Zentralkurs in Liestal, Okotober 2022
Unterricht, 3nc, Schwerpunktfach.
- Kritisches Durchsehen der aktuellen Fragen, jeder chemische Fehlerfund wird mit Gummibärchen belohnt
- Anregungen jederzeit willkommen
- Erstellen neuer Fragen, Thema Säure - Base sowie chemisches Rechnen, Stöchiometrie: Jede Gruppe soll gemäss untenstehenden Schema 3 Fragen zum Thema SB sowie 3 Fragen zum Thema Stöchiometrie beitragen.
- Die Fragen müssen als Textfile gespeichert werden (Endung .txt). Der Syntax (_t_, _q_ etc.) des files muss gemäss der Vorlage unten erfüllt sein.
- Am Schluss der Lektion sollen die text-files dem Lehrer per Mail (steiger@rainer.ch) zugesendet werden
- Nach Möglichkeit werden die Beiträge veröffentlicht
Inputfile
- Die ersten drei Zeichen steuern das Verhalten, wobei die gelben Steuerzeichen definiert
sein müssen:
- _t_ Thema, z.B. Stöchiometrie, Säre-Base, Redox etc.
- _n_ Nummerierung, muss einzigartig sein, String + Zahlen, Bsp. Redox-7
- _o_ owner, :Erstellerin der Fragen
- _k_ Kontrolliert: ja / nein
- _p_ Veröffentlichen (publish), Wert auf ja oder nein
- _l_ Schwierigkeitsgrad (level) *, ** oder ***
- _b_ Die Frage selbst als Kurzfrage formuliert ('breve')
- _s_ Stichworte zur Frage, z.B. Mol, Molberechnung, Stöchiometrie
- _q_ Frage (question), auch über mehrere Zeilen hinweg
- _h_ Hinweis zur Frage geben
- _a_Antwort (answer) auch über mehrere Zeilen hinweg
- _v_ In Antwort Video einbinden, z.B. Video_abc.mp4
- Beginnt die Zeile mit einem #, so wird die Zeile als Kommentarzeile aufgefasst und nicht interpretiert
- Chemische Notation durch z.B. H_2O oder H_3O^+ oder SO_4^2- welche in eine korrekte Schreibweise übersetzt wird Grosse Anstrengung wurden unternommen, damit die chemische Notation korrekt und schön ist.
- Aufzählung / Listen. Optionale Angabe: Typ abc, 123, ABC, iii, III (abc: a), b) c) d) etc..)
Listeneinträge _müssen_ mit --- starten_q_ Start_Liste Typ abc _q_ -- item a _q_ -- item b _q_ -- item c _q_ Ende_Liste - Tabellen, Tabelleneinträge _müssen_ mit $$ voneinander getrennt sein. Angabe _header_ optional
_a_ Start_Tabelle _a_ _header_ Bezeichnung $$ saure Lösung $$ neutrale Lösung $$ basische Lösung _a_ c(H_3O^+ mol/l) $$ > 10^-7 $$ = 10^-7 $$ < 10^-7 _a_ pH $$ < 7 $$ = 7 $$ > 7 _a_ c(OH^- mol/l) $$ < 10^-7 $$ = 10^-7 $$ > 10^-7 _a_ pOH $$ > 7 $$ = 7 $$ < 7 _a_ Ende_Tabelle - Beispiel eines Inputfiles
# ------------------------------------------- # --------------- Radioaktivität ---------- # ------------------------------------------- _t_ Radioaktivität _n_ Radio-6 _o_ rs _k_ Kontrolliert: nein _l_ * _p_ ja _b_ Berechne den Kerndurchmesser _s_ Radioaktivität, Kern, Durchmesser, Kerndurchmesser _q_ Schätze den Durchmesser der folgenden Kerne ab: _q_ Start_Liste Typ: abc _q_ --- ^3H _q_ --- ^40K _q_ --- ^235U _q_ Ende_Liste _h_ Der Radius berechnet sich mit r = 1.2E-15*A^(1/3) (Resultat in Meter, wobei A die Nukleonenzahl ist) _q_ _a_ Start_Liste Typ: abc _a_ --- ^3H: d = 2*r = 2*1.2E-15*3^(1/3) = 3.46E-15 m _a_ --- ^40K: d = 2*r = 2*1.2E-15*40^(1/3) = 8.21E-15 m _a_ --- ^235U: d = 2*r = 2*1.2E-15*235^(1/3) = 1.48E-14 m _a_ Ende_Liste
Das aktuelle Stand (24.9.2022) des masterfiles mit allen Fragen und Antworten für chemieaufgaben.ch gibt es [hier] . Achtung: ein ascii-file, angucken via editor.
