Naturwissenschaften

Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln

Veröffentlicht am 18.02.2010
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • variabel
  • Arbeitsmaterial, Audiovisuelles Medium, Arbeitsblatt, Lernkontrolle, Thematischer Hintergrund
  • 1 Arbeitsmaterial

Lernende stellen im Schülerexperiment Nano-Goldpartikel her und erkennen die Farbe der Goldsole als größenabhängige Eigenschaft der Nanopartikel. Interaktive Lernumgebungen visualisieren die Reaktionen auf der Teilchenebene und ermöglichen die Untersuchung der Nanopartikel im virtuellen Elektronenmikroskop.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Kombination von Realexperiment und Computereinsatz

Die Nanotechnologie und speziell die chemische Nanotechnologie bieten Schülerinnen und Schülern keinen unmittelbaren Zugang. Nanoplättchen, Nanostäbchen oder Nanopartikel lassen sich im Schülerexperiment zwar leicht herstellen, zum Beispiel durch Fällungen, jedoch lichtmikroskopisch nicht sichtbar machen. Ein Elektronenmikroskop wäre dafür erforderlich, aber eine solche Hochtechnologie-Apparatur ist für Schule und Schülerlabor viel zu teuer und zu empfindlich. Aus diesem Dilemma heraus entstand die vorliegende Unterrichtseinheit: Für die Präparation von Nanopartikeln sollen die Schülerinnen und Schüler vorzugsweise selbstständig experimentieren und damit die Faszination des Experiments erleben. Die Untersuchung der Produkte im virtuellen Elektronenmikroskop einer interaktiven Lernumgebung erfolgt nach dem Realexperiment im Rechnerraum der Schule.

Eine Alternative: Außerschulische Lernorte

Falls die räumlichen Möglichkeiten für das Schülerexperiment in der Schule nicht gegeben sind, kann dieser Teil der Unterrichtseinheit in einem außerschulischen Schülerlabor, zum Beispiel an einer Universität, stattfinden. Alternativ kann die Lehrperson den Versuch als Demonstrationsexperiment vorführen. In jedem Fall können die Schülerinnen und Schüler den Versuch am Rechner multimedial durchführen beziehungsweise wiederholen.

  • Teil 1: Kolloidale Systeme
    Nach der (optionalen) Herstellung von Nano-Goldpartikeln werden die Vorgänge auf der Teilchenebene mithilfe einer Lernumgebung visualisiert.
  • Teil 2: Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
    Schülerinnen und Schüler lernen die Funktionsweise eines Elektronenmikroskops kennen und untersuchen virtuell die Größe von Nano-Goldpartikeln.
  • Materialien
    Hier finden Sie Hinweise zum Einsatz der klassischen Arbeitsblätter und der Lernumgebungen sowie detaillierte Handreichungen zu den virtuellen Experimenten.
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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz - kolloidale Systeme

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die Begriffe Kolloid und Nanopartikel und ihren Zusammenhang kennen.
  • die Dimension nanoskaliger Materialien kennen und zu bekannten Materialien anderer Dimensionen in Beziehung setzen können.
  • den Begriff kolloidale Dispersion kennen und kolloidale Dispersionen in Zweistoffsystemen je nach Aggregatzustand der dispersen Phase und des Dispersionsmittels klassifizieren können.
  • Methoden zur Unterscheidung zwischen "echten" Lösungen, kolloidalen Dispersionen und grobdispersen Systemen kennen.
  • die Synthese von Goldkolloiden durchführen.
  • wissen, dass die optischen Eigenschaften der hergestellten Goldkolloide im Zusammenhang mit der Größe der Kolloide stehen.
  • den Begriff Koagulation/Aggregation kennen.

Fachkompetenz - Transmissionselektronenmikroskop

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • das TEM als Werkzeug zur Visualisierung von Nanopartikeln kennen.
  • begründen, warum Nanopartikel nicht mithilfe eines Lichtmikroskops beobachtet werden können.
  • den Aufbau und den Strahlengang des Elektronenstrahls im TEM kennen.
  • wissen, warum im Vakuum gearbeitet werden muss.
  • die Bilderzeugung im TEM als Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Probe kennen.
  • elastisch und unelastisch gestreute Elektronen als Ursache für die verschiedenen Kontraste im elektronenmikroskopischen Bild kennen.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaHerstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln
AutorenKatrin Prete, Dr. Walter Zehren, Prof. Dr. Rolf Hempelmann
FächerChemie, Physik
Zielgruppeab Klasse 9
Technische VoraussetzungenMöglichkeit für chemisches Experimentieren (optional); Rechner in ausreichender Anzahl (Partnerarbeit), mindestens ein Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player 9

Dr. Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert.

Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab.


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