Die Präsentation virtueller 3D-Moleküle per Beamer während des Unterrichtsgesprächs rückt die Objekte visuell und kognitiv in den Focus. Die Präsentation unterstützt die Arbeit mit „klassischen“ 3D-Molekülmodellen. Lernende können auch zuhause auf die Molekül-Viewer im Web zurückgreifen, den Unterrichtsstoff rekapitulieren und Molekülstrukturen experimentell erkunden.Molekülmodelle werden im Unterricht in der organischen Chemie notwendig, wenn den Schülerinnen und Schülern eine räumliche Vorstellung vom Molekülbau vermittelt werden soll. Dies kann sehr gut über Molekülbaukästen erfolgen, wenn jede Schülerin und jeder Schüler die Möglichkeit hat, selbstständig 3D-Modelle aufzubauen und dabei ein Verständnis für die räumliche Organisation der Atome in Molekülen zu entwickeln. Im Unterrichtsgespräch wird der Aufbau von Molekülen in Bezug auf ihre äußere und innere Struktur verbalisiert. Die Visualisierung durch die ?klassische? Verfahrenweise, das Hochhalten von Kugelgitter-Modellen zur Verknüpfung des konkreten Objektes mit entsprechenden Begriffen, ist in seiner Wirkung durch die geringe Größe der Modelle jedoch begrenzt. Eine wirksamere Alternative bietet hier die großflächige Projektion virtueller und dynamischer (manipulierbarer) 3D-Moleküle per Beamer. Dadurch rückt das Objekt im Unterrichtsgespräch visuell und kognitiv stärker in den Focus der Schülerinnen und Schüler. Technik, Stoffauswahl und Dynamik der 3D-Modelle Screenshots veranschaulichen die Möglichkeiten zur Schaffung einer Grundlage für das Verständnis von Struktur und Reaktion mithilfe von 3D-Modellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen mithilfe der Molekül-Viewer verstehen, dass Moleküle nicht aus kleinen Kugeln und Stäbchen sondern aus sich durchdringenden Atomen bestehen und eine charakteristische Oberfläche haben. den Zusammenhang zwischen Molekülstrukturen und -oberflächen und den chemischen Eigenschaften und Reaktionen der Stoffe erkennen. Strukturisomerie und Stereoisomerie mithilfe "klassischer" Vertreter anschaulich begreifen (Isomere von Propanol und Butanol, Enantiomere der Milchsäure). Thema Strukturen organischer Moleküle Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe einfache organische Moleküle: ab Klasse 10; komplexere Moleküle: ab Jahrgangstufe 11; anorganische Moleküle: ab Klasse 10 Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Internetanschluss, Beamer, Java Runtime Environment (kostenloser Download) Die hier vorgestellten und für den Unterricht konzipierten Online-Angebote der Website "Chemie interaktiv" zur Darstellung von 3D-Molekülen wurden mit dem Open-Source-Tool Jmol entwickelt. Zur Nutzung der Angebote benötigen Sie lediglich das kostenlose Plugin Java Runtime Environment . Die präsentierten Moleküle lassen sich im Browser in drei Dimensionen mit der Maus beliebig drehen und wenden. "Chemie interaktiv" bietet vier verschiedene Möglichkeiten, die Moleküle zu präsentieren: Viewer A: Projektion eines Moleküls in einer quadratischen Präsentationsfläche. Viewer B: Projektion eines lang gestreckten Moleküls in einer rechteckigen, horizontalen Präsentationsfläche, zum Beispiel für die Darstellung eines Phospholipids. Viewer C: Projektion und Vergleich von zwei Molekülen in übereinander liegenden Präsentationsflächen. Viewer D: Projektion und Vergleich von zwei nebeneinander liegenden Molekülen. Über Buttons oberhalb der 3D-Modelle (siehe Abb. 1) kann zwischen den verschiedenen Viewern (A-D) gewechselt werden. Nach einem Wechsel müssen die Moleküle neu ausgewählt werden. Das Angebot der auswählbaren Moleküle wird kontinuierlich ergänzt. Zurzeit stehen neben Alkanen (Methan bis Decan) einige Alkohole (unter anderem die Isomere von Propanol und Butanol), einfache Aldehyde (Methanal bis Propanal), Propanon, einige Carbonsäuren (zum Beispiel die Enantiomere der Milchsäure) sowie einige Biomoleküle (Chlorophyll a, beta-Carotin, Cholesterin, Phospholipid) und anorganische Verbindungen zur Verfügung (unter anderem einige Säuren und Gase). Modellwechsel Die Moleküle werden, nachdem sie über das Pull-down-Menü zur Stoffauswahl ausgewählt wurden, zunächst im Kugelstäbchen-Modell dargestellt. Über das Menü lassen sie sich in komplett ausgefüllte Raummodelle (Kalotten-Modelle) umwandeln oder auch nur als Draht- oder Stab-Modell darstellen. Um die Vielfalt der Möglichkeiten darzustellen, zeigt Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) ein Modell der L-Milchsäure im Kugelstäbchen- und ein Modell der D-Milchsäure im "75 Prozent Kalotten-Modell". Zudem stehen viele weitere Funktionen zur Verfügung, zum Beispiel die Möglichkeit zur Wahl der Hintergrundfarben oder die Darstellung der van-der-Waals-Radien durch "Dots" (hierfür empfiehlt sich ein schwarzer Hintergrund). Struktur - Eigenschaft - Funktion Durch den Wechsel vom Kugelstäbchen- zum Kalotten-Modell wird den Schülerinnen und Schülern bewusst, dass die Moleküle nicht einfach nur aus kleinen Kugeln und Stäbchen (als Abstandshalter), sondern aus nebeneinander liegenden, sich durchdringenden Atomen (Kalotten) bestehen und dadurch eine charakteristische Moleküloberfläche erhalten. Abb. 2 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt Darstellungen von 1-Propanol und Propanal im "Oberflächen-Modus", 1-Propanol zusätzlich mit durchscheinendem Kugelstäbchen-Modell. Die Überführung zweidimensionaler Strukturformeln an der Tafel in charakteristische Oberflächen in der 3D-Projektion schafft eine Grundlage für das Verständnis chemischer Reaktionen (zum Beispiel Exposition funktioneller Gruppen, Polarisierungen und Landungsverteilungen in Molekülen) sowie für biologisch-physiologische Vorgänge im Zellgeschehen (enzymatische Reaktionen, membrangebundene Reaktionen, Rezeptorbindungen, hydrophile oder lipophile Eigenschaften) oder im gesamten Organismus (Hormonwirkungen an Zielorganen, Antigen-Antikörperreaktionen).

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität. Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.