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......... bis hierhin noch in Ordnung ...............
......... Weiterlesen auf eigene Gefahr..............
persönlicher Hintergrund
- · seit ca. 20 Lehrer Kanti Schaffhausen (v.a. Chemie, z.T. Physik, Freifach Informatik)
- · Ausbildung Uni Zürich (Diplom in OC), Diss in Computational Chemistry, W. Thiel, MPI Mülheim, Deutschland
- · Alles Infos und vieles mehr (Skripte etc.) frei und ohne passwort auf www.rainer.ch
Chemieaufgaben.ch: Wieso
- Anfragen ob es noch mehr Übungsaufgaben geben würde und verteilen derselben, inklusive Lösungen
- Inspiration: physikaufgaben.de [link hier]
- Soll nur eine Aufgabensammlung sein, nicht noch ergänzt durch Theorie etc.
- Mit möglichst wenigen Klicks (von Startseite) auf die Aufgabenseite kommen
- Handydarstellung soll ansprechend sein, Aufgaben möglichst einfach erreichbar
- Erklärvideos der Aufgaben
Chemieaufgaben.ch: Technischer Hintergrund
- Programm in python geschrieben
- aktuell ca. 2500 Zeilen
- Arbeitsaufwand bisher: 100 - 200 h, Projektbeginn ca. Frühling 2022
- ein Inputfile 'aaa' für die Fragen - Antworten, ascii-Format
- Inputfile 'aaa' + python → Inputfile 'bbb' für webserver (mysqlsyntax)
- Details: 'bbb' in mysql-Synatx, Administration auf dem webserver mit phpmyadmin
- CMS: Wordpress, Forum bbpress, wenige weitere plugins
- Layout via css
Chemieaufgaben.ch: Kosten
- Kosten: Server (metanet) für www.rainer.ch vorhanden, Testen von diversen kostenpflichtigen Wordpress-plugins, total ca. 200.-
- Arbeitszeit = Freizeit (programmiere gerne, :-) = gratis.
- Kanton Schaffhausen hat kein ähnliches Projekt wie z.B. Zürich: HSGym. Der HSGym fördert innovative Projekte von Lehrpersonen des Kantons Zürich.
Chemieaufgaben.ch: Irrwege aber auch Gelernetes
- Bugs beim programmieren
- Ausprobieren anderer CMS, yoomla, drupal
- Andere Foren, z.B. sabbai
- Aufstellen eines lokalens Servers mit xampp
- Ausprobieren anderer Importmöglichkeiten, kostenpflichtige plugins
- Erstellen von Erklärvideos (touchsensitiver Laptop, pdfAnnotator als 'Unterlage', screenrecording mittels Powerpoint, Zurechtschneiden der Videos via shotcut)
- ·
- ·
Chemieaufgaben.ch: Todos
- Programm: Ausbau der 'Suchen'-Funktionalität, noch sehr rudimentär, keine optische Anpassung bisher
- Programm: css anpassen
- Programm: Stichworte anzeigen. Zwar vorhanden, bisher aber noch nicht aktiviert
- Programm: Weitere Fragen - Antworten integrieren
- Programm: Weitere Videos, v.a. bei den Berechnungen
- Programm: App aus html erzeugen lassen, offline Modus wäre realisierbar
- Programm: Startseite übersichtlicher, schnellerer Zugang zu den Fragen, direkt-link wie auf www.rainer.ch, Stichwort 'motw' etc
- Unterricht: Testen im Alltag, was taugt die Anwendung direkt im Unterricht? Feedback seitens SuS ? Handynutzung ?
Chemieaufgaben.ch: Fragen
- Bestehen überhaupt Bedürfnisse seitens Lehrer?
- Anregungen ?
