Ein Elementepuzzle - In welche Lücke gehört Calcium? (WORD)

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In welche Lücke gehört Calcium? – Ein Elementepuzzle

Melanie Weber, Stommeln

Niveau: Sek. I

Dauer: 7–8 Unterrichtsstunden

Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler¹ können …

– charakteristische Eigenschaften den Elementfamilien zuordnen

– besondere Eigenschaften von Elementen der 1., 2., 7. und 8. Hauptgruppe mit ihrer Stellung im Periodensystem erklären

– eine Versuchsreihe zur Klassiizierung der Hauptgruppen planen und durchfüh- ren

– Calcium in die Hauptgruppe der Erdalkalimetalle fachlich begründet einordnen Der Beitrag enthält Materialien für:

ü Offene Unterrichtsformen (Placemat) ü Schülerversuche

ü Schülerarbeitsblätter ü Differenzierungsmöglichkeiten

Hintergrundinformationen

Mendelejew und Meyer ordneten, unabhängig voneinander, die im Jahre 1869 bekannten Elemente nach steigenden Atommassen und ähnlichen Eigenschaften.

Sie gelangten so zu einer Karte, die dem heute gültigen Periodensystem der Ele- mente (PSE) ähnelt. Mendelejew entdeckte Lücken im PSE und konnte anhand der Sortierung Vorhersagen zu den Eigenschaften der unbekannten Elemente machen.

Die Vorhersagen konnten durch die später gefundenen Elemente bestätigt und somit die Lücken des PSE geschlossen werden.

Das in diesem Beitrag von den Schülern in die richtige Hauptgruppe einzuordnende Element Calcium ist im elementaren Zustand metallisch glänzend und fest. Es ist in der 2. Hauptgruppe und 4. Periode mit der Ordnungszahl 20 einzuordnen und hat eine relative Atommasse von 40 u. Die Atommasse nimmt im PSE von links nach rechts und von oben nach unten zu. Die Edelgase, die der 8. Hauptgruppe zuzuordnen sind, sind bei Raumtemperatur gasförmig. Daher ist die Zuordnung von Calcium in diese Hauptgruppe durch den bei Raumtemperatur offensichtlich festen Aggregat- zustand sofort auszuschließen. Die Halogenide, Ionen der 7. Hauptgruppe, Gruppe der Halogene, lassen sich mit Silbernitrat-Lösung nachweisen. Eine weiße bis gelbe Trübung der Lösung stellt einen positiven Nachweis auf Halogenide dar. Diese Trü- bung wird bei gelöstem Calcium ausbleiben, womit die Gruppe der Halogene ausge- schlossen werden kann. Für die Alkali- und Erdalkalimetalle können viele Eigenschaf- ten, wie Aussehen, Härte, Leitfähigkeit, Reaktivität mit Luft und die Flammenfärbung untersucht werden, dennoch bringen sie keinen Mehrwert für die Unterscheidung zwischen beiden Gruppen. Allein die Reaktivität mit Wasser kann für die Schüler als eindeutiges Unterscheidungskriterium genutzt werden. Während die Alkalimetalle äußerst heftig mit Wasser reagieren, zeigen sich die Erdalkalimetalle harmlos in dieser Reaktion. Aufgrund der bekannten Edukte und einer Knallgasprobe können die Schüler als entweichendes Gas Wasserstoff identiizieren. Außerdem werden sie eine zunehmend weiße Trübung der Lösung beobachten. Mit Phenolphthalein- Lösung kann die Bildung einer alkalischen Calciumhydroxid-Lösung nachgewiesen werden.

1 Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Schülerinnen sind genauso gemeint.