In dieser Unterrichtseinheit für den Biologie- und Chemie-Unterricht beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der ATP-Synthase. Die Regeneration des zentralen zellulären Energieträgers wird zum überwiegenden Teil von der ATP-Synthase gewährleistet. Die hier vorgestellte Lernumgebung ermöglicht Schülerinnen und Schülern eine aktiv-forschende Auseinandersetzung mit der Funktionsweise dieses komplexen Enzyms. In der Unterrichtseinheit "ATP-Synthase - Synthese von Energieäquivalenten" kommen dynamische Arbeitsblätter zum Einsatz. Dies sind digitale Unterrichtsmaterialien, die neben Informationstexten, Aufgabenstellungen und Abbildungen auch dynamische Elemente beinhalten. Mehrere Arbeitsblätter können zu Lernumgebungen zusammengefügt werden. Die hier vorgestellte Lernumgebung enthält dreidimensionale Moleküldarstellungen, die es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, sich die Struktur und Funktion des Enzyms ATP-Synthase aktiv zu erschließen. Verschiedene Strukturelemente können ein- und ausgeblendet, die Moleküle beliebig gedreht und gewendet werden. Technische Grundlage der 3D-Moleküle ist der kostenfrei nutzbare Molekülbetrachter Jmol. Zudem enthält die Lernumgebung flashbasierte Animationen und Videos, die die ATP-Synthase aus ihrem "Black-Box-Dasein" im Unterricht herausholen sollen. Interaktive 3D-Moleküle eröffnen neue Wege des Lehrens und Lernens. Sie erlauben Visualisierungen, die mit traditionellen Materialien nicht realisierbar sind. Mit der Maus können Moleküle bewegt sowie bestimmte Strukturelemente hervorgehoben oder ausgeblendet werden. Die Struktur-Funktions-Beziehungen werden in der Unterrichtseinheit "ATP-Synthase - Synthese von Energieäquivalenten" durch die detaillierte und schrittweise Untersuchung von 3D-Modellen der ATP-Synthase begreifbar. Die Lernenden arbeiten im Computerraum selbstständig in Partner- oder Einzelarbeit. Die Lehrperson hat dabei eine unterstützende Funktion. Alternativ können die Darstellungen der Lernumgebung zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs auch per Beamer im Fachraum projiziert werden. Vorbemerkungen und technische Hinweise Welche Vorteile bieten dynamische 3D-Moleküle im Allgemeinen und insbesondere bei der Untersuchung von Proteinstrukturen und -Funktionen? Welche kostenfreien Plugins werden für den Einsatz der Lernumgebung benötigt? Das Konzept der Lernumgebung Vorgegebene Beobachtungsaufgaben dienen als "Leitplanken" bei der selbstständigen Entdeckungsreise in die Welt der Moleküle. "Informations-Popups" und "Expertenaufgaben" ermöglichen eine Binnendifferenzierung. Unterrichtsverlauf und Inhalte der Lernumgebung Nach dem Impuls durch eine Animation erarbeiten die Lernenden Struktur und Funktion der ATP-Synthase weitgehend selbstständig. Die Diskussion offener Fragen zur ATP-Synthase und zur Bedeutung von Modellen bildet den Abschluss. Die Schülerinnen und Schüler lernen die ATP-Synthase als Beispiel eines Enzyms kennen. lernen den Aufbau der ATP-Synthase kennen. erschließen ausgehend von dem molekularen Aufbau die Funktion der ATP-Synthase forschend-entdeckend. lernen die Möglichkeiten des Molekülbetrachters Jmol kennen und lernen den Umgang mit dem Werkzeug. beschreiben am Beispiel der ATP-Synthase den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion eines Enzyms. Räumliche Vorstellung als Verständnisvoraussetzung Das Vorstellungsvermögen von Schülerinnen und Schülern in Bezug auf die dreidimensionale Struktur von Enzymen ist meist schwach ausgeprägt. In Schulbüchern werden die Lernenden häufig mit "flachen" und schematischen Darstellungen konfrontiert. Moderne Lehrwerke enthalten zwar schon dreidimensional wirkende Grafiken, die mit einer Molekülbetrachter-Software erzeugt wurden. Dennoch haben die Jugendlichen oft große Schwierigkeiten, sich den Aufbau von Enzymen vorzustellen. Das führt häufig zu Verständnisproblemen oder auch falschen Vorstellungen über den Aufbau und die Funktionsweise der Biokatalysatoren. Die Kenntnis der dreidimensionalen Strukturen ist jedoch die Voraussetzung für ein tieferes Verständnis der Natur der Enzyme, ihrer Funktionen, der Interaktion zwischen Enzym und Substrat und vor allem der engen Beziehung zwischen Struktur und Funktion. Interaktive 3D-Moleküle eröffnen neue Wege des Lehrens und Lernens. Sie erlauben Visualisierungen, die mit traditionellen Materialien nicht realisierbar sind. Mit der Maus können Moleküle bewegt sowie bestimmte Strukturelemente hervorgehoben oder ausgeblendet werden. Werden die interaktiven Applets zusammen mit Texten, Grafiken und Animationen in HTML-Seiten eingebettet, entsteht eine neue Form von Arbeitsmaterial - das dynamische Arbeitsblatt. Der Vorteil: Interaktive Materialien, Aufgaben und Hilfen stehen in einem Medium auf einen Blick zur Verfügung! Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot von einem der Arbeitsblätter zur ATP-Synthase. Hinweise zu dynamischen Arbeitsblättern mit interaktiven 3D-Molekülen und deren Einsatz im Biologie- oder Chemieunterricht finden Sie in dem Übersichtsartikel "Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen" . Struktur von Enzymen - ein schwer zu vermittelndes Thema Im Anschluss an die Behandlung von Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette integriert die hier vorgestellte Lernumgebung das zu Beginn des Themenbereichs "Stoffwechsel" erarbeitete Wissen über den Aufbau und die Funktion von Enzymen. Im Sinne eines Spiralcurriculums werden früher gelernte Grundlagen auf aktuelle Lerninhalte angewandt, wiederholt und eingeübt. Im Rahmen der funktionellen Vielfalt der Proteine lernen Schülerinnen und Schüler Enzyme als Biokatalysatoren kennen. Dabei bleibt deren Funktionsweise jedoch häufig unklar. Die Bildung eines Enzymsubstratkomplexes wird mit einer Schlüssel-Schloss-Analogie vermittelt. Diese vereinfachende Darstellung ist zwar einleuchtend, führt jedoch auch dazu, dass den Lernenden die Komplexität der Enzyme nicht bewusst wird. Sie haben daher Schwierigkeiten sich anschaulich vorzustellen, dass für jede biochemische Reaktion in der Zelle ein spezialisiertes Enzym zur Verfügung steht. Es fällt ihnen schwer, Strukturen von Enzymen mit deren Funktionen im Stoffwechsel in Zusammenhang zu bringen. Die ATP-Synthase - meist nur eine "Black Box" Im Themenbereich "Stoffwechsel" wird auch die Gewinnung von Energieäquivalenten in Form von ATP durch das Enzym ATP-Synthase angesprochen. Dies wird zumeist als Faktum präsentiert. Die Lernenden erfahren, dass das Enzym den Transport von Protonen (entlang ihres Konzentrationsgefälles) mit der Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat koppelt. Dies wird in der Regel mithilfe "flacher" und statischer Darstellungen vereinfacht visualisiert. Ziel der 3D-Materialien: Zusammenspiel von Struktur und Funktion Für die in den Bildungsstandards geforderte Auseinandersetzung mit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Biologie bietet sich die Untersuchung von Proteinstrukturen eigentlich geradezu an. Das Problem: Mit "klassischen" Materialien verläuft das Unterfangen meist unbefriedigend. Häufig werden die molekularen Strukturen und deren Funktion im Unterricht auch unabhängig voneinander betrachtet, ohne den engen Zusammenhang zu thematisieren. Die hier vorgestellte Lernumgebung soll Abhilfe schaffen und die Lernenden am Beispiel der ATP-Synthase exemplarisch und anschaulich an die Untersuchung von Struktur-Funktions-Beziehungen heranführen. Die Lernumgebung der Unterrichtseinheit besteht aus HTML-Seiten, die mit gängigen Browsern betrachtet werden können. Die darin eingebetteten Darstellungen der Moleküle sind als Java-Applikationen plattformunabhängig. Die einzige Bedingung für ihre Nutzung ist, dass auf Ihrem Computer das kostenfreie Plugin Java Runtime Environment installiert ist. Für die verschiedenen Animationen benötigen Sie den ebenfalls kostenfreien Flash- oder Quicktime-Player. Eine Lenkung der Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler erfolgt bereits durch den formalen Aufbau der Arbeitsblätter. Jede Seite richtet den Blick auf einen anderen Aspekt der ATP-Synthase (Lokalisierung, F0- beziehungsweise F1-Struktur und -Funktion, Stator). Die vorgegebenen Beobachtungsaufträge sorgen dafür, dass den Lernenden die wesentlichen Informationen