Aufbau der Materie Modelle und

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

1 Aufbau der Materie Modelle und
Modellvorstellungen

2 1. Modelle

3 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

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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

10 Modellbau

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

12 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

13 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

14 2. Atombau und Bindung

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

16 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

17 2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau

18 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

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

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

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

22 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

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

24 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

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

26 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

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

28 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

29 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= Elektronen n= Elektronen n= 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

30 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

31 2.2 Probleme

32 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

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

34 2.3 Lösung: das Kugelwolkenmodell nach KIMBALL

35 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

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

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

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

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

40 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

41 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

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

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

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

45 2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des Kugelwolkenmodells

46 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

47 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

48 Bsp. 2: Mehrfachbindungen
Aus dem Lehrplan: 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

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

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

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

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

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

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

55 2.5 PSE und Bindung

56 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

57 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

58 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

59 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

60 2.6 Zwischenmolekulare Kräfte

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

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

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

64 Dipolkräfte wirken zwischen Molekülen mit polaren Bindungen.

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

66 Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen.

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

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

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

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

71 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

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

73 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

74 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

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

76 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

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

78 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

79 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

80 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

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

82 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