Atommodelle - Didaktik der Chemie

Wie kann man wissen, wie Atome „aussehen“?
(Lehrerinformation, Stand 16.05.2016)
Expertenkongress nach einem Vorschlag von H. Koch, S. Herter, S. Huber, S. Hofmann;
überarbeitet von C. Ammon, W. Habelitz-Tkotz, B. Lehmann, W. Wagner
Lehrziele:
Die Schüler sollen mit Hilfe dieses Arbeitsauftrages erkennen, dass es bezüglich der
Vorstellung eines Atommodells - historisch gesehen - unterschiedliche Ansichten gab, welche
sich im Laufe der Zeit gewandelt haben. Des Weiteren sollen sie erkennen, dass Modelle nur
Hilfsvorstellungen sind, die ihre Grenzen haben und es deshalb auch kein „wahres“ Modell
gibt.
Vorkenntnisse: keine.
Vorbereitung:
Musterlösung (enthalten in Date 2) fertigen (schwereres Papier, z.B. >160g/m 2 benutzen) und
auf dem Lehrertisch auslegen. Eventuell n/6 Sätze (+ 1 Satz Musterlösung) Memory-Karten
laminieren und schneiden.
Einsatz im Unterricht:
Sozialform: Gruppenarbeit (Expertengruppe n/6 Schüler, Mischgruppe 6 Schüler,
n=Klassenstärke, Festigungsgruppe 4 Schüler)
Die Schüler verschaffen sich in zwei Stufen (Expertenrunde, Mischrunde) einen Überblick
über bedeutende Atommodelle. Danach können sie in einer 3. Runde anhand eines
Memory-Spieles das erworbene Wissen überprüfen. Gleichzeitig dient das Memory als
Zeitausgleich bei unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten.
Material:
Diese Material besteht aus 2 Dateien.
1. Datei 1 (diese, ppt Hochformat) enthält 1 Blatt Lehrerinformation, 1 Blatt Arbeitsauftrag für
Schüler, 6 Seiten Info-Texte für Schüler.
2. Datei 2 (ppt Breitformat) enthält die Musterlösung = Vorlagen für Memory-Karten. Zur
Vereinfachung von Sortierarbeit bei mehreren Sätzen kann die Rückseite mit Formen
nach Folie 3-6 bedruckt werden.
Durchführung:
Der Expertenkongress besteht aus 2-3 Runden:
1. Die Expertenrunde besteht hier aus 6 Gruppen. Jede Gruppe beschäftigt sich mit einem
Modell bzw. seinem/seinen Autoren. Für diese Runde genügt minimal ein Exemplar Text je
Gruppe. Weniger schwierig ist es, wenn jeder ein Blatt mitnehmen oder wenn er sich aus
dem Memory „seine“ 4 Karten zusammensuchen kann.
2. In der Mischrunde entstehen (je nach Klassenstärke 3-5) Mischgruppen aus mindestens
einem Vertreter jeder Expertengruppe, um die hier gestellten Aufgaben gemeinsam zu
lösen. Je nach vom Lehrer gewünschten Schwierigkeitsgrad kann jeder Experte einen
kompletten Text oder „seinen“ Satz Memory-Karten in die Mischrunde mitnehmen oder
nicht.
3. Die Festigungsrunde dient der Festigung der erlernten Inhalte oder dem Zeitausgleich
zwischen schnelleren und langsameren Gruppen. Die Schüler spielen das Memory.
Dauer:
Dieser Expertenkongress ist für einen Zeitrahmen von ca. 45 Minuten konzipiert.
Atommodelle
(Arbeitsauftrag)
1.
2.
3.
Expertenrunde: Jeder von euch liest sich einen Text genau durch (Texte
6a und 6b gehören zusammen) und bespricht ihn gegebenenfalls in der
Runde der Experten.
Mischrunde: (Schneidet das unsortierte Memory sauber aus bzw. ihr
bekommt vom Lehrer fertige Memory-Karten.) Legt die Bilder der
Wissenschaftler anschließend untereinander in chronologischer
Reihenfolge auf. Aufgabe dann: der jeweilige Experte ordnet jedem Bild die
anderen drei Kärtchen (Name, Modellvorstellung, Modellgrenzen) zu, indem
er sie neben das Bild legt. Vergleicht euer Ergebnis mit der Musterlösung
auf dem Lehrertisch und prägt euch die Zusammenhänge ein.
