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Orientierungsbereich (Sprungmarken)

Leistungskurs Qualifikationsphase Q2 – Unterrichtsvorhaben I

Thema/Kontext: Maßgeschneiderte Kunststoffe - nicht nur für Autos

Basiskonzepte (Schwerpunkt):

Basiskonzept Struktur – Eigenschaft

Basiskonzept Donator-Akzeptor

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Schülerinnen und Schüler können

Kompetenzbereich Umgang mit Fachwissen:

  • Phänomene und Sachverhalte im Zusammenhang mit Theorien, übergeordneten Prinzipien und Gesetzen der Chemie beschreiben und erläutern (UF1).
  • chemische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren (UF3).

Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung:

  • Experimente mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und diese zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien einschließlich der Sicherheitsvorschriften durchführen oder deren Durchführung beschreiben (E4).
  • Daten/Messwerte qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder auch mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern (E5).
  • bedeutende naturwissenschaftliche Prinzipien reflektieren sowie Veränderungen in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen (E7).

Kompetenzbereich Kommunikation:

  • chemische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren (K3).

Kompetenzbereich Bewertung:

  • an Beispielen von Konfliktsituationen mit chemischen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und ethisch bewerten (B3).

Inhaltsfeld: Organische Produkte – Werkstoffe und Farbstoffe

Inhaltliche Schwerpunkte:

  • Organische Verbindungen
  • Reaktionsabläufe
  • Organische Werkstoffe

Zeitbedarf: ca. 34 Std. à 45 Minuten

Thema/Kontext: Maßgeschneiderte Kunststoffe – nicht nur für Autos

Inhaltsfeld 4: Organische Produkte – Werkstoffe und Farbstoffe

Inhaltliche Schwerpunkte:

  • Organische Verbindungen und Reaktionswege
  • Reaktionsabläufe
  • Organische Werkstoffe

Zeitbedarf: 34 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

  • UF1 Wiedergabe
  • UF3 Systematisierung
  • E4 Untersuchungen und Experimente
  • E5 Auswertung
  • E7 Arbeits- und Denkweisen
  • K3 Präsentation
  • B3 Werte und Normen

Basiskonzepte (Schwerpunkte):

Basiskonzept Struktur – Eigenschaft

Basiskonzept Donator-Akzeptor

Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler ….

Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Verbindliche Absprachen

Didaktisch-methodische Anmerkungen

Die Vielfalt der Kunststoffe im Auto:

  • Definition der Begriffe „Kunststoff“
    „Makromolekül“
    „Polymer“
    „Monomer“
  • Bsp. für Eigenschaften von Kunststoffen und deren Verwendung

Demonstration von Kunststoffteilen eines Autos:

  • Blinkerabdeckung
  • Sicherheitsgurt
  • Keilriemenrolle
  • Sitzbezug

Mind Map: Kunststoffe im Auto -
Eigenschaften und Verwendung

Eingangstest:
intermolekulare Wechselwirkungen, funktionelle Gruppen.

Ausgehend von der Verwendung von Kunststoffen im Auto werden Fragestellungen entwickelt und eine Mind Map erstellt und im Laufe der Unterrichtssequenz ergänzt.

In der Eingangsdiagnose wird das für den folgenden Unterricht bedeutsame Vorwissen der SuS abgefragt.

Materialien zur individuellen Wiederholung der Lerninhalte werden im Verlauf des Unterrichts bereitgestellt.

Eigenschaften, Synthesereaktionen, Stoffklassen und Verarbeitung von Kunststoffen
1. Transparentes Plexiglas (PMMA):

  • Reaktionsschritte der radikalischen Polymerisation
  • Faserstruktur und Transparenz

2. Reißfeste Fasern aus PET:

  • Aufbau von Polyestern
  • Polykondensation (ohne Mechanismus)
  • Faserstruktur und Reißfestigkeit
  • Schmelzspinnverfahren

3. Hitzebeständige Kunststoffe für den Motorraum:

Hitzebeständigkeit und Molekülstruktur der Duromere, Elastomere und Thermoplaste

4. Nylonfasern für Sitzbezüge

  • Aufbau von Nylon
  • Polyamide

Systematisierung der kennen gelernten Stoffklassen und Reaktionstypen.

beschreiben und erläutern die Reaktionsschritte einer radikalischen Polymerisation (UF1, UF3).

erläutern die Planung einer Synthese ausgewählter organischer Verbindungen sowohl im niedermolekularen als auch im makromolekularen Bereich (E3).

beschreiben und visualisieren anhand geeigneter Anschauungsmodelle den Verlauf ausgewählter chemischer Reaktionen in Teilschritten (K3).

