Kategorie:Der chemische Aufbau des Wassers

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Wassermoleküle bestehen aus jeweils zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O). Das Sauerstoffatom ist jeweils über eine Elektronenpaarbindung mit den Wasserstoffatomen verknüpft. Das bedeutet, dass sich die Atome ein Elektronenpaar teilen, wobei jedes Atom ein Elektron beisteuert. Dies geschieht durch die Überlappung der Atomorbitale, wobei sich die Elektronenwolke in diesem Bereich zwischen den Atomkernen verdichtet und somit die positiv geladenen Atomkerne anzieht. Der H-O-H Bindungswinkel ist mit 104,45 ° etwas kleiner als der tetraedrische Bindungswinkel von 109,5 °, da die beiden vollbesetzten Sauerstoff-Orbitale etwas mehr Platz benötigen als die beiden Molekülorbitale. Das Wassermolekül ist also gewinkelt. Sauerstoff hat eine Pauling-Elektronegativität von 3,5 und ist damit wesentlich elektronegativer als Wasserstoff mit 2,1. Das hat zur Folge, dass die gemeinsam genutzten Bindungselektronen statistisch stärker zum Sauerstoffatom hin orientiert sind. Dadurch, dass das Wassermolekül gewinkelt vorliegt ergibt sich ein Dipol (von 1,84 Debye), dessen partiell negative Ladung am Sauerstoffatom sitzt. Die partiell positive Ladung befindet sich an den Wasserstoffatomen.

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Weil Wassermoleküle über einen starken Dipol verfügen, besitzen sie ausgeprägte intermolekulare Anziehungskräfte und können sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zu sog. Clustern zusammenlagern. Dabei orientiert sich ein mit einer positiven Teilladung versehenes Wasserstoffatom des einen Wassermoleküls an ein negativ geladenes Sauerstoffatom eines benachbarten Wassermoleküls.

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Neben den Wasserstoffbrückenbindungen sorgen auch, wie bei allen Molekülen, die sog. London- oder Dispersionskräfte für weitere Anziehungskraft. Dies sind zufällige, momentane Dipole, die sich zufällig durch die Ladungsverschiebungen der vorhandenen Elektronen ergeben.

Aggregatzustände

Von den allermeisten Stoffen auf der Erde sind alle drei Aggregatzustände, nämlich gasförmig (g), flüssig (l) und fest (s) bekannt. In welchem Aggregatzustand sich ein Stoff bei einem bestimmten Druck und einer gegebenen Temperatur befindet, hängt von den Kräften ab, die zwischen den Atomen bzw. Molekülen wirken. Liegt ein Stoff als Gas (g) vor, besitzen seine Teilchen eine hohe kinetische Energie (=Bewegungsenergie), sie bewegen sich frei in alle Richtungen des Raumes. Gase bestehen also aus räumlich weit voneinander entfernten Atomen oder Molekülen in schneller Bewegung. Zwei oder mehrere beliebige Gase sind dabei vollständig miteinander mischbar. Ebenso lassen sich Gase auf Grund ihres hohen Teilchenabstandes komprimieren. Ein Gas füllt ein Gefäß vollständig aus (für weitere Informationen siehe Charles E. Mortimer „Das Basiswissen der Chemie“ (1996) 6. Auflage S. 144ff). Bei Flüssigkeiten ist die kinetische Energie geringer, die Beweglichkeit der Teilchen ist eingeschränkt. Der Abstand zwischen den einzelnen Teilchen beträgt jetzt einen Bruchteil des Eigendurchmessers der Teilchen selbst. Eine Flüssigkeit beansprucht zwar ein definiertes Volumen, hat aber keine eigene Form, sondern nimmt die Form ihres Behälters an. Bei Feststoffen ist die kinetische Energie der Teilchen so gering,, das die Bewegungen der einzelnen Teilchen auf gegeneinander gerichtete Schwingungen begrenzt ist (für weitere Informationen siehe Peter W. Atkins „Physikalische Chemie“ Kurzlehrbuch (2001) 3. Auflage S. 30ff). Die Ordnung nimmt von den Gasen über die Flüssigkeiten zu den Feststoffen zu. Feststoffe befinden sich also im Zustand der höchsten Ordnung, in denen sich die einzelnen Teilchen auf definierten Plätzen (Gitterplätze in kristallinen Strukturen) befinden. Bei welcher Temperatur bzw. welchem Druck die Änderung des Aggregatzustandes (auch Phasenumwandlung genannt) eintritt, ist stoffspezifisch und wird zur Beschreibung der Eigenschaften eines Stoffes herangezogen. So ist beispielsweise die Celsius-Temperaturskala entstanden, in dem man die Schmelztemperatur von Wasser bei Normaldruck (1 atm = 1,01325 bar = 1013,25 hPa) willkürlich gleich 0 °C, und die Siedetemperatur gleich 100 °C gesetzt hat. Die Abhängigkeit des Aggregatzustandes von Druck und Temperatur lässt sich für jeden Stoff in sog. Phasendiagrammen darstellen. Es ist an dieser Stelle zu erwähnen, das einige Stoffe auch in mehreren festen (kristallinen) Aggregatzuständen vorliegen können. Je nach Temperatur kann bspw. Schwefel als monokliner oder rhombischer Schwefel vorliegen. Dieses Phänomen wird Polymorphie genannt. Allgemein zeigen Phasendiagramme die Existenzbereiche der jeweiligen Aggregatzustände in Abhängigkeit von Druck und Temperatur an.