Spielrunde (zur Festigung): Nun verwendet ihr die Karten als Memory und
sammelt Paare (z.B. Name und Modellvorstellung). Wer am Schluss die
meisten Paare gesammelt hat, ist Sieger.
Atommodelle
(Arbeitsauftrag)
1.
2.
3.
Expertenrunde: Jeder von euch liest sich einen Text genau durch (Texte
6a und 6b gehören zusammen) und bespricht ihn gegebenenfalls in der
Runde der Experten.
Mischrunde: (Schneidet das unsortierte Memory sauber aus bzw. ihr
bekommt vom Lehrer fertige Memory-Karten.) Legt die Bilder der
Wissenschaftler anschließend untereinander in chronologischer
Reihenfolge auf. Aufgabe dann: der jeweilige Experte ordnet jedem Bild die
anderen drei Kärtchen (Name, Modellvorstellung, Modellgrenzen) zu, indem
er sie neben das Bild legt. Vergleicht euer Ergebnis mit der Musterlösung
auf dem Lehrertisch und prägt euch die Zusammenhänge ein.
Spielrunde (zur Festigung): Nun verwendet ihr die Karten als Memory und
sammelt Paare (z.B. Name und Modellvorstellung). Wer am Schluss die
meisten Paare gesammelt hat, ist Sieger.
Demokrit
(Text 1)
• um 460 bis ca. 370 v. Chr.
• ein griechischer Philosoph aus
Abdera (Thrakien), der die von
seinem Lehrer Leukipp begründete
Lehre vom Atomismus
weiterentwickelte.
In Demokrits Vorstellung bestehen alle Dinge aus unsichtbaren und
unzerstörbaren Materieteilchen, Atome genannt, (griechisch atoma: unteilbar),
die sich ewig im endlosen leeren Raum bewegen. Dieser leere Raum existiert,
ohne selbst aus Atomen zu bestehen.
Obwohl sie exakt aus dem gleichen Stoff bestehen, unterscheiden sich die
Atome nach Größe, Lage und Form. Ihre Eigenschaft, sich mit anderen Atomen
zu verbinden, erzeugt die gegenständliche Welt. Die Eigenschaften der
Gegenstände wiederum werden allein bestimmt vom Zusammenhalt dieser
kleinsten Materieteilchen.
Die Entstehung der Welt ist nach Demokrit dementsprechend eine Folge der
unablässigen Bewegung der Atome im Raum.
Demokrit verfasste auch Schriften zur Ethik, in denen er Glückseligkeit durch
Wohlbefinden (griechisch euestó) der Seele als höchstes Gut pries. Deshalb
bekam er den Beinamen „Der lachende Philosoph“.
Grenzen des Modells:
Der Unterschied zwischen Stoffgemisch und chemischer Verbindung ist
noch nicht gesichert. Außerdem sind Atome nicht unteilbar.
Aristoteles
(Text 2)
• 384-322 v. Chr.
• Zusammen mit Platon und Sokrates
gehört er zu den berühmtesten und
bedeutendsten Philosophen des
Altertums. Mit seinen Lehren wurde
er zu einem zentralen Denker der
abendländischen Philosophie.
Sein Leben: Aristoteles wurde in Stagira in Makedonien geboren und zog im
Alter von 17 Jahren nach Athen, um an Platons Akademie zu studieren. Dort
blieb er etwa 20 Jahre lang, anfangs als Student und dann als Lehrer. Nach
Platons Tod 347 v. Chr. zog Aristoteles nach Assos, einer Stadt in Kleinasien.
Dort herrschte Hermias, mit dem er befreundet war. Nachdem Hermias 345 v.
Chr. von den Persern gefangen genommen und getötet wurde, zog Aristoteles
nach Pella, der Hauptstadt Makedoniens. Dort war er Erzieher des
Thronfolgers, des späteren Alexander des Großen. Als Alexander 335 v. Chr.
König wurde, kehrte Aristoteles nach Athen zurück und gründete seine eigene
Schule, das Lykeion. Da die Gespräche zwischen Schülern und Lehrern häufig
während Spaziergängen auf dem Schulgelände des Lykeion stattfanden, wurde
Aristoteles’ Schule als „Wandelschule“ bekannt. Nach Alexanders Tod 323 v.
Chr. verbreitete sich in Athen eine starke anti-makedonische Gesinnung, und
Aristoteles zog sich auf sein Landgut auf Euböa zurück, wo er ein Jahr später
starb.