Vergleichen ausgewählte organische Verbindungen und entwickeln Hypothesen zu deren Reaktionsverhalten aus den Molekülstrukturen (u.a. I-Effekt, M-Effekt, sterischer Effekt) (E3).

untersuchen Kunststoffe auf ihre Eigenschaften, planen dafür zielgerichtete Experimente (u.a. zum thermischen Verhalten), führen diese durch und werten sie aus (E1, E2, E4, E5).

ermitteln Eigenschaften von organischen Werkstoffen und erklären diese anhand der Struktur (u.a. Thermoplaste, Elastomere, Duromere) (E5).

erklären den Aufbau von Makromolekülen aus Monomer-Bausteinen und unterscheiden Kunststoffe aufgrund ihrer Synthese als Polymerisate oder Polykondensate (u.a. Polyester, Polyamide, Polycarbonate) (UF1, UF3).

erläutern die Eigenschaften von Polymeren aufgrund der molekularen Strukturen (u.a. Kettenlänge, Vernetzungsgrad) und erklären ihre praktische Verwendung (UF3, UF4).

Die folgenden Schüler Experimente werden als Lernzirkel durchgeführt.

  • Herstellung einer PMMA Scheibe durch radikalische Polymerisation
  • Herstellung einer Polyesterfaser mit einer Heißklebepistole
  • Thermische Eigenschaften von Duromeren, Elastomeren und Thermoplasten
  • „Nylonseiltrick“

Protokolle

Arbeitsblätter zur Zusammenfassung der Stoffklassen und Reaktionstypen.

Reaktionsschritte der radikalischen Polymerisation können in Lernprogrammen erarbeitet werden.

Materialien zur individuellen Wiederholung:

zu 1.:
Alkene, elektrophile Addition

zu 2.:

Alkanole, Carbonsäuren, Ester, Veresterung und Verseifung,

Intermolekulare Wechselwirkungen

zu 4.:

Alkanole, Carbonsäuren, Ester, Veresterung und Verseifung,

Kunststoff werden in Form gebracht:

Kunststoffverarbeitung

Verfahren, z.B.:

  • Extrudieren
  • Spritzgießen
  • Extrusionsblasformen
  • Fasern spinnen

Geschichte der Kunst-stoffe

recherchieren zur Herstellung, Verwendung und Geschichte ausgewählter organischer Verbindungen und stellen die Ergebnisse adressatengerecht vor (K2, K3).

Mögliche Formen der Präsentationen durch die SuS:
Referat, Posterpräsentation, Museumsgang oder WIKI.

Einsatz von Filmen und Animationen zu den Verarbeitungsprozessen.

In diesem und den folgenden Unterrichtseinheiten können S-Präsentationen (Referate, Poster, WIKI) erstellt werden. MöglicheThemen:

  • Verarbeitungsverfahren
  • Historische Kunststoffe

Reaktionsweg zur Herstellung von Polycarbonat, dem Kunststoff für Auto-Sonnendächer

  • Bau der Polycarbonate
  • Vorteile gegenüber PMMA (Elastizität, Wärmebeständigkeit)
  • Syntheseweg zum Polycarbonat

präsentieren die Herstellung ausgewählter organischer Produkte und Zwischenprodukte unter Verwendung geeigneter Skizzen oder Schemata.(K3)

verknüpfen Reaktionen zu Reaktionsfolgen und Reaktionswegen zur gezielten Herstellung eines erwünschten Produktes (UF2, UF4).

verwenden geeignete graphische Darstellungen bei der Erläuterung von Reaktionswegen und Reaktionsfolgen (K1, K3).

Recherche:

Aufbau der Polycarbonate

Reaktionweg zur Herstellung von Polycarbonaten aus Basischemikalien

Eigenschaften in Bezug auf ihre Eignung als Werkstoff für Autodächer

Vorteile gegenüber PMMA

Flussdiagramme zur Veranschaulichung des Reaktionswegs und Herstellungsprozesses

Weitere mögliche Themen für S-Präsentationen:

Verwendungen von Polycarbonaten (z.B. in LCD-Bildschirmen, als Fassungen für LEDs) und von PMMA.

Maßgeschneiderte Kunststoffe

z.B.:

  • Cokondensate und "Blends" auf Basis von Polycarbonaten
  • Plexiglas (PMMA) mit UV-Schutz
  • Superabsorber
  • Cyclodextrine
  • Silikone

stellen Erkenntnisse der Strukturchemie in ihrer Bedeutung für die Weiterentwicklung der Chemie (u.a. Aromaten, Makromoleküle) dar (E7).

präsentieren die Herstellung ausgewählter organischer Produkte und Zwischenprodukte unter Verwendung geeigneter Skizzen oder Schemata (K3).

demonstrieren an ausgewählten Beispielen mit geeigneten Schemata den Aufbau und die Funktion „maßgeschneiderter“ Moleküle (K3)

beschreiben und diskutieren aktuelle Entwicklungen im Bereich organischer Werkstoffe und Farbstoffe unter vorgegebenen und selbstständig gewählten Fragestellungen (K4).

