung von Monomeren zu Makromolekülen (Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition) und deren mechanistischer Ablauf explizit und verpflichtend verankert sind. Stunde 1+2 3+4 5+6 7+8 9+10 11+12 13+14 15+16 Thema Polystyrol (Anschluss an Aromaten) Bsp. aus dem Alltag: „PS-Bombe“ Übungen zur radikalischen Addition PE, PP Duroplasten, Thermoplasten, Elastomere Internet-Rechercheauftrag: Was gibt es überhaupt? Struktur-Eigenschafts-Beziehungen: Duroplasten, Thermoplasten, Elastomere Vorbereitungen „Tag der offenen Tür“ Plastik-Proben (thermisches Verhalten), Weichmacher etc. Polyurethane (Polyadditions-Reaktion) am Beispiel eines PU-Schaums Polyamide (Polykondensations-Reaktion) am Beispiel von Nylon 2.3) Alltags- Schüler- und Gesellschaftsrelevanz Die umfassende Bedeutung der Kohlenwasserstoffverbindungen (aktuell: mit funktionellen Gruppen) bei der chemischen Produktion sowie die vielfältige Verwendung dieser Stoffe in einer modernen Industrienation machten es notwendig, die Schülerinnen und Schüler mit diesen Stoffklassen vertraut zu machen8. So steht es im hessischen Lehrplan für Chemie formuliert. Das ausgewählte Stundenthema vermag allerdings nicht nur das zu zeigen, sondern bietet die Chance sowohl den Aufbau von Makromolekülen als auch die Klassifizierung von Kunststoffen beispielhaft und experimentell zu ermöglichen. Es lassen sich zudem die Bereiche „Korrelation Struktur und Eigenschaft“ sowie „Reaktionstypen und Reaktionsmechanismen“ als übergeordnete Leitlinien der Unterrichtseinheit am konkreten Beispiel erfahrbar machen und über die sehr anschauliche Durchführung des Versuchs bei den 8 Hessischer Lehrplan für das Fach Chemie (Aufgabengebiet III) -7- Schülern verankern. Dies ist hinsichtlich ihrer späteren ausbildungstechnischen oder universitären Laufbahn von Vorteil und soll das Interesse für naturwissenschaftliche Qualifikationen möglichst hoch halten. Außerdem ermöglicht die historische Betrachtung der Entwicklungen um das wohl prominenteste Nylon-Beispiel (Nylon-Strumpfhose) eine Verknüpfung von wirtschaftlichen Faktoren (Angebots und Nachfrage- Orientierung nach dem ökonomischen Prinzip) und technischem Fortschritt (in der chemischen Industrie). Ein Blick auf die in den Unterricht mitgebrachten Nylon-Produkte aus der Textilindustrie (z.B. Sportbekleidung) verdeutlicht zudem, dass auch die Schüler mit Nylon im Alltag direkt in „Berührung“ kommen. 2.4) Beabsichtigte(r) Lernzuwachs und Lernergebnisse9 Didaktisches Zentrum Die Schüler planen, führen und werten die Synthese eines häufig verwendeten Kunststoffs selbstständig in Gruppen durch bzw. aus (Minimalziel) und verknüpfen ihr Vorwissen hinsichtlich der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Thermoplasten mit dem hergestellten Produkt (Maximalziel). Kompetenzorientierte Lernziele Kompetenzbereich Nutzung fachlicher Konzepte: Die Schüler erweitern ihr Fachwissen und die Nutzung fachlicher Konzepte, indem sie: konzeptionelle und fachspezifische Kenntnisse zur Lösung der Aufgaben und Probleme nutzen, F3.1. aus Kontexten bzw. Texten erworbenes Wissen in neuen Kontexten anwenden, F3.2. Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Die Schüler erweitern ihre Erkenntnisgewinnung, indem sie: Phänomene bzw. Vorgänge im Versuch beobachten und beschreiben, E1.1. Fragestellungen entwickeln und diese durch das Experiment verifizieren bzw. falsifizieren, E2.1. Sicherheitsaspekte und Tipps durch den Lehrer beim Experimentieren beachten. E2.5. Kompetenzbereich Kommunikation Die Schüler erweitern ihre Kommunikationskenntnisse, indem sie: fachlich korrekt kommunizieren und argumentieren, K2.1. Daten und Ergebnisse adressatengerecht mit angemessenem Medieneinsatz präsentieren, K3.2. Sachverhalte und Daten mit angemessenen Gestaltungsmitteln unter Verwendung der Fach- und Symbolsprache beschreiben und erklären, K4.2. Kompetenzbereich Bewertung Die Schüler erweitern ihre Bewertungskompetenz, indem sie: die Bedeutung von naturwissenschaftl. Kenntnissen für Anwendungsbereiche&Berufsfelder kennenlernen und an einem Beispiel verinnerlichen, B1.2. 9 Die Einordnung der Lernergebnisse erfolgt nach: Hessischen Kultusministerium, Bildungsstandards und Kompetenzfelder – Das neue Kerncurriculum für Hessen, Sekundarstufe I - Gymnasium - Chemie, Wiesbaden, 2011. -8- 3) Methodik im Einklang mit der Didaktik und in Rücksicht auf die Lerngruppe Im geplanten experimentellen Lernen wird – vom Erwecken der Neugierde bis hin zum Finden einer gemeinsamen Problemlösung – die fachliche Erkenntnisgewinnung in Verbindung mit den überfachlichen Kompetenzen ermöglicht. Die (Makro-)Methode „Experiment“10 vereint in diesem Zusammenhang die wichtigsten Aspekte naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung, weil sie im experimentellen Unterricht mehrere zentrale Phasen verknüpft (1: Man sieht etwas. (Konfrontation mit einem Phänomen), 2: Man vermutet, was sich dahinter verbirgt. (Phase der Hypothesenbildung), 3: Man will herausfinden, wie etwas wirklich ist. (Planung des Versuchsaufbaus), 4: Man macht die Probe. (Durchführung von Schülerexperimenten), 5: Man findet die Lösung und bestätigt oder verwirft die Vermutungen (Ergebnispräsentation, Erklärung der Zusammenhänge). Die Erweiterung der Kommunikationskompetenz – die Schüler sollen im Unterrichtsgespräch miteinander kommunizieren – spielt in diesem Zusammenhang eine ganz zentrale Rolle und lässt sich während und zwischen den einzelnen Phasen einbauen. Denn Kommunikation stellt an den wichtigen Gelenkstellen des Unterrichts immer wieder das Mittel der Wahl zur Problemlösung dar. Diese rein methodische Vorgehensweise ist eingebettet in eine exakte Gliederung, die dem forschendentwickelnden Unterrichtsverfahren11 zugrunde liegt. Dort sind vergleichbare Denkstufen aneinandergereiht und ebenfalls über kommunikative Austauschmöglichkeiten verknüpft: 1: Problemgewinnung, 2: Überlegungen zur Problemlösung, 3: Durchführung eines Problemlösevorschlags, 4: Abstraktion der gewonnen Erkenntnisse, 5: Wissenssicherung. Die Methode und das Unterrichtsverfahren kombinieren so die Gedankenführung eines Problemlösevorgangs. Dazu bietet sich die Think-Pair-Share-Methode an. Die Sammlung der Hypothesen in der Share-Phase findet zunächst unkommentiert statt. (Der Lehrer nimmt eine externe Position ein und überlässt den Schülern die Hypothesenbildung per Redekette in der Share-Phase, die Schüler sollen bereits zuvor in der Pair-Phase miteinander kommunizieren). Bei der konkreten Durchführung des Schülerexperiments in der Sozialform der Gruppenarbeit ist es wichtig, dass alle Gruppenmitglieder eine aktive Rolle einnehmen und so gemeinsam zur Problemlösung beitragen. Dies lässt sich in dieser Lerngruppe schon allein durch die Anzahl der Gruppenmitglieder von maximal 4 Personen bewerkstelligen. Die TPS-Methode und ihr Abwandlung die TSS-Methode sind als Kombination der Sozialformen EA, PA und GA in einer bestimmten, festgelegten Reihenfolge anzusehen und ergänzen die (Makro-)Methode „Experiment“ an wichtigen Gelenkstellen der Stunde durch ihren kommunikativen Charakter in der Pair- bzw. Square- und der Share-Phase sinnvoll. Hier könnte sich durch Verzicht auf Denk- und Austauschphasen Probleme 10 11 Vgl. Matthes, Wolfgang - Methoden im Unterricht, Schöningh Verlag, Mai 2011, S. 178f. Vgl. Pfeifer, Peter u.a.: Konkrete Fachdidaktik – Chemie, Oldenbourg Verlag, München 2002, S.203 ff. -9- ergeben, Fehlvorstellungen12 der Schüler zu diagnostizieren, um sie dann besprechen und beheben zu können. 