Seine Lehre: Aristoteles geht von einem endlichen, sphärischen Universum
aus, in dessen Mittelpunkt sich die Erde befindet. Der zentrale Bereich besteht
aus den vier Elementen: Erde, Luft, Feuer und Wasser. In Aristoteles’ Lehre ist
jedem dieser vier Elemente ein genauer Platz angewiesen. Jedes der Elemente
bewegt sich in seiner natürlichen geradlinigen Bahn seinem eigentlichen
Ruhepunkt entgegen. Daraus ergibt sich, dass irdische Bewegungen immer
geradlinig sind und immer zum Stillstand kommen. Die Himmel jedoch bewegen
sich natürlich und ewig in einer komplexen, kreisförmigen Bewegung, was ein
fünftes, neues Element erforderlich macht, das Aristoteles Aither (Äther) nennt.
Als höheres Element ist Aither unveränderlich und kann bloß seinen Platz in
kreisförmigen Bewegungen verändern.
Grenzen des Modells:
Hier können chemische Reaktionen und die Vielfalt der Stoffe noch nicht erklärt
werden.
John Dalton
(Text 3)
• 1766-1844
• britischer Chemiker und Physiker,
entwickelte die Atomtheorie, auf der
die moderne physikalische
Wissenschaft beruht.
Sein Leben: Dalton wurde am 6. September 1766 in Eaglesfield (Cumberland,
heute Cumbria) als Sohn eines Webers geboren. Unterricht erhielt er von
seinem Vater und an einer Quäkerschule in seiner Heimatstadt, wo er schon mit
zwölf Jahren zu lehren begann. 1781 zog er nach Kendal und leitete dort mit
seinem Cousin und dem älteren Bruder eine Schule. Er ging 1793 nach
Manchester und verbrachte dort den Rest seines Lebens als Lehrer – zuerst am
New College und später als Privatgelehrter. Er starb am 27. Juli 1844 in
Manchester.
Sein Werk: Nach Daltons Atomhypothese bestehen alle Elemente aus winzig
kleinen, unveränderlichen und unteilbaren Teilchen, den Atomen. Er ging dabei
von einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Atomarten aus und vermutete,
dass sich verschiedene Atome zu großen Verbänden zusammenschließen und
sich dabei vielfältig kombinieren lassen. Diese aus Atomen zusammengesetzten
Teilchen nennen wir heute Moleküle. Daltons bedeutendster Beitrag zur
Wissenschaft war seine Theorie, dass die Materie aus Atomen verschiedener
Gewichte besteht, die sich in bestimmten, einfachen
Teilchenanzahlverhältnissen miteinander verbinden. Diese Theorie, die Dalton
1803 erstmalig vorstellte, stellt einen Grundpfeiler der modernen Physik dar. Sie
wurde unter dem Namen Gesetz der multiplen Proportionen bekannt.
1808 veröffentlichte Dalton sein Buch A New System of Chemical Philosophy
(Ein neues System des chemischen Theiles der Naturwissenschaft). Darin hatte
er die Atomgewichte einer Reihe bekannter Elemente im Verhältnis zum
Gewicht von Wasserstoff (das er gleich eins setzte) angeführt. Seine Gewichte
waren noch nicht exakt, bildeten aber die Grundlage für das moderne
Periodensystem der chemischen Elemente.
Grenzen des Modells:
Mit Hilfe dieses Modells kann die Bildung von Ionen nicht erklärt werden.
Folglich können auch chemische Bindungen nicht verstanden werden.
Ernest Rutherford
(Text 4)
• Lord of Nelson and Cambridge
• 1871-1937
• britischer Physiker, der für seine
bahnbrechende Arbeit in der
Kernphysik und für seine Theorie
zur Atomstruktur den Nobelpreis
erhielt.
Leben und Werk: Rutherford wurde bei Nelson (Neuseeland) geboren und
studierte an den Universitäten von Neuseeland und Cambridge. Er war von
1898 bis 1919 Professor für Physik an der Universität in Montreal (Kanada) und
während der nächsten zwölf Jahre an der Universität von Manchester
(England). Nach 1919 arbeitete Rutherford als Professor für Experimentalphysik
und Direktor des Cavendish Laboratory der Universität von Cambridge und
hatte nach 1920 auch einen Lehrstuhl an der Royal Institution of Great Britain in
London. Rutherford zählt zu den ersten und bedeutendsten Forschern in der
Kernphysik. Schon bald nach der Entdeckung der Radioaktivität (1896 durch
den französischen Physiker Antoine Henri Becquerel) identifizierte Rutherford
die drei Hauptbestandteile der Strahlung und nannte sie Alpha-, Beta- und
Gammastrahlen. Er wies außerdem nach, dass die Alphateilchen Atomkerne
des Heliums sind. Berühmt ist Rutherford durch seinen genialen Streuversuch
geworden: Er schoss mit winzigen alpha-Teilchen auf eine dünne Goldfolie.