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Phasenwechsel

Der Übergang von fest (s) nach flüssig (l) wird als Schmelzen bezeichnet, der umgekehrte Vorgang als Erstarren (Gefrieren). Der Übergang von flüssig (l)nach gasförmig (g) wird als Sieden, der entgegengesetzte Vorgang als Kondensieren bezeichnet. Der unmittelbare Übergang von fest (s) nach gasförmig (g) wird schließlich als Sublimation, der umgekehrte Vorgang als Resublimation bezeichnet. Um eine Substanz zu schmelzen oder zu verdampfen, muss Energie aufgebracht werden, um die Phasenumwandlung zu vervollständigen (z.B. 100 °C heißes Wasser in einem Kochtopf verdampfen, Eisenerz in einem Hochofen schmelzen etc.) Man spricht auch von Schmelz- bzw. Verdampfungswärme (auch Enthalpie genannt), die der Umgebung entzogen wird (z.B. ist bei einem mit Wasser gefüllten Kochtopf das Wasser das zu beobachtende System, während der Topf die Systemgrenze darstellt und die Herdplatte etc. als Umgebung bezeichnet wird). Umgekehrt läuft das Erstarren bzw. Kondensieren eines Stoffes unter Abgabe entsprechender Wärmebeträge an die Umgebung. Während einer Phasenumwandlung bleibt die Temperatur trotz Wärmeübertragung konstant (ein Eis/Wasser-Gemisch hält solange die Temperatur von 0 °C, bis sämtliches Eis geschmolzen ist). Zugeführte Wärme dient nur dazu, die Teilchen aus dem Kristallgitter zu lösen und mit einer für den flüssigen Zustand erforderlichen kinetischen Energie auszustatten. Entsprechendes gilt, wenn der Wechsel flüssig-gasförmig eintritt. (Beispiel: Verbrühungen bei Kontakt mit 100 °C heißem Wasserdampf sind wesentlich schmerzhafter als mit 100 °C heißem, flüssigen Wasser. Der Grund ist die bei der Kondensation des Wasserdampfes auf der Haut übertragene, hohe Kondensationswärme. Der umgekehrte Effekt, auch als Verdunstungskälte bezeichnet, tritt beim Vorgang des Schwitzens auf. Der flüssige Schweiß verdunstet dabei auf der Körperoberfläche. Die dafür benötigte Kondensationswärme wird dem Körper entzogen, der dabei abkühlt).