4) Geplanter Stundenverlauf Phase Inhalt Methode / Sozialform Medien / Material Einstieg Folie zu Wallace Hume LSG Carothers als „history-lift“13 (historischer Zugang) und Textil-Produkte aus Nylon (Alltagsbezug) Smartboard PPT-Folie bzw. WordDokument Hypothesen-Bildung EA Arbeitsblatt Smartboard (PPT-Folie) Chemikalien und Geräte Intention: Motivation Erarbeitung I Entwurf eines Versuchsaufbaus zur Überprüfung der Annahmen Durchführung des Experiments „Nylon-Faden“ Experiment nach Mattes (Verantwortung für das Gruppenergebnis und Selbstständigkeit bzw. Teamfähigkeit) Sicherung I Beobachtungen des Exp. formulieren und visualisieren Plenum: Ergänzungen durch Smartboard SuS anderer Gruppen Erarbeitung II Nachbesprechen!! Texthilfen Deutung bzw. Erklärung der TS(S): in den Beobachtungen mit Hilfe Experimentalgruppen des Auswertungs-Tools Festigung von Fachsprache (Mechanismen-Puzzle) Auswertungs-Tool: Mechanismen-Puzzle mit differenziertem Niveau (Hilfe-Kärtchen) Für die Schnellen, die ohne Hilfekärtchen arbeiten, gibt es die zuzuordnenden Fachbegriffe für den Mechanismus in chaotischer Anordnung Sicherung II Das gemeinsame Lernprodukt (Versuchsprotokoll) wird vom Versuchsaufbau und der Durchführung hin zur mechanistischen Erklärung vervollständigt (TS)S: Präsentation der Gruppenergebnisse unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Anforderungsniveaus Smartboard (interaktiv) Übung bzw. Vertiefung oder HA zur Verwendung von Fachsprache AB: Polyamid (Nylon) und Polykondensation in Form eines Lückentextes, falls das Puzzle sehr schnell gelöst werden sollte Weitere Übung unter Verwendung von Fachsprache (neu: in englisch) Zur Vorbereitung auf das Studium und das Arbeiten mit Fachartikeln Optionaler Arbeitsauftrag: AB zu Polyamid (Nylon) und Polykondensation Minimalziel Sicherung III bzw. Hausaufgabe Archivierung: Smartboard und IL im Kursordner (PPT-Folie) Maximalziel Vgl dazu: Barke, Hans-Dieter: Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen, Springer Verlag, Heidelberg 2006, S. 119 13 Pfeifer, Peter u.a.: Konkrete Fachdidaktik – Chemie, Oldenbourg Verlag, München 2002 12 - 10 - 5) Sicherheitshinweise Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Adipinsäuredichlorid 14-34 8-20-23-26-30-36/37/39-45-60 C 1,6-Diaminohexan 21/22-34-37 (1/2)-22-26-36/37/39-45 C Heptan 11‐38‐65‐67‐50/53 (2)‐9‐16‐29‐33‐60‐61‐62 F, N, Xn 6) Versicherung (HessGiss) Bei der Planung und Durchführung des Unterrichts habe ich die geltenden Richtlinien „2. Abschnitt“ gemäß Amtsblatt 12/2013 hier: „Verordnung über die Aufsicht über Schülerinnen und Schüler (Aufsichtsverordnung – AufsVO vom 11. Dezember 2013“ sowie die dort in §13 Abs. 1 genannte Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht (RISU, Teil 1) beachtet. ________________________ Ort, Datum __________________________ Unterschrift - 11 - 7) Anhang Sitzplan (mit Kommentar): Normalerweise findet der Kurs in einem eher länglichen Raum mit maximal 4 SuS in einer Reihe (Ch3) statt, da er aus relativ wenigen Schüler/innen besteht. Die Unterrichtsstunde wird allerdings – auch aus Platzgründen während der Experimental-Phase – in einem größeren Fachraum (Ch1) stattfinden. Hier können die