Mit 3D-Interaktion
Atombindungen
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Zur Bedienung
Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. „Hauptmenü“ führt zurück zum Haupt-menü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner „material“. Die Datei „Inhaltsverzeichnis“ öffnet die Startseite.
Bezug zu Lehrplänen und BildungsstandardsDie Schülerinnen und Schüler• wissen,dassesverschiedeneModel-
lezurDarstellungvonAtomenundAtombindungen gibt;
• verstehen,dassStoffeausAtomen,Molekülen und Ionen aufgebaut sind;
• lernen,wiesichAtomezuMolekülenverbinden;
• kennendieValenzbindungstheorieder Atombindung;
• lernenkennen,wieeinfacheMole-küle räumlich gebaut sind;
• wissenumdenAufbauvonAtomen;• lernendieMolekülorbitaltheorieken-
nen;• könnennachvollziehen,dasssich
Atome, Moleküle und Ionen unter-schiedlichverhalten;
• verstehen,dassjedeModelldarstel-lung spezifische Vor- und Nachteile hat;
• könnenzuordnen,wievieleValenz-elektronen die einzelnen Atome ha-ben;
• unterscheidenzwischenValenzelek-tronen und Nicht-Valenzelektronen;
• differenzierenAtome,MoleküleundIonenvoneinander.
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Zum Inhalt
Atombau und Atombindungen (Film 30 min)Unsere Welt mit all ihren Gegenständen und Lebewesen besteht aus Atomen. Nach einem kurzen geschichtlichen Ab-riss zur Entwicklung der Atommodelle zeigen Animationen, wie genau diese kleinen Teilchen aufgebaut sind. Ausge-hendvomBohrschenSchalenmodellwirdderAufbaueinesAtomsauspositivgeladenen Protonen, Neutronen und negativgeladenenElektronengezeigtund die Einteilung der Elemente in
Perioden und Hauptgruppen anhand ihrer Valenzelektronen erklärt. Da die meistenAtomenurunvollständigbe-setzte Außenschalen besitzen, gehen sie Verbindungen mit anderen Atomen ein. Dies geschieht beispielsweise über kovalenteBindungen,beidenensichdieAtome eines Moleküls Elektronenpaare teilen.DieUnschärferelationvonHeisenberg löste in den 1920er Jahren das Bohrsche Atommodell ab. Das neue Orbitalmodell besagt, dass man nur den Ort oder die Geschwindigkeit eines Elek-trons bestimmen kann. Daraus ergeben sich unterschiedlich geformte Orbitale,
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in denen sich ein einzelnes Elektron mit einer hohen Wahrscheinlichkeit aufhält. Form, Größe und Benennung der Orbitale sowie die Reihenfolge der Besetzung mit Elektronen werden im Anschluss erklärt.
Menü „Atombau und Atom-bindungen“ (Filmsequenzen)Frühe Atommodelle (Filmsequenz 8:10 min) Bereitsvorüber2400Jahrenvermutetendie Griechen Demokrit und Leukipp, dass Materie aus kleinsten unteilbaren Teil-chenaufgebautist,undsprachenvonAtomen. Die Filmsequenz beschreibt die geschichtliche Entwicklung der Atom-modellevonDemokritundLeukippüberDalton bis hin zu Rutherford und Bohr.
Auch auf die Informationen, die aus dem Periodensystem herausgelesen werden können, wird eingegangen.
Ein Atom kommt selten allein … (Filmsequenz 3:30 min)Unsere Umwelt besteht nicht nur aus einzelnen Atomen, sondern aus zusam-menhängender Materie. Doch wie genau verbinden sichAtomemiteinander? DieFilmsequenzzeigtamBeispielvonWasserstoff die Entstehung einer Atom-bindung und erklärt die Oktettregel. Teilchen, in denen Atome durch Elektro-nenpaarbindungenmiteinander ver-knüpft sind, nennt man Moleküle. Neben der Einführung der Edelgaskonfiguration und dem Molekülbegriff wird auch ge-nauer auf die Edelgase eingegangen.
