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Chemie zum Thema Wasser in der Grundschule ...

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Fachwissenschaftlicher Teil:

Das Molekül Die chemische Formel für Wasser lautet H2O: Immer zwei Wasserstoffatome (H) und ein Sauerstoffatom (O) sind zu einem Wassermolekül verbunden. Chemisch korrekt müsste man daher auch „Diwasserstoff-Monoxid" statt „Wasser" sagen! Ein Wassermolekül kann so dargestellt werden:

Das Wassermolekül hat eine gewinkelte Struktur. Der Winkel zwischen den beiden Wasserstoffatomen beträgt ca. 104 Grad (°). Diese gewinkelte Struktur ergibt sich aus den zwei nicht bindenden Elektronenpaaren, die das Sauerstoffatom besitzt (diese werden durch die beiden Striche über dem Sauerstoffatom verdeutlicht). Wassermoleküle sind Dipole Im Wassermolekül sind je zwei Wasserstoffatome über eine Elektronenpaarbindung an ein Sauerstoffatom gebunden. Die Elektronenpaarbindung besteht aus zwei Elektronen und wird mit einem Strich verdeutlicht. Ein Maß für die Kraft, die Elektronen der Elektronenpaarbindung an sich zu ziehen, bezeichnet man als Elektronegativität (EN = Maß dafür, wie stark ein Atom gemeinsame Bindungselektronen anzieht). Unterschiedliche Atome weisen einen unterschiedlichen Elektronegativitätswert auf. Das Element mit der höchsten Elektronegativität ist Fluor (EN =4). Sauerstoff hat eine Elektronegativität von 3,5 und Wasserstoff von 2,1. Das wiederum hat Auswirkungen, wenn sich Atome zu einem Molekül zusammenfinden, wie das bei Wasser der Fall ist. Im Wassermolekül hat Sauerstoff also eine größere Elektronegativität als Wasserstoff und zieht damit die Elektronen der beiden Elektronenpaarbindungen an sich auf seine Seite. Somit ergibt sich für das Sauerstoffatom eine negative Teilladung (bezeichnet mit dem altgriechischen Buchstaben „delta“; δ-). Die Wasserstoffatome hingegen erhalten eine positive Teilladung (δ+). Aus der gewinkelten Struktur und den unterschiedlichen Elektronegativitätswerten von Sauerstoff und Wasserstoff ergibt sich ein negativer Ladungsschwerpunkt auf der Seite des Sauerstoffs und ein postitiver Ladungsschwerpunkt auf der anderen Seite des Wassermoleküls beim Wasserstoff.

Wassermoleküle sind somit ein Dipol bzw. Dipolmolekül (Zweifachpol). Mit seinen unterschiedlichen Ladungen an den Molekülenden weist Wasser ganz bestimmte elektrische Eigenschaften auf: Dipolmoleküle können nämlich untereinander in Wechselwirkung treten. Dabei nähert sich der positivere Teil (H) dem negativeren Teil (O) eines benachbarten Moleküls und bildet eine Wasserstoffbrückenbindung (in der. Abb. gestrichelt dargestellt).

Es entstehen richtige Ketten und die einzelnen Moleküle sind nicht mehr so frei beweglich. Allerdings sind Wasserstoffbrückenbindungen keine besonders feste Bindung, sondern im Vergleich zur Elektronenpaarbindung (also der Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im Wassermolekül) sehr schwache Kräfte. Trotzdem sind diese Wasserstoffbrückenbindungen verantwortlich für viele Eigenschaften des Wassers:    

den relativ hohen Siedepunkt, die Oberflächenspannung, den Aggregatzustand bei Raumtemperaturen und für die Anomalie des Wassers.

Bildung der Oberflächenspannung des Wassers Aufgrund ihres Dipolcharakters ziehen sich Wassermoleküle gegenseitig an und bilden Wasserstoffbrückenbindungen aus. Im Inneren der Flüssigkeit heben sich die Anziehungskräfte auf, da sie von allen Seiten gleichermaßen auf ein bestimmtes Molekül einwirken. Ein an der Oberfläche befindliches Wassermolekül wird dagegen einseitig nach innen gezogen, da die von den Teilchen der Luft aufgeübten Anziehungskräfte im Vergleich zu den starken Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen (Wasserstoffbrückenbindungen) sehr gering sind. Daraus resultiert die hohe Oberflächenspannung des Wassers.

