Moleküle bauen: Unterrichtsplan zu Atomen und Bindungen
Aktualisiert am 2026-10-02
Dieser Unterrichtsplan „Moleküle bauen“ nutzt eine kostenlose Simulation, in der die Lernenden Atome zusammenziehen und das Molekül entweder funktioniert oder nicht. Wasserstoff geht eine Bindung ein, Sauerstoff zwei, Stickstoff drei, Kohlenstoff vier, und die Simulation sagt den Lernenden, wenn ein Atom voll ist. Ein fertiges Molekül zeigt seine Formel, seinen Namen und ein 3D-Modell mit Form und Bindungswinkel. Sie erhalten Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagen, einen Ablauf Schritt für Schritt mit dem, was die Lernenden sehen sollten, ein Fragenset mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine VSEPR-Erweiterung für ältere Lernende und Ideen zur Differenzierung. Jede Formel, Form und jeder Winkel unten stammt aus dem Modellcode der Simulationen selbst.
Die Stunde im Überblick
- Stufe: Klassen 7–10 (Alter 12–16). Die VSEPR-Erweiterung eignet sich für die Klassen 10–12.
- Zeit: eine Unterrichtsstunde von 50–60 Minuten, plus eine optionale Erweiterung von 20 Minuten.
- Vorwissen: Atome und Elemente, chemische Symbole. Bindung als „Atome teilen sich Elektronen“ hilft, ist aber nicht nötig.
- Format: Paare an Laptops oder Tablets. Das Ziehen von Atomen funktioniert auch auf Smartphones, aber die Tabelle ist klein.
- Simulation: Moleküle bauen – Atome, Wertigkeit, Formeln und 3D-Formen. Erweiterung: Molekülgeometrie – Bindungen, freie Elektronenpaare und Bindungswinkel (VSEPR).
Lernziele
Am Ende der Stunde können die Lernenden:
- mit der Wertigkeit (H eine Bindung, O zwei, N drei, C vier) einfache Moleküle bauen und sagen, warum manche Kombinationen scheitern.
- die Formel eines selbst gebauten Moleküls aufschreiben.
- ein Molekül als Element oder Verbindung einordnen.
- die Formen von H₂O, CO₂, NH₃ und CH₄ beschreiben und ihre Bindungswinkel nennen.
- erklären, wie zwei verschiedene Moleküle dieselbe Formel haben können (Isomere).
Was die Simulation leistet
Die Lernenden ziehen Atome aus den Fächern am unteren Bildschirmrand und legen sie neben einem anderen Atom ab. Haben beide Atome noch eine freie Bindung, verbinden sie sich. Ein Tippen auf eine Bindung trennt sie; mit der Maus erscheint ein ✂, wenn man auf eine Bindung zeigt. Hat jedes Atom genau seine Wertigkeit ausgeschöpft, ist das Molekül vollständig, und eine Beschriftung zeigt Formel und Namen, etwa „H₂O – Wasser“, mit einer Schaltfläche 3D. Die Statuszeile erklärt, was passiert ist, zum Beispiel „H₂O (Wasser) gebaut – Verbindung aus H, O.“
Die Simulation verwendet diese Wertigkeiten: H, F, Cl und Br eine Bindung; O zwei; N, P und B drei; C und Si vier; S zwei (mehr nur bei Bindung an O). Sie baut nur offenkettige Moleküle, keine Ringe, und ihr Katalog enthält 58 Stoffe.
Sie hat drei Bildschirme:
- Moleküle bauen: vier Sammelboxen und ein oder mehrere Bausätze mit einer begrenzten Zahl von Atomen. ◀ ▶ wechseln den Bausatz. Ein fertiges Molekül kommt in die Box mit der passenden Formel. Sammlung 1 verlangt CO₂, CO, H₂O₂ und Cl₂. Bausatz 1 enthält 3 C und 4 O. Bausatz 2 enthält 2 H, 3 O und 3 Cl. Jeder Bausatz hat ein oder zwei überzählige Atome, die Lernenden müssen also planen. Neu starten bringt dieselbe Sammlung 1 zurück.