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Hinweise zur Didaktik und Methodik

Dem Aufbau und der Ordnung des Periodensystems der Elemente wird im Kern- lehrplan ein komplettes Inhaltsfeld gewidmet. Das zeigt die hohe Bedeutung für den Chemieunterricht in der Sekundarstufe I. Für Schüler sind die theoretischen Grundlagen des PSE eine besondere Herausforderung, stellen aber gleichzeitig eine wichtige Grundlage für das Verständnis der Chemie dar. Mit dieser Unterrichtsreihe kann das Periodensystem motivierend und problemorientiert erarbeitet werden. Die Unterrichtsreihe ist eingebettet in den Kontext Böden und Gesteine, Vielfalt und Ordnung. Ziel des Beitrags ist es den Schülern den historischen Entwicklungspro- zess des PSE näherzubringen, sodass sie selbst Vorhersagen zur Atommasse und den Eigenschaften des unbekannten Elements, wie es schon Mendelejew vormachte, treffen können. Sie puzzeln mit dem Wissen über die Eigenschaften der kennenge- lernten Elemente und der Atommasse selbstständig ihr PSE.

Bevor Sie den Beitrag im Unterricht einbringen, sollten Sie die Untersuchung von Mineralwässern im Schülerexperiment durchgeführt haben. Achten Sie darauf, dass das Periodensystem zu Beginn der Reihe im Fachraum abgehängt ist. Die erste Stunde beginnt mit Demonstrationsexperimenten der Elemente Lithium, Natrium und Kalium. Caesium und weitere Elemente lernen sie aufgrund ihrer Gefährlich- keit in Filmausschnitten (Beryllium, Strontium und Barium) kennen. Mit Magnesium können sie selbstständig experimentieren (z. B. der Schülerversuch: Reaktion von Magnesium mit Wasser). Die Flammenfärbung kann an dieser Stelle als charakteristische Eigenschaft der Alkali- und Erdalkalimetalle eingeführt werden. Ihre Erkennt- nisse notieren die Schüler in dem Steckbrief (M 1), der einen Überblick über die Elemente der 1. und 2. Hauptgruppe gibt. Wahlweise kann das Wortgeländer (M 8) auf die Rückseite des Steckbriefes kopiert oder separat am Pult ausgelegt werden.

Die Schüler können sich anhand der Ergebnisse eine Ordnung der Elemente der 1. und 2. Hauptgruppe überlegen. Dieses Wissen ist Voraussetzung für die Erar- beitung der Lücken im Periodensystem. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die einzelnen Steckbriefe auszuschneiden und in spielerischer Weise mit einem Quartett bestimmte Merkmale zu erarbeiten.

In der dritten und vierten Stunde lernen die Schüler die Halogene und Edelgase mithilfe eines Filmausschnitts kennen. Alternativ können hier Referate präsentiert werden. Außerdem sollten Sie ihren Schülern zu diesem Zeitpunkt am Beispiel der Edelgase die Atommasse erläutern. Diese brauchen Sie für das Elementepuzzle.

Die Schüler haben bis zu diesem Zeitpunkt die Elemente der 1., 2., 7. und 8. Haupt- gruppe mit ihren speziischen Eigenschaften und die Atommasse kennengelernt.

Sie erhalten die Puzzlevorlage (M 2) und den ersten Teil der Puzzleteile (M 3) (Ele- mente der 1., 2., 7. und 8. Hauptgruppe ohne die Elemente Rubidium, Calcium, Fluor und Radon) verbunden mit dem Arbeitsauftrag die Elemente den entsprechenden Hauptgruppen zuzuordnen und die richtigen Lücken frei zu lassen. Auf der Puzzle- vorlage ist als einziges Element Wasserstoff eingetragen. Den Schülern sollte das Element Wasserstoff an diesem Punkt bereits bekannt sein. Die Eigenschaften von Wasserstoff passen auch nicht zu den Eigenschaften der anderen Elemente der 1.

Hauptgruppe. Auf diese Besonderheit kann aber auch zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen werden.

Aufgrund der Radioaktivität und der damit verbundenen geringen Bedeutung für den Chemieunterricht können die Elemente der 7. Periode ggf. zusammen mit dem dritten Teil (M 3) herausgegeben werden.

