Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ Bjørn-Erik Skjøren og David Kelemen Didaktikkoppgave Atomer og atommodeller Studentoppgave GLU-2 2010 NF101 Naturfag Just because you can't see it doesn't mean it isn't there. You can't see the future, yet you know it will come; you can't see the air, yet you continue to breathe. - Claire London - Studieår 2010/2011 Semester Første semester Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ Innholdsfortegnelse 1Innledning...........................................................................................................................................................................4 1.1Kilder.........................................................................................................................................................................4 1.2Problemstilling...........................................................................................................................................................4 1.3Kompetansemål – lærerplanen...................................................................................................................................4 1.4Mål for opplegget.......................................................................................................................................................4 1.5Målgruppe for didaktikkoppgaven.............................................................................................................................4 1.6Tidsbruk.....................................................................................................................................................................4 Lærer.........................................................................................................................................................................4 Gjennomføring..........................................................................................................................................................4 Etterarbeid.................................................................................................................................................................4 2Atomer- og atommodeller...................................................................................................................................................5 2.1Kan noe vi ikke ser finnes?........................................................................................................................................5 2.2Spagetti -atom - udelelig............................................................................................................................................6 2.3Kulemodellen ............................................................................................................................................................6 Molekyler..................................................................................................................................................................6 Hva hvis atomene er av samme type? ......................................................................................................................6 Vann eller H2O som kulemodell...............................................................................................................................6 2.4Den hemmelige esken................................................................................................................................................7 Påstand/hypotese.......................................................................................................................................................7 2.5Atomer.......................................................................................................................................................................7 2.6Bohrs atommodell......................................................................................................................................................9 Elektronskall..............................................................................................................................................................9 Tomrom i atomene...................................................................................................................................................10 Tegne atomer...........................................................................................................................................................10 3Det periodiske system.......................................................................................................................................................11 Skal vi leke grunnstoff?...........................................................................................................................................11 Forord - om opplegget...... Dette didaktiske opplegget om atomer og atommodeller retter seg mot læreren som skal undervise. Det forutsettes at læreren har almen kunnskap innenfor emnet. Spørsmålene som stilles er ment som forslag til refleksjon og elevsamtaler. Av egen erfaring er det utrolig hva elever undres over og kan. Refeksjonene er ment å stimulere dette. Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ Studentopplysninger Navn: Bjørn-Erik Skjøren og David Kelemen Fag: NF101 Naturfag, Kjemiske stoffer og geofag Studiested: Høyskolen i Østfold Avd: Avdeling for lærerutdanning Oppgaven er skrevet i samarbeid. Kontaktinformasjon: Navn Bjørn-Erik Skjøren Mobil +47 94899338 email [email protected] David Kelemen +47 41457275 [email protected] Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 1 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 1 Innledning 1.1 Kilder Steen, Bjørn Gunnar 2006: Himmelsk kjemi Skjøren, Bjørn-Erik 2010 Praksisrapport og observasjoner Forelesningsnotater NF101 Høst 2010 Høyskolen i Østfold 1.2 Problemstilling Didaktisk opplegg for 7. klassetrinn i naturfag. Emne: Atomer og atommodeller 1.3 Kompetansemål – lærerplanen Etter 7.klasssetrinn skal elevene ha nådd følgende kompetanse: Forklare hvordan stoffer er bygd opp, og hvordan stoffer kan omdannes ved å bruke begrepene atomer og molekyler 1.4 Mål for opplegget Hva er en modell og hvorfor bruker vi dette Hvordan er et atom bygge opp 1.5 Målgruppe for didaktikkoppgaven Opplegget retter seg mot 7. klassetrinn. 1.6 Tidsbruk Lærer Hvis området er godt kjent for lærer antas det at han trenger 1 times til forberedelse. Må brukte modeller lages for første gang antas det at det trengs 2t i tillegg Gjennomføring Opplegget tar sikte på å kunne gjennomføres på 6 timer, 4+2 eventuelt 6 sammenhengene. På grunn av at stoffet anses som relativt avansert for trinnet anbefales det at det gjennomføres på 4+2 slik at man kan starte andre bolk med en kort repetering. Etterarbeid Etterarbeid med mindre justeringer av opplegg antas å ta ½ time. Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 2 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 2 Atomer- og atommodeller Emnet er på mange måter en øvelse i modelltenkning. Atomer og molekyler, og forsåvidt andre ting er enten så små, så store eller så sammensatt at vi må forenkle. Leketøy er jo også ofte modeller av større ting. Tenk for eksempel på lego, her finnes det mange gode eksempler. Lego som «modell» av et fly eller en bil, ja enda brannstasjoner og havner. Modelltenkning er også viktig innenfor forskning. Det er viktig at de modeller vi benytter ikke har flere detaljer enn nødvendig. Ofte kan v presentere en rekke av modeller som stadig blir mer sammensatt og stadig nærmer seg «real life». Ved å benytte en slik strategi kan vi lette innlæringen og aksept hos elevene. Det er også lettere å evaluere om emnet er forstått og undervisningen kan også lettere tilpasses den enkelte. 2.1 Kan noe vi ikke ser finnes? Vis frem to erlenmeyer kolber. Den ene inneholder en løsning av sølvnitrat (AgNO3(aq) den andre kaliumkromat (K2CrO4). Pass på at elevene observerer at begge kolber inneholder fargeløs væske. • Be elevene beskrive kolbene. • Kan de se noe i løsningene? • Hva tror de skjer når disse to blandes? Bland sammen, det vil inntre en felling av et ikke-vannløselig tungmetall salt, sølvkromat (Ag2CrO4) med en flott blodrød farge. Bilde 1: Sølvkromat, fellingsreaksjon Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 3 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 2.2 Spagetti -atom - udelelig De fleste elever vil nok kjenne ordet, men hva betyr det? Alle elever får en spagetti hver. Den skal de dele i to (med hendene) og den ene halvpartene skal de igjen dele i to. Gjentas så lenge som mulig Hvem klarer å dele ned til den minste biten? I det gamle Hellas (i gamle dager kalt Grekenland), levde en greker som het Demokrit. Han ble født ca 460 år før Kristus. De gamle grekere tenkte mye og likte å diskutere og debattere. Filosofen Parmenides som levde litt før Demokritt mente at «ingenting kommer av ingenting» og dermed at forandring ikke er mulig. Dette høres veldig merkelig ut og det mente Demokritt også. Demokritt mente at hvis at delte feks en gullring i stadig mindre biter så ville han til slutt sitte igjen med en liten bit som det ikke lenger var mulig å dele. Dette kalte han et atom. Atom betyr udelelig. Er det fortsatt slik, eller kan atomer «deles». Dette kan elevene reflektere litt over. 2.3 Kulemodellen Leukippos, som var Demokrit sin læremester mente at de udelelige atomene hadde ulik form. Det var det som ga opphavet til de ulike stoffer som vi finner rundt oss. Vi vet i dag at dette er feil, men vi tenker ofte på atomer som kuler av ulik type omenn ikke av ulik form. Denne modellen er den enkleste, og vi kaller den kulemodellen eller partikkelmodellen Molekyler Hva er et molekyl? Vi har tidligere snakket om kulemodellen eller partikkelmodellen. Slik vi forenkler det så kan en partikkel være både et atom, eller flere atomer. En «partikkel» som består av to eller flere atomer, kaller vi et molekyl. Hvis vi tar feks vann, som har kjemisk formel H2O så er dette etter denne forståelse et molekyl. Molekylet består av 2 hydrogen atomer eller kuler (iht kulemodellen). Hva hvis atomene er av samme type? Rundt oss finnes ulike stoffer, eller egentlig ulike typer atomer. Hvis et stoff er satt sammen bare av en type atomer, sier vi at det er et grunnstoff. Alle stoff er satt sammen av ulike kombinasjoner av grunnstoff. Ett eksempel på et grunnstoff er gull, med kjemisk betegnelse Au. Kanskje er du så heldig å ha et gullsmykke, tror du det er rent gull?1 Vann eller H2O som kulemodell Del elevene i grupper og ett molekylbyggesett og bygg: 1 Gull, Au er et mykt grunnstoff. I ren form er det derfor ikke egnet til smykker. Ofte er det satt til kobber for glans, farge og høyere hardhet. I smykker oppgis mengden gull i karat som er en gammel vektenhet Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 4 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ • Et «vannmolekyl», H2O • Et karbondioksid molekyl, CO2 • Et oksygenmolekyl, O2 • Et oson molekyl, O3 Vann, karbondioksid og oksygen er vel kjent, men kjenner du oson? Hvorfor er dette stoffet eller molekylet så viktig? 