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Der räumliche Bau einfacher Moleküle (Filmsequenz 7:20 min)Die Atome der ersten bis siebten Haupt-gruppe streben stets danach, ihre äu-ßerste Elektronenschale mit acht Elek-tronen zu füllen und den Oktettzustand zu erlangen. Das erreichen sie durch Verbindungen mit anderen Atomen. Als Beispiele werden die Verbindungen Me-than, Ammoniak und Wasser behandelt. Lange Zeit wurden die Moleküle planar dargestellt. In Wirklichkeit bilden sie aber räumliche Gebilde. In anschauli-chen Animationen werden das Methan-, das Ammoniak- und das Wassermolekül als räumliche Strukturen dargestellt und miteinanderverglichen.
OrbitalmodellundkovalenteBindung(Filmsequenz 2:40 min)In den 1920er Jahren wurde das Bohr-scheAtommodellvonderHeisenberg-schen Unschärferelation abgelöst. Sie besagt,dassmanvoneinemElektronnur den Ort oder die Geschwindigkeit bestimmen kann, aber niemals beides zusammen. Den Aufenthaltsraum des Elektrons im Wasserstoffatom kann man sichalskugelförmigeWolkevorstellen.DieseAufenthaltsräumevonElektronenwerden als Orbitale bezeichnet. Mit dem Orbitalmodell lässt sich auch erklären,
wie das Wasserstoffatom Bindungen zu anderen Atomen ausbilden kann.
Die Form der Orbitale (Filmsequenz 3:20 min)Orbitale unterscheiden sich in ihrer Form und Größe. Diese Unterschiede werden durch die Quantenzahlen ausgedrückt. Die Filmsequenz erklärt anschaulich und verständlich,wiesichdieQuantenzahlenherleiten lassen und zeigt die Besetzung der Orbitale bis zu den drei 2p-Orbitalen.
KovalenteundkoordinativeBindungen(Filmsequenz 4:30 min)Wenn sich zwei Atome einander annä-hern und sich ihre Orbitale hinreichend überlappen,kanneszueinerkovalentenBindung zwischen ihnen kommen. Dabei gibt es starke und schwache Bindungen. Die Überlappungsbindungen zweier px- und pz-Orbitale ergeben im Sauerstoff-molekül die Doppelbindung. Die Filmse-quenz erklärt neben den theoretischen GrundlagenvonkovalentenBindungenin Experimenten, wie es zur Ausbildung vonkoordinativenBindungenkommt.
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Menü „Ein Blick auf die Atome“ (Grafiken)Atombau (Grafik) Dargestellt wird der Aufbau des Wasser-stoffatoms und des Heliumatoms. Anhand derGrafikkannderAufbauvonAtomenbesprochen und Protonen, Neutronen und Elektronen zugeordnet werden.
Atombindung (2 Grafiken) Die Grafiken zeigen anhand zweier Was-serstoffatome, wie eine Atombindung zustande kommt.
Räumlicher Bau des Methanmoleküls (2 Grafiken) Die Grafiken stellen das Methanmolekül als räumliches Gebilde dar. Es hat die Form eines Tetraeders, in dem die Was-serstoffatome die Ecken des Tetraeders ausfüllen. Vergleichend dazu können die räumlichen Strukturen des Wassermole-küls und Ammoniakmoleküls gezeigt werden.
Besetzung der Atomorbitale (Grafik) Die Grafik zeigt das Energieschema der einzelnen Atomorbitale, wobei die Energie achse nicht linear, sondern nur ordinalzuverstehenist.FürjedesEner-gieniveaugibtesaufgrundderMagnet-quantenzahl und der Spinquantenzahl eine unterschiedliche Zahl an Beset-zungsmöglichkeiten mit Elektronen (symbolisiert durch die kleinen Pfeile in den Kästchen).
