Das Rätsel des Magischen Sandes Teach article

Übersetzt von Daniel Busch. Die Benutzung eines Spielzeugs kann Rätsel in den Unterricht bringen und dabei helfen, Chemie zu verstehen.

Abbildung 1: Magischer Sand
als Spielzeug

Mit freundlicher Genehmigung
von Johanna Dittmar

Wie baut man eine Sandburg, wenn der Sand nicht nass werden kann? In dieser Aktivität verbringen Schülerinnen und Schüler im Alter von 12 bis 16 ca. 2-3 Stunden Zeit mit der Untersuchung von Magischem Sand, einem bekannten Spielzeug, um dessen chemische Eigenschaften zu verstehen. Diese Herausforderung lässt Lernende Hydrophobizität und Obverflächenchemie kennenlernen, während sie die fünf Phasen des Forschenden Lernens durchlaufen: Ergreifen (engage), Entdecken (explore), Erklären (explain), Erweitern (extend) und Evaluieren (evaluate).

Was ist Magischer Sand?

Magischer Sand (auch als hydrophober Sand bekannt) ist hauptsächlich als Trick-Spielzeug und Gimmick bekannt, das im Spielwarengeschäft oder im Internet (Abbildung 1) gekauft werden kann, aber Chemie-Lehrer kennen ihn schon seit vielen Jahren und der naturwissenschaftliche Hintergrund des Spielzeugs bietet viele Lebensweltbezüge.

Wasser formt Tröpchen um
den Kontakt mit dem
Magischen Sand zu
minimieren

Mit freundlicher Genehmigung
von Steve Jurvetson; Bildquelle:
Wikimedia Commons

Anders als herkömmlicher Sand hat der Magische Sand eine hydrophobe Oberfläche, die Wasser abstößt, sodass der Sand nicht nass wird. Stattdessen verklumpt der Magische Sand unter Wasser und verhält sich anders als herkömmlicher Sand. Obwohl einige Produkte als Spielzeug verkauft werden, wird hydrophober Sand auch industriell produziert und für Abdichtungen (z.B. von Fundamenten) oder zum Absorbieren öliger Verunreinigungen und kleinerer Ölflecke verwendet. Eine weitere faszinierende Verwendung findet sich in Tierhandlungen unter dem Namen Kit4Cat. Dieses Produkt wurde erfunden, um Katzenurin für medizinische Untersuchungen zu sammeln und bietet einen weniger stressigen Weg als die herkömmliche Katheter-Methode. Viele Videos rund um Magischen Sand können bei YouTube gefunden werdenw1.

Eine Herstellungsmethode für Magischen Sand ist das Bedampfen mit Trimethylsilanol ((CH3)3SiOH). Das Trimethylsilanol formt kovalente Bindungen mit der Hydroxy(-OH)-Gruppe auf der Oberfläche der Sandmoleküle, wobei die hydrophilen -OH-Gruppen durch hydrophobe Siloxane ersetzt werden.

Abbildung 2: Die chemische
Oberfläche von
herkömmlichen Sand

Mit freundlicher Genehmigung
von Ingo Eilks

Eine andere Methode ist das Ummanteln der Sandpartikel durch eine extrem dünne Schicht eines hydrophoben Materials, so wie Wachs, Harz, Bitumen oder Plastik. Bei dieser Methode formt die hydrophobe Ummantelung zwischenmolekulare Interaktionen (keine kovalenten Bindungen) und ist daher weniger stabil gegenüber hydrophoben Lösungsmitteln (z.B. Aceton). Letztere Methode ist ökonomischer und wenn Sie keinen Magischen Sand erwerben können, können sie diesen selber aus herkömmlichen Sand herstellen, den sie mit Imprägnierspray einsprühen.

Das Rätsel des Magischen Sandes

Im Kontext des naturwissenschaftlichen Bildungsprojekt TEMI (Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated), haben wir eine Geschichte für die Phase des Ergreifens (engage) entwickelt, mit dem Ziel, durch einen persönlichen Kontext, das Interesse der Lernenden  zu wecken und das Lernen bedeutsamer zu machen. Das TEMI-Team in Israel schlägt dazu die Geschichte von James vor (siehe Kasten).

Material

Jeder Lernende oder jede Lerngruppe braucht:

  • einen Teelöffel (15 ml) herkömmlicher Sand
  • einen Teelöffel (15 ml) Magischen Sand
  • 50 ml Wasser
  • Zwei 100 ml Bechergläser
  • Zwei Pipetten

Die Schülerinnen und Schüler können außerdem verschiedene Lösungsmittel wie Öl, Aceton, Ethanol, Hexan oder Flüssigseife verwenden.

