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Flache Illustration eines stilisierten Atoms: ein Kern aus rosa und orangefarbenen Kugeln, umgeben von geschwungenen Bahnen und einem äußeren Kreis mit kleinen dunklen Punkten.

Chemie · Niedersachsen · Sek I

Atombau und Periodensystem der Elemente

Eine Unterrichtsreihe für Klasse 9 und 10 zum differenzierten Atommodell. Die Schülerinnen und Schüler deuten den Streuversuch von Rutherford, beschreiben Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen und leiten aus Ionisierungsenergien das Schalenmodell ab. Damit erklären sie den Aufbau des Periodensystems, vergleichen Alkalimetalle und Halogene als Elementfamilien und beschreiben die Edelgaskonfiguration als Grundlage der Ionenbildung.

Klassen
9–10
Schulformen
Gymnasium, Oberschule
Umfang
6 Unterrichtsstunden
Fach
Chemie
Bundesland
Niedersachsen
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Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Bau von Atomen aus Protonen, Neutronen und Elektronen und bestimmen Teilchenzahlen aus Ordnungs- und Massenzahl.
  • Die Schülerinnen und Schüler finden in Daten zu Ionisierungsenergien Trends und erklären damit den Bau der Atomhülle im Schalenmodell.
  • Die Schülerinnen und Schüler erklären den Aufbau des Periodensystems mit Perioden, Hauptgruppen und Valenzelektronen und nutzen es für Vorhersagen.
  • Die Schülerinnen und Schüler vergleichen Alkalimetalle und Halogene innerhalb ihrer Familie und stellen Gemeinsamkeiten und Unterschiede fest.
  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Edelgaskonfiguration als energetisch günstigen Zustand und leiten Ionenladungen aus dem Periodensystem ab.

Bezug zum Kerncurriculum

Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5–10 Naturwissenschaften (Niedersachsen, 2015), Teil Chemie

  • Inhaltsbereich: Struktur-Eigenschafts-Konzept
  • Kompetenzerwartung: beschreiben den Bau von Atomen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
  • Kompetenzerwartung: erklären mithilfe eines einfachen Modells der Energieniveaus den Bau der Atomhülle.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben mithilfe der Ionisierungsenergien, dass sich Elektronen in einem Atom in ihrem Energiegehalt unterscheiden.
  • Kompetenzerwartung: erklären basierend auf den Ionisierungsenergien den Bau der Atomhülle.
  • Kompetenzerwartung: finden in Daten zu den Ionisierungsenergien Trends, Strukturen und Beziehungen, erklären diese und ziehen Schlussfolgerungen.
  • Kompetenzerwartung: erklären den Aufbau des PSE auf der Basis eines differenzierten Atommodells.
  • Kompetenzerwartung: entwickeln die Grundstruktur des PSE anhand eines differenzierten Atommodells.
  • Kompetenzerwartung: ordnen Elemente bestimmten Elementfamilien zu.
  • Kompetenzerwartung: vergleichen die Alkalimetalle und Halogene innerhalb einer Familie und stellen Gemeinsamkeiten und Unterschiede fest.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben Gemeinsamkeiten innerhalb von Hauptgruppen und Perioden.
  • Kompetenzerwartung: erkennen die Prognosefähigkeit ihres Wissens über den Aufbau des PSE.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben die Edelgaskonfiguration als energetisch günstigen Zustand.
  • Kompetenzerwartung: unterscheiden mithilfe eines differenzierten Atommodells zwischen Atomen und Ionen.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Atomkern und Atomhülle

    Streuversuch von Rutherford, Kern-Hülle-Modell, Protonen, Neutronen und Elektronen, Ordnungszahl, Massenzahl, Isotope.

  2. Abschnitt 2

    Schalenmodell und Ionisierungsenergie

    Ionisierungsenergien von Natrium, Sprünge deuten, Energiestufen und Schalen, Elektronenverteilung, Valenzelektronen, Grenzen des Modells.