Anomalie des Wasser Wasser hat eine besondere Eigenschaft, die es von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Es hat bei 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. Dieses nicht normale thermische Verhalten von Wasser wird in der Physik als Anomalie des Wassers bezeichnet. Bei Temperaturen über 4 °C verhält sich Wasser wie andere Flüssigkeiten. Bei Erhöhung der Temperatur dehnt es sich aus, bei Verringerung der Temperatur wird sein Volumen kleiner. Kühlt sich Wasser unter 4 °C ab, so wird sein Volumen bis 0 °C wiederum größer. Gefriert dann das Wasser, so dehnt es sich weiter aus. Während Wasser von 0 °C eine Dichte von etwa 1g/cm^3 hat, beträgt die Dichte von Eis bei 0 °C 0.92 g/cm^3. Deshalb schwimmt Eis auf Wasser. Das Verhältnis der Dichten von Eis und Wasser ist auch der Grund dafür, dass sich bei einem Eisberg etwa 9/10 unter Wasser und nur etwa 1/10 über Wasser befinden.

Die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur Durch genaue Messungen kann man die Abhängigkeit der Dichte des Wassers von der Temperatur ermitteln. In Bild 2 sind die Werte für die Dichte des Wassers bei unterschiedlicher Temperatur angegeben.

Siedepunkt Ob sich Wassermoleküle von der Oberfläche lösen und in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen können, hängt von zwei Faktoren ab: der kinetischen Energie des Molekls (Temperatur) und dem Druck von außen. Je mehr kinetische Energie ein Teilchen hat, desto schneller bewegt es sich und desto einfacher kann es sich aus der Verbindung mit den Nachbarmolekülen lösen. Um sich aus der Flüssigkeit zu lösen, muss ein Teilchen nicht nur die Bindung an die anderen Teilchen der Flüssigkeit überwinden, sondern auch den Druck von außen. Das Wassermolekül wird ständig von Luftmolekülen bombardiert und muss auch diesen Druck überwinden um gasförmig zu werden. Je kleiner der äußere Druck ist, desto weniger Energie wird dazu benötigt. (Je 300m Höhenanstieg sinkt die Siedetemperatur um 1°C.) Unter normalem Druck liegt der Siedepunkt von Wasser bei ca. 100°C. Der Grund für den hohen Siedepunkt des Wassers ist die so genannte Wasserstoffbrückenbindung. Sie sorgt dafür, dass die Wassermoleküle enger als gewöhnlich zusammenhalten und dadurch weniger leicht aus der Flüssigkeit austreten und in die Gasphase übertreten. Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine besondere Form des Zusammenhalts von Molekülen. Sie sind dabei nicht so fest gebunden wie bei einer gewöhnlichen chemischen Bindung aber der Zusammenhalt ist viel stärker als zum Beispiel bei Methan, das schon bei - 161 °C siedet. Schmelzpunkt Der Schmelzpunkt/Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0°C und ist im Vergleich zu beispielsweise Schwefelwasserstoff (-66°C) relativ hoch. Auch dies liegt an dem Aufbau des Wassermoleküls und dessen Neigung, über Wasserstoffbrückenbindungen vernetzte Cluster. Diese zusätzlichen Bindungen, die bei anderen Stoffen nicht vorkommen, müssen bei jedem Phasenübergang zusätzlich überwunden und berücksichtigt werden.

Aggregatszustände Gas In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nassdampf), wie er auch als Nebel oder in Wolken vorkommt.

Abb. 4: Wassermoleküle im gasförmigen Zustand. Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand unsichtbar ist wie Luft.

Flssig Ständig werden Wasserstoffbrücken zwischen den verschiedenen Wassermolekülen gebildet und auch wieder gebrochen. Im Durchschnitt bleibt der Prozentsatz der an den Wasserstoffbrückenbindungen beteiligten H-Atome konstant, doch die einzelnen Bindungen ändern sich ständig.