Arbeitsteilige Gruppenarbeit ggf. mit Schüler-Experimenten zu ausgewählten maßgeschneiderten Kunststoffen, z.B.:

  • Plexiglas mit UV-Schutz
  • Superabsorber und ihre Wasseraufnahmefähigkeit
  • Cyclodextrine als "Geruchskiller"

Präsentation der Ergebnisse als

WIKI oder als Poster (Museumsgang)

Die SuS suchen sich die Themen nach ihrem Interesse aus. Bei den Vorträgen soll auch auf die Synthesewege eingegangen werden und deren Darstellung eingeübt werden.

Cokondensation und "Blending" dienen der Modifikation von Kunststoffeigenschaften.

Der Nachweis der UV-absorbierenden Wirkung der Plexiglasscheibe soll nur qualitativ mit Hilfe einer UV-Lampe erfolgen.

Der Versuch eignet sich zur Überleitung zum Thema Farbstoffe.

Kunststoffmüll ist wertvoll:

Kunststoffverwertung

  • Umweltverschmutzung durch Plastikmüll
  • Verwertung von Kunststoffen:
    • energetisch
    • rohstofflich
    • stofflich
  • Ökobilanz
    von Kunststoffen

diskutieren und bewerten Wege zur Herstellung ausgewählter Alltagsprodukte (u.a. Kunststoffe) bzw. industrieller Zwischenprodukte aus ökonomischer und ökologischer Perspektive (B1, B2, B3).

erläutern und bewerten den Einsatz von Erdöl und nachwachsenden Rohstoffen für die Herstellung von Produkten des Alltags und der Technik (B3).

beurteilen Nutzen und Risiken ausgewählter Produkte der organischen Chemie unter vorgegebenen Fragestellungen (B4).

Arbeitsteilige Gruppenarbeit ggf. mit Schüler-Experimenten

  • Umschmelzen von Polycarbonat (CD) oder PET (Flaschen)
  • Herstellung von Stärkefolien
  • Herstellung von kompostierbarem Verpackungsmaterial "Stärkopor"

      Einsatz von Filmen zur Visualisierung der Verwertungsprozesse.

      Podiumsdiskussion:
      z.B. zum Thema

      „Einsatz von kompostierbarem Verpackungsmaterial“

Fächerübergreifender Aspekt:
Plastikmüll verschmutzt die Meere (Biologie: Ökologie).

Diagnose von Schülerkonzepten:

· Eingangstest, Präsentationen, Protokolle

Leistungsbewertung:

· Präsentationen (Referate, Poster, Podiumsdiskussion), Schriftliche Übungen

Werksbesichtigung im Kunststoffwerk

Beispielhafte Hinweise zu weiterführenden Informationen:

Die meisten Experimente finden sich in der Unterrichtsreihe "Kunststoffe im Auto": http://www.chik.de

Informationen zur Weiterentwicklung von Polycarbonaten (Blends und Cokondensate) zur Verwendung in der Automobilindustrie und in Bildschirmen: http://www.energiespektrum.de/_misc/drucken/drucken.cfm?pk=29098

http://www.research.bayer.de/de/unterrichtsmaterialien_lcd_bildschirme.aspx

Internetauftritt des Verbands der Kunststofferzeuger mit umfangreichem Material für Schulen. Neben Filmen und Animationen (z. zur Kunststoffverarbeitung) finden sich auch Unterrichtseinheiten zum Download:

http://www.plasticseurope.de/Document/animation-vom-rohol-zum-kunststoff.aspx

Experimentiervorschrift zur Herstellung einer UV-absorbierenden Acrylglasscheibe:

http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seite_du/material/exarbeiten/pmma/pmma16.pdf

Umfangreiche Umterrichtsreihe zum Thema Kunststoffe mit Materialien zum recyclingfähigen Belland-Material:

http://www.chik.die-sinis.de/Unterrichtsreihen_12/B__Organik/Belland.pdf

Film zum Kunststoffrecycling und Informationen zum grünen Punkt:

http://www.gruener-punkt.de/corporate/presse/videothek.html

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© 2019 Qualitäts- und UnterstützungsAgentur - Landesinstitut für Schule - Letzte Änderung: 19.12.2013