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Das Periodensystem der Elemente auf der Basis des Coulombgesetzes und des Orbitalmodells
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- Nächster Termin: 10. bis 11. März 2017
- Kursleitung: Roger Deuber
- Autor: Roger Deuber
- Umfang: 6 - 10 Lektionen
- Schulstufe: 10. - 12. Schuljahr, Gymnasium
Das Periodensystem der Elemente ist der Schlüssel zum Verständnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Elementen und Verbindungen sowie deren Bindungsverhalten. Um dieses Verständnis zu erreichen, benötigen die Schülerinnen sicheres Vorwissen in den beiden folgenden Bereichen:
· Sie müssen den Aufbau der Elektronenhülle gut verstanden haben.
· Sie müssen das Coulombgesetz flexibel anwenden können.
Aufgrund der ersten Voraussetzung baut diese Unterrichtseinheit auf dem Orbitalmodell des Atoms auf und ist damit eine ideale Weiterführung der oben dargestellten Unterrichtseinheit, in der die Schülerinnen und Schüler detaillierte Kenntnisse über den Atomkern sowie über die Verteilung der Elektronen auf die Elektronenhülle erwerben. Um die zweite Voraussetzung zu erfüllen, enthält diese Unterrichtseinheit erprobtes Unterrichtsmaterial, mit dem die Lernenden das Coulombgesetz so gründlich verstehen sollen, dass sie sich damit komplexe Zusammenhänge im Periodensystem erklären können.
Diese Unterrichtseinheit besteht aus fünf Sequenzen. In der ersten Sequenz geht es um die Entstehung des Periodensystems. In diesem Zusammenhang sollen die Lernenden auch verstehen, wie es möglich war, ausgehend von falschen Annahmen ein weitgehend zutreffendes Ordnungssystem zu entwerfen. Die zweite Sequenz befasst sich mit der Struktur des Periodensystems und konzentriert sich darauf, wie die Struktur der Elektronenhülle die Eigenschaften der Elemente bestimmt. Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, die Zugehörigkeit von Elementen zu Perioden, Gruppen und Nebengruppen anhand der Struktur der Elektronenhülle zu erklären und zu verstehen, warum es in jeder Periode maximal acht Valenzelektronen gibt, obwohl die Schalen immer grösser werden und damit auch immer mehr Elektronen enthalten können.
Die dritte Sequenz erklärt den Unterschied zwischen Metallen und Nichtmetallen unter Bezug auf die unterschiedlichen Anziehungskräfte zwischen Atomkern und Valenzelektronen und führt damit als Grundlage für das Bindungsverhalten der Elemente zu Sequenz vier, die einen Ausblick auf die Bindungslehre gibt. Die Schülerinnen und Schüler sollen verstehen, wie sich die drei Bindungstypen: Elektronenpaarbindung, Ionenbindung und Metallbindung, auf die Struktur der beteiligten Atome zurückführen lassen. Abschliessend geht es in der fünften Sequenz um den Vergleich des Orbitalmodells mit dem Bohr’schen Atommodell. Hier haben die Schülerinnen und Schüler die Aufgabe, die Vorteile herauszuarbeiten, die das Orbitalmodell gegenüber dem Bohr’schen Atommodell bei der Erklärung der Struktur des Periodensystems hat. Auf diese Weise soll ihr Wissen vom Periodensystem sowie vom Orbitalmodell vertieft und gefestigt werden.
Wie alle Unterrichtseinheiten des MINT-Lernzentrums enthält auch diese Unterrichtseinheit viele Aufträge, bei denen die Schülerinnen und Schüler mit kognitiv aktivierenden Lernformen dazu angeleitet werden, zentrale Konzepte wie beispielsweise das Coulombgesetz oder die Ordnungszahlen im Periodensystem konstruierend zu verstehen.
Eine detaillierte Analyse der Coulombkräfte zwischen Atomkern und Valenzelektronen schafft die Grundlage für ein profundes Verständnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Elemente und deren Bindungsverhalten.