QM mit Odyssey: Anwendungen für den Unterricht, von statischen Modellen hin zu dynamischen Simulationen.: Seit kurzem verwende ich das QM Paket Odyssey von Wavefunction und bin begeistert. Relativ einfach können ansprechende Animationen / Anschauungsmöglichkeiten für den Unterricht erstellt werden. Auch können schon vorhandene Module verwendet oder erweitert werden. So lassen sich (auch selber erstellte) verschiedenste Moleküle modellieren und simulieren, z.B. den Druck eines Gases als Funktion der Temperatur darzustellen, Wasserstoffbrückenbindungen eines Wasserclusters in der Gasphase anzuzeigen oder der Frage nachzugehen, wie sich eine einzelne Wasserschicht über die Zeit hinweg verhält. Meine Erfahrung mit Odyssey sowie die Einbindung in den Unterricht würde ich gerne anderen Teilnehmern weitergeben. Das Programm kostet pro Lizenz ca. 250.- Weitere Informationen auch unter www.rainer.ch (Chemie / Computerchemie / Zentralkurs).
persönlicher Hintergrund
- · seit ca. 20 Lehrer Kanti Schaffhausen (v.a. Chemie, z.T. Physik, Freifach Informatik)
- · Ausbildung Uni Zürich (Diplom in OC), Diss in Computational Chemistry, W. Thiel, MPI Mülheim, Deutschland
- · Anwender Odyssey seit ca. drei Jahren
- · KEIN PROFI, nicht gesponsert von wavefunction
- · Alles Infos und vieles mehr (Skripte etc.) frei und ohne passwort auf www.rainer.ch
Einige Probleme innerhalb der Chemie
- · kleinste Dimensionen, einzelne Atome / Moleküle nicht sichtbar, makroskopische Welt vs. mikroskopische Welt.
- · Oft unklar, wie gross Atome überhaupt sind, wie gross die Leerräume zwischen den Molekülen und Atomen sind.
- · Übliche Grössenverhältnisse: Nanometer, kurz 'nm'. Relation wie 1000 km zu ...
[???] einem Millimeter !
- · Die Atome, Moleküle bewegen sich, reagieren zum Teil miteinander
- · Zur besseren Veranschalichung können Computerprogramme weiterhelfen, z.B. Odyssey, ACD-Labs etc
Odyssey
- · Ein Produkt aus dem Hause von wavefunction, 'Spartan'. Viele weitere Infos [hier]
- · Lizenzkosten ... screenshot [hier]
- · Es stehen viele vorgefertigte Einheiten zur Verügung (aktuell 290), ebenso ca. 800 anorganische - organische Substanzen
- Oftmals Fragen an eine bestehende Einheit, inklusive Antworten (nur für Lehrperson)
- · liest auch 'fremde' pdb-files ein, eigene *.ody-files können auch editiert werden
- · Möglichkeit gegeben, eigene Moleküle, Reaktionen (...), Simulationen rechnen zu lassen
- · Die Berechnungen werden live gemacht,
- keine abgeschlossenen Simulationen, pico-Sekunden-Zeitbereich (10-12s. Genaueres [hier]
- Berechnungsresultate sind sofort sichtbar, 'Molekül-Dynamik-Berechnungen'
- KEINE Forschungsresultate :-) .
- Nicht zuviel verlangen, 'seriöse' Berechnungen mit wenigen Atomen beanspruchen viele Stunden.