- Mehrfach: Jede Box braucht zwei oder drei Moleküle desselben Stoffs. Sammlung 1 verlangt 2 Cl₂, 2 CH₄, 3 CO und 3 HF.
- Labor: vier Bausätze mit unbegrenzten Atomen (H C N O · H C O F Cl · H N O S P · H C Br B Si), pro Bausatz bis zu 40 Atome auf dem Tisch.
Die 3D-Ansicht lässt sich durch Ziehen drehen und nennt Form und Bindungswinkel: „Form: gewinkelt um O (Bindungswinkel ≈ 104,5°).“ Darunter zählt sie jedes Element und sagt, ob das Molekül ein Element oder eine Verbindung ist.
Material und Vorbereitung vor dem Unterricht
Material: ein Gerät pro Paar und ein Protokollblatt mit Spalten für Formel, Name, Element oder Verbindung, Form und Bindungswinkel.
Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):
- Öffnen Sie die Simulation. Die Standardeinstellungen sind der Bildschirm Moleküle bauen, bekannte Stoffe und angezeigte Namen.
- Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Naturwissenschaften · 1. Stunde“. Der Link heftet diese Startwerte an. Für eine Klasse, die organische Chemie kennt, ergibt ein zweiter Link mit Sammelziele auf Erweitert (mit organischen) schwierigere Boxen.
- Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und verknüpfen Sie es mit dem Link.
- Veröffentlichen Sie den Link oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.
Ablauf der Stunde
1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)
Zeigen Sie ein Glas Wasser und fragen Sie: „Wir schreiben Wasser als H₂O. Warum nicht HO oder H₃O?“ Sammeln Sie ein paar Antworten. Dann legen sich die Lernenden auf zwei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:
- P1. „Sie haben ein Kohlenstoffatom und reichlich Wasserstoff. Wie viele H-Atome binden sich an das C, bevor das Molekül vollständig ist? 2 / 3 / 4 / 6“
- P2. „Welche Form erwarten Sie bei einem Wassermolekül? Eine gerade Linie / gewinkelt / ein flaches Dreieck / eine Pyramide“
Viele Lernende zeichnen Wasser als gerade H–O–H-Linie. Korrigieren Sie noch niemanden.
2. Wertigkeit im Labor (10 Minuten)
Öffnen Sie das Labor mit Bausatz 1 (H, C, N, O). Die Paare bauen und notieren:
| Gebaut | Bindungen am Zentralatom | Ergebnis |
|---|---|---|
| O mit 2 H | 2 | H₂O – Wasser |
| N mit 3 H | 3 | NH₃ – Ammoniak |
| C mit 4 H | 4 | CH₄ – Methan |
| C mit 2 O | 4 (zwei Doppelbindungen) | CO₂ – Kohlenstoffdioxid |
Bitten Sie sie dann, absichtlich die Regeln zu brechen:
- C mit nur 2 H: Es erscheint kein Name, und die Statuszeile sagt „Einige Atome haben noch freie (oder falsche) Wertigkeit, daher ist es noch kein vollständiges Molekül.“
- Ein fünftes H an Methan: Es bindet nicht. Die Statuszeile sagt, dass das berührte Atom „seine Wertigkeit ausgeschöpft hat“, zum Beispiel „Das C-Atom hat seine Wertigkeit (IV) ausgeschöpft und kann keine weitere Bindung eingehen.“
- H–O–O–O–H: Jedes Atom ist zufrieden, aber die Beschriftung sagt „H₂O₃ – nicht im Katalog“. Die Regeln erlauben es auf dem Papier. Fragen Sie: „Heißt das, dass es existiert?“ Ein schöner Moment, um die Regeln eines Modells von der echten Chemie zu trennen.
Beachten Sie die Doppelbindungen in CO₂: Die Lernenden legen nur Atome ab, und die Simulation zeichnet die Doppelbindungen, sobald jede Wertigkeit erfüllt ist. Prüfen Sie jetzt P1.
