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Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen.

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Präsentation zum Thema: "Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen."—  Präsentation transkript:

1 Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen

2 1. Modelle

3 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 3 RealitätBewusstsein Sachverhalt (Original) (abstraktes) Denk- modell Modellentstehung Irrelevante Zutaten Wahrnehmungssieb Kenntnisse Wahrneh- mung (konkretes) Anschauungs- Modell Veranschau- lichung Verständnis

4 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 4 Bsp.: Modellexperiment Exo- und endotherme Reaktionen

5 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 5 Begriff: 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.

6 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 6 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.

7 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 7 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

8 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 8 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).

9 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 9 Klassifikationsmöglichkeit für Modellarten dynamisch statisch materiellideell Modellsubstanzen Simulationen bildliche Modelle mathe- matisch- logische Modelle Struk- tur- mo- delle Modellexperiment symbolische Modelle c(A) m * c(B) n c(C) p * c(D) q = K S 8, Cl 2 Cl-Cl pH = -log(c)

10 Modellbau

11 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 11 Ein Kalottenmodell Materielles Modell Strukturmodell Kalottenmodell H 2 O, NH 3, CH 4 Theorie später

12 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 12 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 Scha- blone, dass der Zahnstocher möglichst senkrecht steht.Scha- blone 3.Markieren Sie mit dem Filzstift die Position der 120°- Markierungen auf der Styroporkugel mit einem senk- rechten Strich.Markieren 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.

13 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 13 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.

14 2. Atombau und Bindung

15 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 15 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)

16 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 16 Größenverhältnisse Größenunterschied zwischen Kirchturm (100m) und einem (sehr kleinen) Sandkorn (1mm) = Durchmesser eines C-Atoms: 150pm = 1,5* m Das Kohlenstoffatom ist so viel mal kleiner als ein Sandkorn, wie ein Sandkorn kleiner ist als ein Kirchturm * = Moleküle sind 1(-100) nm = m groß. C 60 = 1,002 nm Bakterien sind 1 µm = m groß. Zellen sind 0,1 mm = m groß.

17 2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau

18 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 18 Ein wenig Geschichte EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, Erde DEMOKRIT: AtomosAtomos EPIKUR: Chem. BindungChem. Bindung ARISTOTELES: 4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft 2000 Jahre Kirchenvakuum: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, Ketzer hingerichtet. DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO: Gase, Moleküle FARADAY: elektrische Natur der Atome RUTHERFORD: experimentelle Beweise BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie GASSENDI, KEPLER, GALILEI

19 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 19 Rutherfords Versuch Radioaktives Präparat (bitte anklicken) Leuchtschirm Goldfolie Radioaktive Strahlen

20 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 20 Was wäre wenn...

21 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 21 Was wäre wenn...

22 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 22 Der Atomkern HHeLiBeBCN O Wt Legende: Protonen Neutronen Wg Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen!

23 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 23 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.

24 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 24 Die Bedeutung von Kernteilchen Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist. Bis zum Element 40 Ca gilt: Je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr. Bsp.:238 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6 Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern.

25 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 25 Eine Applikation D: ein selbst gebautes Atomkernmodell

26 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 26 Isotope HLiCNO W 2 H 0,015 1 H 99,9 3H3H 6 Li 7,5 7 Li 92,5 12 C 98,9 13 C 1,1 14 N 99,6 15 N 0,4 16 O 99,7 17 O 0,1 18 O 0,2 % Nat. Vor- kom men Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind! Isotop 1 Isotop 2 Isotop 3

27 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 27 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 + e -

28 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 28 Be Die Atomhülle HHe Li B CNO Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!

29 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 29 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: 2n 2, 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.

30 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 30 Das Bohr-Sommerfeld Modell Atomkern Schale 1 (K) Verbotene Zone Schale 2 (L) Elektron

31 2.2 Probleme

32 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 32 Aus dem Lehrplan 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 Verständnishilfen

33 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 33 Warum?

34 2.3 Lösung: das Kugelwolkenmodell nach KIMBALL

35 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 35 Der Weg zum Kugelwolkenmodell Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, voll besetzt N Schreibweisen: Elektronenformel N Valenzstrichformel halb besetzt Kugelwolke, Bsp.: ein Stickstoffatom N

36 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 36 Leistungen Kugelwolke, Atomkern Atomrumpf halb besetzt 109° idealer Tetraederwinkel Bsp.: ein Kohlenstoffatom C

37 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 37 Der Weg zur chemischen Bindung Atomkern Atomrumpf Elektron Bsp.: Methan CH 4

38 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 38 Der Weg zur chemischen Bindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, voll besetzt halb besetzt Kugelwolke,

39 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 39 Orbitale

40 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 40 Zur Schreibweise N H H H Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, voll besetzt halb besetzt Kugelwolke, Valenzstrichformel Bsp.: Ammoniak NH 3

41 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 41 Abweichungen von der Idealgeometrie 105 ° Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, voll besetzt halb besetzt Kugelwolke, A Bsp.: Wasser H 2 O

42 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 42 Partialladungen und Dipol δ-δ- δ+δ+ δ+δ+

43 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 43 Partialladungen und Dipol δ+δ+ δ-δ-

44 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 44 Demonstration V: Nachweis des Dipolcharakters von Wasser

45 2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des Kugelwolkenmodells

46 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 46 Bsp. 1: Ionenbindung AlAl 3+ 3 e Folgerung: das Al 3+ -Kation ist viel kleiner als das Al-Atom.

