Benutzer:BirgitLachner/Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Ein erster Blick in die Atome - Eigenschaften der Salzartigen Verbindungen erklären

Wir wollen versuchen die beobachteten Eigenschaften von Kochsalz - als Stellvertreter für die Gruppe der salzartigen Verbindungen - zu erklären. Anfangen werden wir dabei mit der Leitfähigkeit.

Strom wird geleitet oder eben nicht =

Um zu verstehen, warum eine Salzlösung Strom leitet, aber alle anderen betrachteten Stoffe (Salz- und Zuckerkristall, Zuckerlösung, Wasser) aber nicht, müssen wir uns zeurst einmal kurz anschauen, was überhaupt Strom ist:

(Elektrischer) Strom ist bewegte Ladung.

Hervorhebung2

In der folgenden kleinen Animation kann man sehen, warum eine Batterie eine Lampe zu Leuchten bringt.

Elektronen

Die Elektronen, die sich bei elektrischem Strom bewegen, sind Bestandteile des Atoms, die abgespalten werden können.

Warum können einige Stoffe den Strom leiten, andere Stoffe aber nicht?

  Auch im Kochsalz müssen geladene Teilchen vorkommen, denn nur so kann der elektrische Strom weitergeleitet werden.

Im festen Kochsalzkristall sind diese geladenen Teilchen aber nicht beweglich (Feststoff!), so dass es nicht stromleitfähig ist.

Da die Stromleitfähigkeit in Metallen aufgrund von beweglichen Elektronen stattfindet, muss dies beim Kochsalz einen anderen Grund geben. Es muss andere geladene Teilchen geben.

Hervorhebung1

Daraus ergibt sich eine Tatsache, die der Vorstellung, die den Atomen ihren Namen gaben (von altgriechisch atomos = unteilbar) widerspricht!

FAZIT: Atome sind keine kompakten Kugeln, die unzerstörbar sind. Die alte Atomvorstellung reicht nicht mehr aus, dies zu erklären! Wir müssen das Atommodell erweitern.

Hervorhebung2

Das Rosinenkuchenmodell =

Joseph J. Thomson 1896

Der britische Physiker Joseph Thomson war ein britischer Physiker und Nobelpreisträger für Physik. Er entdeckte 1897 (etwa zeitgleich mit dem deutschen Physiker Emil Wiechert) das Elektron.

Thomson war Professor für Physik am Trinity College der University of Cambridge. Er soll tollpatschig gewesen sein und daher versuchten seine Assistenten und Schüler stets, ihn von den Experimenten fernzuhalten. Also überwachte Thomson nur die Experimente und gab Anweisungen.

Ab 1881 untersuchte er das Verhalten von bewegten Ladungen und setze dabei eine sogenannte Kathodenstrahl-Röhre ein. Seine Untersuchung der Kathodenstrahlung 1897 zum experimentellen Nachweis für die bereits 1874 vorhergesagte Existenz des Elektrons. Thomson konnte auch nachweisen, dass sich bewegende Elektronen durch ein Magnetfeld ablenken ließen, was von deutschen Physiker Heinrich Hertz zuvor bestritten worden war.

Kathodenstrahlröhren kann man technisch als Vorgänger der alten Fernsehen ansehen, also nicht die flachen Displays sondern die dicken und schweren Fernseher.

• 

  Die original Katheodenstrahlröhre von Thomson.

• 

  Bei der Kathodenröhre wird von der Kathode rechts durch das Anlegen einer Spannung Elektronen abgegeben, die auf die Anode zufliegen, hier in Form eines Kreuzes.

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  Die Elektronen, die an der Anode vorbeifliegen erzeugen auf dem Leuchtschirm links das grüne Leuchten.

• 

  Thomson stellt fest, dass die Teilchen, die das Leuchten verursachen, sich von Magneten ablenken lassen.

Dies war die erste Entdeckung und der Nachweis eines Teilchens, das kleiner als die Atome war. Darauf basierend entwickelte Thomson das Thomsonsche Atommodell (auch „Rosinenkuchen-“ oder „Plumpudding-Modell“), wonach die sehr kleinen Elektronen Teile der Atome sind und im Inneren der Atome eingebettet seien, wie Rosinen in einem Kuchenteig.