nicht entgehen. Die Arbeitsaufträge im unteren Feld sind durch Piktogramme als Beobachtungsaufgaben (Auge) und Schreibaufgaben (Stift) gekennzeichnet. Die eigenständige Entdeckungsreise der Schülerinnen und Schüler in den Struktur-Funktionszusammenhang der ATP-Synthase wird durch Zusatzinformationen (Popups) unterstützt. Sie beinhalten weitere nützliche Informationen, wie zum Beispiel zum Aufbau von ATP (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) oder zum Modell des Protonentransports durch die Membran. Diese Informationsboxen können durch einen Klick auf die "i"-Piktogramme aufgerufen werden. Auf den dynamischen Arbeitsblättern zum molekularen Aufbau der F0- und F1-Struktur finden sich Buttons und Arbeitsaufträge "für Experten". Diese ermöglichen eine Binnendifferenzierung. Betrachtet wird hier die Verteilung hydrophiler und hydrophober Aminosäurereste im F1- und F0-Komlex. Dabei lässt sich sehr schön der Unterschied zwischen den transmembranen und den außerhalb der Membran liegenden Bereichen erkennen und thematisieren. Abb. 3 zeigt zwei Ansichten des F0-Komplexes. Hydrophile Aminosäuren sind rot, hydrophobe grün dargestellt. Die linke Teilabbildung zeigt den dem Intermembranraum zugewandten Teil des F0-Komplexes, während die rechte Teilabbildung einen Blick auf die der Lipidphase der Membran zugewendeten Proteinoberflächen zeigt. Abb. 4 zeigt den "Grundzustand" des F1-Komplexes in der Lernumgebung (linke Teilabbildung) sowie den F1-Komplex nach Aktivierung der Funktion "Hydrophobe und hydrophile Bereiche" (rechte Teilabbildung). Diese allgemeine Thematik wurde bereits bei der Besprechung des Membranaufbaus und des Membrantransports erwähnt. An dieser Stelle kann sie eindrucksvoll wiederholt beziehungsweise angewendet werden. Nach der Bearbeitung von Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette wird die ATP-Synthase als die "Maschine" vorgestellt, die den Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran für die Synthese von ATP nutzt. Dabei werden pro gebildetem ATP drei Protonen durch die Membran befördert, um ein ATP-Molekül zu generieren (dies gilt für Bakterien, siehe Tabelle unten). Zum Einstieg wird per Beamer eine Animation präsentiert, die eine rotierende ATP-Synthase "in Aktion" zeigt (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Die Animation wurde von der Arbeitsgruppe von Prof. Sir John Walker (MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge) entwickelt. Eine kleine Version des Films befindet sich auch in der Lernumgebung. Für den Impuls per Beamerpräsentation sollte aber das größere Format verwendet werden, das im Internet zur Verfügung steht (siehe unten). Die Dynamik der Darstellung weckt das Interesse der Lernenden, eine Analyse der Abläufe ist jedoch (noch) nicht möglich. Das Interesse der Schülerinnen und Schüler kann durch folgende Daten weiter angefacht werden: Die ATP-Umsatzrate liegt in Bakterienzellen bei bis zu 2.500.000 Molekülen pro Sekunde! Ein Mensch setzt pro Tag (in Ruhe) etwa 70 Kilogramm ATP um. Der menschliche Körper enthält (bei einem Gewicht von etwa 70 Kilogramm) nur 50 bis 200 Gramm ATP, das nach dem Verbrauch überwiegend durch die ATP-Synthase regeneriert wird. Nach diesen Impulsen fordert die Lehrperson die Schülerinnen und Schüler auf, sich einzeln oder in Partnerarbeit mithilfe der dynamischen Arbeitsblätter den Aufbau und die Funktion der ATP-Synthase soweit zu erschließen, dass sie im Anschluss daran erklären können, was in der gezeigten Animation dargestellt ist: The rotary mechanism of mitochondrial ATP synthase Animation aus der Arbeitsgruppe von Prof. Sir John Walker (MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge). Infos und weitere Animationen finden Sie hier . Kapitel Die dynamischen Arbeitsblätter sollen das Augenmerk der Lernenden auf den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion der ATP-Synthase richten. Das komplexe Molekül wird dabei in seine Bauteile (F0, F1, Stator) "zerlegt". Die Lernumgebung gliedert sich in folgende Kapitel: Lokalisierung Hier wird die Lokalisierung der ATP-Synthase als integrales Membranprotein der inneren Mitochondrienmembran dargestellt. Die Lage des Enzyms in Bezug auf den durch die Atmungskette aufgebauten Protonengradienten wird thematisiert. (Die Lernumgebung beschränkt sich exemplarisch auf die ATP-Synthase und deren Orientierung in der Mitochondrienmembran. Die Lokalisierung des Enzyms in Bakterien und Chloroplasten kann bei Bedarf im Anschluss an die Bearbeitung der Lernumgebung erfolgen.) F0-Struktur Die Schülerinnen und Schüler machen sich hier mit dem Aufbau der Transmembraneinheit der ATP-Synthase vertraut. Die Verteilung hydrophober und hydrophiler Aminosäuren kann betrachtet und interpretiert werden. F0-Funktion Die Lernenden erkunden das auf der Hypothese des deutschen Biophysikers Wolfgang Junge basierende Modell des Protonentransports durch die Membran. Die Vorgänge werden durch eine Flash-Animation dynamisch dargestellt. F1-Struktur Die Schülerinnen und Schüler untersuchen den Aufbau der "Kopf"-Struktur der ATP-Synthase. Die Verteilung hydrophober und hydrophiler Aminosäuren kann betrachtet, interpretiert und mit der Verteilung im F0-Komplex verglichen werden. F1-Funktion Hier werden die Vorgänge bei der Synthese von ATP aus ADP und Phosphat in der Kopf-Struktur der ATP-Synthase untersucht und durch Videosequenzen dynamisch dargestellt (Quelle der Filme: ATP Synthase Group, MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge). Stator - Struktur und Funktion Die Lernenden setzen sich mit der Funktion der Verbindung zwischen Membran- und Kopfteil auseinander und setzen ihre bisherigen Erkenntnisse zu einem Gesamtbild der ATP-Synthase-Funktion zusammen. Der größte Teil des ATP wird bei Tieren, Pflanzen und den meisten Bakterien durch ATP-Synthasen gebildet. Ihr Aufbau unterscheidet sich in den verschiedenen Organismen in Details. Wie in der folgenden Tabelle zu erkennen, variiert zum Beispiel die Zahl der F0c-Untereinheiten und die Zahl der pro gebildetem ATP transportierten Protonen. ATP-Synthasen Anzahl der F0c-Peptide Protonen pro ATP Bakterien (Escherichia coli) 12 4 Mitochondrien (Hefe) 10 3,3 Chloroplasten (Spinat) 14 4,7 Das Grundprinzip der Struktur und der Funktion der ATP-Synthasen ist jedoch bei allen Organismen dasselbe. Alle in den dynamischen Arbeitsblättern dargestellten Moleküle zeigen den Aufbau der ATP-Synthase des Darmbakteriums Escherichia coli. Der Modellorganismus wurde und wird von den ATP-Synthase-Forschern intensiv untersucht. Das animierte Funktionsmodell in dem Kapitel "F0-Funktion", das die Be- und Entladung von F0c-Untereinheiten mit Protonen zeigt (Abb. 6), gibt ebenfalls die Verhältnisse bei Escherichia coli wider. Die Aminosäuren ASP 61 und ARG 210 sind die funktionellen Aminosäuren der ATP-Synthase des Bakteriums. In der ATP-Synthase von Mitochondrien und Chloroplasten übernimmt die ebenfalls saure Aminosäure Glutaminsäure (GLU) die Funktion der Asparaginsäure (ASP). In einem letzten Informations-Popup der Lernumgebung wird unter der Überschrift "Nur ein Modell" darauf hingewiesen, dass die dargestellte Funktionsweise der ATP-Synthase ein Modell ist, das den derzeitigen Stand der Forschung widerspiegelt. Es ist wichtig, die Schülerinnen und Schüler darauf hinzuweisen, dass der Mechanismus der ATP-Synthese noch nicht vollständig geklärt ist und dass sie sich hier in "Grenzgebieten" der aktuellen Forschung bewegen. Je nach Zeitreserve und Interesse der Lerngruppe können die noch offenen Fragen angesprochen werden. Zudem bietet sich hier eine allgemeine Diskussion über die Bedeutung und die Aussagekraft von Modellen in den Naturwissenschaften an. Dr. Thomas Engel studierte Chemie sowie Lehramt Chemie und Biologie. Seit 2007 ist er Studiengangskoordinator Chemie und Biochemie an der LMU München. Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt, programmierte die Moleküle und die HTML-Seiten. Dr. André Diesel ist Diplom-Biologe. Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt und entwickelte die schematischen Abbildungen der Lernumgebung. Florian Thierfeldt ist Lehrer für Biologie und Geographie (Gymnasium). Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt und erstellte die Flash-Animation zur Rotation des F0-Komplexes.

