Eine Einführung in die Nanochemie (WORD)

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

Klein aber fein! – Eine Einführung in die Nanochemie

Dirk Beyer, Würselen Niveau: Sek. I/II

Dauer: 7 Unterrichtsstunden à 90 Minuten

Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler¹ können …

– ausgewählte Phänomene und Zusammenhänge erläutern und dabei Bezüge zu übergeordneten Prinzipien, Gesetzen und Basiskonzepten der Chemie herstellen – chemische Sachverhalte und Erkenntnisse in gegebene fachliche Strukturen

begründet einordnen

– kriteriengeleitet beobachten und erfassen und gewonnene Ergebnisse frei von eigenen Deutungen beschreiben

– aus den Eigenschaften von Stoffen und ihren Verwendungsmöglichkeiten mög- liche Vor- und Nachteile ableiten

– für Bewertungen in chemischen und anwendungsbezogenen Zusammenhängen kriteriengeleitet Argumente abwägen und einen begründeten Standpunkt beziehen

– zu einem chemischen Sachverhalt in unterschiedlichen Quellen recherchieren sowie themenbezogene und aussagekräftige Informationen auswählen

Der Beitrag enthält Materialien für:

ü Kontextualisierung ü Umgang mit neuen Medien ü Schülerversuche ü kooperative Lernformen ü fachübergreifenden Unterricht ü Lehrerversuche

Hintergrundinformationen

Der Nanokosmos (grie. „nanos“ = Zwerg), welcher die Eigenschaften von Teilchen unterhalb der submikroskopischen Ebene im Maßstab von 10^-9 m beschreibt, hat im Chemieunterricht bisher nur relativ wenig Beachtung gefunden. Unser Alltag und die zukunftsorientierte Forschung weisen jedoch vollkommen andere Maßstäbe auf: Aus Physik, Biologie, Chemie, Materialwissenschaften, Medizin, Biotechnologie usw. sind die transdisziplinären Zwergenpartikel nicht mehr wegzudenken. Die Komplexität der Nanoteilchen, die aufgrund ihrer Größe und dem damit verbundenen hohen Zerteilungsgrad sowie einer übermäßig ausgedehnten Oberläche den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, ist auch für den Schulunterricht von spannender Rele- vanz.

Nanotechnologen nutzen hierbei charakteristische Effekte und manipulative Phäno- mene, die im Übergangsbereich zwischen der mesoskopischen und atomaren Ebene auftreten und Stoffeigenschaften, wie u.a. Schmelz- und Siedepunkte, magneti- sche Eigenschaften, Leitfähigkeit, Farbe, Zähigkeit und Bruchfestigkeit für ihre Zwe- cke nutzen. Der Fonds der chemischen Industrie spricht hierbei sogar von einer wahren „Wunderwelt der Nanomaterialien“.

Beispiele solcher Effekte sind unter anderem der wasserabperlende Lotus-Effekt von Planzen und Autolacken, der Tyndall-Effekt und die Mie-Streuung bei Lichtphäno- menen und Flüssigkeiten, die Thixotropie und Dilatanz von Alltagsstoffen bis hin zu komplexeren magnetischen Flüssigkeiten, hochdispersen Superabsorbern und far- benfrohen Goldkolloiden.

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Bei der Konzeption dieser Unterrichtsreihe liegt ein besonderes Augenmerk sowohl auf diversen Alltagsphänomenen, die mithilfe der Nanowissenschaften beschrieben und erklärt werden sowie komplexeren Phänomenen, welche besonders im Ober- stufenunterricht auf interessante Weise thematisiert werden können.

Hinweise zur Didaktik und Methodik

Die Unterrichtsreihe „Klein aber fein! – Eine Einführung in die Nanochemie“ ist als ergänzendes Material zum Chemieunterricht der Sekundarstufe I und Oberstufe zu verstehen, sie kann jedoch auch davon unabhängig verwendet werden (z. B. in Pro- jektkursen).