Dabei stellte er fest, dass fast alle diese Goldfolie ungehindert durchdrangen,
nur wenige Teilchen wurden abgelenkt oder sogar zurückgeworfen. Daraus
schloss er, dass die Goldatome aus nahezu leeren Räumen bestehen und
stellte seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als
winziger, dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde.
Im Jahr 1919 gelang Rutherford ein weiteres wichtiges Experiment: Durch den
Beschuss von Stickstoff mit Alphastrahlen wurden die Atome eines
Sauerstoffisotops sowie Protonen freigesetzt. Mit dieser Umwandlung von
Stickstoff- in Sauerstoffatome war die erste künstliche Kernreaktion vollzogen.
1914 wurde Rutherford zum Ritter geschlagen und 1931 zum Lord ernannt. Er
starb in London und wurde dort in der Westminster Abbey beigesetzt.
Grenzen des Modells:
Nach diesem Atommodell kreisen die Elektronen auf beliebigen Bahnen um den
Atomkern und müssten theoretisch nach ca. 10-16 Sekunden in den Kern
stürzen. Dies trifft aber in der Realität nicht zu. Weiterhin müsste ein Atom,
wenn es durch Energiezufuhr angeregt ist, ein kontinuierliches Lichtspektrum
abgeben, allerdings treten in Wirklichkeit für jedes Element ganz
charakteristische Spektrallinien auf.
Niels Bohr
(Text 5)
• 1885-1962
• dänischer Physiker und
Nobelpreisträger, der u. a. wichtige
und grundlegende Beiträge zur
Kernphysik sowie zum Verständnis
des Aufbaus der Atome lieferte.
Sein Leben: Bohr war der Sohn eines Professors und wurde in Kopenhagen
geboren. Er studierte an der Universität Kopenhagen und erlangte dort im Jahr
1911 seine Doktorwürde. Noch im gleichen Jahr ging Bohr an die Universität
Cambridge in England, um Kernphysik zu studieren. Bald darauf begab er sich
an die Universität Manchester, um mit Ernest Rutherford zusammenzuarbeiten.
Sein Werk: Bohrs Theorie zum Aufbau der Atome war vom Rutherfordschen
Atommodell abgeleitet, bei dem die Elektronen den Atomkern umkreisen „wie
die Planeten die Sonne“.
Seine Untersuchungen über die Struktur der Atomhülle führten zu der
Erkenntnis, dass die Elektronen den Atomkern nicht ungeordnet umkreisen,
sondern gesetzmäßig auf bestimmte Umlaufbahnen verteilt sind. Diese
Umlaufbahnen um den Atomkern werden Elektronenschalen genannt. Die
maximal sieben Elektronenschalen bezeichnet man von innen nach außen mit
Nummern (1 – 7). Die äußere Schale nennt man Außenschale (Valenzschale)
und ihr kommt eine besondere Bedeutung zu.
Bohr erkannte auch, dass die Zahl der Elektronen, die in einer Schale Platz
finden, begrenzt ist und jede Elektronenschale nur eine bestimmte Höchstzahl
an Elektronen aufnehmen kann. Diese maximale Elektronenzahl einer
Energiestufe kann durch die Formel 2n2 ausgedrückt werden, wobei n die
Periodennummer ist.
Die Außenschale eines Atoms kann immer nur höchstens acht Elektronen
aufnehmen. Sie werden als Außenelektronen (Valenzelektronen) bezeichnet
und legen die chemischen Eigenschaften eines Elements fest.
Für seine Arbeiten erhielt der Wissenschaftler 1922 den Nobelpreis für Physik.
Grenzen des Modells:
Das Modell erklärt richtig die aus den Experimenten folgenden Spektrallinien
des Wasserstoffatoms und wasserstoffähnlicher Ionen. Es gestattet allerdings
keine Erklärung für die unterschiedlichen Intensitäten der Spektrallinien.