Kursteilnehmer/innen auch in den ersten beiden Reihen gemeinsam Platz finden. Zudem wechselt die Sitzordnung im Raum Ch3 von Zeit zu Zeit, sodass alle SuS im Unterricht abwechselnd „hinten und vorne“ sitzen dürfen. (Kommentare zum Sitzplan und zur Beteiligung der Schüler: siehe Bedingungsanalyse) S J T K S I M T L Ch D J J - 12 - Q2-Chemie-LK 21.02.14 Bereits 1934 entwickelte der amerikanische Chemiker Carothers ein Syntheseverfahren für einen berühmten Kunststoff (vollsynthetische Faser). Dabei ließ er Moleküle mit jeweils zwei AminoGruppen (-NH2) in wässriger Phase und Moleküle mit jeweils zwei Carboxyl-Gruppen (-COOH) in organischer Phase gemeinsam in einem Becherglas unter Freisetzung von Wasser reagieren. Dieses Bild zeigt Wallace Hume Carothers bei der Durchführung seines Experiments zur Synthese von __________ (der sogenannten „Carothers Seide“) in den Forschungseinrichtungen des amerikanischen Chemie-Konzerns DuPont in Wilmington (Spitzname laut Wikipedia: Chemical Capital of the World) im Bundesstaat Delaware. Im Jahr 1940 kam in den USA dann das erste Produkt aus der vollsynthetischen Faser auf den Markt. Innerhalb weniger Stunden wurden 5 Millionen Stück verkauft, obwohl das Produkt zunächst doppelt so teuer war wie das Konkurrenzprodukt aus Seide. Das Reaktionsprodukt der Synthese unterschied sich in einigen wichtigen Eigenschaften (z.B. reißfester, leicht färbbar, elastischer) von den bis dato im Einzelhandel erhältlichen Produkten aus natürlichen Fasern. Aufgrund der genannten Eigenschaften findet die synthetische Faser auch heute noch ihre größte Verwendung in der Textilindustrie. Arbeitsauftrag: Entwickeln Sie mit Hilfe der vorgegebenen Geräte und Chemikalien (siehe: PPT-Folie) ein Versuchsaufbau, mit dem sich das Experiment des Chemikers Carothers zur Synthese eines bekannten Kunststoffes durchführen lässt. Quellen: http://www.deutsches-kunststoff-museum.de/typo3temp/pics/5514dfb168.jpg - 13 - http://www2.dupont.com/Phoenix_Heritage/en_US/assets/images/details/1930_JulianHill_Detail_Vertical_630x825.jpg Entwurf des Versuchsaufbaus mit Hilfe der folgenden Chemikalien und Geräte: NH2 H2N O Cl Cl In wässriger Phase (dest. Wasser) O In organischer Phase (Heptan) Versuchsdurchführung mit hilfreichen Tipps durch den Lehrer („Trockenübung“) Nach dem Ende des Versuchs bitte den pH-Wert direkt über den flüssigen Phasen überprüfen! O Cl In organischer Phase (Heptan) Cl O NH2 H2N In wässriger Phase (dest. Wasser) - 14 - Mechanismus-Puzzle (Polykondensation) mit der Freeware „Chem-Sketch“ erstellt: O Cl H Cl O + Cl Cl O O H + Adipinsäuredichlorid O Cl Cl O H + O + O In wä ssri ger Ph ase ba sis ch (Ph en olp hth ale in) Cl C Cl H NH2 H2N O + C Cl O NH2 Cl + H H2N 1,6-Diaminohexan NH2 O Cl + HN H Cl O H - 15 - Nach weis von Chlor wass ersto H Cl ff mit pH-O Papie Cl NH2 HN + C O NH2 O NH2 HN HN O + C Cl O O Cl H +H _ H O + NH Cl C O NH2 H2N O Cl Cl O - 16 - NH2 + Fachsprache bzw. Begriffe, die bei der Erklärung des Mechanismus eigenständig gefunden und zugeordnet werden sollen. Als Hilfe kann an dieser Stelle mit Hilfe-Kärtchen gearbeitet werden, welche die folgenden Begriffe entweder in einer ersten Niveau-Stufe (chaotisch angeorndet) oder in einer zweiten und einer dritten Niveau-Stufe (der Reihenfolge passend zum Mechanismus angeorndet) vorgeben. Stufe 1 (Chaos): Carbo-Kation Deprotonierung und Bildung eines Amids Kettenwachstum (Polyamid) Ladungsausgleich Nucleophiler Angriff Protonierung Stufe 2 (Ordnung): 1: Protonierung 2: Carbo-Kation 3: Nucleophiler Angriff 4: Ladungsausgleich 5: Deprotonierung und