Flash-Animation zur Stromleitung bei Energiezufuhr
Unterrichtseinheit
Virtuelle Experimente mit realitätsnahem Design, inhaltlich untermauert mit Erklärungsmodellen aus dem Teilchenbereich und überprüfbar durch einfache reale Versuche, machen auch weniger spektakuläre Aspekte der Chemie interessant – wie zum Beispiel die Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit.Die Chemie-Didaktik der Chemiedidaktik der Bergischen Universität Wuppertal hat zu diesem Thema Unterrichtsmaterialien mit dem Qualitätsmerkmal ?interaktiv? entwickelt und im Internet veröffentlicht. Der technisch und grafisch gut aufbereitete Stoff ermöglicht den SchülerInnen eine weitgehend eigenständige Erarbeitung der Inhalte. Alle Darstellungen sind übersichtlich und ansprechend gestaltet. Ihre Funktionalität erschließt sich intuitiv. Die Teilchenmodelle sind durch entsprechende Bildlegenden eindeutig interpretierbar. Über das Themen-Menü kann man sich von den metallischen Leitern zu den leitenden Lösungen bewegen. Innerhalb der einzelnen Themen befinden sich rechts oben Buttons, mit deren Hilfe man von den jeweiligen Versuchen zu den entsprechenden Modelldarstellungen wechseln kann. Das Konzept hat drei Standbeine: Kurze Versuchsanweisungen in Textform Interaktive virtuelle Experimente (Flash-Animation) Deutungen der chemischen Vorgänge in Form altersgerechter Modelldarstellungen (Kugelteilchenmodelle). Interaktiver Versuch Das Versuchs-Modul zeigt ein dem realen Versuch nachempfundenes Szenario: Ein geschlossener Stromkreis aus Batterie, Amperemeter und Glühbirne enthält eine Drahtwendel. Das Messgerät zeigt bei aufleuchtender Glühbirne einen Stromfluss an. Durch den "Aufgabe-Button" lässt sich eine kurze Versuchsanleitung aufrufen. Im interaktiven Experiment wird ein Streichholz durch Anklicken mit der linken Maustaste entzündet. Beim Loslassen der Maustaste erlischt das Zündholz. Die Erwärmung der Wendel durch die Flamme führt zu einer Reduktion des Stromflusses und die Leuchtkraft der Glühbirne nimmt deutlich ab. Modelldarstellung Die Modelldarstellung zeigt das Schema eines Stromkreises mit einem elektrischen Leiter, dessen "Innenleben" als Kugelmodell mit schwingenden Atomrümpfen und frei beweglichen Elektronen dargestellt ist (stellvertretend für die Drahtwendel aus dem Versuch). Der "Strom-Button" schließt den Stromkreis und Elektronen wandern durch den Leiter - das Amperemeter zeigt einen Stromfluss an. Durch den Button "Wärmezufuhr" wird die Drahtwendel erhitzt: Die Atomrümpfe schwingen infolge der Energiezufuhr stärker und behindern deshalb den Elektronenfluss: Der elektrische Widerstand des Leiters steigt, der Stromfluss sinkt - ablesbar am Amperemeter. Mit Hilfe dieses Teilchenmodells können die SchülerInnen die Beobachtungen aus dem Versuch erklären. Interaktiver Versuch Das Modul zeigt wiederum ein dem realen Experiment nachempfundenes Szenario: einen geschlossener Stromkreis aus Spannungsquelle, Amperemeter und Zinkiodid-Lösung. Nachdem das Spannungsgerät (links) eingeschaltet ist, zeigt das Amperemeter einen Stromfluss an. Nach dem Betätigen des Gashahns (rechts) erwärmt der Bunsenbrenner die Zinkiodid-Lösung. Die Temperatur der Lösung steigt dabei auf maximal 80 Grad Celsius, bevor sich der Brenner automatisch abschaltet. Bei der Erwärmung nimmt - bei konstanter Spannung - der Stromfluss zu. Während sich an der Kathode (links) durch die Reduktion der Zink-Ionen metallisches Zink abscheidet, färbt sich Lösung im Bereich der Anode infolge der Oxidation von Iodid-Teilchen zu Iod-Molekülen gelb-braun. Rechts unten befindet sich ein Button, mit dem die Ausgangssituation des Versuchs wieder hergestellt werden kann. Modelldarstellung I Das Modell folgt in seinem formalen Aufbau der Modelldarstellung zum Thema "Metallische Leiter". Der "Strom-Button" schließt den Stromkreis und per Kugelmodell werden die Reduktions- und Oxidationsreaktionen an Kathode und Anode visualisiert. Die Versuchsbeobachtungen - Bildung von elementarem Zink und Iod während des Stromflusses - können so erklärt werden. Die Aktivierung des "Wärmezufuhr-Buttons" beschleunigt die Wanderung der Ionen zu den Elektroden: Der elektrische Widerstand der Lösung sinkt, der Stromfluss steigt - ablesbar am Ausschlag des Amperemeters. Ein Diagramm, dass fakultativ angezeigt werden kann, zeigt zusätzlich die Zunahme des Stromflusses mit der Temperatur der Lösung. Modelldarstellung II Dieses Modell veranschaulicht, wie die Erwärmung der Lösung über eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit den Transport der hydratisierten Ladungsträger beschleunigt. Der elektrischen Widerstand wird dadurch reduziert. Unter "Fragen zur Animation" werden diese Zusammenhänge schülergerecht auf den Punkt gebracht. Klickt man die Kugelmodelle der Animation an, erscheinen die Lewisstrukturen der Iodid-Ionen und der Wassermoleküle. Bei gedrückter linker Maustaste werden zudem die Polarität der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen sowie die Partialladungen des Dipolmoleküls dargestellt. Um den Effekt des "Wärme-Buttons" in der Animation zu erkennen, muss man allerdings genau hinsehen.
