Aufbau der Materie Modelle und Modellvorstellungen

1. Modelle

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

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

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

Begriff: Modell Abbildung natürlicher oder künstlicher Originale (die selbst wieder Modelle sein können). Verkürzung. Erfasst nicht alle Seiten des Originals, sondern nur diejenigen, die dem Modellschaffer bzw. Modellnutzer relevant erscheinen. 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

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

Schlussfolgerungen Ein Modell ist nie „richtig“, also mit der Wirklichkeit identisch (Bsp.: Kochsalz, Strukturmodelle). Ein Modell ist nie endgültig (Bsp.: Atommodell). Ein Modell ist nie falsch, aber es kann für den Zweck ungeeignet sein. 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

Klassifikationsmöglichkeit für Modellarten dynamisch statisch Simulationen Struk- tur- mo- delle mathe- matisch- logische Modelle Modellexperiment bildliche Modelle Modellsubstanzen symbolische Modelle materiell ideell c(A)m * c(B)n c(C)p * c(D)q = K Cl-Cl S8, Cl2 pH = -log(c) nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Modellbau

Ein Kalottenmodell Materielles Modell Strukturmodell Kalottenmodell H2O, NH3, CH4 Theorie später nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Anleitung: Kalottenmodell aus Styropor Stecken Sie einen Zahnstocher möglichst senkrecht mitten in den Ring, der auf der großen Styroporkugel an den Polen zu sehen ist. Stellen Sie die Styroporkugel so in das Loch der Scha-blone, dass der Zahnstocher möglichst senkrecht steht. Markieren Sie mit dem Filzstift die Position der 120°-Markierungen auf der Styroporkugel mit einem senk-rechten Strich. Binden Sie den Faden mit einem Ende an dem schon steckenden Zahnstocher fest. 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

Anleitung Markieren Sie an einem Zahnstocher von einem Ende her die Entfernung von 5mm. Stecken Sie den Zahnstocher an jeder Ligandenposition bis zur Markierung hinein. Schleifen Sie an jeder Markierung möglichst tangential so viel Styropor weg, dass das Loch nicht mehr zu sehen ist. 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...) 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

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

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

2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau

Ein wenig Geschichte 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: EMPEDOKLES: Luft, Feuer, Wasser, Erde -500 500 1000 1500 2000 DEMOKRIT: „Atomos“ EPIKUR: „Chem. Bindung“ ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“ 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ hingerichtet. 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

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

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

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

Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Der Atomkern H He Li Be B C N O Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Wg Legende: Protonen Neutronen Wt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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

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

Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen! Die Atomhülle Be Li H He C N O B Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen! nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Aufbau der Elektronenhülle Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die zweite mehr. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n2, wobei n = Schalennummer n=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 Elektronen Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich. Deshalb sind Atome immer neutral. nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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

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

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

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

Der Weg zur chemischen Bindung Bsp.: Methan CH4 Atomkern Atomrumpf Elektron nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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

Zur Schreibweise Bsp.: Ammoniak NH3 N H Valenzstrichformel Atomkern Atomrumpf Valenzstrichformel Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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

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

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

2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des Kugelwolkenmodells

Folgerung: das Al3+-Kation ist viel kleiner als das Al-Atom. 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

Folgerung: das Br--Anion ist viel größer als das Br-Atom. 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

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

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

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

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

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

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

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

2.5 PSE und Bindung

PSE: Elektronegativitäten H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra 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 1 K 2 L 3 M 4 N 5 O 6 P 7 Q 2.2 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1.8 2.1 1.6 2.4 2.8 1.7 0.7 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Die chemische Bindung in Schubladen Kovalente Bindung 1. H2, O2, F2, N2 CH4 H2O 2. Polare Bindung NH3 CF4 CCl4 HF 3. Ionenbindung CsF NaCl nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Die chemische Bindung 0.3 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.5 3.0 H2 O2 F2 N2 NH3 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 Ionenbindung 100% Kovalenzcharakter 0% Ionencharakter 0% Kovalenzcharakter 100% Ionencharakter Metalle? nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Zusammenhänge zwischen Bindungstypen Cs ΔEN= ΣEN~2 Mg Al Si P4 S8 Na2S [NaSi] ΣEN>2 ΔEN= 3 H2, O2, F2 CsF CH4 NH3 CCl4 H2O CF4 HF NaCl nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

2.6 Zwischenmolekulare Kräfte

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

momentaner Dipol d- d- d+ d+ kein Dipol momentaner Dipol nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

induzierter Dipol momentaner Dipol induzierter Dipol z.B. Br2 Br2 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Dipolkräfte wirken zwischen Molekülen mit polaren Bindungen.

Partialladungen und Dipol δ+ δ- z.B. H2O nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen.

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

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

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

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

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

Folgen: Formelschreibweise „NaCl“ nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

Vorschläge zur Lösung Na+Cl- H2 HCl NaCl O2 H2O Ca2+O2- Cl2 NH3 CaO Kovalente Verbindungen Polare Verbindungen Ionische Verbindungen Na+Cl- H2 HCl NaCl Nicht Salzsäure! O2 H2O Ca2+O2- Cl2 NH3 CaO Nicht Ammoniakwasser! Pb4+O22- PbO2 nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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

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

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

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

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

z.B. Ammoniak NH3 Schritt 2: Finden der Tetraeder-Positionen auf der Kugel, Schablone 120° 120° 120° nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

z.B. Ammoniak NH3 Schritt 3: Winkelmarkierung nach AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth, verändert

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