Bildung eines Amids 6: Kettenwachstum (Polyamid) Stufe 3 (Ordnung und Zusatzinformation): - 17 - 1: Protonierung des Carbonsäurechlorids am Sauerstoff 2: Bildung eines Carbo-Kations durch Ladungsverschiebung 3: Nucleophiler Angriff des Nucleophils (1,6-Diaminohexan) am Elektrophil 4: Ladungsausgleich unter Freisetzung eines niedermolekularen Moleküls 5: Deprotonierung und Bildung eines Moleküls mit einer Amid-Bindung (-NH-CO-) 6: Kettenwachstum (Verknüpfung der Monomere über Amid-Bindungen zu einem Polyamid) Optionale Aufgabe (Maximalziel) als Übung und Vertiefung bzw. Hausaufgabe: You may have carried out the _____________ in a practical class. The diacid chloride of ___________ is dissolved in a layer of a light orgnic solvent such as ________ and a heavier layer of aqueous hexane-diamine is carefully placed ________. With a__________________ you can pick up the film of polymer that forms at the interface and draw it out to form a _______. That reaction is a simple ____________. After the first amide is formed, one end oft he molecule is ____________ and the other ____________ so that it can grow at both ends. The product is called nylon 6.6 and is a so called condensation-polymer. Condensation-polymers are any kind of polymers formed through a condensation reaction – where molecules ____________ – losing small molecules as _____________such as water, _______________ or methanol. Arbeitsauftrag: Ergänzen Sie die fehlenden Begriffe in dem vorliegenden Text aus dem Buch „Oragnic Chemistry“ (Clayden-Warren) zur Synthese von Nylon 6.6! (Hilfe: Die folgenden Begriffe fehlen in den Lücken: adipic acid, amide formation, by-products, electrophilic, fibre, heptane, hyrogen chloride, join together, nucleophilic, nylon rope trick, on top, pair of tweezers) - 18 - Literaturverzeichnis Asselborn, Wolfgang et al.: Chemie heute – Sek Schroedel-Verlag, Braunschweig 2007 Barke, Hans-Dieter: Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen, Springer Verlag, Heidelberg 2006 Dr. Bitter, Thomas et al.: Elemente Chemie 2, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2010 Clayden, Jonathan et al.: Organic Chemistry, Oxford University Press, Oxford 2008 Matthes, Wolfgang - Methoden im Unterricht, Schöningh Verlag im Westermann Schulbuch, Mai 2011 Kirsch, Wolfgang et al.: Chemie- Prüfungs- und Basiswissen der Oberstufe, Tandem Verlag Königswinter Pfeifer, Peter u.a.: Konkrete Fachdidaktik – Chemie, Oldenbourg Verlag, München 2002 Internetquellen Hessischer Lehrplan für das Fach Chemie (Aufgabengebiet III): http://verwaltung.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=ac9f301df54d1fbfab83dd3a6449af60 Bildungsstandards und Inhaltsfelder Chemie – Das neue Kerncurriculum für Hessen – Sek. I http://verwaltung.hessen.de/irj/servlet/prt/portal/prtroot/slimp.CMReader/HKM_15/HKM_Internet/ med/a33/a3335d0c-f86a-821f-012f-31e2389e4818,22222222-2222-2222-2222-222222222222 Operatoren des Fachbereichs III: http://verwaltung.hessen.de/irj/servlet/prt/portal/prtroot/slimp.CMReader/HKM_15/HKM_Internet/ med/47a/47a60044-ff6a-da01-be59-2697ccf4e69f,22222222-2222-2222-2222-222222222222 Leitfaden Chemie Orientierung zum Kerncurriculum Sek I: http://qualitaetsentwicklung.lsa.hessen.de/irj/servlet/prt/portal/prtroot/slimp.CMReader/HKM_15/I - 19 - Q_Internet/med/f0e/f0e7024c-dcad-c531-db63-772b417c0cf4,22222222-2222-2222-2222222222222222 Versicherung (HessGiss): Verordnung über die Aufsicht über Schülerinnen und Schüler (Aufsichtsverordnung – AufsVO vom 11. Dezember 2013 (Amtsblatt des Hessischen Kultusministeriums 12/2013) - 20 -