In der fünften und sechsten Stunde wird den Schülern stumm das Chemikalien- behältnis mit dem Etikett Calcium gezeigt. Da vier Elemente, jeweils eins in jeder Hauptgruppe, fehlen (Rubidium, Calcium, Fluor und Radon), ergibt sich nach diesem stummen Impuls die problemorientierte Frage, die die Schüler automatisch formu- lieren: In welche Lücke gehört Calcium? Dieser Einstieg kann mit der zusätzlichen Präsentation (M 2Z auf der CD) visualisiert werden.

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Die Schüler, die in 4er- oder 5er-Gruppen zusammen arbeiten, erhalten die Place- mats (M 4 oder M 5). Die Schüler erarbeiten mit der Placemat zuerst die Eigen- schaften, die die Hauptgruppen auszeichnen, und leiten daraus die notwendigen Experimente ab. Die Placemat gibt in jedem Feld vor, welche Hauptgruppe für das Elementepuzzle bearbeitet werden soll. Die Schüler drehen die Placemat so lange bis alle Gruppenmitglieder jedes Feld bearbeiten konnten. Durch das Drehen der Place- mat betrachten sie gegenseitig ihre Beiträge und knüpfen mit ihren Überlegungen an und ergänzen. So kann jede Gruppe in ihrer individuellen Geschwindigkeit arbeiten und von den anderen Gruppenmitgliedern proitieren. Außerdem indet trotz Einzel- und Stillarbeit ein nonverbaler Austausch statt. Hier können die Schüler ihre Leistungen zeigen, die in den vorangegangenen Stunden aufmerksam mitgearbeitet haben und werden so positiv bestärkt. Anschließend diskutieren die Schüler einen experimentellen Lösungsansatz für die Zuordnung von Calcium in die richtige Haupt- gruppe. Hinter der Fragestellung „In welche Lücke gehört Calcium?“, verbergen sich automatisch folgende Hypothesen, an denen die Schüler schon in der ersten Phase der Placemat arbeiten:

• Calcium gehört in die Hauptgruppe der Alkalimetalle.

• Calcium gehört in die Hauptgruppe der Erdalkalimetalle.

• Calcium gehört in die Hauptgruppe der Halogene.

• Calcium gehört in die Hauptgruppe der Edelgase.

Daraus resultiert ihre Auswahl an Experimenten, die einzelne Hypothesen ausschließt und nur eine bestätigt. Ein Repertoire an Experimenten zur Untersuchung von Eigen- schaften ist den Schülern aus den vorangegangenen Stunden bekannt. Dazu gehört die Untersuchung von Aussehen, Härte, Aggregatzustand, Reaktion mit Wasser, Reaktion mit Luft, Gefahrstoffkennzeichnung der Chemikalienbehältnisse und der Silberhalogenid-Nachweis. Sollten die Schüler in dieser Arbeitsphase Schwierigkei- ten haben, können sie auf die gestuften Lernhilfen zurückgreifen (M 6). Das Ergeb- nis der Diskussion wird in der Mitte der Placemat eingetragen und der Lehrkraft vorgestellt, bevor die Schüler mit der Durchführung beginnen können. Es ist darauf zu achten, dass ab diesem Zeitpunkt alle Gruppen mit einer Schutzbrille weiterarbei- ten müssen! Den Halogenid-Nachweis mit Silbernitrat-Lösung führen die Schüler im Zusammenhang mit der 7. Hauptgruppe als Schülerversuch durch. Das begleitende Arbeitsblatt (M 7) enthält eine Experimentieranleitung, die die Schüler mit ihrem Experimentierkasten (beinhaltet die von Ihnen zusammengestellten Arbeitsgeräte) bekommen. Zur selbstständigen Differenzierung können sich die Schüler ein Wort- geländer (M 8) für die Versuchsauswertung am Pult holen. Das Wortgeländer, mit dem Hintergrund des sprachsensiblen Unterrichts, dient dazu den Fokus auf die Versuchsergebnisse zu richten und eine zielorientierte Auswahl der Fachbegriffe zur Verfügung zu stellen.