Es werden verschiedene Phänomene der Nanowissenschaften experimentell betrach- tet und gedeutet. Hierbei werden sowohl Schüler-, als auch Lehrerversuche einbe- zogen, die sich in ihrer Progression und Komplexität verschiedenen Jahrgangsstu- fen zuordnen lassen. So stellt zum Beispiel das Thema „Stoffeigenschaften“ und die damit verbundene Struktur-Eigenschafts-Beziehung einen wichtigen Bestandteil des Chemieunterrichts der Mittel- und Oberstufe dar, kann jedoch in der Sek. I nur stark didaktisch-reduziert hinsichtlich der vorherrschenden Komplexität mit Schü- lern thematisiert werden. Auf diese Weise werden sowohl konzeptbezogene, als auch prozessbezogene Kompetenzen gefördert sowie eine hohe Kontextorientierung geschaffen. Dem Chemieunterricht der Oberstufe zeigt sich ein ergänzender Einblick in das Inhaltsfeld „Werkstoffe und Farbstoffe“ mit Querverweisen auf Materialent- wicklung und Medizintechnik, wodurch dem Umgang mit Fachwissen, Bewertung und der Erkenntnisgewinnung Rechnung getragen wird.

Die vorliegenden Materialien 1–6 sind abwechslungsreich gestaltet und beziehen nicht nur kooperative Lernformen, Elemente der Binnendifferenzierung und verschiedene Kontexte, sondern auch Schüler- und Lehrerversuche sowie moderne Medien, mit ein. Die Lernenden werden zu Beginn für das Phänomen „Nanotechnologie“

sensibilisiert und machen sich anschließend im Schülerversuch ein eigenes Bild, bevor sie sich intensiver mit den jeweiligen theoretischen Grundlagen beschäftigen.

Aufgrund der verplichtenden Implementation digitaler Medien in den schulischen Unterricht in Sek. I und Sek. II ab dem Schul- jahr 2019/20, werden in dieser Ausarbeitung ebenfalls Hinweise zu möglichen Apps, Programmen usw. durch das folgende Sym- bol gekennzeichnet.

Sicherheitshinweise

Zu den Lehrer- und Schülerversuchen liegen Gefährdungsbeurteilungen vor. Es werden jedoch in den Schülerversuchen keine Gefahrstoffe verwendet, die einem grö- ßeren Sicherheitsrisiko unterliegen.

Hinweise zum fachübergreifenden Unterricht

Basierend auf den vorgeschlagenen Versuchen und Themenbereichen ergeben sich verschiedene Fächerverbindungen: Die Themen „Tyndall-Effekt“ (M 2)“ und „Stär- kebrei“ (M 3) weisen einen Zusammenhang zu optischen und mechanischen Effek- ten aus dem Physikunterricht auf (Brechungswinkel, Relexion, Scherkräfte etc.).

Der Lotus-Effekt (M 5) als Phänomen aus der Biologie (Botanik), indet ebenfalls in Bereichen der Bionik und Werkstoffwissenschaften Anklang. Die weiterführenden Materialien (M 6) sind für Facharbeiten, Referate und längere Forschungsarbeiten im Hinblick auf individuelle Projektarbeit(en) in verschiedenen Fächern denkbar (z. B.

Krebsforschung „Ferroluide“: Biologie).

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Literatur

Bei einem Autor:

Asselborn, Wolfgang u.a.: Chemie heute SII Gesamtband. Schroedel. Braun- schweig 2009. S. 288f bzw. S. 301ff.

Eines der gängigsten Schulbücher für den Chemieunterricht der Sek. II.

Brüning, Ludger; Saum, T.: Sachtexte verstehen durch graisches Strukturieren.

Deutschunterricht 2007 (4) S. 30–33.

Brüning, Ludger; Saum, T.: Wissensnetze überprüfen und erweitern – Visualisie- ren im kooperativen Unterricht. Friedrichverlag. 2008 (Jahresheft).

Online unter: https://www.iqesonline.net/index.cfm?id=9491f280-e0c6-b4e6-2380- a76ecce798c7

Brüning, Ludger; Saum, T.: Erfolgreich unterrichten durch Visualisieren. Grai- sches Strukturieren mit Strategien des kooperativen Lernens. Neue Deutsche Schule Verlagsges. 2009.

In den o.g. drei Beiträgen von Brüning und Saum werden die Grundlagen des Conceptmapping im fächerverbindenden Unterricht und als lesestrategische Idee im Umgang mit Sachtexten fundiert und zielorientiert vorgestellt und didaktisch begründet.

Jungbluth, Andreas: Wunderwelt der Nanomaterialien. Informationsserie Fonds der chemischen Industrie. 2005.

