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Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen 1. Modelle Modellentstehung Realität Bewusstsein Kenntnisse Sachverhalt (Original) (abstraktes) Denkmodell (konkretes) AnschauungsModell Irrelevante Zutaten Wahrnehmungssieb nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 3 Bsp.: Modellexperiment Exo- und endotherme Reaktionen nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 4 Begriff: Modell http://de.wikipedia.org/wiki/Modell : • Das Wort: aus Italien (Renaissance) • modello, aus modulo, dem Maßstab in der Architektur • bis 18. Jh.: Fachsprache der bildenden Künstler • um 1800: verdrängte im Deutschen das ältere, direkt vom lat. modulus entlehnte Model (Muster, Form, z.B. Kuchenform), das noch im Verb ummodeln fortlebt. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 5 Begriff: Modell 1. Abbildung natürlicher oder künstlicher Originale (die selbst wieder Modelle sein können). 2. Verkürzung. Erfasst nicht alle Seiten des Originals, sondern nur diejenigen, die dem Modellschaffer bzw. Modellnutzer relevant erscheinen. 3. Pragmatische Orientierung am Nützlichen. Frage Wozu? Ein Modell wird vom Modellschaffer bzw. Modellnutzer innerhalb einer bestimmten Zeitspanne und zu einem bestimmten Zweck für ein Original eingesetzt. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 6 Begriff: Modell Ein Modell zeichnet sich durch die bewusste Vernachlässigung bestimmter Merkmale aus, um die für den Modellierer oder den Modellierungszweck wesentlichen Modelleigenschaften hervorzuheben. Literatur: Stachowiak, Herbert (1973): „Allgemeine Modelltheorie“, Wien. Nach http://de.wikipedia.org/wiki/Modell nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 7 Schlussfolgerungen 1. Ein Modell ist nie „richtig“, also mit der Wirklichkeit identisch (Bsp.: Kochsalz, Strukturmodelle). 2. Ein Modell ist nie endgültig (Bsp.: Atommodell). 3. Ein Modell ist nie falsch, aber es kann für den Zweck ungeeignet sein. 4. Die Wissenschaft verwendet i.d.R. nur ein Modell („die exakteste Beschreibung der Wirklichkeit“), die Schule viele (z.B. historische Stufen). nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 8 Klassifikationsmöglichkeit für Modellarten dynamisch Simulationen StrukturModellexperiment modelle Modellsubstanzen bildliche Modelle symbolische Modelle mathematischlogische Modelle statisch materiell ideell Cl-Cl S8, Cl2 c(C)p * c(D)q =K c(A)m * c(B)n pH = -log(c) nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 9 Modellbau Ein Kalottenmodell • Materielles Modell • Strukturmodell • Kalottenmodell • H2O, NH3, CH4 • Theorie später nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 11 Anleitung: Kalottenmodell aus Styropor 1. Stecken Sie einen Zahnstocher möglichst senkrecht mitten in den Ring, der auf der großen Styroporkugel an den Polen zu sehen ist. 2. Stellen Sie die Styroporkugel so in das Loch der Schablone, dass der Zahnstocher möglichst senkrecht steht. 3. Markieren Sie mit dem Filzstift die Position der 120°Markierungen auf der Styroporkugel mit einem senkrechten Strich. 4. Binden Sie den Faden mit einem Ende an dem schon steckenden Zahnstocher fest. 5. Markieren Sie mit dem Filzstift die Entfernung von 109/360 U mit einem waagrechten Strich. U = d * π. 109/360=0,30. An den entstehenden Kreuzungspunkten befinden sich die Positionen der Liganden. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 12 Anleitung 6. Markieren Sie an einem Zahnstocher von einem Ende her die Entfernung von 5mm. Stecken Sie den Zahnstocher an jeder Ligandenposition bis zur Markierung hinein. 7. Schleifen Sie an jeder Markierung möglichst tangential so viel Styropor weg, dass das Loch nicht mehr zu sehen ist. 8. Streichen Sie die Kugel in der CPK-Farbe (Corey, Pauling, Koltun) des gewünschten Atoms (C = schwarz, H = weiß, O = rot, N = blau, S = gelb, Cl = grün...) 9. Schleifen Sie die Wasserstoff-Kugeln nach 6-7 auch an und kleben Sie sie einzeln mit etwas Styroporkleber auf; erst nach dem Trocknen folgt die nächste. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 13 2. Atombau und Bindung Aus dem Lehrplan Aufbau der Materie: • Größenverhältnisse Zelle – Molekül – Atom – (Elementarteilchen) • Aufbau der Atome aus Kern (p+, n°) und Hülle (e-) • Atommodelle: Kugelmodell – Kern-Hülle-Modell • Unterscheiden von Elementen, z.B. H, He, Na, Cl, C aufgrund der Zahl der Protonen • Unterscheidung von Isotopen aufgrund der Massezahl (p + n) nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 15 Größenverhältnisse • Durchmesser eines C-Atoms: 150pm = 1,5*10-10 m • Größenunterschied zwischen Kirchturm (100m) und einem (sehr kleinen) Sandkorn (1mm) = 10-5 • Das Kohlenstoffatom ist so viel mal kleiner als ein Sandkorn, wie ein Sandkorn kleiner ist als ein Kirchturm. • 10-5 * 10-5 = 10-10 Moleküle sind 1(-100) nm = 10-9 m groß. C60 = 1,002 nm Bakterien sind 1 µm = 10-6 m groß. Zellen sind 0,1 mm = 10-4 m groß. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 16 2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau Ein wenig Geschichte -500 EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, Erde DEMOKRIT: „Atomos“ EPIKUR: „Chem. Bindung“ ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“ 0 500 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ hingerichtet. 