Kohlenstoff

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Didaktische FWU-DVD
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Die Elemente
Kohlenstoff
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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;
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• 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.
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 Kohlenwasser­stoffe
(Alkane, Cycloalkane, Aromaten) wird
eingegangen. Abschließend widmet sich
der Film der Frage „Wie kam der Kohlenstoff in die Kohle?“.
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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
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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
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.
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).
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.
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.
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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.
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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 CH2-Gruppe ergänzt werden.
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.
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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“
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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.
Arbeitsmaterial
Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROMTeil 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
Materialien
Didaktische Hinweise
Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der
ergänzenden Arbeitsmaterialien
Arbeitsblätter
(mit Lösungen)
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)
Interaktionen
• 3D-Interaktion: Erforsche das Element Kohlenstoff
• Periodensystem der Elemente
Bilder / Grafiken
• 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
Filmkommentare
Filmkommentar als PDF-Dokument
Programmstruktur
Übersicht über den Aufbau der DVD
Weitere Medien
Informationen zu ergänzenden FWU-Medien
Produktionsangaben
Produktionsangaben zur DVD und zum Film
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Programmstruktur
Hauptmenü
Untermenü
Die Elemente
Kohlenstoff
Die Elemente: Kohlenstoff
Die Elemente: Kohlenstoff
Steckbrief Kohlenstoff
Film 22 min
Sequenzen
Grafiken
Arbeitsmaterial
Die Elemente
Kohlenstoff
Kohlenstoff – Element des Lebens
1:20 min
Eigenschaften und Atommodell
2:20 min
Graphit und Diamant
6:20 min
Fullerene, Graphen und Nanoröhren
3:20 min
Kohlenwasserstoffe
4:20 min
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
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Das Element Kohlenstoff im PSE
Grafik
Modifikationen und Eigenschaften
Grafik
Atommodell
Grafik
Kohlenwasserstoffe –
Beispiel Alkane
2 Grafiken
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
Animationen
Anna Lux, Blue Silver GmbH
Bildnachweis
Pflanzenlaus: © macroart / iStock / Thinkstock
Schnitt
Wolfgang Grimmeisen
Fachberatung
Dr. Nina Harsch, Peter Latzel
Sprecher
Sebastian Prittwitz
Begleitheft
Svenja Weiß, Christina Lehni
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
Pädagogische Referentin im FWU
Svenja Weiß
Redaktion
Svenja Weiß, Christina Lehni
3D-Interaktion
3d-bewegungswekstatt, Gilching
Interaktion PSE
Christina Kokkalis
Fachberatung
Dr. Nina Harsch
Arbeitsmaterial
Dr. Nina Harsch
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 [email protected]
[email protected]
Internetwww.fwu.de
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Didaktische FWU-DVD
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Die Elemente: Kohlenstoff
Ohne das Element Kohlenstoff wäre kein Leben auf der Erde möglich. Wir finden es in
der Atmos­phäre, 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 Unterrichts­materialien zur Verfügung.
Erscheinungsjahr: 2014
Laufzeit: 22 min
Film:
1
Filmsequenzen: 6
Grafiken / Bilder: 5
Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil:
Unterrichtsmaterialien
Interaktionen:
2 (davon eine 3D-Interaktion)
Arbeitsblätter:4 (mit Lösung; als PDF zum
Ausfüllen; z. T. differenziert)
Adressaten:
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
 P hysikalische Chemie  Atombau, Periodensystem;
Bindung, Struktur, Eigenschaften
 Anorganische Chemie  Elemente
O
rganische Chemie  Kohlenwasserstoffe
 Angewandte Chemie  Chemie in Alltag und Umwelt
Biologie
 Allgemeine Biologie  Biochemie
Lehrprogramm
gemäß
§ 14 JuSchG
GEMAFREI
www.fwu-shop.de
Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444
[email protected]
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
[email protected]
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