Sicherheitshinweis

Einige dieser Lösungsmittel sind hochgradig entflammbar und sollten nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen verwendet werden. Bitte beachten Sie außerdem die allgemeinen Science in School Sicherheitshinweise.

Durchführung

  1. Führen Sie das Rätsel des Magischen Sandes ein, indem Sie die Geschichte von James (siehe Text unten) erzählen. Dies ist die Phase des Ergreifens (engage).
  2. Geben Sie den Lernenden eine Probe des herkömmlichen Sandes, und eine Probe des Magischen Sandes, jeweils in einem 100 ml Becherglas.
  3. Stellen Sie Wasser und die Pipetten zur Verfügung und fordern Sie die Schülerinnen und Schüler auf, mit beiden Sandproben Sandburgen zu bauen, indem sie den Sand anfeuchten. Alternativ kann der Lehrer das Verhalten des Magischen Sandes anhand einer Onlinequellew1 demonstrieren.
  4. Basierend auf der Geschichte vergleichen die Lernenden den Magischen Sand mit dem herkömmlichen Sand. Während dieser Phase des Entdeckens (explore)(siehe Info-Kasten für die Lernphasen) untersuchen die Lernenden das Verhalten des Magischen Sandes durch die Verwendung von Wasser und verschiedenen anderen Flüssigkeiten und entwickeln eine Vorstellung über die Unterschiede zwischen hydrophilen und hydrophoben Substanzen.
  5. Stellen sie die anderen oben genannten Flüssigkeiten zur verfügung, damit die Schülerinnen und Schüler sehen können, wie die zwei Arten von Sand auf diese reagieren.

Die Geschichte von James

Mit freundlicher Genehmigung
von Benoit Rochon; Bildquelle:
Wikimedia Commons

James ist ein alter Mann, aber schon seit dem Kindergarten ist er verrückt danach Sandburgen zu bauen. Mit den Jahren sind sie immer und immer größer geworden, viel detaillierter und ausgeklügelter: er baute Märchenfiguren, Tiere und Gebäude. James wurde ein Meister des Sandburgen Bauens, aber eines Tages machte er bei einem Wettbewerb mit, der ein kleines bisschen anders war. Er ging zum Strand und ihm wurde ein kleiner Sandhaufen zugewiesen. Er nahm einen Eimer Wasser und schüttete ihn über dem Sand aus, aber etwas wirklich Merkwürdiges passierte: der Sand wurde einfach nicht nass. Wie kann man eine Sandburg bauen, wenn der Sand nicht nass wird?

Zuerst war James überzeugt, dass er den Wettbewerb verlieren würde. Aber am Schluss gelang es ihm doch noch eine Sandburg zu bauen.

Jetzt seid ihr dran. James hat mir eine Probe des Sandes geschenkt und die steht nun vor euch. Wie, glaubt ihr, hat es James geschafft eine Sandburg zu bauen? Schafft ihr es auch?

Was passiert?

In der Phase des Erklärens (explain), unterstützen Sie die Schülerinnen und Schüler beim Erarbeiten und Verstehen von zwischenmolekularen Interaktionen, insbesondere Wasserstoffbrückenbindungen. Herkömmlicher Sand kann solche Bindungen formen, weil die Oberfläche polar ist (siehe Abbildung 2), uns so bildet das Wasser eine Verbindung zwischen den Sandkörnern, die diese zusammenhalten kann.

Magischer Sand ist anders. Die Oberfläche des Magischen Sandes ist hydrophob (apolar), sodass sich zwischen den Sandpartikeln und den Wassermolekülen keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Der Sand weist das Wasser ab, kann aber durch nonpolare Flüssigkeiten, wie Pflanzenöl, befeuchtet werden, weil dieses van der Waals Kräfte mit der Oberfläche des Magischen Sandes ausbildet. Dies wäre natürlich eine mögliche Lösung für das Problem mit dem Magischen Sand eine Sandburg zu bauen.

Eine Idee für Weiterarbeit

In der Phase des Erweiterns (extend) können die Lernenden die optimale Strategie zum Sandburgen Bauen ermitteln. Sie können ermutigt werden, Fragen zu stellen und eigene Experimente zu entwickeln, um diese zu beantworten, zum Beispiel welches Lösungsmittel am Besten funktioniert und bei welchem Mengenverhältnis. Des Weiteren können sie die technische Anwendbarkeit von Magischem Sand untersuchen, die kurz in der Beschreibung der Evaluationsphase in diesem Artikel beschrieben wird. Die Lernenden können dann einen Bericht über den Magischen Sand, seine Chemie und Nutzungsmöglichkeiten schreiben oder eine nützliche Gebrauchsanweisung für Magischen Sand verfassen.