Informationsbroschüre zur „Nanobox“.

Kranz, Joachim; Schorn, J.: Chemie Methodik: Handbuch für die Sekundarstufen I und II. Cornelsen Scriptor. Berlin 2008.

In diesem Handbuch werden wichtige Methoden des Chemieunterrichts an prak- tischen Beispielen zusammengefasst und illustriert. Es eignet sich als Einstieg in verschiedene Methoden sowie als Nachschlagewerk und theoretische Fundierung.

Niederhöfer, Yvonne; Wöhrmann, H.: Wo uns „Nano“ im Alltag begegnet. Natur- wissenschaften im Unterricht Chemie 2007 (97) S. 8–13.

Niederhöfer, Yvonne; Wöhrmann, H.: Nanopartikel sichtbar machen – Experi- mente mit Kolloiden und Emulsionen. Naturwissenschaften im Unterricht Chemie 2007 (97) S. 26–30.

Niederhöfer, Yvonne; Wöhrmann, H.: Haargel und Hüpfender Kit – Experimente mit Gelen. Naturwissenschaften im Unterricht Chemie 2007 (97) S. 31–35.

Sieve, Bernhard u.a.: Materialien für die Zukunft. Naturwissenschaften im Unter- richt Chemie 2016 (152) S. 2–6.

Zacharias, Sebastian, Loibl, L: Nanomaterialien in der Medizin. Naturwissen- schaften im Unterricht Chemie 2016 (152) S. 39–43.

Auszüge und didaktisierte Fachaufsätze zur „Nanotechnologie“.

Bild- und Videoquellen

http://www.planet-wissen.de/video-vorteile-der-nanotechnologie-100.html Planet-Wissen – Einführung in die Nanowissenschaft

https://www.youtube.com/watch?v=14EyIBI9RFI

Tyndall-Effekt: „MacGyver“ macht Laserstrahlen anhand von Rauchpartikeln sichtbar.

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http://www.macgyveronline.com/pages/video102.html

„MacGyver“ macht Laserstrahlen eines Überwachungssystems mithilfe von Reini- gungspuder sichtbar.

https://www.youtube.com/watch?v=tdPyjInih-k Eisenoxalat-Versuch (M 4)

Internet

www.unterrichtsmaterialien-chemie.uni-goettingen.de/material/9-10/V9-458.pdf

Großhennig, Isabel: Nano in Alltagsprodukten – Praktikumsvorschrift zum Schulversuchs praktikum der Klassenstufen 9 und 10, Universität Göttingen, Som- mersemester 2015.

www.unterrichtsmaterialien-chemie.uni-goettingen.de/material/9-10/V9-241.pdf

Von Hoff, Elena: Nano in Alltagsprodukten – Praktikumsvorschrift zum Schulversuchs praktikum der Klassenstufen 9 und 10, Universität Göttingen, Som- mersemester 2014.

Aufbereitete Chemieversuche für Schüler zur Nanothematik.

https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Nanotechnologie Gute Einstiegsseite mit vielen Informationen zur Nanothematik.

Materialübersicht

· V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch

# Die Gefährdungsbeurteilungen inden Sie auf CD 63.

M 1 Ab Nanochemie – die Welt des Kleinen im Alltag M 2 ^#SV, Ab Blauer Himmel und sichtbare Nanoteilchen –

der Tyndall-Effekt

· V: 5 min

· D: 10 min

r dest. Wasser r Milch (Sek. I)

r Eisen(III)-chlorid (Sek. I/II)

r verd. Natronlauge (w = 5 %, Sek. I/II) r Ouzo (Sek. II)

r Schutzbrille r Laserpointer oder

gebündelte Lichtquelle (Taschenlampe)

r 3 saubere große Becher- gläser oder Erlenmeyer- kolben (250 ml)

r Pasteurpipetten

r ggf. weißer Hintergrund M 3 SV Stärkebrei und Kieselgel – mal hart mal weich

· V: 5 min

· D: 15 min

r 400 g Speisestärke r 300 ml dest. Wasser r 30 g Kieselgel

r 2 größere Schalen aus Glas, Keramik oder Plastik r Schutzbrille

r Löffel

r 500 ml Erlenmeyerkolben mit Gummistopfen

r Papierunterlage

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M 4 ^#SV/LV Brennendes Eisen – auf die Größe kommt es an!

