Das Wassermolekül

Das Fach Chemie ist die Naturwissenschaft, die sich mit der Untersuchung und Beschreibung von Stoffen und deren chemischen Reaktionen als Einheit aus Stoff- und Energieumwandlung, Teilchenveränderungen und Umbau chemischer Bindungen beschäftigt. Über Beobachtungen und Erfahrungen aus dem Alltag sowie durch Kenntnisse über chemische Reaktionen der Gase Sauerstoff und Wasserstoff wird ein experimenteller Zugang zum Themenfeld Wasser geschaffen. Ein wesentlicher Begriff, welcher im Rahmenlehrplan Berlin-Brandenburg explizit mehrfach genannt und der in dem vorliegenden Unterrichtsmaterial eingeführt wird, ist „Elektronegativität“. Dieser bildet die Grundlage für das Verständnis eines differenzierten Modells der Elektronenpaarbindung im Wassermolekül und der Ausbildung eines Dipols.

Bezüge zu den Basiskonzepten, die im Bildungsplan fest verankert sind, bilden das Stoff-Teilchen-Konzept (Wasser besteht aus Molekülen) sowie das Struktur-Eigenschafts-Konzept (Eigenschaften von Wasser lassen sich auf die Struktur und die inter- und intramolekularen Wechselwirkungen der Wassermoleküle zurückführen).

¹ Die Auswahl der Sozialformen ist als Vorschlag zu verstehen und kann von der Lehrperson an die individuellen Lernverhältnisse angepasst werden (die Arbeitsaufträge im Material sollten dementsprechend modifiziert werden).

Das Thema „Das Wassermolekül“ im Unterricht

Die vorliegende Unterrichtseinheit zum Thema „Das Wassermolekül“ befasst sich mit dem chemischen Aufbau des Wassermoleküls (Stoff-Teilchen-Konzept) und seinen Eigenschaften. Wesentliche Inhalte, die die Schüler:innen erlernen, sind neben der chemischen Formel von Wasser, der Begriff der Elektronegativität. Dieser Begriff bildet die Grundlage für das Verständnis eines differenzierten Modells der Elektronenpaarbindung im Wassermolekül und der Ausbildung eines Dipols. Darüber hinaus erarbeiten sich die Lernenden die Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel, erfahren, dass die besonderen Eigenschaften von Wasser auf die Wasserstoffbrückenbindung zurückzuführen sind, und lernen die Waschwirkung von Tensiden genauer kennen. Bezüge zur Lebenswelt der Schüler:innen lassen sich durch eine Vielzahl an möglichen Experimenten und Versuchen herstellen (s. h. Ablaufplan 4. Stunde).

Vorkenntnisse

Vorkenntnisse zu naturwissenschaftlichen und chemischen Basiskonzepten (Stoff-Teilchen-Konzept) sind empfehlenswert. Auch Kenntnisse zu den Stoffeigenschaften (Aggregatzustände) von Wasser sind vorteilhaft. Materialien zu letzterem finden Lehrkräfte auf klassewasser.de.

Methodische Analyse

Der Einstieg in die Einheit über das Wassermolekül erfolgt über einen stummen Impuls: Die Lehrkraft notiert H₂O an die Tafel, ohne dies zu kommentieren. Der Zweck dieses Einstiegs erfüllt zwei Funktionen. Zum einen aktiviert es Vorwissen, zum anderen kann die Lehrkraft das vorhandene Wissen der Schüler:innen bestimmen. Anhand der Reaktion der Lernenden und deren Diskussion erfasst die Lehrkraft den Wissensstand der Klasse und kann ggf. unbekannte Begrifflichkeiten erläutern bzw. einzelne Unterrichtsphasen abkürzen.

Ist das Thema der Einheit bestimmt und eine Überleitung erfolgt, bearbeiten die Schüler:innen das AB 1. In Einzel- oder Partnerarbeit befassen sie sich mit dem Wassermolekül, seiner chemischen Darstellung sowie mit den Fachbegriffen „Elektronenpaarbindung“, „Elektronegativität“, und „Dipol“. Nach dieser ersten Erarbeitungsphase haben sich die Lernenden eine Basis geschaffen, können den Unterschied zwischen Atomen und Molekülen und den Umstand, dass Wasser in der Chemie als H₂O bezeichnet wird, erklären.

In der anschließenden Sicherung werden die wesentlichen Inhalte an der Tafel und im Heft gesichert. Wesentliche Begriffe, die auch im Hinblick auf eine Klausur im Heft festgehalten werden, sind: Molekül(bau), Elektronenpaarbindung, Elektronegativität und Dipol. Auch der Begriff „Wasserstoffbrückenbindung“ wird angerissen. Dieser ist Teil der nächsten Erarbeitungsphase, zu der übergeleitet wird.

