Chemie · Klasse 13

Ideen für aktives Lernen

Struktur und Eigenschaften von Polymeren

Aktives Lernen funktioniert hier besonders gut, weil die makroskopischen Eigenschaften von Polymeren direkt aus ihrer mikroskopischen Struktur abgeleitet werden. Wenn Schülerinnen und Schüler mit ihren Händen die Zusammenhänge zwischen Kettenlänge, Vernetzung und Verhaltensweisen erleben, prägen sich die Konzepte nachhaltiger ein als durch reine Theorie.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe II - Fachwissen: Struktur-Eigenschaft
• KMK: Sekundarstufe II - Erkenntnisgewinnung: Modellbildung

• 35–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Fallstudienanalyse
• 45 Min. · Kleingruppen

Modellbau: Polymerketten modellieren

Schüler konstruieren mit Kugeln und Stäbchen lineare Ketten, verzweigte Strukturen und vernetzte Netzwerke. Sie notieren prognostizierte Eigenschaften wie Dehnbarkeit und diskutieren in der Gruppe Unterschiede. Abschließend vergleichen sie Modelle mit realen Polymeren.

Erklären Sie, wie die Kristallinität und der Vernetzungsgrad die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen beeinflussen.

Moderationstipp

Fordern Sie die Prognose-Challenge schriftlich an, damit Schüler ihre Vermutungen vor dem Experiment klar formulieren und später überprüfen können.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern Bilder von verschiedenen Polymerprodukten (z.B. Gummiband, Plastikflasche, hitzebeständiger Kochtopfgriff). Bitten Sie sie, für jedes Produkt den wahrscheinlichsten Polymer-Typ (Thermoplast, Duroplast, Elastomer) zu identifizieren und eine kurze Begründung basierend auf den sichtbaren Eigenschaften zu geben.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 02

• Fallstudienanalyse
• 50 Min. · Partnerarbeit

Heiztest: Thermoplaste und Duroplasten prüfen

Gruppen erhitzen Proben von Polyethylen (Thermoplast) und Epoxidharz (Duroplast) auf Heizplatten. Sie beobachten Schmelzverhalten, messen Temperaturen und protokollieren. Gemeinsame Auswertung erklärt Vernetzungseffekte.

Vergleichen Sie die Eigenschaften von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie die Frage: 'Warum können Thermoplaste recycelt werden, während Duroplaste dies in der Regel nicht können?' Leiten Sie eine Diskussion, die die unterschiedliche molekulare Struktur und die Auswirkungen auf die Schmelzbarkeit und Formbarkeit hervorhebt.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 03

• Fallstudienanalyse
• 40 Min. · Kleingruppen

Zugversuch: Mechanische Eigenschaften testen

Schüler dehnen Gummiband (Elastomer), Plastikstreifen (Thermoplast) und Harz (Duroplast). Sie messen Verformung, Bruchlast und Elastizitätsmodul mit Federwaagen. Diagramme visualisieren Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge.

Prognostizieren Sie die Verformbarkeit und Schmelztemperatur eines Polymers basierend auf seiner Struktur.

Worauf zu achten ist

Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, auf einem Zettel zwei Strukturmerkmale eines Polymers zu notieren, die dessen mechanische Eigenschaften beeinflussen, und jeweils ein Beispiel für eine Eigenschaft zu nennen, die durch dieses Merkmal stark verändert wird.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 04

• Fallstudienanalyse
• 35 Min. · Ganze Klasse

Prognose-Challenge: Eigenschaften vorhersagen

Teams erhalten Strukturbeschreibungen und prognostizieren Schmelzpunkt und Härte. Sie testen Vorhersagen mit Materialproben und korrigieren Modelle. Plenumsdiskussion vertieft Vergleiche.

Erklären Sie, wie die Kristallinität und der Vernetzungsgrad die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen beeinflussen.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern Bilder von verschiedenen Polymerprodukten (z.B. Gummiband, Plastikflasche, hitzebeständiger Kochtopfgriff). Bitten Sie sie, für jedes Produkt den wahrscheinlichsten Polymer-Typ (Thermoplast, Duroplast, Elastomer) zu identifizieren und eine kurze Begründung basierend auf den sichtbaren Eigenschaften zu geben.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Unterrichten Sie dieses Thema handlungsorientiert, indem Sie immer wieder zwischen Modell, Experiment und Alltagsbezug wechseln. Vermeiden Sie lange Frontalphasen, stattdessen arbeiten Schüler in Kleingruppen an Stationen. Nutzen Sie Alltagsgegenstände wie Plastikflaschen oder Gummibänder, um abstrakte Konzepte greifbar zu machen.

Erfolgreiches Lernen zeigt sich, wenn Lernende nicht nur Fachbegriffe nennen, sondern selbstständig Struktur-Eigenschafts-Beziehungen an konkreten Beispielen erklären. Sie vergleichen Materialien, begründen ihre Wahl und passen ihre mentalen Modelle durch Beobachtungen an.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während des Heiztests beobachten manche, dass alle Polymere ähnlich reagieren und schließen daraus, dass sie gleich schmelzen.

  Nutzen Sie die Heizplatte gezielt, um Thermoplaste und Duroplaste direkt zu vergleichen. Lassen Sie Schüler beobachten, dass Thermoplaste bei Erhitzen weich werden und nach dem Abkühlen wieder fest, während Duroplaste sich nicht verformen lassen.

• Während des Modellbaus wird oft angenommen, dass mehr Kristallinität automatisch zu mehr Elastizität führt.

  Fordern Sie Schüler auf, ihre Modelle zu dehnen und zu biegen. Zeigen Sie, dass kristalline Bereiche die Bewegung einschränken und zu Sprödigkeit führen, während amorphe Strukturen Flexibilität ermöglichen.

• Während des Prognose-Challenges wird Vernetzung oft nur mit Festigkeit, nicht aber mit Hitzebeständigkeit in Verbindung gebracht.

  Veranlassen Sie Schüler, ihre Prognosen mit den Ergebnissen des Heiztests zu vergleichen. Zeigen Sie, dass vernetzte Polymere höhere Temperaturen benötigen, um sich zu zersetzen, da ihre Struktur stabiler ist.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Fallstudienanalyse