· V: 10 min

· D: 5 min

LV:

r Eisenoxalat ODER

r Kaliumoxalat r Eisen(II)-sulfat r dest. Wasser

r Reagenzglas (Duran) mit Gummistopfen

r Messzylinder

r feuerfeste Unterlage r Becherglas (100 ml) SV:

r Eisennagel r Eisenwolle r Eisenpulver

r Bunsenbrenner r Schutzbrille r Tiegelzange r Spatel

M 5 ^#SV Der Lotus-Effekt – von der Blume zum Auto

· V: 5 min

· D: 5 min

r dest. Wasser r Aceton r Schutzbrille

r Lebensmittelfarbe (rot oder blau)

r Lotusblüte oder große Kapuzinerkresse

r CD-Rohling (leer!) r sauberer Objektträger

(Glas)

r Bunsenbrenner r 3 Pipetten r Lupe

M 6 Ab Zukunft Nanochemie? – Jetzt schon Alltag!

Minimalplan

Der Minimalplan bezieht sich ausschließlich auf die Grundlagen der Nanowissen- schaften sowie deren Alltagsbezug. Die zugehörigen Lehrer- und Schülerversuche entfallen. Die Unterrichtseinheit wurde aus diesem Grund auf zwei Doppelstunden reduziert.

1. Stunde (M 1)

Nanochemie – die Welt des Kleinen im Alltag

2. Stunde (M 6)

Zukunft Nanochemie? – Jetzt schon Alltag!

Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 18.

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M 3 Stärkebrei und Kieselgel – mal hart mal weich

Infotext

Wenn wir im Alltag auf Stoffe mechanischen Druck ausüben, so reagieren diese oft elastisch (z. B. Gummi), sie sind spröde (z. B. Salzgestein) oder sie verformen sich längerfristig (viele Metalle). Alle diese Eigenschaften können mithilfe des Atommodells erklärt werden. Das es jedoch auch Stoffe gibt, die mehrere dieser Eigenschaften kombinieren können, ist in vielen Fällen mithilfe der Nanotechnolo- gie zu erklären – bleibt gespannt J!

Schülerversuch: Nanophänomene mit Stärkebrei und Kieselgel

· Vorbereitung: 5 min · Durchführung: 15 min

Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte r 400 g Speisestärke

r 300 ml dest. Wasser r 30 g Kieselgel

r 2 größere Schalen aus Glas, Kera- mik oder Plastik

r Schutzbrille r Löffel

r 500 ml Erlenmeyerkolben mit Gummistopfen

r Papierunterlage Achtung: Nur sehr saubere Glasgefäße verwenden.

Entsorgung: Stärkebrei und Kieselgel können im Hausmüll entsorgt werden.

Versuchsdurchführung

Führe die beiden folgenden Versuche gemäß der Versuchsvorschrift durch. Beob- achte aufmerksam und notiere deine Beobachtungen.

Versuch 1:

Stärkebrei – mal hart mal weich

Versuch 2:

Gel – mal fest mal fl üssig 400 g feine Speisestärke werden in eine

Schale gegeben und schrittweise 200 ml dest. Wasser untergerührt, bis ein dick- l üssiger (viskoser) Stärkebrei entsteht.

Anschließend werden drei Teilexperi- mente durchgeführt:

a) Drücke mit dem Löffel, mal schnell mal langsam, auf die Oberl äche.

b) Gieße den Brei von einer Schale in eine andere Schale.

c) Lege einen Stein auf die Oberl äche.

In einem sauberen Erlenmeyerkolben wird zu 10 g Kieselgel vorsichtig solange dest. Wasser gegeben, bis das Gel voll- ständig dispergiert bzw. aufgequollen ist.

Dieser Vorgang wird zweimal wiederholt, bis das gesamte Kieselgel im Kolben dispergiert ist.

Anschließend lässt man den Kolben einige Minuten ruhen und beobachtet aufmerksam.

Der Kolben wird danach vorsichtig hin und her bewegt und/oder kräftig geschüt- telt.

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Aufgaben

1. Führen Sie die beiden Versuche durch und notieren Sie aufmerksam Ihre Beob- achtungen.

2. Überlegen Sie zunächst alleine eine mögliche Erklärung für die beiden Phäno- mene und diskutieren Sie Ihre Idee(n) mit einem Partner.