Dieser WebQuest thematisiert die historische Persönlichkeit Fritz Haber (1868-1943) und bettet die Ammoniaksynthese sowie ihren Mitentwickler in einen historischen Kontext ein. Neben Habers Beteiligung an der Giftgasforschung werden auch dessen unbekannte und teils spektakuläre Forschungen sowie die Rolle seiner Frau Clara Immerwahr betrachtet.Der WebQuest ist als Teil einer Semesterarbeit Studierender des Lehramtes Chemie für Gymnasien im Rahmen eines Seminars an der Universität Frankfurt entstanden und wurde bisher aber noch nicht im Unterricht eingesetzt. Wenn Sie die Materialien im Unterricht einsetzen, wären die Autoren für Ihre Erfahrungen und Rückmeldungen dankbar (Informationen und Kontakt zu den Autoren). Damit erhalten die Studenten (David Fischer, Sándor Bekö) auch eine Rückmeldung zu ihrer Arbeit.Die Schülerinnen und Schüler schlüpfen in die Rolle von Studierenden (wahlweise aus einem Institut für Physikalische Chemie, Geschichte, Soziologie oder Chemie), die sich innerhalb von Arbeitsgruppen über Leben und Werk Fritz Habers aus verschiedenen Blickwinkeln informieren. Die Ergebnisse der Arbeitsgruppen werden durch Plakate gesichert, die den Mitschülerinnen und Mitschülern vorgestellt werden. Die vier Poster werden aufgehängt und im Rahmen einer "Poster-Session" gemeinsam betrachtet. Eine Podiumsdiskussion ("Kongress"), in der das Wirken von Fritz Haber kritisch reflektiert und auch der historische Versuch der Ammoniaksynthese demonstriert wird, schließt die Unterrichtseinheit ab. Zielgruppe, Themen, Anbindung an den Lehrplan Hier finden Sie Informationen zu den Voraussetzungen der Unterrichtseinheit, den Themen und ihrer Anbindung an den Lehrplan sowie einen Überblick zum Unterrichtsverlauf. Durchführung des WebQuest In arbeitsteiliger Gruppenarbeit recherchieren die Schülerinnen und Schüler eigenständig und selbst gesteuert Informationen zu Leben und Werk von Fritz Haber. Präsentation der Arbeitsergebnisse Nach einer Poster-Session werden in einem Rollenspiel die Person und die wissenschaftlichen Leistungen Fritz Habers aus verschiedenen Perspektiven betrachtet. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Forschungsschwerpunkte Fritz Habers benennen können. die Reaktionsgleichung der Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch formulieren können. unterschiedliche (historische) Methoden der Ammoniaksynthese benennen können. mindestens drei Giftgase nennen und die Beteiligung Fritz Habers am Gaskrieg beschreiben können. die Gründe für den Suizid von Clara Immerwahr (Fritz Habers Ehefrau) kennen lernen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen relevante Inhalte aus Online-Dokumenten exzerpieren, ordnen und aufarbeiten. den Rechner zur Informationssuche verwenden können. ein Plakat erstellen, das die Ergebnisse der Gruppenarbeit strukturiert zusammenfasst. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Gruppenarbeitsphase konstruktiv mit den Vorschlägen anderer Schülerinnen und Schüler umgehen. auf der Basis des angeeigneten Wissens einen Sachverhalt gemeinsam diskutieren, argumentieren und überprüfen. in der Gruppenarbeit eigenverantwortlich Inhalte erarbeiten, auswählen und gemeinsam präsentieren. sich bei der Podiumsdiskussion frei und selbstsicher äußern. Thema Fritz Haber: Genie oder Völkermörder? Autoren David Fischer, Silke Weiß Fach Chemie; fächerübergreifend Aspekte: Politikwissenschaft, Religion/Ethik, Geschichte (Krieg und Frieden, Verantwortung des Wissenschaftlers) Zielgruppe Jahrgangsstufe 13 (G9) beziehungsweise 12 (G8), bevorzugt Leistungskurs Zeitraum 5-6 Stunden Technische Voraussetzungen ein Computer pro Arbeitsgruppe Silke Weiß studierte an der Universität zu Heidelberg und Frankfurt die Fächer Biologie, Chemie, Spanisch und Deutsch auf Lehramt (Sek II) und arbeitet am Alten Kurfürstlichen Gymnasium in Bensheim (Hessen). Sie ist zur Zeit im Projekt "Lehr@mt: Medienkompetenz als Phasenübergreifender Qualitätsstandard" abgeordnet an das Institut für Didaktik der Chemie der Universität Frankfurt und betreut dort den Bereich "Kompetent Chemie unterrichten mit Neuen Medien". Vorwissen der Schülerinnen und Schüler Die Schülerinnen und Schüler sollten das chemische Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz bereits kennen gelernt haben. Technische Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien dieser Unterrichtseinheit sind HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Die Schülerinnen und Schüler sollten Zugang zu einem Drucker haben, um zum Beispiel das Anmeldeformular für den Kongress ausdrucken zu können, aus dem sich dann die Gruppeneinteilung ergibt (siehe Aufgabenseite im WebQuest; "Internetadresse" oder "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit). Chemie Der WebQuest soll von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe (vorzugsweise Leistungskurs) bearbeitet werden. Inhaltlich greift er das verbindliche Unterrichtsthema "Ammoniaksynthese" auf und leitet auch zu einem Demonstrationsversuch an. Die Thematisierung des Haber-Bosch-Verfahrens als Beispiel für das "Prinzip des kleinsten Zwangs" ist im G9-Lehrplan für die Jahrgangsstufe 13 vorgesehen. Zukünftige G8-Oberstufen behandeln dieses Prinzip entsprechend in Jahrgangsstufe 12. Politikwissenschaft, Religion/Ethik Das Haber-Bosch-Verfahren ist als technisches Verfahren über den Chemieunterricht hinaus als fakultativer Unterrichtsinhalt mit Querverweisen zu dem Themengebiet "Krieg und Frieden" (zum Beispiel Politikwissenschaft, Religion/Ethik) möglich. Die Unterrichtseinheit reiht diese Leistung Fritz Habers neben anderen Forschungen ein und erweitert das Wirken Habers um den Aspekt der Verantwortung eines Chemikers. Somit kann der im Lehrplan geforderten Entwicklung eines Wertebewusstseins und der Berücksichtigung der Würde des Menschen Rechnung getragen und die im Lehrplan vorgeschlagene Fächervernetzung hergestellt werden (Politikwissenschaft, Geschichte, Ethik oder der Religion). Einstieg Eine fiktive "Einladung" mit dem provozierenden Untertitel stellt den Einstieg in den WebQuest dar. Ein Professor lädt Studentinnen und Studenten verschiedener Universitäten - darunter auch solche der Universität zu Berlin, an der Fritz Haber selber lehrte - ein, die Fragestellung "Genie oder Völkermörder" kontrovers auf einem "Jungwissenschaftler-Kongress" zu diskutieren. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten zunächst in Expertengruppen ("Arbeitsgruppen") individuelle Antworten auf die zentrale Fragestellung, ob Haber ein Genie oder "Völkermörder" sei. Dabei informieren sie sich anhand vorgegebener Links gemäß der Rollen, in die sie schlüpfen. Dies sind Studierende folgender Fächer oder Fachbereiche: Chemie Physikalische Chemie Geschichte Soziologie "Postersession" und "Kongress" Die Gruppen präsentieren ihre Ergebnisse in Form von Plakaten - ähnlich, wie es auch auf echten wissenschaftlichen Versammlungen der Fall ist ("Poster-Session"). Daraus ergibt sich eine abschließende Podiumsdiskussion, die von den nicht direkt teilnehmenden Schülerinnen und Schülern schriftlich zusammengefasst wird. Demonstrationsexperiment Im Rahmen des WebQuest ist ein Versuch zur Darstellung von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren vorgesehen. (Nur die Gruppe der Chemikerinnen und Chemiker wird das Experiment vorführen.) Ausgehend von einem zentralen WebQuest-Dokument erarbeiten Schülerinnen und Schüler mithilfe des Internets ein Wissensgebiet und präsentieren anschließend ihre Ergebnisse. Die Arbeit mit dem WebQuest erfolgt in den Schülergruppen eigenständig und selbst gesteuert. Der Lehrkraft kommt die Rolle eines Lernbeobachters zu. Allgemeine Informationen zum Thema WebQuest im naturwissenschaftlichen Unterricht finden Sie hier: WebQuests in den Naturwissenschaften Informationen zu den internetbasierten "Lernabenteuern" Expertengruppen