Das TEMI-Projekt

Diese Aktivität wurde als Teil des Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated (TEMI) Projekts entwickelt, einem Projekt des Forschenden Lernens (inquiry-based science-education, IBSE), das durch das 7.  Framework Programme von 2013 to 2016 der EU gefördert wird. TEMI versorgt Lehrerinnen und Lehrer der Naturwissenschaften mit den Werkzeugen, die benötigt werden, um Forschendes Lernen zu implementieren, z.B. unerwartete und überraschende Phänomene, sowie durch die Implementierung eines innovativen Modells für forschendes Lernen.

Das forschende Lernen fokussiert auf Forschungsansätze der Lernenden als Antrieb des Lernens. Der Unterricht wird um Fragen und Probleme in einem schülerzentrierten Prozess angeordnet und die Schülerinnen und Schüler lernen direkt durch und über den naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg anstatt durch Präsentationen von naturwissenschaftlichen Fachwissen von Lehrerinnen und Lehrern.

Der problemlösende Prozess von TEMI basiert auf dem 5E-Modell des forschenden Lernens, welches den Lernprozess in fünf Schritte gliedert: Ergreifen (engage), Entdecken (explore), Erklären (explain), Erweitern (extend) und evaluieren (evaluate). Dieses Modell wurde in den 1980er Jahren in den USA vorgestellt und hat seitdem den naturwissenschaftlichen Unterricht in zahlreichen Ländern beeinflusst (Bybee et al, 2006).

Informationen zu all diesen Aspekten, Arbeitsanweisungen und Beispiele können auf der Projekt-Websitew2 gefunden werden. Die Website enthält weiterhin andere Medien, z.B. Anmerkungen für Verlaufsplangestaltung, Videos mysteriöser Phänomene und eine Smartphone-App für selbständiges Lernen zu atemberaubenden naturwissenschftlichen Phänomenen.

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References

  • Bybee RW, Taylor JA, Gardner A et al (2006) The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO, USA: Biological Sciences Curriculum Study

Web References

  • w1 – – Schauen Sie das Youtube Video von Ran Peleg an, das das Rätsel des Magischen Sandes präsentiert
  • w2 – Weiterführende Ressourcen können auf der TEMI Project Website gefunden werden (verfügbar in mehreren Sprachen)

Resources

Author(s)

Ran Peleg, Dvora Katchevich, Malka Yayon und Rachel Mamlock-Naaman arbeiten am Weizmann Institute of Science in Israel, und Johanna Dittmar und Ingo Eilks arbeiten an der Universität Bremen, Deutschland. Zusammen haben sie diese Aktivität entwickelt und sind dankbar für die großzügige Unterstützung des TEMI Projekts durch die Europäische Union unter dem 7. Framework Programme for Research Funding, Science in Society, unter Grant Agreement No. 321403.


Review

Der Artikel von Ran Peleg und Kollegen beschreibt einen Artikel aus dem TEMI Projekt, der auf naturwissenschaftlichen Unterricht unter Verwendung des ISBE-Ansatzes basiert; ausgehend von kleinen Rätseln, magischen Tricks oder Mythen. Der vorgeschlagene Ansatz ist sympathisch und bezaubernd, aber gleichzeitig auch effektiv in der Führung der Lernenden durch eine reichhaltige Lernroute, auf der sie eine Methodik entdecken können, die derjenigen ähnelt, die in echter wissenschaftlicher Forschung verwendet wird. Darüber hinaus erscheinen die angesprochenen Themen (z.B. chemische Bindungen, die Eigenschaften von Wassermolekülen und die organische Chemie), die oftmals als langweilig und schwierig empfunden werden, plötzlich als Puzzleteile bei der Lösung des Rätsels des Magischen Sandes.

Aus diesen Gründen empfehle ich Lehrerinnen und Lehrern der Naturwissenschaften, die einen inspirierenden Einstieg für Lernende von 14-18 in die organische Chemie suchen, diesen Artikel. Die Internetreferenzen sind ebenfalls wertvoll, um andere Ressourcen des TEMI Projektes zu entdecken und um die Lehrerinnen und Lehrer anzuregen, Schauspielerei und Geschichten Erzählen im naturwissenschaftlichen Unterricht zu nutzen.


Giulia Realdon, Italien




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