Abb. 5: Wassermoleküle im flüssigen Zustand. Fest Eis besitzt eine offene Käfigstruktur aus Sauerstoffatomen, die durch Wasserstoffbrücken, zwischen den an fixen Stellen des Kristalls lokalisierten Wassermolekülen (Gitterbausteine) verbunden sind. Da Eis wegen der großen Hohlräume zwischen den Gitterbausteinen eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat (etwa 90% der Dichte des flüssigen Wassers), schwimmt Eis auf der Oberfläche von Wasser.

Abb. 6: Wassermoleküle im festen Zustand.

Warum ist Wasser eigentlich so ein gutes Lösungsmittel? Wieder einmal lohnt sich hier ein Blick in die Chemie: Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften seiner molekularen Struktur: Der relativ einfache Aufbau aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen macht Wasser zu einem idealen Lösungsmittel für feste, flüssige und gasförmige Stoffe. Das Wassermolekül ist nämlich ein „Dipol“ (Zweifachpol): Das Sauerstoffatom hat eine negative Teilladung (bezeichnet mit dem altgriechischen Buchstaben „delta“; δ-), die Wasserstoffatome haben eine positive Teilladung (δ+). Geladene Teilchen wie Salze oder andere polare Flüssigkeiten (z. B. Säuren) lösen sich daher sehr gut im Wasser, weil sich die ungleichen Ladungen gegenseitig anziehen.

Beispiel: Im festen Salz ordnen sich die positiven und negativen Ionen abwechselnd an, sodass sich ein dreidimensionales Gitter ergibt – das Ionengitter. Kochsalz (= Natriumchlorid) besteht aus positiv geladenen Natrium-Ionen und einem negativ geladenen Chlorid-Ion. Diese ziehen sich gegenseitig an. Wenn man nun Kochsalz in Wasser gibt, passiert Folgendes:

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Die Ionen lösen sich aus ihrer Gitterstruktur und sind im Wasser frei beweglich. Die Wassermoleküle umlagern das positive Natrium-Ion so, dass das schwach negativ geladene Sauerstoffatom zum positiven Natrium-Ion zeigt. Das negative Chlorid-Ion hingegen wird von den Wassersmolekülen so umlagert, dass die schwach positiv geladenen Wasserstoffatome zu ihm zeigen. Die Anlagerung der Wassermoleküle an gelöste Ionen nennt man „Hydratation“. Die nun von den Wassermolekülen umschlossenen Ionen lösen sich im Wasser auf. Wie gut sich feste, flüssige und gasförmige Stoffe im Wasser lösen lassen, ist oft sehr stark von der Temperatur abhängig. Fette und Öle, die eine große Molekülstruktur haben oder nicht geladen sind, werden vom Wasser abgestoßen. Das kannst du gut beobachten, wenn du zum Beispiel Öl ins Nudelwasser gibst. Das Öl löst sich nicht auf, sondern „schwimmt“ auf dem Wasser. Wasserlösliche Stoffe bezeichnet man übrigens als „hydrophil“, wasserunlösliche Stoffe als „hydrophob“.