In der ersten Phase der Bearbeitung des WebQuest werden vier Arbeits- oder "Expertengruppen" gebildet, die sich mit den folgenden Schwerpunkten beschäftigen. Die Zuordnung der Schülerinnen und Schüler zu den Arbeitsgruppen kann eigenständig erfolgen. Zu beachten ist hierbei, dass nur die Gruppe der Chemikerinnen und Chemiker den Versuch zur Darstellung von Ammoniak durchführt. Studierende der Physikalischen Chemie (Universität zu Berlin) Aufgabe dieser Arbeitsgruppe ist es, den anderen Gruppen die Leistungen und vielseitigen Forschungen Fritz Habers vorzustellen. (Haber studierte und lehrte unter anderem auch an der Universität zu Berlin.) So versuchte Haber zum Beispiel im Jahr 1921 aus Meerwasser Gold zu gewinnen, um so Deutschlands Reparationszahlungen an die Alliierten zu unterstützen. Die Forschungen zur Schädlingsbekämpfung und den Flammenreaktionen gehören ebenfalls zu den weniger bekannten Aktivitäten Habers, die in der Arbeitsgruppe "Physikalische Chemie" gelesen und den anderen Gruppen vorgestellt werden sollen. Studierende der Geschichte (Universität zu Tübingen) Diese Arbeitsgruppe untersucht die Verwicklungen Habers in den ersten Weltkrieg und deckt historische Zusammenhänge auf. Am 22. April 1915 in Belgien (Ypern) wurden zum Beispiel auf Anraten Habers erstmals 150 Tonnen Chlorgas als "moderne Massenvernichtungswaffe" eingesetzt. Studierende der Soziologie (Universität zu Darmstadt) Die Arbeitsgruppe der Soziologen untersucht die Rolle der Frau in der Wissenschaft zur damaligen Zeit und erweitert so das Hauptthema um einen wichtigen Aspekt. Im Mittelpunkt dieser Gruppenrecherche steht Habers Ehefrau Clara Immerwahr, ihr Standpunkt zu den umstrittenen Aktivitäten Habers und ihr tragisches Schicksal. Studierende der Chemie (Universität zu Frankfurt) Die Arbeitsgruppe der Chemikerinnen und Chemiker konzentriert sich auf die Forschungen Habers rund um die Ammoniak-Hochdrucksynthese. Zu den Aufgaben dieser Arbeitsgruppe gehört neben einer vergleichenden Literaturrecherche auch die Durchführung eines Modellversuches zur Haber-Bosch-Ammoniaksynthese im kleinen Maßstab. Zeitaufwand Für die Arbeitsphase mit dem WebQuest sind in dieser Unterrichtseinheit etwa zwei bis drei Stunden zu veranschlagen. Für ihre jeweiligen Forschungsgebiete steht den Schülerinnen und Schülern im Quellenbereich der WebQuest-Seite eine Liste mit mehr aus dreißig ausgewählten Links zur Verfügung. Ein Teil der Literatur liegt auch als PDF-Dokument vor, von dem bei Bedarf je ein Exemplar pro Gruppe ausgedruckt werden kann. Darüber hinaus ist es hilfreich, wenn sich die Lernenden selbstständig in der Schul- oder Stadtbibliothek weitere Materialien beschaffen. Poster-Session Mithilfe der verschiedenen Quellen wird von jeder der vier Arbeitsgruppen ein Plakat erstellt, das die wichtigsten Informationen und Erkenntnisse zu den jeweiligen Schwerpunktthemen der Gruppe enthält. Diese Plakate - die im Ansatz den Kriterien eines wissenschaftlichen Plakates genügen sollen - werden zum "Kongress" mitgebracht und dort im Rahmen einer "Poster-Session" ausgestellt. Auf diese Weise werden die sich gegenseitig ergänzenden Informationen und Facetten zu Fritz Habers Leben und Werk allen Schülerinnen und Schülern schon transparent, bevor die Diskussion beginnt. Es ist daher darauf zu achten, dass der Inhalt der Plakate von einem unwissenden Betrachter in fünf bis zehn Minuten erfasst werden kann! Fritz Habers Forschungen werden in der Diskussion nicht allein auf die Ammoniak-Hochdrucksynthese reduziert, sondern in den historischen Kontext eingebettet und kritisch beleuchtet. Zeitaufwand Für die Erstellung der Plakate wird eine Schulstunde benötigt. Die Ausstellung der Plakate dauert etwa eine halbe Stunde. Dies sollte optimalerweise zu Beginn einer Doppelstunde geschehen, da die restliche Zeit dann für den Kongress verwendet werden kann. Podiumsdiskussion Nach der Recherche und Sicherungsphase (Erstellung der Plakate) werden in einer Podiumsdiskussion ("Jungwissenschaftler-Kongress") Vertreterinnen und Vertreter jeder Arbeitsgruppe zu Wort kommen (insgesamt acht Personen) und Habers Aktivitäten kritisch kommentieren. Zentral ist hierbei die Ausgangsfrage, ob Haber ein Genie oder ein Völkermörder sei. Planung Für den Jungwissenschaftler-Kongress ist in dieser Unterrichtseinheit eine Unterrichtsstunde zu veranschlagen. Darin ist die Nachbesprechung nicht enthalten. Schülerinnen und Schüler, die nicht aktiv am Kongress beteiligt sind, erstellen eine stichpunktartige Zusammenfassung des Disputes, in der die unterschiedlichen Sichtweisen der Arbeitsgruppen und ihr Bezug zu der Ausgangsfrage dargestellt werden. Die Zusammenfassungen sollen mit einer persönlichen Stellungnahme enden. Silke Weiß studierte an der Universität zu Heidelberg und Frankfurt die Fächer Biologie, Chemie, Spanisch und Deutsch auf Lehramt (Sek II) und arbeitet am Alten Kurfürstlichen Gymnasium in Bensheim (Hessen). Sie ist zur Zeit abgeordnet im Projekt "Lehr@mt: Medienkompetenz als Phasenübergreifender Qualitätsstandard" an das Institut für Didaktik der Chemie der Universität Frankfurt und betreut dort den Bereich "Kompetent Chemie unterrichten mit Neuen Medien".

Hier finden Sie Unterrichtseinheiten und Anregungen zum Unterricht im Fach Chemie zu dem Themenfeld "Organische Chemie und nachhaltige Stoffkreisläufe".

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.Der erste Teil der fächerübergreifenden Unterrichtseinheit (Chemie und Physik) findet im Schul- oder Schülerlabor statt. Die Lernenden präparieren mithilfe einer Versuchsvorschrift unterschiedlich große Gold-Nanopartikel in Dispersion (Kolloidchemie). Die verschiedenen Größen der Goldpartikel werden schon bei der Präparation an der unterschiedlichen Farbe erkennbar. Der zweite Teil der Unterrichtseinheit findet im Rechnerraum statt. Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die Präparation der Gold-Nanopartikel noch einmal im Rahmen eines virtuellen Experiments und können dabei beobachten, was auf der Teilchenebene passiert. Mithilfe eines interaktiven Lernmoduls lernen sie zudem Schritt-für-Schritt die Funktion und Betriebsweise eines Elektronenmikroskops kennen: Sie können ein virtuelles Transmissionselektronenmikroskop bedienen, die (virtuell und/oder real) hergestellten Partikel anschauen und sich davon überzeugen, dass den verschiedenfarbigen Goldsolen unterschiedlich große Nanopartikel zugrunde liegen. 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. 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. Thema Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln Autoren Katrin Prete, Dr. Walter Zehren, Prof. Dr. Rolf Hempelmann Fächer Chemie, Physik Zielgruppe ab Klasse 9 Technische Voraussetzungen Möglichkeit 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. Umrechnung von Maßeinheiten Die Schülerinnen und Schüler müssen in der Lage sein, verschiedene Maßeinheiten (Meter, Millimeter, Nanometer) ineinander umzurechnen. Diese Kompetenzen werden im Fach Mathematik in Klasse 5 erworben. Aggregatzustände Die Lernenden benötigen Kenntnisse über Aggregatzustände und über die verschiedenen Typen chemischer Stoffgemische. Diese Kompetenzen werden im Fach Chemie in Klasse 8 erworben. Redox-Reaktionen Zum Verständnis der Synthese der Gold-Nanopartikel müssen die Schülerinnen und Schüler den erweiterten Redox-Begriff kennen: Redox-Reaktionen müssen als Elektronenübertragungsreaktionen bekannt sein. Dies wird im Fach Chemie in Klasse 9 thematisiert. Der erste Teil der Unterrichtseinheit behandelt einige Aspekte der Kolloid- und Nanochemie und besteht aus einem Experimentalteil und einer interaktiven Lernumgebung zur Herstellung von Goldsol, also einer Suspension von Gold-Nanopartikeln. Gold- und auch Silber-Nanopartikel zeigen einen interessanten Farbeffekt im sichtbaren Spektralbereich: Die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen führt dazu, dass sich die Farbe des Metalls in Abhängigkeit von der Größe und Form der Nanoteilchen stark verändert (Abb. 1). Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus (im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt). Aggregiert man diese Partikel teilweise, so ändert sich die Farbe zu dunkelblau bis violett. Einstieg und Schülerexperiment Der erste Teil der Unterrichtseinheit gliedert sich in zwei Abschnitte. Zunächst erfolgt eine Einführung in das Thema kolloidale Systeme. Durch geeignete Aufgabenstellungen wird den Schülerinnen und Schülern zunächst die Dimension, also der Größenbereich, der Nanochemie nahe gebracht, und es werden die Begriffe Nanopartikel beziehungsweise Kolloid geklärt. Danach folgt eine Reihe von Experimenten, welche die Schülerinnen und Schüler mit den bis zur Klasse 9 erworbenen Vorkenntnissen in Eigenarbeit durchführen können. Der Einfluss des Zerteilungsgrades (des Dispersionsgrades) auf die Eigenschaften von Stoffen und die Unterscheidung zwischen echten Lösungen und kolloidalen Dispersionen können im Experiment selber entdeckt werden. Zum Abschluss werden Goldkolloide verschiedener Größen hergestellt. Die Herstellung von Goldkolloiden ist gleichzeitig die Überleitung zum zweiten Abschnitt des ersten Teils der Unterrichtseinheit, der Multimedia-Anwendung. Virtuelles Experiment, Visualisierung der Teilchenebene Die interaktive Lernumgebung zeigt zunächst noch einmal den zuvor durchgeführten Versuch zur Herstellung von Goldkolloiden. Dabei werden die Schritte der Reaktion auf der Teilchenebene visualisiert (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken), und den Schülerinnen und Schülern wird schließlich die unterschiedliche Farbe der Goldsole erklärt (Abb. 3). An die Animation zum Versuch schließt sich eine Wiederholungsphase an, in der die Lernenden interaktiv den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Farbe der Goldsole bearbeiten können (Abb. 4). Weiter geht es mit einer Übungsphase, in der Schülerinnen und Schüler das Gelernte anwenden. Methodenvielfalt Im ersten Teil der Unterrichtseinheit wird also mit verschiedenen Medien gearbeitet: Arbeitsblätter, Schülerexperimente und Multimedia-Anwendungen. Durch diese Methodenvielfalt wird auf die Heterogenität der Lernvoraussetzungen und der Interessen der Schülerinnen und Schüler eingegangen, wodurch möglichst viele Lernende erreicht und für die Beschäftigung mit dem Nanobereich motiviert werden sollen. Die einzelnen Schritte und Inhalte des gesamten virtuellen Experiments werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_virtuelles_experiment.pdf) ausführlich beschrieben und mit zahlreichen Screenshots dargestellt. Glühelektrischen Effekt, Kondensator Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über den Glühelektrischen Effekt und das Prinzip eines Kondensators besitzen (Physik, Oberstufen-Grundkurs). Linke-Hand-Regel Die Lernenden müssen in der Lage sein, mithilfe der Linke-Hand-Regel die magnetischen Feldrichtungen einer Spule zu bestimmen (Physik, Klasse 9). Lorentzkraft Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern im magnetischen Feld besitzen. Sie müssen die Richtung der Kraftwirkung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel bestimmen können (Physik, Klasse 9). In einem interaktiven Lernmodul werden der Aufbau und die Funktionsweise des TEM Schritt-für-Schritt erläutert. Damit wird eine wichtige Methode der Nanotechnologie eingeführt. Sie erlaubt es, die zuvor im (realen und/oder) virtuellen Experiment hergestellten Nanopartikel zu visualisieren. Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, welches das Innere oder die Oberfläche einer Probe mithilfe von Elektronen abbilden kann. Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (etwa 1 Nanometer; mit einem einem Höchstleistungs-TEM bis zu 0,1 Nanometer) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (typischerweise etwa 1 Mikrometer, im Extremfall bis zu 200 Nanometer). Die einzelnen Seiten, Inhalte und Funktionen der Lernumgebung zum Transmissionselektronenmikroskop (TEM) werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_TEM.pdf) ausführlich beschrieben und mit Screenshots dargestellt. Tutorielles System zur Funktion des TEM Die Lernumgebung erlaubt es, die hergestellten Gold-Nanopartikel "virtuell" zu untersuchen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie die zuvor bereits verwendeten TEM Aufnahmen (vergleiche Abb. 4 ) entstehen. Dabei kommt eine Multimedia-Anwendung im Stil eines tutoriellen Systems zum Einsatz. Auf der Startseite wird das Thema dargestellt, und den Lernenden wird ein motivierender Einstieg in das Thema geboten. Außerdem wird auf dieser Seite ein Einblick gegeben, welche Lerninhalte nachfolgend bearbeitet werden. Informationsseiten An die Startseite knüpfen dann Informationsseiten an, auf denen den Schülerinnen und Schülern Lerninhalte durch Texte, Animationen oder Bilder präsentiert werden, die in individueller Geschwindigkeit bearbeitet werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Sie können dabei auch zu vorangegangenen Lerninhalten zurückzuspringen, um nicht Verstandenes zu wiederholen. Übungen und Ergebnissicherung Die Informationsseiten bilden Themenblöcke oder "Bausteine". Nach jeweils einem Baustein schließen sich Übungsseiten an, mit deren Hilfe das Gelernte überprüft und die Lernergebnisse gefestigt werden (Abb. 6). Dabei kommen in der Regel recht kurz gehaltene Multiple-Choice-Aufgaben, Lückentexte oder Wortpuzzles zum Einsatz, an einigen Stellen allerdings auch komplexere Aufgabenstellungen. Die Übungen bieten auch die Möglichkeit zur Differenzierung - leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler, die schneller mit dem Programm fertig werden, können zusätzliche Aufgaben lösen. Den Abschluss des Programms bildet eine Lückentextübung zum TEM. Anwendungssimulation Im Anschluss an das tutorielle System folgt eine kleine Simulation. Hier haben die Schülerinnen und Schüler ein virtuelles TEM vor sich, in dem sie die Goldsole virtuell untersuchen können. Hierbei handelt es sich um eine Anwendungssimulation. Die Lernenden sollen die Handhabung des TEM prinzipiell verstehen. Dabei führen sie dieselben "Handgriffe" aus, die sie auch im Umgang mit einem realen TEM ausführen müssten (Abb. 7). Bei Fehlern - wenn zum Beispiel vergessen wird, in der Probenkammer ein Vakuum anzulegen - gibt das Programm eine entsprechende Rückmeldung ("Vorsicht, überprüfe dein Vorgehen"). 1. Partikel mit Potenzial: Nanoteilchen und Kolloide Das erste Arbeitsblatt (1_nanoteilchen_groessenvergleiche.pdf) führt die Begriffe Nanoteilchen und Kolloide ein. Der Text beginnt mit den Begriffsbestimmungen. Daran knüpfen sich fünf Aufgaben an, die den Schülerinnen und Schülern helfen sollen, sich die Dimensionen der Nanowelt in Relation zur Lebenswelt zu veranschaulichen: Die Lernenden sollen die Dimension des Nanometers durch Vergleiche mit Gegenständen aus ihrem alltäglichen Erfahrungsbereich erfassen. Nur durch diese Vergleiche ist es möglich, die winzigen Dimensionen zu verdeutlichen. Unbekanntes wird auf Bekanntes zurückgeführt und kann besser gelernt und verstanden werden. Aufgabe 3 ermöglicht es den Lernenden mit einem kleinen Experiment, sich selbst die Größe zu veranschaulichen und die Ergebnisse direkt zu sehen. Die Dimension des Nanometers wird im Experiment natürlich nicht erreicht, dennoch wird sie erlebbar und besser vorstellbar. 