Ausgewählte Ody's
Teil I Start: Ody 6.0: guided labs: no 2 , examining water and its many occurrences, Oder Ody 5.4: Number 2, medium of life (new users)
- Zuerst zeigen was man sieht: different representations
- Diverse Styles Rumspielen mit den Styles, Ball and Wire
- Darstellungsmöglichkeiten: polarity map, dipole arrow, charge labels, lone pairs
- Unterricht: Aggregatszustände Physical States: solid, liquid sowie gas zeigen (Animationen)
- Für Spezialisten Wasserstoff-Brücken einzeichnen, oder ... Elektronen-Cloud, weiter unten
- Spuren lesen Beim Eis (Solid ice (H2O)288 nehmen) alle Moleküle auswählen, hide machen, trail anzeigen. Dito mit Flüssigkeit sowie Gas (jeweils aber nur fü ein Wassermolekül): bei Feststoffen bleibt die Position der Moleküle identisch, Flüssigkeiten sowie Gase nicht, innerhalb einigen wenigen 10-12 Sekunden Position geändert
- ( Schmelzen . Gleiche Sache, Eis aber schmelzen. Evtl. reload machen, dann bei solid (ice ) unter den Properties die Temperatur holen und von eindeutig (!) unter Null auf ca. 20 ° Celsius erhöhen. Temperatur wieder runter liefert leider nicht eine Eisstruktur - jedenfalls nicht in den bisher beobachteten Zeiträmen)
- Wasserschicht Layer of liquid water, Animation zeigen (demo + visuals, no 31, do water droplets ...). Brandneue Idee, viel praktischer (?) und effizienter(?): einen Film der Animation zeigen (34 mb): [hier]
- Unterricht: chemisches Rechnen Wieviele Wasser-Moleküle hat es pro Kubiknanometer? Stimmen ungefähr die Vorgaben
seitens Odyssey?
Pro Liter (10-3 m3) 55.5 mol (=3.34E25 H2O), pro Kubiknamometer 1024 mal weniger, also ca. 34 Teilchen). Via View-Properties-System lassen sich die Anzahl der Moleküle sowie Zellendimensionen anzeigen. Eine kurze Rechnung bestätigt die Vorgaben. (Vorgehen: H2 in einer Zelle, Anzahl 55 machen lassen, Dichte = 1.0. Anzahl sowie Zellendimensionen anzeigen lassen ) - Unterricht: : ZMK, Mischungen / Lösungen
- NaCl ('with dissolved table salt', Unterricht ... nachrechnen ob die Anzahl der Teilchen aufgeht? JA :-, clipping center),
- Alkohol in Wasser (H-Bonds einblenden, plot machen mit der Anzahl der H-Bonds, bleibt ungefähr konstant),
- Wasser plus 'Öl' (vermischen screenshot [hier] )
Teil II: Unterricht: : chemisches Gleichgewicht, Thermodynamik: Wann reagieren zwei Moleküle miteinander. Unter anderem wichtig: räumliche Orientierung der Edukte. Moleküle korrekt anordnen, auswählen, ctrl, drehen.
- Richtige Orientierung der Edukte (ody_5, Kinetics 109 oder Ody 6, Lab 86, guided lab, complete list .
Reactive Collisions between Molecules: NO2 + F2 → NO2F + F - Chemisches Gleichgewicht live: Observing a chemical reaction,(ody 5 108 oder ody 6, demo + visuals, no. 44, ACHTUNG
tmp-file nehmen!).
Es wird eine Folgereaktion betrachtet: NO2 + F2 ⇌ NO2 + F
sowie Zersetzung von NO2 + F → NO2F.
Lässt man die Simulation laufen, so sieht man von Zeit zu Zeit 'Kugelblitz' aufleuchten. Dies waren Orte, wo eine Reaktion stattfand.
Teil III: Unterricht: : Salze (Ody_6, Guided-Labs, No 22. )
- Wieso halten die 'Atome' vom Kochsalz, NaCl, aneinander ?: Ionen, Kation - Anion
- Ladung: Ladungen der einzelnen Kugeln verändern, z.B. +1/0 oder +1/+1 oder +1/-1 und dann eine Simulation laufen lassen. ('Build/Chharge') Für alle drei Modelle machen ('A, B und C'). Unterschiedliche Startsituationen ergeben unterschiedliche Endstrukturen
- Nice: die Radien der Atome - Ionen ändern sich mit der Ladung
Teil IV: Unterricht: : Gase, Temperatur (Ody_6, Guided-Labs, No 44. )
- Geschwindigkeiten verschiedener Gase, Abhängigkeit herauslesen lassen (direkt prop. zur Temp, umgekehrt zu M)
- Nice: Temperaturregeler
- Nice: speed distribution
Teil V: Concepts and Applications ..
- Aspirin
Medikamente Concepts and Applications, Pharmaceutical, 113: Blockbusters - Autobatterie, Schwefelsäure
Säuren, Schwefelsäure. Teilchen und Materie, komplette Liste, No. 52. Bei Schwefelsäure ( Beispiel (weiter unten) können die unwichtigen Dinge (Wasser welches nicht reagiert) verborgen werden. Hauptinteresse auf Mainaspects.