Zum Ende der Stunde wird somit für das Element Calcium bei der Einordnung in die Hauptgruppe die Atommasse vorhergesagt. Dass Calcium tatsächlich eine Atom- masse zwischen 24 und 88 u hat und die Schüler dies aufgrund ihrer Experimente vorhersagen können, stellt für sie ein zusätzliches Erfolgserlebnis dar. Da die Haupt- gruppen der Alkali- und Erdalkalimetalle für die Schüler experimentell schwierig aus- einanderzuhalten sind, wurde der Fokus auf die Unterscheidung bei der Reaktion mit Wasser gelegt.

Das Arbeitsblatt für schnelle Gruppen (M 9) kann als vertiefende Reserve zur Kontextualisierung oder als Hausaufgabe gegeben werden. Die Schüler sollen ein Bewusstsein dafür entwickeln, dass Calcium sie in chemischen Verbindungen täg- lich umgibt, in Lebensmitteln wie auch im eigenen Körper. Sie sollen erneut dafür sensibilisiert werden, dass Calcium sie nicht in elementarer Form umgibt und die Elemente in unterschiedlichen Verbindungen andere Eigenschaften haben. Das Bil- derrätsel ist motivierend und setzt bei den Schülern, durch die Auswahl der Bilder, einen Gedankenprozess in Gang. Hier ist eine gute Verknüpfung und Wiederholung

zur Untersuchung von Mineralwasser möglich.

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Die restlichen Elemente lernen die Schüler in den beiden darauf folgenden Stunden (7. und 8. Stunde) kennen. Der Beobachtungsbogen (M 10) lenkt den Fokus auf die „CHNOPS“-Elemente. Außerdem werden erstmalig die Fachbegriffe Protonen, Elektronen, Neutronen verwendet, die im Anschluss an das Periodensystem bei den Atommodellen wieder eine Rolle spielen. Die Schüler erhalten die fehlenden Elemente (Rb, F, Rn und alle anderen aus M 3) und können anhand der Atom- massen und Eigenschaften die Elemente einkleben. Anschließend können sie die Ordnungszahlen (OZ) eintragen. Da die Elektronegativitäten (EN) für die Elemente nicht angegeben wurden, können die Werte, nachdem das Thema erarbeitet wurde, eingetragen werden.

Durchführung

Die Puzzlevorlage (M 2) für die Schüler drucken Sie am besten auf DIN-A3-Papier.

Schneiden Sie portionsweise die Puzzleteile (M 3) aus. Grundsätzlich ist es für die Schüler schöner und anschaulicher, wenn die Puzzleteile farbig ausgedruckt wurden.

Da sie das PSE noch für längere Zeit gebrauchen können, lohnt sich diese Investition ganz sicher.

Die Placemat (M 4 und M 5) kopieren Sie am besten auf DIN-A3-Papier, damit alle Schüler die Aufgabenstellung gut lesen können und genügend Platz für Ergebnisse ist. Dabei setzen sich die Schüler in 4er- oder 5er-Gruppen so zusammen, dass sie die Placemat in der Mitte gut drehen können und jeder daran arbeiten kann. Je nach gerader oder ungerader Klassengröße kann die Anzahl an 4er- bzw. 5er-Placemats individuell angepasst werden.

Hinweise zum fachübergreifenden Unterricht

Die Aufgabe zur Kontextualisierung (M 9) knüpft an den Biologieunterricht an. Die Schüler können hierfür ihr Wissen über den Aufbau der Knochen aus Calcium ver- wenden.

Literatur

Schmidt, Chris: Das Perioden-System – Die Jagd nach den Elementen (DVD), erschienen 18.07.2013.