Fachdidaktischer Teil: Vier Arten von Experimenten: »Fr die Grundschule werden unter dem Begriff Experiment h ufig verschiedene Formen zusammengefasst.« Nach Grygier und Hartinger (2009) können Experimente durch zwei Merkmale definiert werden: durch die Fragestellung, die untersucht werden soll, und durch die Art und Weise, wie beim Versuch vorgegangen werden soll. Zu beiden Merkmalen können von der Lehrkraft Vorgaben gemacht werden, oder aber es werden Freiräume gelassen. Dadurch entsteht nach Grygier und Hartinger folgende Matrix mit vier Optionen für »Experimentierformen«: Werden keine Fragestellungen und wird den Schülern auch keine Vorgehensweise vorgegeben, so können die Kinder frei explorieren. Schüler können hier wählen, ob sie Versuchsanleitungen nutzen oder selbsttätig an die Materialien herangehen wollen. Diese Art soll in erster Linie Interesse und Kreativität fördern. Beispiel: Stationenarbeit – verschiedene Stationen mit Versuchen zu Wasser (Wahlweise mit Anleitungen) Gibt es für die Ausführenden keine vorgegebene Untersuchungsfrage, jedoch eine vorgegebene Anleitung (sog. Versuchsanleitung), so bezeichnen Grygier und Hartinger diese Schüleraktivität als Versuch. Hier steht noch nicht das eigenständige Problemlösen im Vordergrund. Gute Versuche eignen sich dazu, eigene Fragestellungen zu formulieren und so Entwicklungen auf dem Weg zum Experimentieren zu fördern. Versuche können aber auch mit einer Art Algorithmus versehen sein. Die Autoren schlagen hierfür z.B. die Reihenfolge vor: (Versuchsplan) lesen – vermuten – durchführen – Vermutung prüfen – erklären. Beispiel: Schwimmobjekt Benötigte Materialien: 1 Karotte, Messer, Schneidebrett, Zahnstocher, 1 Glas Wasser Durchführung: 1. Schneide zwei Scheiben von der Karotte ab. 2. Breche ein paar Zahnstocher in zwei Teile. 3. Stecke 5 bis 6 halbe Zahnstocher in eine der beiden Karottenscheiben. 4. Lege nun beide Karottenscheiben in das Glas und fülle es mit Wasser. Eine weitere, bereits anspruchsvollere Variante bezieht sich darauf, dass bei den Schülern eine Fragestellung vorhanden ist, jedoch noch vorgegeben wird, was der Reihe nach zu tun ist. Eine »Laboranleitung« nimmt die Schüler sozusagen an die Hand und führt die Akteure über die Fragestellung, die Hypothesenbildung und über konkrete Handlungsanweisungen zur Durchführung und zur Erklärung eines »Experiments«. Diese Art »vorstrukturierten Experimentierens« bezeichnet Wiebel (2000) als laborieren. Beispiel: Fragestellung: Schwimmendes Eis schmilzt – Nimmt das Wasservolumen zu? Anleitung: Gib in ein Glas einen Eiswürfel und fülle dann das Glas randvoll mit flüssigem Wasser. Warte, bis das Eis geschmolzen ist. Passe auf, dass das Glas ruhig steht. Beobachte, ob das Wasser überläuft.

Die »Höchstform« der naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen, das Experimentieren (im eigentlichen Sinne), ist dann erreicht, wenn Schüler sich zu einer vorhandenen Fragestellung, die sie im Idealfall selber entwickelt haben, den idealen oder zumindest einen möglichen (experimentellen) Lösungsweg suchen. Dazu ist es notwendig, die zu untersuchenden Parameter gezielt zu variieren, nicht relevante Parameter konstant zu halten usw. Beispiel: Schwimmt es oder schwimmt es nicht? Welche Materialien bleiben an der Oberfläche und welche sinken zu Boden?

Bezug zu Bildungsstandards (Wasser und experimentieren, wieso?)

Bildungsstandards und Inhaltsfelder Kompetenzbereiche Erkenntnisgewinnung Erkunden und untersuchen

Bildungsstandards Die Lernenden können 􏰀betrachten und gezielt beobachten, 􏰀Vermutungen anstellen und Fragen formulieren, 􏰀Informationen sammeln und ordnen, 􏰀Problemstellungen benennen, 􏰀einen Versuch sachgerecht und unter Berücksichtigung der Sicherheitsaspekte aufbauen, durchführen und auswerten, 􏰀Versuche unter einer Fragestellung planen, durchführen und auswerten, auch unter Veränderung von Parametern, 􏰀Messgeräte sachgerecht nutzen, 􏰀Merkmale vergleichen, strukturieren und einordnen, 􏰀Daten erheben, darstellen und auswerten, 􏰀Darstellungsformen deuten und sachbezogen nutzen, 􏰀Text- und Bildquellen in den jeweiligen Kontext einordnen und auswerten, 􏰀Lösungsansätze finden, umsetzen und auswerten, 􏰀Erkenntnisse prüfen, bewerten und Konsequenzen für das eigene Handeln ableiten und beschreiben. 􏰀Pläne lesen und nutzen,

Planen und konstruieren 􏰀Entwürfe und Pläne erstellen, 􏰀Modelle nutzen, um Zusammenhänge zu erklären, 􏰀Pläne und Vorgangsbeschreibungen produktorientiert umsetzen.