3. Moleküle bauen: Atome einteilen (10 Minuten)
Wechseln Sie zu Moleküle bauen. Bausatz 1 (3 C, 4 O) muss CO₂ und CO liefern. Bausatz 2 (2 H, 3 O, 3 Cl) muss H₂O₂ und Cl₂ liefern.
Die Falle steckt in Bausatz 2. Wer zuerst Wasser baut, verbraucht beide Wasserstoffatome und hat keines mehr für H₂O₂. Lassen Sie sie hineintappen. Fragen Sie dann: „Was musst du rückgängig machen?“ Sie ziehen das Wasser zurück zu den Fächern, wodurch die Atome zurückkehren, und bauen neu. Lernende, die früh fertig sind, drücken auf Neue Sammlung.
Ein Hinweis zu CO, falls die Lernenden fragen: Echtes Kohlenstoffmonoxid hat eine Dreifachbindung. Die Simulation hält sich an einfache Wertigkeitsregeln, gibt Kohlenstoff hier die Wertigkeit II und zeichnet eine Doppelbindung.
4. Elemente und Verbindungen (5 Minuten)
Jedes Mal, wenn ein Molekül fertig ist, ordnet die Statuszeile es ein. O₂ ergibt „O₂ (Sauerstoff) gebaut – Element (nur O).“ H₂O ergibt „H₂O (Wasser) gebaut – Verbindung aus H, O.“ Bitten Sie sie, alles, was sie gebaut haben, in zwei Spalten zu sortieren. Cl₂, H₂, O₂ und N₂ sind Elemente. H₂O, CO₂, NH₃, CH₄ und H₂O₂ sind Verbindungen.
5. Formen in 3D (8 Minuten)
Die Lernenden öffnen bei jedem Molekül 3D und vervollständigen die Tabelle:
| Molekül | Form in der 3D-Ansicht | Angezeigter Bindungswinkel |
|---|---|---|
| H₂O | gewinkelt um O | ≈ 104,5° |
| CO₂ | linear um C | 180° |
| NH₃ | trigonal-pyramidal um N | ≈ 107° |
| CH₄ | tetraedrisch um C | 109,5° |
| HCN | linear um C | 180° |
Prüfen Sie P2. Fragen Sie: „Wasser und Kohlenstoffdioxid haben beide drei Atome. Warum ist das eine gewinkelt und das andere gerade?“ Sauerstoff behält zwei Elektronenpaare, die nicht in Bindungen stehen, und sie drücken die Wasserstoffatome nach unten. Kohlenstoff in CO₂ hat keine. Die Erweiterung unten macht das sichtbar.
6. Isomere (5 Minuten)
Im Labor bauen die Lernenden zwei Moleküle aus 2 C, 6 H und 1 O. Das eine ergibt „C₂H₅OH – Ethanol“, das andere „CH₃OCH₃ – Methoxymethan (Dimethylether)“. Dieselben Atome, andere Verknüpfung, verschiedene Stoffe. Die 3D-Ansicht beider zeigt tetraedrische Kohlenstoffatome und einen gewinkelten Sauerstoff.
7. Abschlusscheck (5 Minuten)
Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und vergleichen Sie die Spalten „Vorhersage“ und „Danach“ für P1 und P2.