Die Filmdokumentation gibt einen interessanten Einblick in die Elemente des Peri- odensystems. Von den einzelnen Elementen der Hauptgruppen über die Neben- gruppen bis zum Schalenmodell bekommen die Schüler einen motivierenden gut animierten Überblick. Ausschnitte aus dem Film inden Sie unter folgendem Link (M 10):

https://www.youtube.com/watch?v=gzaQQnC0VT8

Internet

Filmausschnitte zu M 1

https://www.youtube.com/watch?v=pWXQ2tYzJaU Reaktion von Caesium mit Wasser (2 min)

https://www.youtube.com/watch?v=ffCq-uDoYLA Ein Video zum Element Beryllium (5 min)

https://www.youtube.com/watch?v=M59eUubadz0 Reaktion von Strontium mit Wasser (1 min)

https://www.youtube.com/watch?v=Z_2MpysS0wg Reaktion von Barium mit Wasser (1 min)

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Filmausschnitte zu M 10

https://www.youtube.com/watch?v=lmwCfoh4Cvk

Die verborgene Ordnung PSE, Elektronenbindung, Sprengstoff (26 min) https://www.youtube.com/watch?v=SCpbvWaMVNY&t=55s

Die Elemente des Lebens („CHNOPS“) (14 min)

https://www.youtube.com/watch?v=XR0DR4XjF7U&t=42s Das PSE nach Meyer und Mendelejew (3 min)

https://www.youtube.com/watch?v=-qWophwSc-M

Der Ursprung der Elemente – Silizium, Glas, Halbleiter (4 min) https://www.youtube.com/watch?v=q_Sz5cklfmg

Ein Video zu den Edelgasen (4 min)

Materialübersicht

· V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch PPP = Powerpoint-Präsentation

· D = Durchführungszeit Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

# Die Gefährdungsbeurteilungen und Zusatzmaterial inden Sie auf CD 63.

M 1 Ab Who is who? – Steckbriefe: Elemente, 1./2. Haupt- gruppe

M 2 Ab Periodensystem der Elemente – Puzzlevorlage M 2Z ^#PPP Präsentation: 4 Lücken – in welche gehört Calcium?

M 3 Ab Periodensystem der Elemente – Puzzleteile

r Schere r Kleber

M 4 Ab Placemat für 4er-Gruppen M 5 Ab Placemat für 5er-Gruppen M 6 Ab Gestufte Lernhilfen

M 7 ^#Ab/SV In welche Lücke gehört Calcium?

· V: 10 min

· D: 15 min

r dest. Wasser r Calcium (körnig) r Silbernitrat-Lösung

(c = 0,1 mol/l) r verdünnte Salpeter-

säure (c = 0,1 mol/l)

Pro Gruppe ein Experimentier- kasten mit:

r 1 Reagenzglasständer r 3 Reagenzgläsern

r 1 Gasbrenner oder Teelicht r 1 Becherglas

r 1 Trichter r 1 Filterpapier r 2 Pipetten r 1 Pinzette M 8 Ab Wortgeländer für M 1 und M 7

M 9 Ab Calcium – Ein Bilderrätsel

M 10 Ab Beobachtungsbogen: Filmausschnitte zum Perioden- system der Elemente

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Minimalplan

Ihnen steht nur wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf 3 Stunden kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus:

1./2.

Stunde

Individuelle Erarbeitung von folgenden Inhalten: Natrium als Fest- stoff, Reaktion mit Wasser als Beispiel für die Alkalimetalle, die Ele- mente Lithium, Kalium, Caesium, Beryllium, Magnesium, Strontium und Barium. Hier wären weitere Quartettkarten oder Kurzreferate durch die Schüler eine sinnvolle Möglichkeit. Der Begriff Atommasse sollte den Schülern hierfür bekannt sein.

3. Stunde (M 2–M 9)

Die Schüler haben ihr PSE-Puzzle (M 2, M 3) mit vier ausgefüllten Hauptgruppen, in denen jeweils ein Element fehlt. In der Präsenta- tion (M 2Z) sehen sie das gleiche PSE. Die Fragezeichen erscheinen durch Animation in den Lücken und weisen so auf die Fragestel- lung der Stunde hin. Die Schüler erhalten die Placemats (M 4 bzw.