XX

Das Bild soll darstellen, wie sich Thomson sein Rosinenkuchenmodell vorstellte. Bearbeite das Bildzuordnungsquiz und versuche die Begriffe richtig zuzuordnen um damit Thomsons Idee zu verstehen. Trage nach der Kontrolle die richtigen Beschriftungen auf das ausgeteilte Arbeitsblatt ein und klebe es dann ins Heft.

→ Zum Quiz

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Hast du verstanden, wie Thomson auf sein Atommodell kam? Und was es mit der Stromleitfähigkeit auf sich hat? Zur Kontrolle solltest du auf jeden Fall mal noch dieses Multiple-Choice-Quiz durchgehen.

→ Multiple-Choice-Quiz zum Rosinenkuchenmodell

Ernest Rutherford und das Streuexperiment =

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937 in Cambridge) war ein aus Neuseeland stammender Physiker, der zunächst als Assistent von Joseph J. Thomson in Cambridge arbeitete. Zunächst beschäftigte er sich mit der Verbesserung der Empfindlichkeit seines Detektors, mit dem er Radiowellen in einer Entfernung von etwa einer halben Meile nachweisen konnte. Thomson, der Rutherfords experimentelles Talent schnell erkannte, lud Rutherford 1896 ein, ihn bei seinen Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen zu unterstützen. Sie benutzten die wenige Monate zuvor entdeckten Röntgenstrahlen, um die Leitfähigkeit in den Gasen auszulösen.

1898 wurde Rutherford als Professor an die Universität in Montreal (Kanada) berufen, wo er bis 1907 arbeitete.

Bekannt und berühmt wurde er für das Streu-Experiment, mit der genauer in den Aufbau der Atome eindringen konnte, ohne wirklich hineinschauen zu können.

• Unterseite Simulation des Streuexperimentes

Übungen zum Kern-Hülle-Modell ==

• Build an atom / Baue ein Atom
• Isotopes and Atommassen/Isotope und Atommassen
• Reaktionsgleichungen ausgleichen ... mit Schinken und Käse
• Schmelz- und Siedetemperaturen bei Ionen und ungeladenen Teilchen

Wieso sind die Ionen für die Leitfähigkeit der Salzlösungen notwendig? ==

Das wir uns die Ionen angeschaut haben, hatte seinen Grund. Ursprünglich hatte wir uns mit der Leitfähigkeit der Salzlösung beschäftigt bzw. was Strom und Leitfähigkeit überhaupt ist.

Wenn wir nun die Stromleitfähigkeit mit Hilfe der Ionen erklären wollen, so müssen wir folgende Dinge betrachten und daraus eine schlüssige Kette von Begründungen zusammensetzen:

1. Beschreibung der Eigenschaft der Leitfähigkeit und der Hintergründe, die schon bekannt sind.
2. Wie verhalten sich Ionen aufgrund ihrer Ladung und wieso spielt das hier eine Rolle?
3. Wie kann man die Eigenschaft der Leitfähigkeit aufgrund der Ionen erklären?

Interessant sind die folgenden Animationen, die im Teilchenmodell zeigen, was passiert, wenn eine Salz-Lösung den Strom leitet:

• Stromleitung in Lösungen

Weitere Eigenschaften der Salze betrachten und erklären

Nachdem wir mit Hilfe der Ionen erklären konnten, warum Salzlösungen stromleitfähig sind, schauen wir uns noch einmal die restliche Eigenschaften an. Mit Hilfe des Buches und weiteren Medien, wie Simulationen, sollt ihr in euer Gruppe Gründe für die Eigenschaften von Salzen = Ionenverbindungen finden.

Salze sind meist wasserlöslich

Du sollst in deiner Gruppe die folgende typischen Eigenschaft von Salzen erklären können:

Die meisten Salze, also Verbindungen die aus Ionen bestehen, sind wasserlöslich

{{{2}}}

7.1

Wie schon beim Thema "Leitfähigkeit" musst du wieder das Vorwissen heraussuchen, um die Eigenschaften mit Hilfe der Anwesenheit der Ionen erklären zu können. Die Eigenschaften der Ionen haben wir schon bei der Leitfähigkeit ausführlich notiert. Sucht deshalb im Buch und in anderen Quellen nach den folgenden Informationen zur Wasserlöslichkeit und sammelt sie in eurer Gruppe.

• Wie sind die Teilchen eines Stoffes im festen Zustand angeordnet?
• Warum kann man den Stoff (das Salz) als Feststoff sehen, aber im gelösten Zustand nicht mehr?