Fragenset für diese Stunde
Geben Sie diese Fragen auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Nutze das Labor mit Bausatz 1 (H, C, N, O). Öffne die 3D-Ansicht, um Formen und Winkel abzulesen.“
1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Sie haben ein Kohlenstoffatom und reichlich Wasserstoff. Wie viele H-Atome binden sich an das C, bevor das Molekül vollständig ist?“
- Optionen: 2 / 3 / 4 (richtig) / 6
- Erklärung: „Kohlenstoff hat die Wertigkeit vier: Er geht vier Bindungen ein. Wasserstoff geht eine ein. Ein Kohlenstoff bindet also vier Wasserstoffatome, das ergibt CH₄, Methan. Bei weniger hat der Kohlenstoff noch freie Bindungen, und das Molekül ist nicht vollständig.“
2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Welche Form erwarten Sie bei einem Wassermolekül?“
- Optionen: eine gerade Linie / gewinkelt (richtig) / ein flaches Dreieck / eine Pyramide
- Erklärung: „Wasser ist gewinkelt, mit einem H–O–H-Winkel von etwa 104,5°. Das Sauerstoffatom hat zwei Elektronenpaare, die nicht in Bindungen stehen. Sie drücken die beiden O–H-Bindungen näher zusammen, sodass das Molekül nicht gerade sein kann.“
3. Multiple Choice · Nach der Simulation
- Frage: „Welches dieser Moleküle ist ein Element und keine Verbindung?“
- Optionen: H₂O / CO₂ / NH₃ / O₂ (richtig)
- Erklärung: „Ein Element besteht aus einer Atomsorte. O₂ enthält nur Sauerstoffatome. H₂O, CO₂ und NH₃ enthalten jeweils zwei verschiedene Elemente, sind also Verbindungen.“
4. Zahl · Nach der Simulation
- Frage: „Baue NH₃ und öffne die 3D-Ansicht. Welchen Bindungswinkel zeigt sie, in Grad?“
- Antwort: 107, Toleranz ± 1, Einheit °
- Erklärung: „Ammoniak ist trigonal-pyramidal, mit H–N–H-Winkeln von etwa 107°. Das ist etwas weniger als die 109,5° von Methan, weil das freie Elektronenpaar des Stickstoffs die drei Bindungen näher zusammendrückt.“
5. Kurzantwort · Nach der Simulation
- Frage: „Ethanol und Methoxymethan enthalten beide 2 C, 6 H und 1 O. Wie unterscheiden sich die beiden Moleküle?“
- Akzeptierte Antworten (optional): leer lassen und die Antworten selbst lesen.
- Musterantwort: „Die Atome sind in anderer Reihenfolge verbunden. Im Ethanol sitzt der Sauerstoff am Ende der Kohlenstoffkette, gebunden an ein C und ein H. Im Methoxymethan sitzt der Sauerstoff zwischen den beiden Kohlenstoffatomen. Unterschiedliche Strukturen ergeben unterschiedliche Stoffe, sogenannte Isomere.“
Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden. Warum Vorhersagen wichtig sind, lesen Sie in Vorhersagen, beobachten, erklären mit Simulationen.
Erweiterung: Warum Moleküle diese Formen haben (VSEPR)
Für die Klassen 10–12 oder eine zweite Stunde zeigt die Simulation zur Molekülgeometrie den Grund hinter den Winkeln. Auf ihrem Bildschirm Modell fügen die Lernenden einem Zentralatom A Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen und freie Elektronenpaare hinzu, insgesamt bis zu sechs. Die Bindungen und freien Elektronenpaare stoßen einander so weit wie möglich ab. Die Lernenden können ein Atom wegziehen und zusehen, wie es zurückfedert. Setzen Sie Häkchen bei Bindungswinkel und Elektronengeometrie, um die Zahlen und Namen zu sehen.
Bitten Sie die Paare, diese Tabelle auszufüllen:
| Um A | Molekülgeometrie | Bindungswinkel | Echtes Beispiel |
|---|---|---|---|
| 2 Bindungen | linear | 180,0° | CO₂ |
| 3 Bindungen | trigonal-planar | 120,0° | BF₃ |
| 4 Bindungen | tetraedrisch | 109,5° | CH₄ |
| 3 Bindungen + 1 freies Elektronenpaar | trigonal-pyramidal | 107,0° | NH₃ |
| 2 Bindungen + 2 freie Elektronenpaare | gewinkelt | 104,5° | H₂O |
Drei Punkte, die Sie herausarbeiten sollten:
- Freie Elektronenpaare drücken stärker als Bindungen. Vier Elektronendomänen ergeben 109,5° ohne freie Elektronenpaare, 107,0° mit einem und 104,5° mit zwei.