Unterrichtsvorschlag zur Vorbereitung

Das hier vorgestellte Artikulationsschema könnte für eine Blockstunde über 90 Minuten genutzt werden, um einen Einstieg in die Gesamtthematik „Wasser und seine Aggregatzustände“ als Vorbereitung einer Projektwoche zu gestalten. Hier sind auch bereits erarbeitete Lernaufgaben für die Lernenden enthalten, so das dieses Konzept, eventuell noch an die Lerngruppe modifiziert, schnell einsatzbereit zum Tragen kommen kann. Der Vorschlag eignet sich vor der Fahrt in die Projektwoche, da einige Materialien benötigt werden, die nur sehr mühsam transportierbar sind. Die von den SchülerInnen erarbeiteten Ergebnisse und Medienprodukte dieser Doppelstunde könnten allerdings auch als alternativer Einstieg am 1. Tag der Projektwoche genutzt werden.

Zeit Phasen Handlungsschritte Lehrende Handlungsschritte Lernende Ziele Methoden/Sozialformen Medien/Material
10 Min. Vorbereitung direkt vor der Stunde - Lehrender sorgt dafür, dass Lernende nicht im Klassenraum sind

- baut eine „Experimenteküche“ auf, Gläser mit Wasser/Saft und Eiswürfeln, 2-3 Töpfe mit Wasser, die auf Herdplatten sprudelnd kochen,schreibt Thema der Stunde an die Tafel

- verteilt vorbereitete Kärtchen auf jedem Platz (8xEis, 8xMineralwasser & 8xDampf) zu gleichen Anteilen in der Klasse wild durcheinander
sollen sich nicht im Klassenraum befinden vorbereitete Lernumgebung; Lernende sollen Aufbau nicht erleben, Überraschungseffekt soll vorbereitet sein Unterrichtsvorbereitung Tafel, Kochtöpfe, Gläser, Saft, Wasser, Eiswürfel, Kochplatten, vorbereitete Kärtchen
5-10 Min. Einstieg, positiver reziproker Affekt - begrüßt die Lernenden

- fordert Lernende auf, sich etwas zu Trinken zu nehmen

- fordert Lernende auf, zunächst ihre Kärtchen bei Seite zu legen
- nehmen die Getränke ein

- sollen gedanklich in das Thema finden

- legen Kärtchen zur Seite
- Lernende sollen sich wohl fühlen und gut in das Thema finden Plenum Beispiel
15 min. Einstieg

informierender Unterrichtseinstieg
stellt Ablaufplanvor, ermuntert zu Vorschlägen der Lernenden, diesen nach eigenen Vorstellungen umzugestalten

stellt die Frage an die Lernenden „Warum ist Wasser überhaupt so wichtig, warum sollten wir uns damit beschäftigen?“
sehen sich den Ablaufplan an, geben Vorschläge zur Modifikation

stellen gemeinsam fest, dass Wasser zum Trinken und Kochen benötigt wird, so wie es in der Experimenteküche gelernt wurde
Lernende nehmen aktiv an der Gestaltung der Unterrichtstunde teil

Vorstellungen der Lernenden finden Berücksichtigung Wasser wird als„Lebenselixier“ erkannt

-Weckung des Wunsches nach mehr Hintergrundwissen zum Thema Wasser und dessen Aggregatzuständen
Plenum Metaplanwand
15-20 min Erarbeitung

Informationsinput
stellt anhand einer Powerpointpräsentation dar, worum es konkret geht, stellt kurz vor, was Aggregatzustände sind und welche beim Wasser möglich sind un wie diese entstehen(z.B. durch Erhitzen oder Gefrieren)