Sorgt dafür, dass jedes Gruppenmitglied die Infos zu Hause hat!

7.2

Schaut euch die Simulation an, wo man die Löslichkeit von Kochsalz und Sucralose (wobei uns die Sucralose eigentlich nicht interessiert!) vergleichen kann. Nach dem Start hat man oben drei Reiter "Macro", "Micro" und "Water": Schaut euch vor allem "Micro" und "Water" an. Simulation starten

Beantwortet die folgenden Fragen zu "Micro" wenn ihr Wasser eingelassen, Salz hinzugeben und Wasser habt verdampfen lassen (evaporation!):

• Was ist mit den Ionen, wenn das Salz in eine größere Menge an Wasser gelöst wird?
• Was passiert mit den Ionen, wenn man Wasser verdampfen lässt und warum tun sie das?

Beantwortet dann die folgenden Fragen zu "Water":

• Wie kommt es, dass die Ionen nicht mehr zusammenhalten?

7.3

Den Vorgang des Lösens kann in einer anderen Simulation besser angeschaut werden, die ihr euch als Film anschauen könnt. Beantwortet dazu folgende Fragen:

• Die Kristalle mit den Ionen ist am Anfang quasi noch trocken. Die Teilchen sind aber in Bewegung. Warum halten die Teilchen hier zusammen?
• Wenn Wasser dazu gegeben wird "greift" das Wasser den Kristall an. Wie kommt es, dass das Wasser zwischen die Ionen kommt?
• Obwohl die Ionen sich immer noch anziehen, werden die ersten Ionen aus dem Kristall abgetrennt. Wie wird verhindert, dass die Ionen nicht mehr so richtig zusammenkommen?
• Was ist die Voraussetzung dafür, dass sich das Salzkristall vollständig auflösen kann, dass heißt dass keine zwei Ionen mehr direkt nebeneinander liegen.

7.4

Eine weitere Simulation zeigt das Auflösen des Salzes animiert aber nicht als chaotische Simulation. Überprüft die bisherigen Beobachtungen bei dieser Simulation noch einmal.

7.5

Eine andere Simulation vergleicht Kochsalz mit schlecht löslichen Salzen. Startet sie hier. Betrachtet nur die Reiter "Table Salt" (= Tafel-Salz = Kochsalz) und "Slightly Soluble Salts" (= schlecht löslich Salze) und beantwortet dann die Fragen:

• Was passiert, wenn man vom dem Kochsalz sehr viel ins Wasser gibt?
• Was könnte der Unterschied zwischen Kochsalz und einem schlecht löslichen Salz sein?

7.6

Bereitet nun vor, wie ihr euren Mitschülern erklären wollt, wie sich Salze in Wasser auflösen. Überlegt dazu:

• Welche wichtigen Informationen sollen die Mitschüler als Begründung für die Frage ins Heft notieren. Dazu gehören auch eure eigenen Bilder/Skizzen die dann abgezeichnet werden müssen, um dies zu verdeutlichen. Bereitet das auf einem weißen Blatt Papier vor und verwendet nicht zu dünne Stifte!
• Überlegt welche der Simulationen ihr verwenden wollt und welche Aktionen gezeigt werden sollen, um diese Informationen verdeutlichen zu können.

Salze haben meist hohe Schmelz- und Siedetemperaturen =

Du sollst in deiner Gruppe die folgende typischen Eigenschaft von Salzen erklären können:

Die meisten Salze haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, d.h. man muss sie stark erhitzen, bis die schmelzen. Dabei wird das Salz aber nicht zerstört (wie beim Zucker).

{{{2}}}

8.1

Wie schon beim Thema "Leitfähigkeit" müsst ihr wieder das Vorwissen heraussuchen, um die Eigenschaften mit Hilfe der Anwesenheit der Ionen erklären zu können. Die Eigenschaften der Ionen haben wir schon bei der Leitfähigkeit ausführlich notiert. Sucht deshalb im Buch und in anderen Quellen nach den folgenden Informationen zu Schmelz- und Siedetemperaturen heraus und sammelt sie in eurer Gruppe.

• Wie ist die Anordnung der kleinsten Teilchen (in diesem Fall der Ionen) im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand?
• Wie unterscheiden sich allgemein die Teilchen von Stoffen mit hohen oder niedrigen Siedetemperaturen?

