Chemie · Klasse 11 · Simulation
Metalle – vom Aufbau zu den Eigenschaften
Glühlampe: Eine Glühlampe brennt fast immer im Moment des Einschaltens durch – kaum einmal, während sie schon leuchtet.
Haltestelle: Im Winter fühlt sich die Metallstange an der Haltestelle deutlich kälter an als die Holzbank daneben. Beide haben dieselbe Temperatur.
Folie und Kristall: Aluminium lässt sich zu Folie walzen, die dünner als ein Haar ist. Ein Kochsalzkristall zerspringt schon beim ersten Hammerschlag.
Spiegel: Hinter dem Glas eines Spiegels liegt eine hauchdünne Metallschicht, meist aus Silber oder Aluminium.
Leitfrage: Lassen sich alle vier Beobachtungen mit einem einzigen Modell erklären?
Wählen Sie eine Beobachtung und notieren Sie eine Vermutung, wie sie zustande kommt. Die Vermutung darf falsch sein. Beginnen Sie mit „Aufbau“, die Stationen danach wählen Sie in beliebiger Reihenfolge, „Sicherung“ schließt ab.
Aufgaben: Aufbau
- Beschreiben Sie den Bau eines Metalls nach dem Elektronengasmodell. Verwenden Sie die Begriffe Atomrumpf, Außenelektronen, Metallgitter und Elektronengas.
- Erklären Sie, was die Teilchen im Metall zusammenhält.
Hilfe 1 zu Aufgabe 1
Ein Natriumatom hat ein Außenelektron. Überlegen Sie, was vom Atom übrig bleibt, wenn es dieses Elektron abgibt, und welche Ladung dieser Rest trägt.Hilfe 2 zu Aufgabe 1
Verfolgen Sie ein einzelnes Elektron. Prüfen Sie, ob es bei einem bestimmten Atomrumpf bleibt.Hilfe zu Aufgabe 2
Im Metall gibt es positiv und negativ geladene Teilchen. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Nutzen Sie den Satzanfang: „Die Metallbindung ist die Anziehung zwischen …“Aufgaben: Leitfähigkeit
- Schalten Sie die Spannung ein. Beschreiben Sie die Bewegung der Elektronen vor und nach dem Einschalten.
- Erklären Sie mit dem Elektronengasmodell, warum Metalle den elektrischen Strom leiten.
- Erhöhen Sie die Temperatur schrittweise. Beschreiben Sie, wie sich die Stromstärke ändert. Verfolgen Sie dazu auch ein einzelnes Elektron bei niedriger und bei hoher Temperatur. Erklären Sie die Änderung.
- Wenden Sie Ihr Ergebnis auf die Beobachtung zur Glühlampe an.Glühlampe: Eine Glühlampe brennt fast immer im Moment des Einschaltens durch – kaum einmal, während sie schon leuchtet.
Hilfe zu Aufgabe 2
Damit ein Stoff den Strom leitet, braucht er Ladungsträger, die sich frei bewegen können. Das kennen Sie von Salzlösungen.Hilfe 1 zu Aufgabe 3
Beobachten Sie, wie sich die Atomrümpfe bei höherer Temperatur bewegen.Hilfe 2 zu Aufgabe 3
Verfolgen Sie ein Elektron. Jede plötzliche Richtungsänderung ist ein Zusammenstoß mit einem Atomrumpf, der dabei kurz umrandet wird. Vergleichen Sie, wie oft das bei niedriger und bei hoher Temperatur geschieht.Hilfe zu Aufgabe 4
Vergleichen Sie den kalten Glühdraht direkt beim Einschalten mit dem heißen Glühdraht, der schon leuchtet. Überlegen Sie, wann die größere Stromstärke fließt.Aufgaben: Wärmeleitung
- Starten Sie das Heizen am linken Ende. Beschreiben Sie, wie sich die Bewegung der Atomrümpfe im Gitter verändert.
- Wiederholen Sie den Versuch mit dem Vergleichsgitter ohne frei bewegliche Elektronen. Vergleichen Sie, wie lange es jeweils dauert, bis das rechte Ende warm wird.
- Erklären Sie, warum Metalle die Wärme gut leiten.
- Erklären Sie die Beobachtung an der Haltestelle.Haltestelle: Im Winter fühlt sich die Metallstange an der Haltestelle deutlich kälter an als die Holzbank daneben. Beide haben dieselbe Temperatur.