2. Eigenschaften von Nanopartikeln und Kolloiden Das zweite Arbeitsblatt (2_eigenschaften_nanoteilchen_kolloide.pdf) soll die Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Stoffs in Abhängigkeit von seinem Zerteilungsgrad veranschaulichen. Die Verkleinerung eines Stoffes in nanoskalige Dimensionen führt zu völlig neuen Werkstoffeigenschaften. In der ersten Aufgabe wird zunächst veranschaulicht, dass mit zunehmendem Zerteilungsgrad die Oberfläche eines Stoffes wächst und somit eine viel größere Oberfläche reagieren kann. Die Auswirkung einer größeren Oberfläche auf die Reaktionsgeschwindigkeit kennen die Schülerinnen und Schüler aus Standard-Experimenten des Chemieunterrichts, wie zum Beispiel der Verbrennung eines Eisennagels gegenüber der Verbrennung von Stahlwolle. In einem Versuch sollen die Lernenden nun entdecken, dass sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad auch physikalische Eigenschaften verändern, wie zum Beispiel das magnetische Verhalten eines Stoffs. Die Reaktionsgleichung wird auf den Arbeitsblättern angegeben, da sie mit dem den Schülerinnen und Schülern zu Verfügung stehenden Vorwissen nicht aufgestellt werden kann, von diesen aber zum Verständnis der Reaktion benötigt wird. Zusätzlich wird der Begriff des Hydrats kurz vorgestellt, da als Ausgangsstoffe Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat und Eisen(II)-Chlorid-Tetrahydrat eingesetzt werden und der Hydrat-Begriff aus dem Unterricht in dieser Form nicht geläufig ist. 3. Unterscheidung zwischen echten und kolloidalen Dispersionen Mit dem dritten Arbeitsblatt (3_dispersionen.pdf) lernen die Schülerinnen und Schüler den Tyndall-Effekt als eine Möglichkeit kennen, zwischen echten Lösungen und kolloidalen Systemen zu unterscheiden. In einem Versuch werden verschiedene Lösungen beziehungsweise Dispersionen mithilfe des Tyndall-Effektes identifiziert. Mit der Aufgabe, für die Dispersionen das Dispersionsmittel und die disperse Phase anzugeben, wird an das Vorwissen der Lernenden angeknüpft, da die Einteilung von Stoffgemischen bereits in Klasse 8 erlernt wird. 4. Herstellung von Goldkolloiden Das vierte Arbeitsblatt (4_goldkolloide.pdf) beschreibt einen Versuch zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe. Zum Einstieg werden Verwendungsmöglichkeiten von Gold-Nanopartikeln aufgezeigt und hervorgehoben. Durch die Herstellung von Gold-Nanopartikeln wird mit der Farbe eine weitere spezifische Stoffeigenschaft angesprochen. Sie ändert sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad von dem charakteristischen Goldgelb bis hin zu Rot. Hierbei handelt es sich um einen Größenquantisierungseffekt (englisch "quantum size effect"): sehr kleine Teilchen unterliegen mit abnehmender Teilchengröße zunehmend den Gesetzen der Quantenmechanik, woraus sich die Änderung der Eigenschaften von Nanopartikeln im Vergleich zu grobkristallinen Stoffen der gleichen chemischen Zusammensetzung erklärt. Die einführenden Texte dienen zur Motivation der Schülerinnen und Schüler, in einem Experiment selbst Gold-Nanopartikel herzustellen. 5. Arbeitsblatt und interaktive Lernumgebung Für die Bearbeitung der Aufgabenstellungen des fünften Arbeitsblatts (4_2_goldkolloide.pdf) kann die Flash-Lernumgebung zur Herstellung von Goldkolloiden herangezogen werden. Die Aufgabe greift auf bereits vorhandenes Wissen zurück, wie zum Beispiel den erweiterten Redox-Begriff, und fungiert auch als Ergebnissicherung für neu erlernte Inhalte. Die Fragen können nach der Arbeit mit der Lernumgebung beantwortet werden. Teilweise müssen Lerninhalte aus den vorangegangenen Arbeitsblättern angewendet werden, sodass durch zusätzliche Wiederholung eine Festigung des Gelernten gewährleistet werden kann. Einsatzmöglichkeiten Das virtuelle Experiment zur Herstellung verschiedenfarbiger Goldsole veranschaulicht die Vorgänge auf der Teilchenebene. Mit ihm wird auch erarbeitet, dass die Farbe der Goldsole von der Größe der Nano-Goldpartikel abhängig ist. Die Lernumgebung kann flexibel eingesetzt werden: Schülerexperiment und virtuelles Experiment Nach der experimentellen Herstellung von Goldsolen im Schülerversuch (im Chemielabor der Schule oder in außerschulischen Schülerlaboren) kann die Lernumgebung zur Herstellung von Goldsolen zur "virtuellen Wiederholung" und insbesondere zur Darstellung der Vorgänge auf der Teilchenebene genutzt werden. Lernende experimentieren nur "virtuell" Besteht keine Möglichkeit, den Versuch als Schülerexperiment durchzuführen, können die Lernenden die Herstellung von Goldsolen auch ausschließlich am Rechner durchführen - im Idealfall in Partnerarbeit im Computerraum der Schule. Präsentation per Beamer Alternativ oder zusätzlich zur Bearbeitung im Computerraum kann die Lehrperson die Flash-Animationen zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs im Fachraum per Beamer einsetzen. Die Lehrperson oder einzelne Schülerinnen und Schüler können den Prozess dann noch einmal für alle beschreiben. Einsatzmöglichkeiten Dieses Lernmodul ist für die Einzel- oder Partnerarbeit am Rechner konzipiert. Alternativ können die Animationen und interaktiven Übungen aber auch zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs (Beamerpräsentation) genutzt werden. Die Lernumgebung zum TEM kann natürlich auch in anderen unterrichtlichen Zusammenhängen - unabhängig von der Herstellung von Goldsolen - zum Einsatz kommen. Prete, Katrin Visualisierung von Nanopartikeln mittels TEM und STM, aufgearbeitet als eine mediengestützte Unterrichtseinheit, Wissenschaftliche Staatsexamensarbeit, Saarbrücken 2009 Zehren, Walter Forschendes Experimentieren im Schülerlabor , Dissertation, Saarbrücken 2009 Sepeur, Stefan Nanotechnologie - Grundlagen und Anwendungen, Vincentz Network, Hannover 2008 Dörfler, Hans-Dieter Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg 2002 Hempelmann, Rolf; Zehren, Walter; Mallmann, Matthias Nanotechnologie im Schulunterricht, NanoBioNet Newsletter II/2008, nanotechnologie aktuell 2, 88-91 (2009) 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.

Auf der Basis einer (quellen-)kritischen Internetrecherche entwickeln die Lernenden eine eigene Einschätzung zur Reichweite der Ölvorräte. Ihre Stellungnahmen werden zunächst in Kleingruppen zusammengeführt und dann mit der Klasse diskutiert. Im Rahmen eines WebQuests - beziehungsweise BlogQuest - setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Frage auseinander, wie lange die Erdölreserven noch reichen. Im Verlauf der Unterrichtseinheit sollen sie in Einzel- oder Partnerarbeit verschiedene Internetquellen kritisch auswerten und eine schriftliche Stellungnahme zum Thema verfassen. Zum Abschluss der Unterrichtseinheit sollen sie ihre Standpunkte in einer Diskussionsrunde besprechen. Der WebQuest wurde im Projekt "Lehr@mt: Medienkompetenz als Phasenübergreifender Qualitätsstandard" entwickelt. Thematisch gehört die Beschäftigung mit der "Reichweite der Erdölreserven" zu dem Bereich der fossilen Energieträger und baut auf Vorkenntnissen zu den einfachen Kohlenwasserstoffen auf. Die Lernenden arbeiten, wenn möglich (bei ausreichender Anzahl an Computerarbeitsplätzen), in Einzel-, ansonsten in Partnerarbeit. Vor der Auswertung der vorgegebenen Internetquellen sollen sich die Schülerinnen und Schüler Gedanken über den quellenkritischen Umgang mit Informationen aus dem Internet machen und dafür einen Kriterienkatalog erstellen. Hierzu befinden sich auf der Materialien-Seite des WebQuest-Dokuments drei Links zu Texten, die sich mit dem Thema Quellenkritik auseinandersetzen. Danach soll die Fragestellung, wie lange die Erdölreserven noch reichen, unter Zuhilfenahme von fünf Quellen bearbeitet und eine schriftliche Stellungnahme verfasst werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Ergebnisse zunächst in Kleingruppen (je vier bis fünf Lernende) vorstellen und diskutieren. Jede Gruppe entscheidet sich für eine Stellungnahme, die dann der gesamten Klasse präsentiert wird. Anschließend sollen in einer Diskussionsrunde die Ergebnisse der Gruppen besprochen werden. Lehrplanbezug und Voraussetzungen Die Einordnung des WebQuests in die Lehrpläne von Hauptschule, Realschule und Gymnasium sowie in die Typologie des WebQuest-Erfinders Bernie Dodge wird dargestellt. Hinweis zum Unterrichtsverlauf Zeiteinteilung und Ablauf der Unterrichtseinheit werden skizziert. Selbstgesteuertes, problemlösendes und (quellen-)kritisches Arbeiten stehen dabei im Mittelpunkt. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss angeben, dass Erdöl einen Energiegehalt besitzt, der mithilfe chemischer Reaktionen in Arbeit umgewandelt werden kann. (F4.1, F4.2) Formen der Informationsbeschaffung und -verarbeitung nutzen, um die Endlichkeit der Erdölreserven zu erschließen. (B3) zum Thema Erdölreserven unterschiedliche Internetquellen für ihre Recherchen nutzen. (K1) Darstellungen auf ausgewählten Internetseiten hinsichtlich ihrer fachlichen Richtigkeit prüfen. (K3) im Rahmen einer Internetrecherche Trends, Strukturen und Beziehungen zur Endlichkeit der Erdölreserven finden, erklären und Schlussfolgerungen ziehen. (E6) auf die Fragestellung bezogene und aussagekräftige Informationen anhand festgelegter Beurteilungskriterien auswählen. (K2) die Endlichkeit der Erdölreserven aus unterschiedlichen Perspektiven diskutieren und bewerten. (B5) den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Internetrecherche situationsgerecht und adressatenbezogen dokumentieren und präsentieren. (K7) fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren. (K8) ihre Arbeit als Team planen, strukturieren, reflektieren und präsentieren. (K10) Verknüpfungen zwischen Chemie und anderen Unterrichtsfächern, wie zum Beispiel Biologie, Geographie, Wirtschafts- und Politikwissenschaften, erkennen und diese Bezüge an konkreten Beispielen aufzeigen. (B2) Thema Reichweite der Erdölreserven, Quellenkritik Autoren Stephen Amman, Sven-Heiko Bubel, Rolf Goldstein, Lars Jakob Fach Chemie Zielgruppe Hauptschule: Klasse 9; Realschule: Klasse 10; Gymnasium: Klasse 9 Zeitraum 4 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang in ausreichender Anzahl (idealerweise für Einzel- oder Partnerarbeit) 9.6 Abbau organischer Substanz, Unterpunkt 3: Suche und Förderung von Erdöl 9.7 Verwendung von Erdölfraktionen Für die Informationsbeschaffung wird unter anderem das Internet empfohlen. 10.3 Fossile Rohstoffe - wie lange noch? Entstehung und Gewinnung von Erdöl Die Nutzung des Internets wird bei den Arbeitsmethoden ausdrücklich genannt. 9G.3 Nr. 3.1 Erdöl und Erdgas als Energieträger und Rohstoffe Als Arbeitsmethode wird explizit die Informationsbeschaffung aus dem Internet zu dem Thema Erdöl empfohlen. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G bis 12G. 2008. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Realschule Jahrgangsstufen 5 bis 10. 2002 Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Hauptschule Jahrgangsstufen 5 bis 9/10. 2002 Sekretariat der Ständigen Konferenz der Länder in der Bundesrepublik Deutschland (Herausgeber): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. München/Neuwied: Luchterhand, 2005 Technische Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien dieser Unterrichtseinheit sind HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser genutzt werden können. Um eingebettete Videos abspielen zu können, muss der Adobe Flash Player installiert sein. Fachliche Voraussetzungen Die einfachen Kohlenwasserstoffe, wie Alkane, Alkene und Alkine, werden direkt vorher im Unterricht behandelt. Aufgabentyp "Entscheidungen treffen" WebQuests können nach ihrem "Erfinder" Bernie Dodge unterschiedlichen Aufgabentypen zugeteilt werden (WebQuest: A Taxonomy of Tasks, 2002). Der hier vorgestellte WebQuest lässt sich dem Aufgabentyp "Entscheidungen treffen" (Judgement Tasks) zuordnen. Dieser Aufgabentyp beinhaltet Kompetenzen aus anderen Aufgabentypen wie "Informationen zusammenstellen" (Compilation Tasks) und "Sachverhalte analysieren" (Analytical Tasks). Darüber hinaus ist aber eine Entscheidung zu treffen, die nachvollziehbar begründet werden muss. Hierbei wird nicht nur reproduziert, sondern problemlösend und (quellen-)kritisch gearbeitet. Gerade dieser Aufgabentyp ist sehr praxisnah und bereitet die Schülerinnen und Schüler auf das spätere Berufsleben oder Studium vor. BlogQuests: Erstellen von WebQuest mit Blogs Der hier vorgestellte WebQuest wurde mit einem Blog erstellt (daher auch die Bezeichnung BlogQuest). Ursprünglich handelt es sich bei Blogs um internetbasierte Tagebücher, in denen man Artikel verfassen und Seiten gestalten kann. Es gibt zahlreiche Provider, wie zum Beispiel Blogger, blog.de oder overblog. Der vorliegende BlogQuest wurde mithilfe von Wordpress erstellt. Die Arbeit mit dieser Online-Plattform ist nach einer kurzen Einarbeitungsphase sehr einfach, da man hier als Autorin oder Autor viele Optionen vorfindet, die von konventioneller Bürosoftware bekannt sind. Die Arbeitsoberfläche von Wordpress ist übersichtlich strukturiert, man benötigt für die Nutzung keine Programmierkenntnisse in HTML oder PHP. Und weil man den BlogQuest ohnehin online erstellt, entfällt auch der Schritt des Hochladens. Blogs ermöglichen somit eine schnelle und komfortable Erstellung von WeqQuests. Dies ist auch mit kostenfrei nutzbaren WebQuest-Generatoren möglich. Die mit diesen Werkzeugen erstellten HTML-Seiten muss man jedoch noch in einen verfügbaren Webspace hochladen. Für die Internetrecherchen sind zwei Unterrichtsstunden einzuplanen. Die Erarbeitung der Stellungnahmen (Einzel- oder Partnerarbeit sowie Gruppenarbeit) sowie die Präsentation und Diskussion im Klassenplenum nehmen je eine Unterrichtsstunde in Anspruch. Arbeitsgleiche Einzel- oder Partnerarbeit In der ersten Unterrichtsphase erfolgt in Einzel- beziehungsweise Partnerarbeit die Erstellung eines Kriterienkatalogs zum quellenkritischen Arbeiten. Dieser Katalog dient als "strategische" Grundlage für die Bewertung von Informationen und damit für die Erarbeitung der eigenen Stellungnahme. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln ihren Standpunkt zur Reichweite der Erdölreserven nach der Recherche auf den fünf vorgegebenen Internetseiten. Die Beantwortung der Fragestellung, also die eigene Entscheidung, ist schriftlich zu begründen. Selbstgesteuertes Arbeiten Die Arbeit mit dem WebQuest erfolgt eigenständig und selbstgesteuert. Problemlösendes und (quellen-)kritisches Arbeiten soll dabei im Mittelpunkt stehen. Die Lehrkraft wird zum Lernbeobachter. Ergänzende Materialien Für ihre Internetrecherche stehen den Schülerinnen und Schülern im Quellenbereich des WebQuests ausgewählte Links zur Verfügung. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die Lernenden selbstständig in der Schul- oder Stadtbibliothek auf Printmedien zurückgreifen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die methodische und inhaltliche Qualität gedruckter Medien der Qualität von Online-Publikationen gegenüberzustellen. Die Arbeitsergebnisse der Schülerinnen und Schüler sind der von ihnen erstellte Kriterienkatalog und die Formulierung ihrer Position. Letztere stellen sie sich gegenseitig in Kleingruppen vor. Jede Gruppe entwickelt daraus eine eigene Stellungnahme, die dann der gesamten Klasse präsentiert wird. Abschließend sollen die Stellungnahmen der Gruppen in einer Diskussionsrunde besprochen werden. Dabei sollen konstruktive Kritik geübt und auch Verbesserungsvorschläge diskutiert werden.

Hier finden Sie Unterrichtseinheiten und Anregungen zum Unterricht im Fach Chemie zu dem Themenfeld "Struktur und Bindung".

Hier finden Sie Unterrichtseinheiten und Anregungen zum Unterricht im Fach Chemie zu dem Themenfeld "Chemische Reaktion und Energieumsätze".

Hier finden Sie Unterrichtseinheiten und Anregungen zum Unterricht im Fach Chemie zu dem Themenfeld "Stoffe, Teilchen und ihre Eigenschaften".

Hier finden Sie Unterrichtseinheiten und Anregungen zum Unterricht im Fach Chemie zu dem Themenfeld "Säuren, Basen und Salze im Alltag".