1000 1500 2000 GASSENDI, KEPLER, GALILEI DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO: Gase, Moleküle FARADAY: elektrische Natur der Atome RUTHERFORD: experimentelle Beweise nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie Folie 18 Rutherfords Versuch Radioaktive Strahlen Radioaktives Präparat (bitte anklicken) Goldfolie Leuchtschirm nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 19 Was wäre wenn... nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 20 Was wäre wenn... nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 21 Der Atomkern H He Li Be B C N O Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Legende: Wg Protonen Neutronen Wt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 22 Die Bedeutung von Kernteilchen Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle. Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr. Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 23 Die Bedeutung von Kernteilchen Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern. Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist. Bis zum Element 40Ca gilt: Je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr. Bsp.: 238 92 U 238 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 24 Eine Applikation D: ein selbst gebautes Atomkernmodell nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 25 Isotope Isotop 3 1 2 H Isotop 1 2 Li Isotop 3 1 2 C Isotop 2 1 Isotop 3 1 2 O N Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind! % Nat. Vorkom men 6Li 7,5 1H 99,9 2H 0,015 7Li 92,5 12C 98,9 14N 99,6 16O 99,7 13C 1,1 15N 0,4 17O 0,1 18O 0,2 3H W nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 26 Die Bedeutung von Kernteilchen Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen. Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen. Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben. Bsp.: Kohlenstoff-Atom-Zerfall 14 6 C 14 7 N + e- nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 27 Die Atomhülle H He Li Be B C N O Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen! nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 28 Aufbau der Elektronenhülle 1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor. 2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die zweite mehr. 3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n2, wobei n = Schalennummer n=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 Elektronen 4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich. 5. Deshalb sind Atome immer neutral. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 29 Das Bohr-Sommerfeld Modell Elektron Atomkern Schale 1 (K) Verbotene Zone Schale 2 (L) Schale 2 (L) nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 30 2.2 Probleme Aus dem Lehrplan 10.3.2 Atome, Elemente, Bindungen: • Atommodell: Kern-Schale („Hülle“); PSE als Erklärungshilfe für das Reaktionsverhalten chemischer Elemente • Ionenbindung, Elektronenpaarbindung, physikalisch-chemische Eigenschaften aufgrund der Bindungsart • Modelle und Formeln als Verständnishilfen für chemische Bindungen nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 32 Warum? nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 33 2.3 Lösung: das Kugelwolkenmodell nach KIMBALL Der Weg zum Kugelwolkenmodell Bsp.: ein Stickstoffatom N Schreibweisen: N N Elektronenformel „Valenzstrichformel“ Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 35 Leistungen Bsp.: ein Kohlenstoffatom C 109° idealer Tetraederwinkel Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 36 Der Weg zur chemischen Bindung Bsp.: Methan CH4 Atomkern Atomrumpf Elektron nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 37 Der Weg zur chemischen Bindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 38 Orbitale nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 39 Zur Schreibweise Bsp.: Ammoniak NH3 N H H H Atomkern Atomrumpf Valenzstrichformel Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 40 Abweichungen von der Idealgeometrie Bsp.: Wasser H2O 105 ° Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt A Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 41 Partialladungen und Dipol δ+ δ+ δ- nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 42 Partialladungen und Dipol δ+ δ- nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 43 Demonstration V: Nachweis des Dipolcharakters von Wasser nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 44 2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des Kugelwolkenmodells Bsp. 1: Ionenbindung 3+ + Al Al3+ + - - - 3 e- Folgerung: das Al3+-Kation ist viel kleiner als das Al-Atom. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 46 Bsp. 1: Ionenbindung + Br + - e- Br - Folgerung: das Br--Anion ist viel größer als das Br-Atom. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 47 Bsp. 2: Mehrfachbindungen Aus dem Lehrplan: 10.5.1 Kohlenwasserstoffe: • ungesättigte KW, z.B. Ethen, Propen; Modelle, Strukturformel, Summenformel • Chemische Vorgänge bei der Herstellung von Kunststoffen; Polymerisation, Polykondensation, Makromoleküle; Modelle • ... nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 48 Die Doppelbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 49 Die Doppelbindung C C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 50 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 51 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 52 Die Dreifachbindung C C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 53 Demonstration Ein Modell zur Polymerisation nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 54 2.5 PSE und Bindung PSE: Elektronegativitäten I/1 II/2 Schale Alkalimetalle 1 K H 2 L Li 3 M 4 N III/13 IV/14 V/15 VI/16 VII/17 VIII/18 Erdalkali- Borgruppe Kohlenstoff Stickstoff- Sauerstoff Halogene Edelgase metalle -gruppe gruppe -gruppe He 2.2 1 Be1.5 B 2 C 2.5 N Na 1 Mg 1 Al1.5 Si 1.8 P 2.1 K 1 Ca 1 Ga1.6 Ge1.8 As 2 Se2.4 Br2.8 Kr 5 O Rb 1 Sr 1 In1.7 Sn1.8 Sb 2 Te2.1 6 P Cs0.7 Ba 7 Q Fr Tl Pb Bi 3 O 3.5 F 4 S 2.5 Cl 3 Po Ne Ar I 2.5 Xe At Rn Ra nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 56 Die chemische Bindung in Schubladen 1. Kovalente Bindung H2, O2, F2, N2 2. Polare Bindung CH4 NH3 CCl4 3. Ionenbindung CsF H2O CF4 HF NaCl nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 57 Die chemische Bindung 0 0.3 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.5 3.0 H2 O2 F2 N2 CH4 NH3 CCl4 H2O CF4 HF NaCl CsF Koval. Bindung Polare Bindung 100% Kovalenzcharakter 0% Ionencharakter Ionenbindung 0% Kovalenzcharakter Metalle? nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert 100% Ionencharakter Folie 58 Zusammenhänge zwischen Bindungstypen Cs ΔEN= 0 ΣEN~2 Mg Al Si [NaSi] P4 Na2S S8 ΣEN>2 ΔEN= 0 3 H2, O2, F2 CH NH CCl H O CF HF NaCl CsF 4 3 4 2 4 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 59 2.6 Zwischenmolekulare Kräfte Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren Molekülen (enthalten nur kovalente Bindungen). momentaner Dipol d- dkein Dipol momentaner Dipol d d nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 62 induzierter Dipol momentaner Dipol z.B. Br2 induzierter Dipol Br2 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 63 Dipolkräfte wirken zwischen Molekülen mit polaren Bindungen. Partialladungen und Dipol δ+ δz.B. H2O nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 65 Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen. Elektrostatische Anziehung nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 67 + - - + - - - + + - + Kation - + Anion + Folgen: Eigenschaften von ion. Verb. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 68 Folgen: Eigenschaften von Metallen - + + - Elektronengas - + Rumpf + - + - + - + + - - nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 69 Folgen: Formelschreibweise „HCl“ HCl δ+ HCl δ- HCl nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 70 Die „Summenformel“ Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei kovalenten und polaren Bindungen Moleküle, weil • die Bindungen gerichtet sind und • die Zuordnung der Atome eindeutig ist. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 71 Folgen: Formelschreibweise „NaCl“ Na+ Na+ Cl- Na+ Na+ nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 72 Die „Summenformel“ Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei ionischen Bindungen das Zahlenverhältnis von Kationen zu Anionen, weil • die Bindungen nicht gerichtet sind und • die Zuordnung der Ionen zueinander nicht eindeutig ist. Diese Gleichbehandlung, wo keine Gleichheit herrscht, ist für Schüler in höchstem Maße irreführend. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 73 Vorschläge zur Lösung Kovalente Verbindungen H2 Polare Verbindungen Ionische Verbindungen HCl Nicht Salzsäure! O2 H2O Cl2 NH3 Nicht Ammoniakwasser! Na+ClNaCl Ca2+O2CaO Pb4+O22PbO2 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 74 Ein Modell für kovalente Bindungen nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 75 Modelle für ionische Bindungen • NaCl 1: käufliches Gittermodell • NaCl 2: Gittermodell „Wattekugeln“ • NaCl 3: Gittermodell „Glas“ • Magnetmodell / Overhead nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 76 Ein Selbstbau-PSE-Modell... ...und sein Einsatz im schülerzentrierten Unterricht nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 77 3. Schlussbesprechung • • • • Was haben Sie heute gelernt? Was ist ein Modell? Sind Modelle immer anfassbar? Wozu braucht ein Naturwissenschaftler Modelle? • Wozu braucht ein Chemiker Modelle? • Wozu brauchen wir in der Schule Modelle? nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 78 Epikurs Atome harter Materialien Quelle: Beer – Glöckner - Letterer. Chemische Analytik..., C. C. Buchner, Bamberg 1983. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 79 z.B. Ammoniak NH3 Schritt 2: Finden der Tetraeder-Positionen auf der Kugel, 120° 120° 120° Schablone nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 80 z.B. Ammoniak NH3 Schritt 3: Winkelmarkierung nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 81 Das Geiger-Müller-Zählrohr Glimmerfolie Sehr hohe Spannung U= 2-10 kV ++ R* - - R + ++ - Zählgas (He, Ne) + Löschgas (BF3, C2H4) Verstärker Schreiber W nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 82
