Bindungsarten im virtuellen Labor: unbekannte Feststoffe

Dieses Material untersucht Bindungsarten im virtuellen Labor und folgt dem Labor in AP Chemistry, in dem die Lernenden unbeschriftete weiße Feststoffe erhalten und aus ihren Eigenschaften die Bindung in jedem Stoff ableiten müssen. Es passt auch zum Thema von AQA GCSE, wie Struktur und Bindung die Eigenschaften erklären. Die Lernenden erhitzen jede Probe, prüfen, ob sie sich in Wasser und in Hexan löst, und testen die Leitfähigkeit als Feststoff, als Schmelze und in Lösung. Außerdem schlagen sie mit einem Hammer darauf. Sie füllen eine Eigenschaftstabelle aus, ordnen jede unbekannte Probe als Ionenverbindung, molekularen Stoff, Metall oder kovalente Riesenstruktur ein und wählen eine Begründung. Dann bewertet Prüfen beides.

Lehrplanbezug

• AP Chemistry Unit 2 (Topics 2.3 Structure of Ionic Solids und 2.4 Structure of Metals and Alloys) und Unit 3, Topic 3.2 Properties of Solids. Außerdem das Labor von AP Chemistry, in dem die Bindung in unbekannten Feststoffen aus ihren Eigenschaften bestimmt wird.
• AQA GCSE Chemistry 4.2.2: wie Bindung und Struktur mit den Eigenschaften von Stoffen zusammenhängen. Das umfasst Ionenverbindungen, kleine Moleküle, kovalente Riesenstrukturen und Metalle.

Simulic ist weder mit dem College Board noch mit AQA verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt. In Deutschland passt das Material zu Bindungsarten und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Chemieunterricht der Sekundarstufe I und der Oberstufe.

Vor dem Experiment (5 min)

Lassen Sie die Lernenden sich auf eine Vorhersage festlegen:

„Kochsalz und Haushaltszucker lösen sich beide in Wasser. Sie tauchen einen Stromkreis aus Lampe und Batterie in jede Lösung. Bei welcher Lösung leuchtet die Lampe?“

Viele Lernende sagen „bei beiden, weil sich beide lösen“. Heben Sie die Stimmen für später auf.

Durchführung in der Simulation

Teil A: Üben mit bekannten Stoffen

1. Stellen Sie Modus auf Bekannte Stoffe. Wählen Sie nacheinander NaCl und Saccharose, stellen Sie Test auf Leitfähigkeit: Lösung und klicken Sie auf Lösen und Elektroden eintauchen. Notieren Sie, welche Lampe leuchtet. Damit ist die Vorhersage geprüft.
2. Wählen Sie NaCl, Test Erhitzen, Wärmequelle Bunsenbrenner, und klicken Sie auf Erhitzen. Wechseln Sie dann zum Elektroofen und erhitzen Sie erneut. Lesen Sie die Temperatur ab, bei der das Diagramm waagerecht verläuft.
3. Wiederholen Sie das Erhitzen mit Zinn und mit Graphit.

Teil B: unbekannte Proben

4. Stellen Sie Modus auf Unbekannte Stoffe mit 4 Proben. Bei 4 Unbekannten kommt jede der vier Stoffarten genau einmal vor.
5. Führen Sie für jede Probe alle sieben Tests durch und tragen Sie jedes Ergebnis mit den Schaltflächen unter den Schritten ein. Nutzen Sie den Ofen, wenn eine Probe über dem Bunsenbrenner nicht schmilzt.
6. Wählen Sie für jede unbekannte Probe eine Stoffart und eine Begründung und klicken Sie dann auf Prüfen.

Probe	Schmelztemperatur	Wasser	Hexan	Leitet als Feststoff	Leitet geschmolzen	Lösung leitet	Hammer
A
B
C
D

Erwartete Ergebnisse

Messwerte aus der Simulation im Modus Bekannte Stoffe:

Stoff	Erhitzen	Löslichkeit	Leitfähigkeit	Hammer
NaCl	schmilzt nicht mit dem Bunsenbrenner (erreicht etwa 590 °C); im Ofen waagerecht bei 801 °C	nur Wasser	fest nein; Schmelze und Lösung ja	zerspringt
Saccharose	schmilzt bei 186 °C und wird braun	nur Wasser	nie	spröde
Paraffinwachs	erweicht zwischen 50 und 65 °C, kein waagerechter Abschnitt	nur Hexan (schwimmt auf Wasser)	nie	weich, lässt sich zerdrücken
Zinn	waagerecht bei 232 °C	keins	fest und Schmelze ja	wird flach
Graphit	schmilzt auch im Ofen nicht (etwa 1.080 °C)	keins	fest ja	weich, blättert ab
SiO₂ (Sand)	schmilzt auch im Ofen nicht	keins	nie	sehr harte Körner

