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.

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.

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 werden^w1.

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.

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.

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 Onlinequelle^w1 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

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.

Download

Download this article as a PDF