Außerdem kann man die Aufspaltung der Spektrallinien in eng benachbarte
Linien nicht erklären.
Werner Heisenberg
(Text 6a)
• 1901-1976
• deutscher Physiker und
Nobelpreisträger, einer der
Begründer der Quantenmechanik,
Beiträge zur Theorie der
Atomstruktur (Heisenbergsche
Unschärferelation).
Sein Leben: Heisenberg wurde in Würzburg geboren und studierte
mathematische Physik, Mathematik und Astronomie an der Universität
München. 1923 habilitierte er sich bei Max Born an der Universität Göttingen.
Sein Werk: Von 1924 bis 1927 hielt er sich zu Forschungszwecken bei dem
dänischen Physiker Niels Bohr an der Universität Kopenhagen auf. 1927 wurde
Heisenberg als Professor für Theoretische Physik an die Universität Leipzig
berufen. Anschließend wirkte er als Professor an der Universität Berlin (19411945). 1941 wurde er Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik (1948 in
Max-Planck-Institut für Physik umbenannt). Von 1946 bis zu seinem Tod 1976
leitete er das Max-Planck-Institut in Göttingen, welches 1958 nach München
verlegt und um die Institute für Physik und Astrophysik erweitert wurde.
Während des 2. Weltkrieges war Heisenberg für die wissenschaftliche
Forschung in Zusammenhang mit dem deutschen Kernenergieprojekt
verantwortlich. Nach dem Krieg war er kurze Zeit in England interniert.
Er war einer der bedeutendsten theoretischen Physiker des 20. Jahrhunderts,
der die Physik und die Philosophie nachhaltig beeinflusste. Seine wichtigsten
Beiträge leistete er zur Theorie der Atomstruktur. 1925 begann er mit der
Entwicklung einer besonderen Form der Quantenmechanik. Die darin
enthaltene mathematische Formulierung basiert auf der Strahlung, die das Atom
absorbiert und emittiert sowie auf den Energieniveaus des atomaren Systems.
Heisenbergs Unschärferelation spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung
der Mechanik und übte großen Einfluss auf die moderne Philosophie aus. Sie
besagt, dass man für kein Teilchen gleichzeitig den Impuls und den Ort
bestimmen kann. 1933 wurde Heisenberg der Nobelpreis für Physik verliehen.
Er starb am 1. Februar 1976 in München.
Erwin Schrödinger
(Text 6b)
• 1887-1961
• österreichischer Physiker und
Nobelpreisträger, weltbekannt durch
seine mathematischen Studien zur
Wellenmechanik.
Sein Leben: Schrödinger wurde in Wien geboren und studierte an der dortigen
Universität. Er lehrte Physik an den Universitäten von Stuttgart, Breslau, Zürich,
Berlin, Oxford und Graz. An der Schule für Theoretische Physik des Institute of
Advanced Study in Dublin war er von 1940 bis zu seiner Pensionierung im Jahr
1955 Direktor.
Sein Werk: Schrödingers bedeutendster Beitrag zur Physik lag in der
Entwicklung der nach ihm benannten Gleichung. Es handelt sich dabei um eine
nicht-relativistische Bewegungsgleichung für ein quantenmechanisches System.
Schrödinger bewies die mathematische Äquivalenz zwischen seiner 1926
veröffentlichten Theorie und der Matrizenmechanik des deutschen Physikers
Werner Heisenberg, die dieser im vorhergehenden Jahr entwickelt hatte. Die
Theorien der beiden Wissenschaftler bildeten zusammen einen wesentlichen
Teil der Grundlagen für die Quantenmechanik. Schrödinger teilte sich 1933 den
Nobelpreis für Physik mit dem britischen Physiker Paul Adrien Maurice Dirac für
seinen Beitrag zur Entwicklung der Quantenmechanik. Seine Forschungen
bereicherten auch das Wissen über Atomspektren, statistische Thermodynamik
und Wellenmechanik.
Abschließende Bemerkung:
Vermutlich ist das Modell nach Heisenberg und Schrödinger auch nicht das
letzte Atommodell. Daher ist es auch nicht das „wahre“ Modell, denn jedes
Modell ist nur eine Hilfsvorstellung, die ihre Grenzen hat. Physiker wünschen
sich eine gemeinsame Theorie von Quantenmechanik und Gravitation, die aber
bisher noch nicht gefunden ist.