Kommunikation Die Lernenden können Darstellen und formulieren 􏰀treffende Begriffe und Symbole verwenden, 􏰀zu Planungs- und Auswertungsgesprächen sachbezogen einen Beitrag leisten, 􏰀Beobachtungen, Vermutungen,

Erkenntnisse und Empfindungen als solche versprachlichen, 􏰀Interessen wahrnehmen und artikulieren, 􏰀Argumente prüfen, akzeptieren, modifizieren oder verwerfen,

Dokumentieren und präsentieren 􏰀Sachverhalte beschreiben und sachgerecht darstellen, 􏰀Ergebnisse in geeigneter Form festhalten, 􏰀geeignete Präsentations- und Darstellungsformen auswählen und einsetzen.

Bewertung Die Lernenden können Informationen, Sachverhalten und Situationen beurteilen

􏰀Reales, Fiktives und Virtuelles unterscheiden und einordnen, 􏰀die eigene Meinung unter Berücksichtigung verschiedener Sichtweisen begründen und vertreten, 􏰀Vergangenes, Gegenwärtiges und Zukünftiges einordnen und in Bezug setzen, 􏰀gesellschaftliche und naturwissenschaftlich-technische Sachverhalte und Zusammenhänge benennen und hinterfragen, 􏰀Maßnahmen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und der anderer Lebewesen benennen.

Inhaltliche Konzepte des Faches, welche Wasser betreffen: Auf der Welt geht nichts verloren3 Stoffe können sich verändern, sie verschwinden aber nicht. Natur Unsere natürliche Umwelt lässt sich unter chemischen, physikalischen, biologischen und geographi- schen Gesichtspunkten betrachten. Die daraus gewonnenen

naturwissenschaftlichen Lernerfahrungen und Kenntnisse tragen zu einer positiven und fragenden Grundhaltung unserem natürlichen Lebens- raum gegenüber bei. Sie eröffnen Möglichkeiten, Phänomene und Alltagssituationen aus naturwissen- schaftlicher Perspektive zu deuten und zu verstehen. Der Mensch trägt Verantwortung für sich und die Umwelt. Er nutzt natürliche Ressourcen zur Siche- rung seiner Existenz und muss sich mit der Endlichkeit dieser Vorräte auseinandersetzen. Ökologische Erkenntnisse beeinflussen Gesellschaft und Politik in zunehmendem Maße.

Inhaltsfelder Natur: Kinder begegnen in ihrem Alltag chemischen Vorgängen, physikalischen und geographischen Phänomenen sowie biologischen Zusammenhängen. Um diese zu erschließen, bedarf es der Einsicht in physikalische, chemische, bio- logische und geographische Grundprinzipien, in einfache kosmologische Zusammenhänge und in Bezüge. Eine vielschichtige, strukturierte und vor allem handelnde und reflektierende Auseinandersetzung mit belebter und unbelebter Natur ermöglicht die systematische Aneignung von Wissen sowie das Erkennen und Nutzen von Regel- haftigkeiten in den Naturwissenschaften; typische naturwissenschaftliche Verfahrensweisen werden dabei deutlich. Sie legen eine erste Grundlage für ein angemessenes Wissenschaftsverständnis. Grundsätzliche Eigenschaften von Stoffen erschließen sich durch einfache Versuchsanordnungen in experimenteller Tätigkeit. Anhand ausgewählter natürlicher Phänomene und Lebensräume, Kreisläufe und Ökosysteme werden Beziehungen und die Vielfalt in der Natur deutlich. Die Kinder erfahren Entwicklungsvorgänge, wie die Entstehung von Leben. Ihre Bereitschaft zur Gesunderhaltung des eigenen Körpers und der Seele wächst auf der Grundlage eines positiven Selbstkonzepts....