3. Ordnen Sie folgende Alltagsphänomene den theoretischen Grundlagen von Ver- such 1 oder 2 zu und begründen Sie Ihre Antwort:

a) Spaziergänger hinterlassen am nassen Sandstrand tro- ckene Fußspuren.

b) Vakuumverpackte Erdnüsse sind steinhart.

c) Ketchup lässt sich häuig nur schwer aus Flaschen beför- dern, unter Rühren ist es kein Problem.

d) Sonnenschirme lassen sich unter kreisenden Bewegungen leichter in den Sand stecken, als durch Klopfen mit einem Gummihammer.

e) Honig wird beim Umrühren zunehmend viskoser.

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M 5 Der Lotus-Effekt – von der Blume zum Auto

Infotext

Unter dem Lotus-Effekt wird die Selbstreinigung von Oberfl ächen aufgrund ihrer superwasserabweisenden (superhydrophoben) Beschaffenheit verstanden, durch welche Wassertropfen direkt abperlen und dabei Staub- und Schmutzpartikel mitziehen. Typisches Beispiel: Blät- ter der Lotosblume.

Schülerversuch: Selbstreinigende Pfl anzen und CDs mit Nanoeffekt

· Vorbereitung: 5 min · Durchführung: 5 min

Chemikalien / Gefahrenhinweise Geräte r dest. Wasser

r Aceton

r Lebensmittelfarbe (rot oder blau)

r Lotusblüte oder große Kapuzinerkresse

r Schutzbrille r CD-Rohling (leer!)

r sauberer Objektträger (Glas) r Bunsenbrenner

r 3 Pipetten r Lupe

Achtung: Vorsicht im Umgang mit Aceton. Aceton darf nicht in die Nähe der Brennerfl amme gelangen. Brandgefahr!

Entsorgung: Restmüllbehälter

Die nachfolgenden drei Experimente nähern sich dem Lotus-Effekt und helfen uns die Beschaffenheit von superhydrophoben Oberfl ächen mithilfe der Nanochemie näher zu verstehen.

Experiment 1: Der Lotus-Effekt der Kapuzinerkresse

Kapuzinerkressen und Lotusblumen haben eine sehr ähnliche Oberfl ä- chenbeschaffenheit. Betrachten Sie zunächst das Blatt mit einer Lupe und tropfen Sie mithilfe der Pipette vorsichtig Wasser auf das Blatt.

Geben sie anschließend etwas Heptan auf das Blatt und wiederholen sie den Versuch.

Experiment 2: Lotuseffekt mit Rußnanopartikeln

Reinigen Sie einen gläsernen Objektträger vorsichtig mit Aceton.

Halten Sie ihn nach kurzer Zeit (Aceton muss vollständig ver-

dampft sein) über die leuchtende Brennerfl amme, bis die Hälfte (!) des Objektträgers vollständig mit Ruß bedeckt ist. Tropfen Sie anschließend auf beide Seiten des Objekt- trägers etwas gefärbtes Wasser.

Experiment 3: CDs mit und ohne Lotuseffekt

Verwenden Sie einen neuen CD-Rohling und beschichten Sie vorsichtig die Hälfte der CD mit Aceton. Warten Sie einige Minuten. Tropfen Sie nun einige Tropfen gefärbtes Wasser auf beide Seiten der CD.

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Aufgaben

1. Führen Sie die Experimente nach Anleitung durch und notieren Sie Ihre Beob- achtungen.

2. Erklären Sie die beobachteten Unterschiede in den Experimenten 2 und 3. Ver- wenden Sie als Unterstützung folgenden Graphiken:

Objektträger ohne Ruß CD ohne Aceton

Objektträger mit Ruß CD mit Aceton

3. Vergleichen Sie anschließend Ihre Ergebnisse in Kleingruppen.

Expertenaufgabe

Lotus-Effekte spielen nicht nur in der Pflanzenwelt eine wichtige Rolle, sondern werden auch in bionischen Materialien und Werkstoffen verwendet. Zu solchen bionischen Materialien zählen zum Beispiel die Wand- farbe Lotusan^® oder Autolacke mit Nanopartikeln. Welche Eigenschaften weisen diese Werkstoffe in ihrer Verwendung auf und wo liegen mögliche Vor- und Nachteile?