2.4 Den hemmelige esken2 Som vi nå er klar over så er atomene svært små, hvordan kan vi få vite noe mere om dem? Innenfor vitenskap pleier man å tenke litt, lage seg hypoteser eller påstander. For å kunne sjekke om en hypotese er korrekt kan man da utføre noen forsøk eller tester. Hvis resultatet av forsøkene eller testene stemmer med hypotesen er det vel trolig at hypotesen er korrekt? Påstand/hypotese Min hemmelige eske inneholder noe. • Hvordan kan jeg sjekke ut dette? ◦ Lukte? ◦ Se? ◦ Høre? ◦ Veie den og sammenligne med andre tilsvarende esker 2.5 Atomer Ved å tenke på samme måte som vi tenker over har man kommet frem til at atomet må bestå av noe. På samme måte har man funnet ut at det er mye tomrom inne i atomet. Et atom er bygget opp av elementærpartiklene proton, nøytron og elektron. Kjernen består av protoner og nøytroner og elektronene svever rundt denne. Vi kan tenke oss at elektronene svever i gitte baner rundt kjernen. Det finnes bare en type av elementærpartiklene og de har bestemte egenskaper. Tabellen under viser de viktigste. 2 Den hemmelige esken er en igjenlimt eske med 3 ulike gjenstander. De skal illudere proton, nøytron og elektron. Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 5 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ Elementærpartikkel Proton (p) Nøytron(n) Elektron (e) Ladning 1 0 -1 Hvor de finnes 0 0 0 Relativ vekt3 1 1 0 Tabell 1: Elementærpartikler Hva forteller tabellen oss om de ulike elementærpartiklenes vekt? Hva forteller tabellen oss om ladning? Kan du sammenligne dette med et batteri? Det finnes bare en type av de tre elementærpartiklene og det er antallet protoner i kjerna som bestemmer de kjemiske egenskapene. Litt rart at gassen og grunnstoffet H med 1 p i kjerna etter reaksjon med O (8p) blir til vann. Oksygen (O) er også en gass. Dette skal vi lære mere om senere. Alle atomer har samme antall elektroner som protoner. Det betyr at H med sitt ene p har ett elektron mens O (8p) har 8 elektroner. Hvordan tror du atomet er elektrisk? Er det negativt ladet (overskudd av partikler med negativ ladning), nøytralt eller positivt (overskudd av positive partikler). 3 Tilnærmede vekter egentlig oppgitt i u. Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 6 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 2.6 Bohrs atommodell Vitenskapsmennene Chadwick og Rutherford beskrev ved forsøk atomkjernen. Bohr tok tak i denne tanken og fant ved forsøk ut at elektronene gikk i baner rundt kjerna. Når vi tegner atomer bruker vi ofte Bohrs atommodell. e 2 4,0 He Helium p p n n e Modellen viser Bohrs modell av grunnstoffet helium, He. Firkanten til venstre er klippet ut i fra det periodiske system. Tallet 2 betyr at det er 2 protoner i kjerna. Hvor mange elektroner er det da? Mange grunnstoff har varianter, det er da antall nøytroner som varierer. Men vi kan for enkelthetsskyld si at antall protoner og nøytroner er likt. Elektronskall Det innerste skallet, kalt k skallet har plass til 2 elektroner. Det neste kalt l skallet har plass til 8. K skallet må fylles opp før l skallet men etter atomnummer 18 brytes reglen. Her skal vi konsentrer oss om de 18 første. Hvilket grunnstoff er forresten det? Tabellen under viser hvor mange elektroner det er plass til i hvert skall. Husk at det blir spesielle regler etter atomnummer 18. Det er enda en raritet, atomer liker tallet 8. De vil ikke ha mer enn 84 elektroner i ytterste skall. 4 Oktettregelen Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 7 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ Skall nummer 1 2 3 Skall navn k l m Max antall elektroner 2 8 18 Tabell 2: Oversikt over skall og antall elektroner Tomrom i atomene Ser du opp på stjernehimmelen, ser du et mylder av stjerner. Mellom stjernene er det tomrom. På samme måte er det tomrom i atomet. Det er tomrom i kjernen som består av protoner og nøytroner og det er tomrom mellom elektronene. Tenker du deg en stor kirke, og at dette er kjerna til et atom vil et proton være på størrelse med en flue. Tegne atomer Tegn følgende atomer med kjerne (protoner og nøytroner) og prøv å plasser elektronene i bane rundt. Elektronene vil, fordi de er likt ladet holde størst mulig avstand seg i mellom i skallet sitt. • Tegn modell for hydrogen • Tegn modell for karbon • Tegn modell for neon. Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 8 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 3 Det periodiske system Figuren under viser det Periodiske system. Det inneholder mye informasjon om grunnstoffer, hvordan de lager nye forbindelser eller danner nye stoff. Vil du vite mere? Sjekk ut hva du kan finne på internet om emnet. For eksempel på http://no.wikipedia.org Bilde 2: Det periodiske system Skal vi leke grunnstoff? Vi skal leke at vi er de ulike elementærpartiklene. Del klassen inn i tre grupper. Gruppe1 er elektroner, gruppe2 nøytroner og gruppe 3 elektroner. Vi bytter om sånn at alle får være de ulike partikler. Hvilken gruppe er de kjappeste elektronene? Tegn en sirkel på feks asfalten som er 2m i diameter, lag 3 skall utenfor. Læreren roper et grunnstoff og elevene plasserer seg iht hvilket partikkel de er . Ta tiden på hvor lang tid de ytterste elektronene bruker på 5 runder. Kjappeste gruppe vinner! Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 9 Didaktikk Naturfag NF101 Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen GLU-2 HIØ 4 Emnesjekk 1. Hva er en modell, hvorfor bruker vi dette innenfor vitenskapen 2. Hva betyr ordet atom? 3. Hvilke elementærpartikler kjenner du. 4. Tegn et fluor atom. 5. Hva er et molekyl? 6. Er vann et grunnstoff? 7. Hvis hydrogen og oksygen blandes, hva kan da skje? Etter 7.klasssetrinn skal elevene ha nådd følgende kompetanse: Forklare hvordan stoffer er bygd opp, og hvordan stoffer kan omdannes ved å bruke begrepene atomer og molekyler Bjørn-Erik Skjøren & David Kelemen Dato: 01.11.2010 D:\HIØF\Fag\Naturfag\NF101 Kjemi\Didaktikk Atomer og atommodellen.odt 10