Computer - Vorteile - Nachteile
- + Unabhängig wie gross die Anzahl der Atome eines Molekül ist, es kann dargestellt werden
- + Dynamische Chemie, nicht statisch ('Atome bewegen sich' )
- + Anschaulichkeiten, welche auch Modelle aus Holz (oder Plastik) nicht liefern können
- + viel mehr als nur die üblichen reellen Modelle verfügbar (Modelle sind teuer, können kaputt gehen, können verschwinden)
- + Forschung
- - das Programm Odysses / Spartan ist nicht gratis
- - technische Infrastruktur (Beamer, Laptop)
- Rückmeldungen einer Klasse (23, Pablo Zarotti) zur Visualsierung der Gittertypen von Salzen:
- + gut sichtbar, auch von hinten
- + gut vergleichbar, da zwei verschiedene Gitter nebeneinander
- - man kann es nicht anfassen ('das Begreifen geht nur mit dem Modell, 'verstehen' kann man es auch mit dem Modell)
- 8 fanden Visualsierung besser als das Modell, 9 fanden das Modell besser, 6 hatten keine eindeutige Meinung
- - Die SchülerInnen würden gerne lieber am PC selber arbeiten. Aktuell schwierig, da Lizenzen (zu) teuer sind
ABER: das Experiment (sofern möglich) hat noch immer das letzte Wort.
Wie weiter ?
- Idee: weitere Videos machen, zugänglich via www.rainer.ch
- bei Bedarf Rechnungen via Spartan ansetzen (lassen)
- Selber mit eigenen Labs beginnen
- Open source, neue 'MitarbeiterInnen', welche Ideen und Erfahrungen teilen
Weiter führende Infos, weitere Programme :
- Wie rechnet das Programm, oder Molekül-Dynamik-Einbindung (MD) in den Info-Unterricht:
Anwendungen mit TigerJython, genaueres hier; http://www.tigerjython.ch/download/computational_physics.pdf, p. 3 etc. - Übersichtsartikel MD, van Gunsteren [pdf]
- Einführung in die Computerchemie, [pdf]
- Molekulares Modellieren mit Kraftfeldern [pdf]
- Gute Übersicht über ody6 [pdf]
- Erstellen animierter gifs: ein Programm welches z.B. jede Sekunde einen screenshot erstellt (z.B. autoscreen.exe) und dann mittels z.B. gimp ein gif daraus erstellen
- Fast besser als ein gif (?): Video: lässt sich auch an einer bestimmten Position pausieren, Software z.B. https://www.apowersoft.com/free-online-screen-recorder
- Cooles Video about MD: https://www.youtube.com/watch?v=lLFEqKl3sm4
- Wasser und Pentan, Mischung ... https://www.youtube.com/watch?v=xcMSHy3CqXA
- Water vaporization ... https://www.youtube.com/watch?v=B3cXuisH8PI
Notizen für mich
- Material:
- Atommodelle, ... molymod, Hans-Ruedi etc.
- Gitter - Eisstruktur
- Unbedingt mitnehmen für genaueres Arbeiten: Maus
- Unbedingt mitnehmen Stromkabel
- Unbedingt mitnehmen Laserpointer
- Unbedingt mitnehmen Laptop-Stift
- Angemeldete Workshops:
- Block A: Molekülmodelle, 3D-Drucker
- Mi-Nachmittag: nichts, ausgebucht
- Do, Block D: ein neuer, thermodynamischer orientierter Zugang zum chem. GW
- Do, Block E: elektronische Wandtafel
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Computer - Animationen, wieso nicht schon früher im Klassenzimemr?
- · Anzahl der Wechselwirkungen zwischen den Atomen gross
- Bsp: Familienfest mit 10 Personen, wieviel mal erkingen die Wein-Gläser beim Anstossen?
[???] 45 mal
- · Beachte ... Anzahl Wassermoleküle pro Wassertropfen
[???] 1 Tropfen ca. 0.1 g. D.h. ca. 3.3 · 1021 !
- · Mathematik, 3 Körperproblem unlösbar, Spezialfälle
- · Computer unterdessen vernünftig schnell, Memory billig(er)
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