47 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 47 Bsp. 1: Ionenbindung + - Br Br - e Folgerung: das Br - -Anion ist viel größer als das Br-Atom.

48 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 48 Bsp. 2: Mehrfachbindungen Kohlenwasserstoffe: ungesättigte KW, z.B. Ethen, Propen; Modelle, Strukturformel, Summenformel Chemische Vorgänge bei der Herstellung von Kunststoffen; Polymerisation, Polykondensation, Makromoleküle; Modelle... Aus dem Lehrplan:

49 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 49 Die Doppelbindung Atomkern Atomrumpf halb besetzt Kugelwolke, Kugelwolke, voll besetzt

50 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 50 Die Doppelbindung Atomkern Atomrumpf halb besetzt Kugelwolke, CC Kugelwolke, voll besetzt

51 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 51 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf halb besetzt Kugelwolke, Kugelwolke, voll besetzt

52 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 52 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf halb besetzt Kugelwolke, Kugelwolke, voll besetzt

53 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 53 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf halb besetzt Kugelwolke, CC Kugelwolke, voll besetzt

54 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 54 Demonstration Ein Modell zur Polymerisation

55 2.5 PSE und Bindung

56 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 56 PSE: Elektronegativitäten Schale I/1 Alkali- metalle II/2 Erdalkali- metalle III/13 Borgruppe IV/14 Kohlenstoff -gruppe V/15 Stickstoff- gruppe VI/16 Sauerstoff -gruppe VII/17 Halogene VIII/18 Edelgase 1K1K 2L2L 3M3M 4N4N 5O5O 6P6P 7Q7Q HHe LiBeBCNOFNe NaMgAlSiPSClAr KCaGaGeAsSeBrKr RbSrInSnSbTeIXe CsBaTlPbBiPoAtRn FrRa

57 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 57 Die chemische Bindung in Schubladen Polare Bindung Ionenbindung Kovalente Bindung H 2, O 2, F 2, N 2 CsF CH 4 NH 3 CCl 4 H2OH2O HF NaCl CF

58 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 58 Die chemische Bindung Koval. BindungIonenbindungPolare Bindung 100% Kovalenzcharakter 0% Ionencharakter 0% Kovalenzcharakter 100% Ionencharakter H2O2F2N2H2O2F2N2 CsF CH 4 NH 3 CCl 4 H2OH2OHFNaClCF Metalle?

59 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 59 Zusammenhänge zwischen Bindungstypen Cs H 2, O 2, F 2 CsF CH 4 NH 3 CCl 4 H2OH2OHFNaClCF 4 ΔEN=03 0 Na 2 S [NaSi] Mg Al Si P4P4 S8S8 ΣEN~2 ΣEN>2

60 2.6 Zwischenmolekulare Kräfte

61 Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren Molekülen (enthalten nur kovalente Bindungen).

62 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 62 momentaner Dipol kein Dipol momentaner Dipol

63 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 63 induzierter Dipol z.B.Br 2 momentaner Dipolinduzierter Dipol

64 Dipolkräfte wirken zwischen Molekülen mit polaren Bindungen.

65 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 65 Partialladungen und Dipol δ+δ+ δ-δ- z.B.H2OH2O

66 Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen.

67 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 67 Elektrostatische Anziehung

68 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 68 Folgen: Eigenschaften von ion. Verb Anion Kation

69 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie Folgen: Eigenschaften von Metallen Elektronengas Rumpf

70 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 70 Folgen: Formelschreibweise HCl δ+δ+ δ-δ- HCl

71 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 71 Die Summenformel Die Schreibweise A n B m bezeichnet bei kovalenten und polaren Bindungen Moleküle, weil die Bindungen gerichtet sind und die Zuordnung der Atome eindeutig ist.

72 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 72 Folgen: Formelschreibweise NaCl Na + Cl - Na +

73 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 73 Die Summenformel Die Schreibweise A n B m 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.

74 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 74 Vorschläge zur Lösung HCl Kovalente Verbindungen Polare Verbindungen Ionische Verbindungen H2OH2O NH 3 H2H2 O2O2 Cl 2 Na + Cl - Ca 2+ O 2- Pb 4+ O 2 2- PbO 2 NaCl CaO Nicht Salzsäure! Nicht Ammoniakwasser!

75 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 75 Ein Modell für kovalente Bindungen

76 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 76 Modelle für ionische Bindungen NaCl 1: käufliches Gittermodell NaCl 2: Gittermodell Wattekugeln NaCl 3: Gittermodell Glas Magnetmodell / Overhead

77 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 77 Ein Selbstbau-PSE-Modell......und sein Einsatz im schülerzentrierten Unterricht

78 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 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?

79 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 79 Epikurs Atome harter Materialien Quelle: Beer – Glöckner - Letterer. Chemische Analytik..., C. C. Buchner, Bamberg 1983.

80 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 80 z.B. Ammoniak NH 3 Schritt 2: Finden der Tetraeder-Positionen auf der Kugel, Schablone 120°

81 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 81 z.B. Ammoniak NH 3 Schritt 3: Winkelmarkierung

82 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert Folie 82 Das Geiger-Müller-Zählrohr + - R VerstärkerSchreiber Glimmerfolie Zählgas (He, Ne) + Löschgas (BF 3, C 2 H 4 ) Sehr hohe Spannung U= 2-10 kV R* W


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