Hilfe zu Aufgabe 3
Je höher die Temperatur, desto heftiger bewegen sich die Teilchen. Überlegen Sie, welche Teilchen diese Bewegungsenergie im Metall besonders schnell weitertragen.Hilfe zu Aufgabe 4
Ihre Hand ist wärmer als Stange und Bank. „Kalt“ fühlt sich etwas an, das Ihrer Hand schnell Wärme entzieht. Überlegen Sie, wie schnell die Wärme Ihrer Hand jeweils abtransportiert wird.Aufgaben: Verformbarkeit
- Üben Sie im Metall mehrmals eine Kraft auf die obere Hälfte aus. Beschreiben Sie, was mit den Schichten geschieht.
- Wählen Sie das Ionengitter und üben Sie eine Kraft aus. Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Metall.
- Erklären Sie, warum Metalle verformbar sind und Salzkristalle zerspringen. Beziehen Sie die Beobachtung zu Folie und Kristall ein.Folie und Kristall: Aluminium lässt sich zu Folie walzen, die dünner als ein Haar ist. Ein Kochsalzkristall zerspringt schon beim ersten Hammerschlag.
Hilfe 1 zu Aufgabe 3
Setzen Sie im Ionengitter zurück und verschieben Sie nur einmal. Vergleichen Sie, welche Ladungen sich vor und nach dem Verschieben direkt gegenüberstehen.Hilfe 2 zu Aufgabe 3
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Überlegen Sie, was sich im Metall nach dem Verschieben zwischen den Atomrümpfen befindet.Vertiefung
Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Es ist härter als reines Kupfer. Wählen Sie „Metall mit Fremdatomen“ und üben Sie eine Kraft aus. Stellen Sie eine Hypothese auf, warum Legierungen oft härter sind als die reinen Metalle.Aufgaben: Glanz
- Senden Sie einen einzelnen Lichtstrahl auf das Metall. Beschreiben Sie Schritt für Schritt, was mit dem Licht und mit dem getroffenen Elektron geschieht.
- Schalten Sie das Dauerlicht ein. Vergleichen Sie die Farbe des ankommenden mit der Farbe des zurückgeworfenen Lichts.
- Wählen Sie den Salzkristall und wiederholen Sie den Versuch. Vergleichen Sie das Verhalten des Lichts mit dem am Metall.
- Erklären Sie, warum Spiegel eine Metallschicht haben.Spiegel: Hinter dem Glas eines Spiegels liegt eine hauchdünne Metallschicht, meist aus Silber oder Aluminium.
Hilfe zu Aufgabe 1
Senden Sie mehrere einzelne Strahlen nacheinander. Achten Sie auf den farbigen Ring um das Elektron und darauf, von wo das Licht wieder ausgeht.Hilfe zu Aufgabe 4
Überlegen Sie, welche Teilchen es nur im Metall gibt und was diese Teilchen mit dem Licht tun. Beziehen Sie ein, dass das zurückgeworfene Licht dieselbe Farbe hat wie das ankommende.Sicherung
- Übertragen Sie die Tabelle in Ihren Hefter und vervollständigen Sie sie mit Ihren Ergebnissen.
| Eigenschaft | Erklärung mit dem Elektronengasmodell |
|---|---|
| elektrische Leitfähigkeit | |
| Abnahme der Leitfähigkeit beim Erwärmen | |
| Wärmeleitfähigkeit | |
| Verformbarkeit | |
| Glanz |
- Beurteilen Sie die Leistungsfähigkeit des Elektronengasmodells. Nutzen Sie die folgenden Fakten. Nennen Sie mindestens eine Beobachtung, die das Modell erklärt, und eine, die es nicht erklärt.
- Kupfer und Gold sind farbig, Silber und Aluminium nicht.
- Natrium lässt sich mit dem Messer schneiden und schmilzt bei 98 °C. Wolfram schmilzt erst bei 3422 °C.
- Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig und leitet trotzdem den Strom.
- Diskutieren Sie, wo die Simulation selbst vereinfacht. Gehen Sie auf Größe, Form und Bewegung der Teilchen ein.
- Überprüfen Sie Ihre Vermutung vom Anfang. Bestätigen oder korrigieren Sie sie.Glühlampe: Eine Glühlampe brennt fast immer im Moment des Einschaltens durch – kaum einmal, während sie schon leuchtet.Haltestelle: Im Winter fühlt sich die Metallstange an der Haltestelle deutlich kälter an als die Holzbank daneben. Beide haben dieselbe Temperatur.Folie und Kristall: Aluminium lässt sich zu Folie walzen, die dünner als ein Haar ist. Ein Kochsalzkristall zerspringt schon beim ersten Hammerschlag.Spiegel: Hinter dem Glas eines Spiegels liegt eine hauchdünne Metallschicht, meist aus Silber oder Aluminium.