- Eine Doppelbindung zählt als eine Richtung. Zwei Doppelbindungen an A ergeben weiterhin ein lineares 180,0°, das ist CO₂.
- Modelle haben Grenzen. Wählen Sie auf dem Bildschirm Reale Moleküle SO₂. Die Anzeige lautet „Gemessene Bindungswinkel: 119,0° · Modell: 114,7°“. Fragen Sie die Lernenden, warum ein einfaches Abstoßungsmodell um vier Grad danebenliegen kann.
Differenzierung
Unterstützung:
- Bleiben Sie im Labor mit Bausatz 1 und geben Sie die vier Zielmoleküle auf einer Karte vor.
- Geben Sie eine Wertigkeitskarte: „H eine Hand, O zwei Hände, N drei Hände, C vier Hände. Jede Hand muss ein anderes Atom halten.“
- Lassen Sie Namen anzeigen eingeschaltet, damit die Lernenden ihre Arbeit selbst prüfen können.
Herausforderung:
- Bauen Sie beide C₃H₇OH-Isomere (Propan-1-ol und Propan-2-ol) und erklären Sie den Unterschied.
- Bauen Sie Ethen (C₂H₄) und Ethin (C₂H₂) und vergleichen Sie die Winkel am Kohlenstoff: 120° und 180°.
- Sagen Sie in der Erweiterung die Form eines Zentralatoms mit 4 Bindungen und 2 freien Elektronenpaaren voraus, bevor Sie es bauen.
Lernende mit Deutsch als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit ihnen die Beschriftungen vertraut sind, während das Gespräch auf Deutsch bleibt.
Zuordnung zu Standards
Diese Stunde entspricht dem NGSS-Standard MS-PS1-1 (US-Standards für die Naturwissenschaften): Modelle entwickeln, um die atomare Zusammensetzung einfacher Moleküle und ausgedehnter Strukturen zu beschreiben. Die VSEPR-Erweiterung unterstützt Chemieeinheiten der Oberstufe zu kovalenter Bindung und Molekülform und übt die Praxis „Modelle entwickeln und nutzen“. Sie passt zu den Bindungsthemen im GCSE Chemistry (Großbritannien) und in einführenden Chemiekursen.
Weitere Chemie-Aktivitäten finden Sie in Ideen für interaktiven Chemieunterricht, wo die Aktivität Ein Atom bauen eine gute Stunde vor dieser ergibt. Zu Routinen im Klassenzimmer lesen Sie So setzen Sie interaktive Simulationen im Unterricht ein. Der Unterrichtsplan zum Ausgleichen von Reaktionsgleichungen verwendet als Nächstes dieselben Moleküle.
Häufige Fragen
Warum verbinden sich zwei Atome nicht, wenn ich sie zusammenlege?
Mindestens eines von ihnen hat keine freie Bindung mehr, oder das Ablegen war zu weit entfernt. Die Statuszeile sagt, welches Atom voll ist. Legen Sie das neue Atom direkt neben einem Atom ab, das noch Platz hat.
Warum können Lernende kein Benzol oder andere Ringe bauen?
Die Simulation baut nur offenkettige Moleküle. Ringe und geladene Ionen liegen außerhalb dieses Modells, sie eignet sich also für die einführende Bindungslehre und nicht für organische Chemie.
Die Schaltfläche 3D öffnet sich nicht. Was nun?
Die 3D-Ansicht braucht WebGL. Auf einem alten Gerät zeigt die Simulation stattdessen eine Meldung. Probieren Sie einen anderen Browser oder schalten Sie die Hardwarebeschleunigung ein. Der Rest der Stunde funktioniert ohne 3D.
Existiert jedes Molekül, das Lernende bauen?
Nein. Ein Molekül, das jede Wertigkeit erfüllt, aber nicht im Katalog mit 58 Stoffen steht, zeigt „nicht im Katalog“, wie H₂O₃. Das ist ein guter Denkanstoß: Die Regeln eines Modells garantieren nicht, dass ein Stoff stabil ist.