Vom «Blauen Wunder» bis zur Anordnung der Elementarteilchen im Atom - Einstieg in die Chemie
Diese Unterrichtseinheit steht ganz am Anfang des Chemieunterrichts und führt die Schülerinnen und Schüler in die Grundlagen dieses Fachs ein. Sie starten mit dem bekannten Einstiegsexperiment des «Blauen Wunders» und erproben an diesem Beispiel ihre eigenen Vermutungen. Dabei erfahren sie, dass sich die Chemie mit Stoffumwandlungen beschäftigt und unter welchen Voraussetzungen mit Experimenten Hypothesen bestätigt oder widerlegt werden können.
Warum wird die Lösung beim Schütteln blau – und warum entfärbt sie sich nachher wieder?
Die Schülerinnen und Schüler werden mit anregenden Aufträgen unterstützt, zentrale Konzepte der Chemie selber zu konstruieren. Um sie auf den Unterschied zwischen dem atomistischen und dem aristotelischen Modell der Materie vorzubereiten, werden sie beispielsweise mit einem Gedankenexperiment angeleitet, sich vorzustellen, ob man bei einer fortlaufenden Teilung von Wassermengen irgendwann an ein Ende gelangt oder nicht.
Das Konzept des Mols wird am Beispiel der Vorbereitung einer Party mit 24 Personen eingeführt, bei der jede Person ein Sandwich mit einem Ei und einer Olive erhalten soll.
Die Schülerinnen und Schüler verstehen leicht, dass es unpraktisch wäre, mit Gewichtsangaben zum Einkaufen zu gehen und 1 Kilogramm Brot, 1 Kilogramm Eier und 1 Kilogramm Oliven in den Einkaufskorb zu legen. Stattdessen ist es sinnvoller, von allen Zutaten: Brotscheiben, Eiern und Oliven jeweils zwei Dutzend zu besorgen. Die Analogie mit dem Begriff «Dutzend» wird anschliessend genutzt, um die Einheit «Mol» einzuführen: Möchten wir beispielsweise Eisen und Schwefel zu einer Verbindung reagieren lassen, die die gleiche Anzahl Eisen- wie Schwefelatome enthält (Eisensulfid), dann müssen wir die gleiche Anzahl beider Atomsorten reagieren lassen. Da 1 Kilogramm Eisen und 1 Kilogramm Schwefel aber nicht die gleiche Anzahl Atome enthalten, helfen uns hier Gewichtsangaben – wie bei der Vorbereitung der Sandwiches – nicht weiter.
Um dieses Problem zu lösen, wird die Einheit «Mol» eingeführt, die wie die Einheit «Dutzend» eine bestimmte Anzahl beschreibt. Der Vorteil dieser Einheit der Stoffmenge besteht darin, dass wir beispielsweise 1 mol Eisenatome und 1 mol Schwefelatome miteinander reagieren lassen können, wenn wir sie zu Eisensulfid verbinden möchten. Von beiden Stoffen liegt dann die gleiche Anzahl von Atomen vor.
Wie bei allen Materialien des MINT-Lernzentrums kommen auch in dieser Einheit Unterrichtsformen zum Einsatz, die die Schülerinnen und Schüler auf besonders lernwirksame Weise bei der Konstruktion von Wissen unterstützen. Einige Beispiele finden sich weiter unten auf dieser Webseite.
Im Mittelpunkt dieser Materialien steht die Einführung in die Grundlagen der Chemie. Mit dem Einstiegsexperiment zum «Blauen Wunder» werden die Schülerinnen und Schüler angeregt, sich selber Gedanken darüber zu machen, welches die Ursachen der Farbänderungen sein könnten – und wie sich diese Vermutungen mit Experimenten überprüfen lassen. Sie erfahren, dass sich die Chemie mit den Eigenschaften und den Umwandlungen von Stoffen beschäftigt und dass es bei Experimenten darum geht, sich zu überlegen, unter welchen Bedingungen Hypothesen aufgegeben werden müssen.
Im Zusammenhang mit dem Atomismus lernen die Schülerinnen und Schüler, dass Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen, die sich bei flüssigen und gasförmigen Stoffen in ständiger ungeordneter Bewegung befinden. Sie können Phänomene wie die Diffusion oder die Brown’sche Bewegung auf Teilchenebene erklären. Die Einheiten «Mol» und «Molmasse» werden anhand gut nachvollziehbarer Analogien zu Beispielen aus dem Alltag eingeführt.
Abschliessend werden der Aufbau der Atome aus Elementarteilchen sowie das Coulomb-Gesetz thematisiert. Die Lernenden werden dabei schrittweise angeleitet, das Coulomb-Gesetz selber durch Abstraktion zu konstruieren. Anhand der Streuversuche von Rutherford wird die Anordnung der Elementarteilchen im Atom erläutert.
- Einführung in den Chemieunterricht. Das Testen von Hypothesen am Beispiel des «Blauen Wunders»
- Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Einführung in den Atomismus als der zentralen Vorstellung der modernen Chemie
- Masse und Anzahl der Atome. Die Konzepte «Mol» und «Molmasse»
- Atome bestehen aus Elementarteilchen. Elektrische Ladung und das Coulomb-Gesetz
- Die Anordnung der Elementarteilchen im Atom. Die Streuversuche von Rutherford