  3. Abschnitt 3

    Aufbau des Periodensystems

    Mendelejew und Germanium, Perioden und Hauptgruppen, Elementfamilien, Metalle und Nichtmetalle, Trends der Ionisierungsenergie.

    • Lektion

      Periodensystem: Perioden, Hauptgruppen und Trends

      1869 ordnete der russische Chemiker Dmitri Mendelejew die damals bekannten Elemente nach ihrer Atommasse in eine Tabelle. Elemente mit ähnlichen…

    • Aufgabe

      Steckbrief eines Elements

      Wähle ein Hauptgruppenelement der Perioden 2 bis 4, das im Unterricht noch nicht besprochen wurde.

      1. Recherchiere Ordnungszahl, Atommasse, Aggregatzustand, Schmelztemperatur und eine Verwendung. Gib deine Quellen an.
      2. Zeichne das Schalenmodell.
      3. Leite aus der Stellung im PSE zwei Eigenschaften ab und prüfe sie an deinen Rechercheergebnissen.

  4. Abschnitt 4

    Elementfamilien: Alkalimetalle, Halogene, Edelgase

    Eigenschaften und Trends der Alkalimetalle und Halogene, Reaktion mit Wasser, Flammenfärbung, Edelgase.

    • Lektion

      Alkalimetalle und Halogene im Vergleich

      Natrium wird im Labor unter Paraffinöl aufbewahrt. Nimmt die Lehrkraft ein Stück heraus, lässt es sich wie kalte Butter mit einem Messer schneiden…

    • Sicherheit

      Alkalimetalle mit Wasser und alle Versuche mit Chlor oder Brom zeigt nur die Lehrkraft. Die Flammenfärbung mit Kochsalz und Kaliumchlorid kannst du selbst durchführen, mit Schutzbrille.

  5. Abschnitt 5

    Edelgaskonfiguration und Selbsttest

    Voll besetzte Außenschale, Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme, Ionenladungen aus dem PSE, Selbsttest zur Reihe.

    • Lektion

      Edelgaskonfiguration: vom Atom zum Ion

      In Glühlampen füllte man früher Argon, in Ballons Helium, in Leuchtreklamen Neon. Der Grund ist immer derselbe: Diese Gase reagieren praktisch mit…

Hinweise für Lehrkräfte

Einordnung in das Kerncurriculum

Am Gymnasium (KC 2015) gehören Atombau aus Protonen, Neutronen und Elektronen, Energiestufenmodell auf Grundlage der Ionisierungsenergien, Aufbau des PSE, Elementfamilien (Alkalimetalle, Halogene) und Edelgaskonfiguration zum Doppeljahrgang 9/10 (Stoff-Teilchen-Konzept, Struktur-Eigenschafts-Konzept, Energie-Konzept). Im Oberschul-Kerncurriculum (2013) wird das PSE mit Elementfamilien bereits in 7/8 auf Grundlage des Dalton-Modells eingeführt; Atombau nach Bohr, Atom und Ion und die Edelgaskonfiguration folgen in 9/10. An der Oberschule können Sie Lektion 3 und 4 in 7/8 vorziehen und in 9/10 mit dem Schalenmodell neu deuten.

Zeitplan (6 Stunden)

StundeAbschnitt
1Rutherford, Kern-Hülle-Modell, Elementarteilchen, Isotope
2Ionisierungsenergien, Schalenmodell, Valenzelektronen
3Aufbau des PSE, Mendelejew, periodische Trends
4–5Alkalimetalle, Halogene, Edelgase, Flammenfärbung
6Edelgaskonfiguration, Ionenladungen, Selbsttest

Sicherheit (RiSU, Gefährdungsbeurteilung)