Orbitale (4 Grafiken) Vier Grafiken stellen die räumliche Struk-tur der Orbitale dar: s-Orbital, 2s-Orbital, p-Orbitale und die Ausbildung eines Molekülorbitals werden gezeigt.
Doppelbindung (Grafik) DieGrafikzeigtamBeispielvonSauer-stoff, dass die Überlappungsbindungen zweier px- und pz-Orbitale im Sauer-stoffmolekül die Doppelbindung ermög-lichen.
Elektronenanregung (Film 5 min)Im Jahr 1885 untersuchte Johann Jakob BalmerdasVerhaltenvonangeregtemWasserstoff. Er stellte fest, dass sich Wasserstoffmoleküle durch Zugabe elektrischer Energie spalten lassen und leuchten. Das Licht der energetisch
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angeregten Wasserstoffatome zerlegte BalmermiteinemPrismaindieverschie-denen Wellenlängen, die sogenannten Spektrallinien. Der Film beschreibt den Versuch und die Herleitung der Balmer-Serie sowie den zugrunde liegenden Mechanismus, der Anfang des 20. Jahr-hundertsvonNielsBohrerkanntwurde.Das Phänomen lässt sich auch bei an-deren Atomen beobachten. In einem Experiment wird gezeigt, dass sich bei Natrium, Lithium und Barium die Flam-me färbt. So lässt sich das Vorhanden-sein dieser Alkalimetalle nachweisen.
Erzeugung des Wasserstoff-spektrums (2 Grafiken)Die Grafiken zeigen zum einen den Ver-such zur Entstehung der Spektrallinien sowie die Grundlagen der Balmer-Serie. Mithilfe des Bohrschen Atommodells ergibt sich die Frequenz einer elektro-magnetischenWelle,dievoneinemWas-serstoffatom absorbiert bzw. emittiert wird, wenn es zwischen zwei Zuständen nundmwechselt.Jenachdem,vonwel-chemEnergieniveaunmanausgeht,unterscheidetmanzwischenverschie-denen Wasserstoffserien. Bei der Balmer-Seriegehtmanvonn=2aus.Sieistdieeinzige Serie, die größtenteils im sicht-baren Bereich zu beobachten ist.
InteraktionenErforsche das Orbitalmodell (3D-Interaktion)Die 3D-Interaktion ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern, Orbitalmo-delle selbstständig zu erkunden. Dabei können Atommodelle und Eigenschaften vonElementenangesehenoderAtom-modelle selbst zugeordnet werden. In zwei Aufgaben wird das Wissen zu den Orbitaleneingeübtundvertieft.EineAnimationzeigtdieVerschmelzungvonOrbitalen.
Periodensystem der ElementeDie Schülerinnen und Schüler können mitdieseminteraktivenPeriodensystemdie einzelnen Elemente und deren Eigen-schaften erforschen und miteinander vergleichen.
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Didaktische Hinweise
Die Produktion bringt den Schülerinnen und Schülern das grundlegende Fach-wissenzumAufbauvonAtomenundderen Verbindung zu Molekülen näher. Dazu werden im Film „Atombau und Atombindungen“ zunächst die Atom-modelle vonDalton,RutherfordundBohr erläutert. Anschließend werden der AufbauvonAtomkernundAtomhüllesowie die Anordnung der Elektronen um den Atomkern thematisiert. Die weiteren Abschnitte behandeln die Valenzbin-dungstheorie der Atombindung und den räumlichen Bau einfacher Moleküle. Des Weiteren werden das Orbitalmodell und diekovalenteBindungsowiedieFormderOrbitaleeingeführt,bevorabschlie-ßend noch auf Bindungen zwischen lee-ren und doppelt besetzten Orbitalen eingegangen wird. Neben dem Haupt-film steht im Rahmen der Produktion außerdem ein Kurzfilm zur Elektronen-anregung bereit.Die Einsatzmöglichkeiten der Filme sind flexibel. Zum einen kann der Hauptfilm sowohl als Einstieg in die Thematik, zum anderen auch als stückweise Begleitung zu den einzelnen Teilen einer entspre-chenden Unterrichtseinheit dienen. Auch die Verwendung als Abschluss und
grundlegende Zusammenfassung der Behandlung des Themas im Unterricht istvorstellbar.
Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Schwerpunkte eingesetzt werden:• AtomeundAtombindungen• AtommodellevonDalton,Rutherford
und Bohr• ValenzbindungstheoriederAtom
bindung• Elektronenpaarbindung• Molekülorbitaltheorie• Orbitalmodelle(sOrbitale,pOrbitale)• Oktettregel,Energieniveaus
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Arbeitsmaterial
Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM-Teil ein umfangreiches Angebot an er-gänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDF- alsauchalsWordDateienvor:
• DiePDF-Dateien können am Com-puter direkt ausgefüllt oder ausge-druckt werden.
• DieWord-Dateien können bearbeitet undsoindividuellandieUnterrichts-situation angepasst werden.
Ordner Materialien
Didaktische Hinweise Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien
Arbeitsblätter(mit Lösungen)
1) Aufbau der Atome2) Atome, Ionen und Moleküle3) Valenzelektronen4) Orbitaltheorie5) Chemische Bindung6) Bindungstypen
Interaktionen • 3DInteraktion:ErforschedasOrbitalmodell• PeriodensystemderElemente
Bilder / Grafiken • PeriodensystemderElemente• Atombau(mit/ohneBeschriftung)• Atombindung(2Grafiken)• RäumlicherBaudesMethanmoleküls(2Grafiken)• BesetzungderAtomorbitale(mit/ohneInfotext)• Orbitale(4Grafiken;mit/ohneBeschriftung)• Doppelbindung(mit/ohneBeschriftung)• ErzeugungdesWasserstoffspektrums(2Grafiken)
Filmtexte Filmtexte als PDF-Dokument
Programmstruktur Übersicht über den Aufbau der DVD
Weitere Medien Informationen zu ergänzenden FWU-Medien
Produktionsangaben Produktionsangaben zur DVD und zum Film
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46 11143 Atombindungen
Atombindungen
Programmstruktur
Untermenüs Hauptmenü
Atombindungen
Atombau und Atombindungen Film 30 min
Atombau und Atombindungen Sequenzen
Ein Blick auf die Atome Grafiken
Elektronenanregung Film 5 min
Erzeugung des Wasserstoffspektrums 2 Grafiken
Arbeitsmaterial
Atombau und Atombindungen
Frühe Atommodelle 8:10 min
Ein Atom kommt selten allein … 3:30 min
Der räumliche Bau einfacher Moleküle 7:20 min
Orbitalmodell und kovalente Bindung 2:40 min
Die Form der Orbitale 3:20 min
Kovalente und koordinative Bindungen 4:30 min
Arbeitsmaterial
Didaktische Hinweise
6 Arbeitsblätter
14 Grafiken
2 Interaktionen (davon eine 3D-Interaktion)
2 Texte
Programmstruktur
Weitere Medien
Produktionsangaben
Produktionsangaben
Ein Blick auf die Atome
Atombau Grafik
Atombindung 2 Grafiken
Räumlicher Bau des Methanmoleküls 2 Grafiken
Besetzung der Atomorbitale Grafik
s-Orbital Grafik
Molekülorbital Grafik
2s-Orbital Grafik
p-Orbitale Grafik
Doppelbindung Grafik
Programmstruktur
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Produktionsangaben Atombindungen (DVD)
ProduktionFWU Institut für Film und Bild, 2015
DVD-KonzeptChristina LehniDr. Maike Schuchmann
DVD-Authoring und DesignTV Werk GmbHim Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015
GrafikenHeike Gewehr, e-synergyFWU Institut für Film und Bild
BildnachweisCoverbild:©molekuul.be–Fotolia.com
3D-Interaktion3d-bewegungswerkstatt, Gilching
Interaktion PSEChristina Kokkalis
ArbeitsmaterialDr. Nina Harsch
BegleitheftChristina Lehni
Pädagogische Referenten im FWUDaniel SchaubDr.CorvinEidens
Produktionsangaben zu den Filmen„Atombau und Atombindungen“„Elektronenanregung“
ProduktionStefan Weichelt
im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015
BuchKatjaWeirauch,Dr.NinaHarsch, Daniel Schaub, Stefan Weichelt
KameraFabian WeicheltStefan Weichelt
AnimationenStefan Weichelt
SchnittStefan Weichelt
FachberatungDr. Nina Harsch
SprecherAndreas Karg
3D Molekül ObjekteBALLView:anobjectorientedmolecularvisua-lization and modeling framework, Moll A, Hildebrandt A, Lenhof HP, Kohlbacher O., J Comput Aided Mol Des. 2005 Nov;19(11):791800.
Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung besonders beiHaldor NeumannLise-Meitner-Gymnasium
RedaktionDaniel SchaubChristina Lehni
Nur Bildstellen/Medienzentren:öV zulässig
©2015 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail [email protected] [email protected] Internet www.fwu.de
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46 11143Atombindungen„Dassicherkenne,wasdieWeltimInnerstenzusammenhält“–woranGoethesDoktorFaustalsWissenschaftlernochverzweifelteundAntworteninderZaubereiundReligionsuchte,erläutertdieseProduktionaufanschaulicheWeise.Siezeigt,welcheArtenvonAtombindungen es gibt und behandelt den räumlichen Bau einfacher Moleküle. DesWeiterenwerdendasOrbitalmodellunddiekovalenteBindungsowiedieFormderOrbitale eingeführt. Das alles konnte nicht einmal Mephistopheles liefern. Neben zwei Filmen und Filmsequenzen stehen Arbeitsblätter, Grafiken, Interaktionen und weitere Unterrichtsmaterialien zur Verfügung.
FWU Institut für Film und Bild
in Wissenschaft und Unterricht
gemeinnützige GmbH
Geiselgasteig
Bavariafilmplatz3
82031 Grünwald
Telefon +49 (0)89-6497-1
Telefax +49 (0)89-6497-240
www.fwu.de
www.fwu-shop.deBestell-Hotline: +49 (0)[email protected]
Lehrprogrammgemäß
§ 14 JuSchG
Erscheinungsjahr: 2015Laufzeit: 35 minFilme: 2Filmsequenzen: 6Grafiken: 13Sprache: Deutsch
DVD-ROM-Teil: UnterrichtsmaterialienInteraktionen: 2(davoneine3DInteraktion)Arbeitsblätter: 6 (mit Lösungen) Adressaten: Allgemeinbildende Schule
(Klasse 10-12)
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GEMAFREI
Schlagwörter: Alkalimetalle; Ammoniak; Atom; Atombau; Atombindung; Atomhülle; Atomkern; Atommodell; Balmer, Johann Jakob; Bindung; Bohr, Niels; Dalton, John; Doppelbindung; Edelgase; Elektron; Elektronenbahn; Element (chemisches);Energieniveau;HeisenbergscheUnschärferelation;Helium;Ion; Methan; Moleküle; Neutron; Orbital; Orbitalmodell; Orbitaltheorie; Periodensystem; Proton; Quantentheorie; Rutherford, Ernest; Spektrallinie; Verbindung; Wasser; Wasserstoff
Systematik: Chemie Physikalische Chemie Atombau, Periodensystem;
Bindung, Struktur, Eigenschaften Anorganische Chemie Elemente; VerbindungenPhysik Atomphysik Atombau, Spektren