Sorgt dafür, dass jedes Gruppenmitglied die Infos zu Hause hat!

8.2

Informiert euch über die Schmelz- und Siedetemperaturen der folgenden Stoffe:

• Natriumchlorid, Calciumsulfat(Gips), Wasser, Pyrit, Methan, Ethanol (der Trinkalkohol), Calcit

Sortiert die Stoffe aufgrund der Siedetemperaturen in zwei Gruppen und begründet diese Einteilung.

8.3

Schaut euch diese Simulation hier an, startet sie mit dem Knopf ▶ unten in der Mitte, erhöht zunächst nur die Temperatur und beobachtet was passiert. Setzt die Simulation zurück mit ◀ und ändert die anderen Einstellungen. Ihr könnt die Anziehung der Teilchen ändern (attraction = Anziehung) oder den Teilchen Ladungen (Häkchen bei "charge" machen) geben, so dass sie Ionen sind. Beantwortet dann die folgenden Fragen:

• Was passiert mit den Teilchen allgemein, wenn ein Stoff erhitzt wird?
• Warum werden Stoffe, die keine geladenen Teilchen enthalten, schneller flüssig?
• Was hält stärker zusammen? Einfache Teilchen die sich anziehen oder Ionen? Vermutet warum das so ist!

8.4

In dieser Simulation können ungeladene Teilchen und Ionen direkt miteinander verglichen werden. Ihr könnt die Temperatur ändern, indem ihr die Knöpfe "heat" und "cool" drückt.

• Was ist der Unterschied zwischen den beiden Arten von Teilchen, wenn sie erhitzt werden?
• Was könnten die gestrichelten Linien andeuten?

8.5

Bereitet nun vor, wie ihr euren Mitschülern erklären wollt, das Salze hohe Schmelz- und Siedetemperaturen haben. Überlegt dazu:

• Welche wichtigen Informationen sollen die Mitschüler als Begründung für die Frage ins Heft notieren. Dazu gehören auch eure eigenen Bilder/Skizzen die dann abgezeichnet werden müssen, um dies zu verdeutlichen. Bereitet das auf einem weißen Blatt Papier vor und verwendet nicht zu dünne Stifte!
• Überlegt welche der Simulationen ihr verwenden wollt und welche Aktionen gezeigt werden sollen, um diese Informationen verdeutlichen zu können.

Salze haben meist gerade Kanten und glatte Flächen

Du sollst in deiner Gruppe die folgende typischen Eigenschaft von Salzen erklären können:

Salze bilden Kristalle mit glatten Flächen und geraden Kanten. Die Form ist typisch für eine Verbindung und kann deshalb auch für deren Identifikation verwende werden.

{{{2}}}

9.1

Wie schon beim Thema "Leitfähigkeit" musst du wieder das Vorwissen heraussuchen, um die Eigenschaften mit Hilfe der Anwesenheit der Ionen erklären zu können. Die Eigenschaften der Ionen haben wir schon bei der Leitfähigkeit ausführlich notiert. Suche deshalb im Buch und in anderen Quellen nach den folgenden Informationen zum Teilchenmodell heraus und sammele sie in deiner Gruppe.

• Wie ist die Anordnung der kleinsten Teilchen (in diesem Fall der Ionen) im festen Zustand?

Sorgt dafür, dass jedes Gruppenmitglied die Infos zu Hause hat!

9.2

Sucht im Internet und zum Beispiel auch auf der Seite Wikimedia-Commons nach verschiedenen Kristallformen (Stichwort: "crystal"). Die Kategorien "Kristalle" und "Mineralien" zeigen noch mehr Bilder. Ihr könnt natürlich auch auf Wikipedia schauen.

Sucht euch möglichst verschiedene Formen an Kristallen aus und sammelt die Bilder in einem Textdokument (Bilder nicht zu groß, damit mehrere Bilder auf eine Seite passen). Speichert das fertige Dokument auf dem Verzeichnis i: und gebt mir Bescheid, damit ich es sichern kann.

9.3

Schaut euch die Simulation hier an, schaltet die Ladung = charge an (so das man Ionen hat) und stellt die Temperatur ganz hoch. Startet die Simulation, beobachtet erst, was passiert und senkt dann die Temperatur nach und nach. Macht das gleiche bei ungeladenen Teilchen, indem ihr das Häkchen bei "charge" entfernt".