  • Alkalimetalle mit Wasser: nur Lehrerversuch mit linsengroßen Stücken, Schutzscheibe, Schutzbrille, große Glaswanne, ausreichender Abstand. Kein Kalium in Schülernähe; Rubidium und Caesium nur im Video. Natrium und Kalium tragen die Piktogramme GHS02 und GHS05; das Reaktionsprodukt ist eine ätzende Lauge.
  • Halogene: Chlor und Brom nur im Abzug oder als Video. Brom gehört nicht in Schülerhand.
  • Flammenfärbung: als Schülerversuch mit Natriumchlorid und Kaliumchlorid (nicht eingestuft) an Magnesiastäbchen, Schutzbrille. Lithiumchlorid, Strontium- und Bariumsalze sind eingestuft und gehören in den Lehrerversuch.
  • Als Indikator für die alkalische Lösung Universalindikator verwenden. Phenolphthalein ist als krebserzeugend eingestuft und sollte nach dem Ersatzstoffprinzip nicht mehr eingesetzt werden.
  • Prüfen Sie aktuelle Einstufungen im Sicherheitsdatenblatt oder in der GESTIS-Stoffdatenbank.

Typische Fehlvorstellungen

  • Elektronen kreisen auf Bahnen wie Planeten. Das Schalenmodell beschreibt Energiestufen, keine Bahnen.
  • Die Atommasse bestimmt das Element. Entscheidend ist die Protonenzahl (Argon und Kalium).
  • Ein Natrium-Ion ist ein Neonatom. Gleiche Elektronenhülle, anderer Kern.
  • Atome „wollen“ eine volle Schale. Sprechen Sie von energetisch günstigen Zuständen, nicht von Wünschen der Atome.
  • Halogene werden nach unten reaktiver wie die Alkalimetalle. Der Trend ist umgekehrt.

Differenzierung

  • Grundlegend: Schalenmodelle mit Schablone, Elektronenverteilung bis Calcium mit Tabelle, PSE-Ausschnitt als Hilfe.
  • Erweitert: Rutherford-Simulation quantitativ, Unregelmäßigkeiten bei Bor und Sauerstoff als Modellgrenze, Isotope und mittlere Atommasse.
  • Die PhET-Simulationen „Baue ein Atom“ und „Rutherford Streuung“ eignen sich für Freiarbeit.

Prozessbezogene Kompetenzen

Erkenntnisgewinnung: Trends in Daten finden und Atomvorstellung verändern, PSE zur Ordnung und Vorhersage nutzen, Prognosefähigkeit erkennen. Kommunikation: Daten recherchieren, PSE beschreiben und erklären, fachlich korrekt argumentieren. Bewertung: Bedeutung der Atomvorstellung für die Naturwissenschaften, Bezüge zur Physik (Kernbau, elektrostatische Anziehung).

Häufige Fragen

In welcher Klasse wird das Schalenmodell in Niedersachsen unterrichtet?

Am Gymnasium und an der Oberschule im Doppeljahrgang 9/10. An der Oberschule wird das Periodensystem schon in 7/8 mit dem Atommodell nach Dalton eingeführt.

Muss ich die Ionisierungsenergien behandeln?

Am Gymnasium ja: Das Kerncurriculum verlangt, den Bau der Atomhülle aus Ionisierungsenergien abzuleiten. An der Oberschule können Sie das Schalenmodell auch direkt nach Bohr einführen und Lektion 2 kürzen.

Welche Versuche dürfen Schülerinnen und Schüler selbst machen?

Die Flammenfärbung mit Natriumchlorid und Kaliumchlorid. Alkalimetalle mit Wasser und Halogene sind Lehrerversuche oder werden per Video gezeigt.

Wie viele Stunden plane ich ein?

Sechs Unterrichtsstunden. Mit dem Element-Steckbrief als Präsentation eine Stunde mehr.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Schalenmodell eines Natriumatoms: In der Mitte ein Kern mit der Aufschrift 11 p und 12 n. Darum drei Kreise: innen 2 Elektronen, in der Mitte 8 Elektronen, außen 1 Elektron.: Eigene Darstellung
  • Ausschnitt aus dem Periodensystem mit den Hauptgruppen I bis VIII und den Perioden 1 bis 4. Jedes Feld zeigt Atomsymbol und Ordnungszahl, von Wasserstoff (1) bis Krypton (36). Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle sind verschieden gefärbt.: Eigene Darstellung

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