Als Anregung für eine Schüleraktivierung sowie für ein nachhaltiges Lernen bietet es sich an, die Klasse in Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome einzuteilen und ihnen den Auftrag zu geben, sich zu H₂O zusammenzufinden. Wie bereits durch die Überleitung angekündigt, befassen sich die Lernenden in der zweiten Erarbeitungsphase mit der Wasserstoffbrückenbindung. Diese Thematik erarbeiten sich die Schüler:innen mithilfe des Erklärvideos von funk (Was sind Wasserstoffbrückenbindungen? I musstewissen Chemie - YouTube). In Einzel- oder Partnerarbeit bearbeiten sie den Arbeitsauftrag 1 auf dem AB 2. Die entsprechenden Aufgaben zielen darauf ab, die besonderen Eigenschaften von Wasser auf die Wasserstoffbrückenbindung zurückzuführen und diese chemisch erklären zu können. Die Ergebnisse werden im Plenum diskutiert und das Tafelbild um jene Aspekte ergänzt und erweitert.

Thema der zweiten Stunde ist „Wasser als Lösungsmittel“. Je nach Leistungsstand und -stärke der Klasse kann die zweite Stunde auch bereits in der Erarbeitung der Wasserstoffbrückenbindung nach der ersten Sicherung angesetzt werden. Das Thema „Wasser als Lösungsmittel“ erarbeiten sich die Lernenden mithilfe der Website von klassewasser.de (klassewasser.de Wasser als Lösungsmittel - Jugendliche) und des Arbeitsauftrags 2 auf dem AB 2. Sie ergründen, weshalb Wasser ein gutes Lösungsmittel ist, und erklären die Begriffe hydrophil und hydrophob. Anschließend werden die Ergebnisse im Plenum gebündelt und das Tafelbild der Unterrichtseinheit zum Wassermolekül erweitert.

Zu Beginn der dritten Stunde halten die Schüler:innen die bisherigen Ergebnisse fest. Als Hilfestellung kann die Lehrkraft (je nach Leistungsstärke oder zur Binnendifferenzierung) einen Blick in das Heft gestatten. Die Zusammenfassung zu Stundenbeginn hat den Zweck, die gesamte Klasse abzuholen und auf ein gemeinsames Level zu bringen. Besonders bei längeren Einheiten, die sich über mehrere Stunden verteilen, ist ein knapper Rückblick sinnvoll, um ein Weiterarbeiten mit allen Schüler:innen zu gewährleisten.

Im Fokus der dritten Stunde steht die Waschwirkung von Waschmitteln und Seife. Die Lernenden erarbeiten sich die Inhalte auf klassewasser.de (klassewasser.de Waschwirkung - Jugendliche) und bearbeiten das AB 2. Sie erfassen, wie ein Waschvorgang aus chemischer Sicht und auf Teilchenebene funktioniert. Der Begriff „Tenside“ wird eingeführt und die Lernenden erklären die Wirkung von Tensiden bei einem Waschvorgang. Auch an diese Erarbeitungsphase anknüpfend wird das Tafelbild kontinuierlich weitergeführt und erweitert. Für eine Binnendifferenzierung und/ oder haptisches Lernen kann die Lehrkraft einen Molekülbaukasten einsetzen und die Schüler:innen H₂O-Moleküle bauen lassen. Diese können anschließend wiederum zu 3D-Gitter angeordnet werden. Die vierte Stunde schließt die Unterrichtseinheit mit unterschiedlichen Versuchen rund ums Wasser ab. Die Versuche zielen auf die verschiedenen Stundenthemen zum Wassermolekül ab, die die Schüler:innen nicht nur durchführen, sondern auch ihre Beobachtungen (chemisch) erklären sollen. Dadurch haben die Experimente einen wiederholenden, festigenden und schüleraktivierenden Charakter.

Didaktische Analyse: Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schüler:innen

• kennen die Eigenschaften von Wasser.
• kennen das Verhalten von Wasser als Lösungsmittel, können die Begriffe hydrophil und hydrophob erklären sowie Beispiele für hydrophile und hydrophobe Stoffe nennen.
• kennen die chemische Formel von Wasser, können diese erklären und den Unterschied zwischen Atomen und Molekülen erläutern.
• können die Wechselwirkung zwischen Wasserstoffbrückenbindung und den Aggregatzuständen von Wasser sowie deren Phänomene erläutern.
• können den Begriff „Elektronegativität“ erklären.
• wissen, was man unter „Tenside“ versteht und erklären ihre Wirkung beim Waschen.

Medienkompetenz

Die Schüler:innen

• arbeiten diszipliniert am PC oder Laptop.
• trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten.

Sozialkompetenz

Die Schüler:innen

• lernen einander zuzuhören und eigene Ergebnisse zu präsentieren.