Lehrer teilt zuvor Handzettel zur erstellten Powerpointpräsentation an die Lernenden aus
nehmen Informationsinput an, notieren sich evtl. eigene Gedanken zum Thema auf die ausgeteilten Handzettel

stellen Verständnisfragen zu den vorgestellten Inhalten
wichtige Fakten sollen gemeinsam besprochen werden und evtl. ergänzt werden

Lernende haben alle wichtigen Informationen zu den Aggregatzuständen von Wasser später noch zum Nachlesen
Plenum Computer, Beamer, Powerpoint
10 min Auslöschung

Schoko-Quiz
leitet die Aufmerksamkeit weg vom Thema hin zum Scholokadenrätsel Aufmerksamkeit wird umgelenkt

Lernende bearbeiten mit Lehrendem gemeinsam das Schokoladenrätsel
Ablenkung vom Thema Plenum Arbeitsblatt: Schoko-Quiz
30 min Erarbeitung Erläuterung der folgenden Experimente: siehe Anhang und Aufgabenzettel

Aufforderung an die Lernenden die Experimente mit Fotos oder Videosequenzen ihrer Handys festzuhalten

Aufforderung, die Lernenden sollen sich in Ihren Gruppen (Eis, Wasser und Dampf) zusammenfinden

Verteilung der 1. Seite der Lernaufgabenzettel an die jeweilige Gruppe

Lehrender zieht sich danach zurück
nehmen Lernaufgaben an

lesen sich die Arbeitsaufträge durch

stellen Verständnis- und Umsetzungsfragen zu den Experimenten

finden sich in Ihren Gruppen zusammen, experimentieren, arbeiten dabei selbstständig
Ablauf der Experimente, sowie die Foto- und Videodokumentation dieser ist allen Lernenden verständlich

Gruppen führen Experimente selbstständig durch
Plenum Übergang zur Gruppenarbeit im Experiment Arbeitsblätter der jeweiligen Gruppe (Eis, Wasser und Dampf)
5min Sicherung

Weiterverarbeitung zuhause
fordert Lernende auf, dokumentierten Experimentablauf in einer kleinen Präsentation von max. 5 Minuten zur nächsten Unterrichtsstundevorzubereiten und die Ergebnisse des Experiments der gesamten Klasse vorzustellen

teilt die zweite Seite der Lernaufgaben an die Gruppe aus
nehmen Arbeitsauftrag an

machen sich erste Gedanken zur Umsetzung des Arbeitsauftrags
Lernenden(sic!) sollen sich in der Gruppe absprechen, wie sie in Heimarbeit weiter verfahren (Förderung der Sozialkompetenz)

Lernende erarbeiten gemeinsam eine kleine Präsentation und Station (Förderung Methoden- und Personalkompetenz)

Präsentationstechniken werden vertieft/erprobt

Experiment wird sachlogisch mehrmals durchdacht und gefestigt, da die Inhalte den anderen Schülerinnen und Schülern Plenum(sic!) so erklärt werden müssen, dass diese den Inhalt auch verstehen
Plenum und Gruppe Arbeitsauftrag (schriftlich)
5min Evaluation fordert Lernende auf, an der Tafel mit Magneten zu punkten, wieviel Spaß/Freude und Wissenszuwachs sie in dieser Stunde hatten. (s. Anhang) rekapitulieren die Stunde

bepunkten die Stunde

Feedback an den Lehrenden

Lehrer nimmt Feedback an und leitet Konsequenzen für sein weiteres Vorgehen für sich ab
nochmaliges Durchdenken der Stunde

Reflektion(sic!) des eigenen Erlebens
Plenum/Einzelarbeit Tafel, Magnete

(angelehnt an: Becker(a), 2007, S. 29-55 & S. 257-284; Becker (b); Gugel, 2007, S.61-64; Grell/Grell, 1983. S.103-277)



Quellenverweise und Arbeitsblätter sind in diesen pdf-Dateien enthalten:

Online verfügbar gemacht: Sebastian Bornemann, Christoph Katzer

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