• Die Salzlösung bringt die Lampe zum Leuchten, die Zuckerlösung nicht. Dass sich ein Stoff löst, zeigt allein noch nicht, dass er eine Ionenverbindung ist.
• Der Schmelztest braucht bei NaCl den Ofen. Über dem Bunsenbrenner schmilzt es nicht, und die Simulation meldet, dass der Test nichts zeigen kann.
• Graphit ist die Falle: Es leitet als Feststoff, schmilzt aber nicht und blättert ab, statt flach zu werden. Es ist also eine kovalente Riesenstruktur, kein Metall.

Fragen für die Lernenden

1. (Vorhersage, nach dem Experiment erneut gestellt) Bei welcher Lösung, Salz oder Zucker, leuchtet die Lampe?
2. Welche Größe ist beim Leitfähigkeitstest der Lösung eine Kontrollvariable?
3. Bei welcher Temperatur schmilzt NaCl im Elektroofen?
4. Welche Stoffart passt zu einer gegebenen Eigenschaftstabelle?
5. Erklären Sie, warum NaCl geschmolzen oder gelöst leitet, als Feststoff aber nicht.

Antworten für Lehrkräfte: (1) Nur bei der Salzlösung. (2) Der Stromkreis (Batterie, Lampe, Elektroden) und das Wasservolumen. (3) 801 °C (akzeptiert 796–806). (4) Kovalente Riesenstruktur: Die Tabelle beschreibt Graphit. (5) Im Feststoff sind die Ionen im Gitter fixiert und können nur schwingen. Geschmolzen oder gelöst können sich die Ionen frei bewegen und die Ladung transportieren.

Häufige Fehlvorstellungen

• „Es löst sich in Wasser, also ist es eine Ionenverbindung.“ Saccharose und Harnstoff lösen sich, leiten aber nie. Prüfen Sie, ob die Lösung leitet.
• „Es leitet als Feststoff, also ist es ein Metall.“ Auch Graphit leitet. Nutzen Sie zusätzlich den Hammertest und die Schmelztemperatur.
• „Ionenverbindungen leiten, weil sie Elektronen enthalten, die sich bewegen.“ In einer Schmelze oder Lösung bewegen sich die Ionen selbst. Ionische Feststoffe leiten überhaupt nicht.

Erweiterung

• Teilchenbilder: Nach einem richtigen Prüfen schalten die Lernenden das Teilchenbild für NaCl zwischen Fest, Geschmolzen und In Wasser gelöst um und erklären jedes Lampenergebnis in einem Satz.
• Grenzfälle: Vergleichen Sie KI (schmilzt bei 681 °C) mit Zinn (232 °C). Warum reicht die Schmelztemperatur allein nicht aus, um die Bindung zu bestimmen?

Häufige Fragen

Ändern sich die unbekannten Proben von Lernendem zu Lernendem?

Ja. Jeder Klick auf Neue Proben wählt neue Stoffe, daher können die Lernenden keine Antworten austauschen. Bei 4 Unbekannten kommt immer jede Stoffart einmal vor, was ihre Begründungen gut überprüft.

Warum brauchen manche Proben den Elektroofen?

Die Simulation bildet einen Bunsenbrenner mit Tiegel ab, der etwa 600 °C erreicht. NaCl, KI, CaCl₂ und Aluminium schmelzen oberhalb davon. Die Lernenden sollten den Ofen nutzen, bevor sie „schmilzt nicht“ notieren.

Kann das den echten Versuch sicher ersetzen?

Es deckt die gefährlichen Schritte ab: spritzende Salzschmelzen, brennbares Hexan und sich zersetzenden Harnstoff. Viele Lehrkräfte lassen die Lernenden trotzdem im Labor kleine Proben von Salz und Zucker auf Löslichkeit und Leitfähigkeit der Lösung testen.

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Zu Teilchenmodellen für Schmelzen und Sieden siehe den Unterrichtsplan zu Aggregatzuständen. Weitere Chemie-Aktivitäten finden Sie unter interaktive Ideen für den Chemieunterricht.