M 5) und arbeiten ggf. mit Unterstützung durch die Hilfekarten (M 6) daran. Für das begleitende Arbeitsblatt mit Versuchsanleitung (M 7) steht ein Wortgeländer (M 8) zur Verfügung. Am Ende der Stunde kann in der Präsentation das Calcium-Puzzleteil in das PSE animiert werden und die Schüler erhalten ebenfalls das fehlende Puzzleteil.

M 9 kann in dem Fall als Hausaufgabe gegeben werden.

Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 19.

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M 1 Who is who? – Steckbriefe: Elemente, 1./2. Hauptgruppe

Die Elemente der Alkali- und Erdalkalimetalle kennt ihr in der Regel aus Verbindun- gen, wie z. B. Natriumchlorid, unserem Kochsalz. Füllt die fehlenden Informationen in den Steckbriefen mithilfe eurer bisherigen Kenntnisse über die Elemente aus.

Natrium

Aussehen:

Härte:

Dichte bei 20 °C in g/cm³:

Schmelztemperatur: 97,8 °C Reaktion mit Luft:

Reaktion mit Wasser:

Flammenfärbung:

Elektrisch leitfähig:  ja  nein

Kalium

Aussehen:

Härte:

Dichte bei 20 °C in g/cm³: 0,86 Schmelztemperatur: 63,7 °C Reaktion mit Luft:

Flammenfärbung:

Beryllium

Aussehen: grau glänzend

Härte: hart, spröde

Dichte bei 20 °C in g/cm³: 1,85 Schmelztemperatur: 1278 °C Reaktion mit Luft: harmlos Reaktion mit Wasser: harmlos Flammenfärbung: keine Elektrisch leitfähig:  ja  nein

Lithium

Aussehen:

Härte:

Dichte bei 20 °C in g/cm³: 0,53 Schmelztemperatur: 180,5 °C Reaktion mit Luft:

Flammenfärbung:

Fülle die Lücken aus!

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M 3 Periodensystem der Elemente – Puzzleteile

Teil 1: Elemente-Puzzleteile der 1., 2., 7. und 8. Hauptgruppe (ohne Rb, Ca, F, Rn und Elemente der 7. Periode)

OZ EN

7

Li

Lithium

OZ EN

23

Na

Natrium

OZ EN

39

K

Kalium

OZ EN

133

Cs

Caesium

OZ EN

84

Kr

Krypton

OZ EN

9

Be

Beryllium

OZ EN

24

Mg

Magnesium

OZ EN

88

Sr

Strontium

OZ EN

137

Ba

Barium

OZ EN

131

Xe

Xenon

OZ EN

35

Cl

Chlor

OZ EN

80

Br

Brom

OZ EN

127

I

Iod

OZ EN

210

At

Astat

OZ EN

4

He

Helium

OZ EN

20

Ne

Neon

OZ EN

40

Ar

Argon



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M 4 Placemat für 4er-Gruppen

Aufgabe 2 Diskutiert mit welchen Experimenten die Hauptgruppe für Calcium ermittelt werden kann. Einigt euch auf eine Auswahl und stellt sie dem Lehrer kurz vor, um mit der Durchführung starten zu können. Aufgabe 1 Sammle die Eigenschaften der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle) im Periodensystem der Elemente.

Au fg ab e 1

Sam mle d ie Eig

en sc ha fte n de r

8. H aup tg rup pe (Ed elg ase im )

Per io den sy ste m d er E le men te.

Aufgabe 1

Sammle die Eigenschaften der 2. Hauptgruppe (Erdalkali- metalle) im Periodensystem der Elemente.

Aufgabe 1

Sammle die Eigenschaften der 7. Hauptgruppe(Halogene) im Periodensystem der Elemente.