Beantwortet dann die folgenden Fragen:

• Warum gehen die Ionen relativ schnell zusammen, im Vergleich zu den ungeladenen Teilchen?
• Bei den ungeladenen Teilchen sind diese eigentlich näher zusammen (auf Lücke). Warum ist die Anordnung bei den Ionen nicht genauso?
• Warum bilden sich die Kristalle erst bei niedrigeren Temperaturen?
• Wieso haben wir glatte Kanten bzw. warum sind glatte Kanten (eher) möglich? Im Gegensatz zu den ungeladenen Teilchen.

9.4

Überlegt euch mit Hilfe des Buches oder einer anderen Informationsquelle, warum Kochsalz Kristalle bilden kann, bei denen es quadratische/rechteckige Flächen gibt, die senkrechte aufeinander stehen. Zeichnet dazu ein Kochsalz-Kristall auf Teilchenebene mit den Ionen als Kugeln mit + oder - innen drin (die Größe sollte sich leicht unterscheiden und verwendet auch verschiedene Farben).

9.5

Lassen sich mit dem Modell aus 9.4 auch glatte, schräge Flächen (also mit 45° Winkel) bei Kochsalzkristallen erklären?

9.6

Bereitet nun vor, wie ihr euren Mitschülern erklären wollt, wie sich Salze Kristalle bilden. Überlegt dazu:

• Welche wichtigen Informationen sollen die Mitschüler als Begründung für die Frage ins Heft notieren. Dazu gehören auch eure eigenen Bilder/Skizzen die dann abgezeichnet werden müssen, um dies zu verdeutlichen. Bereitet das auf einem weißen Blatt Papier vor und verwendet nicht zu dünne Stifte!
• Überlegt welche der Simulationen ihr verwenden wollt und welche Aktionen gezeigt werden sollen, um diese Informationen verdeutlichen zu können.

Salzkristalle sind zwar hart aber meist spröde und zerbrechlich

Du sollst in deiner Gruppe die folgende typischen Eigenschaft von Salzen erklären können:

Die meisten Salze bilden feste Kristalle, aber wenn man sie mit dem Hammer bearbeitet zerspringen sie recht leicht in kleinere Kristalle der gleichen Form. Kristalle sind spröde.

{{{2}}}

10.1

Wie schon beim Thema "Leitfähigkeit" müsst ihrwieder das Vorwissen heraussuchen, um die Eigenschaften mit Hilfe der Anwesenheit der Ionen erklären zu können. Die Eigenschaften der Ionen haben wir schon bei der Leitfähigkeit ausführlich notiert. Sucht deshalb im Buch und in anderen Quellen nach den folgenden Informationen zum Teilchenmodell heraus und sammele sie in deiner Gruppe.

• Wie ist die Anordnung der kleinsten Teilchen (in diesem Fall der Ionen) im festen Zustand?

Sorgt dafür, dass jedes Gruppenmitglied die Infos zu Hause hat!

10.2

Ordnet die folgenden Bilder, so dass sie nacheinander beschreiben, was passiert, wenn man mit einem Hammer auf ein Kristall haut. Beschreibt zu jedem Bild was jeweils passiert und begründet wenn möglich was da passiert. Ziel ist es natürlich zu erklären, warum das Kristall recht leicht zerbricht.

10.3

Die zwei folgenden Bilder zeigen die Teilchen von anderen Stoffen. Sie sind ungeladen, also keine Ionen. Erkläre daran ...

• warum manche Stoffe ohne Ionen nicht so leicht verformbar sind.
• warum der Stoff beim Hauen mit dem Hammer nicht so schnell zerfällt.

        Wählt dazu jeweils das passende Bild aus und begründet das mit ähnlichen Bilderfolgen wie bei der Aufgabe 10.2

10.4

Bereitet nun vor, wie ihr euren Mitschülern erklären wollt, wie sich Salze sprüde sind. Überlegt dazu:

• Welche wichtigen Informationen sollen die Mitschüler als Begründung für die Frage ins Heft notieren? Dazu gehören auch eure eigenen Bilder/Skizzen die dann abgezeichnet werden müssen, um dies zu verdeutlichen. Bereitet das auf einem weißen Blatt Papier vor und verwendet nicht zu dünne Stifte!
• Eure Mitschüler bekommen die drei Bilder mit dem Hammer und den Ionen ausgedruckt. Bereitet eine kurze Beschreibung dazu vor.