Chemieunterricht

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Entdeckendes Lernen - Experimentalunterricht im Fach Chemie
Im Chemieunterricht sollen Schülerinnen und Schüler dazu angeleitet werden, Stoffe, Stoffeigenschaften und Stoffumwandlungen zu entdecken, zu untersuchen und ihre Untersuchungsergebnisse auf neue Problemstellungen anzuwenden

Chemieunterricht ist die Unterrichtung im naturwissenschaftlichen Schulfach Chemie in Schulen und Bildungseinrichtungen. Hier werden die Inhalte der Chemie für den Unterricht nach den Regeln der Didaktik und Fachdidaktik für Schule, Aus- und Weiterbildung aufbereitet, gelehrt und gelernt. Dieser Artikel zum Thema Chemieunterricht/Chemie für die Schule beschreibt daher, was aus der Chemie von Bedeutung für den Unterricht des Faches Chemie in Schulen und Ausbildungsstätten von Bedeutung ist. Er besteht aus vier Teilen:

  1. Der erste Teil ist über den Sinn des Chemieunterrichtes in der Schule.
  2. Der zweite Teil soll eine Übersicht über das Curriculum (den Lehrplan) und die fachdidaktisch wesentlichen Inhalte im Fach Chemie bieten.
  3. Der dritte Teil besteht aus einer Auflistung von Wikipedia-Artikeln, die sich mit diesen Unterrichtsinhalten (dem "Schulstoff") in Chemie beschäftigen und daher zur Verwendung im Chemieunterricht ins Besondere geeignet sind.
  4. Im vierten Teil schließlich wird eine Literatur- und Linksammlung entstehen, die sowohl die Theorie als auch die Praxis beinhalten soll. (Die noch leeren Überschriften mussten schon eingepflegt werden, da sie sonst die Abschnitteinteilung durcheinanderbringen).

Inhaltsverzeichnis

1 Motivation für den Chemieunterricht an der Schule

Der Mensch gestaltet seine Umwelt, u. a. mit Hilfe der Chemie - Blick durch den Wörlitzer Schlosspark

Unser Alltag lässt sich ohne Kenntnis elementarer naturwissenschaftlicher Zusammenhänge nur lückenhaft verstehen. Die Entwicklung und die Erforschung von industriellen Produktionsverfahren, die mathematische und naturwissenschaftliche Kenntnisse nutzen, führten in der Geschichte und auch heute zu weitreichenden Veränderungen (z.B. industrielle Revolution, moderne Kommunikationstechnologie).

Es ist Aufgabe des Chemieunterrichts, einen Einblick in stoffliche Zusammensetzung und in Vorgänge der Natur zu geben. Stoffumwandlungen in der belebten und unbelebten Natur beruhen ebenfalls auf chemischen Reaktionen und sollten als solche erkannt werden können. Ebenso sollte aus der Vermittlung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse Verständnis für die moderne Technik und eine positive Einstellung dazu aufgebaut werden, da doch gerade die Chemie durch Einführung neuer Produkte einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Lebensbedingungen des Menschen geleistet hat.

Dies schließt aber nicht aus, dass die mit der Anwendung verbundenen Probleme angesprochen und mit Hilfe des erworbenen, fachlichen Grundwissens kritisch beurteilt werden. Dabei ist wichtig, dass die Chemie nicht nur Umwelt-Probleme verursachen, sondern auch zu deren Lösung beitragen kann. Neben naturwissenschaftlichen Methoden sollen auch Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie aufgebaut werden.

2 Schulstoff (Curriculum, Unterrichtsinhalte und -themen)

Die Verteilung des Stoffes auf die Schuljahre ist in den verschiedenen Ländern und Bundesländern unterschiedlich geregelt. Deshalb ist diese Übersicht sehr allgemein gehalten.

  • Bei der Einführung in die Chemie sollen die Schüler nicht nur grundlegende Experimentierkenntnisse, wie auch den Umgang mit Bunsenbrenner und Gefahrenstoffen, erwerben sondern auch verstehen, mit was sich die Chemie beschäftigt.
  • Stoffe und ihre Eigenschaften sollen eine Grundlage legen: Stoffe, die im Alltag verwendet werden, sollen kennengelernt und in Experimenten untersucht werden und deren grundlegende Eigenschaften bekannt sein (z.B. Salze, Säuren, Metalle und Nichtmetalle...).
  • Stoffgemische und Reinstoffe: Die Schüler lernen, dass Stoffgemische durch physikalische Methoden (Trennmethoden, Stofftrennverfahren, Separationstechniken) auf Grund ihrer Stoffeigenschaften getrennt werden können (Destillieren, Dekantieren, Filtrieren, Sieben, Sublimieren,...).
Die Rostbildung (Korrosion) als eine im Schüleralltag erfahrbare, langsame chemische Reaktion: Sauerstoff und Wasser(Feuchtigkeit) oxidieren Eisen
  • Die Chemische Reaktion wird an Beispielen der Synthese und Analyse von Verbindungen vorgestellt.
  • Das Periodensystem der Elemente verhilft den Schülern zu einem Überblick über die Elemente und ihre Eigenschaften. Sie lernen, aus dem Periodensystem Informationen über deren physikalische Eigenschaften und chemisches Verhalten heraus zu lesen.
  • Einfache Stoffchemie behandelt beispielsweise Sauerstoff, Wasserstoff, Alkalimetalle und Erdalkalimetalle sowie Halogene
  • Mit Quantitativen Beziehungen werden den Schülern Grundgesetze der Chemie bzw. mathematische Verknüpfungen zwischen Grössen wie Masse, Volumen und Stoffmenge vermittelt
  • Donator-Akzeptor-Konzepte wie die Brönsted'sche Säure-Base-Theorie (Säuren = Protonendonatoren, Basen = Protonenakzeptoren) und Redoxreaktionen (Oxidation = Elektronenabgabe, Reduktion = Elektronenaufnahme) helfen, die Vielfalt an chemischen Reaktionen zu verstehen, zu sortieren und schließlich voraus zu sagen.

3 Chemie-Artikel in der Wikipedia

3.1 Einführung in die Chemie

John Dalton definierte die Grundbegriffe Atom und Chemisches Element in der Chemie. Noch heute bilden diese Fachbegriffe eine Basis für jeden Einführungsunterricht in der Chemie
Zwei Reagenzien und ihr Reaktionsschema: Eisen und Schwefel reagieren zu Eisen(II)-sulfid

Was ist Chemie?
Die Chemie als Naturwissenschaft wird im Basisartikel Chemie beschrieben und von der Alchemie abgegrenzt. Im Artikel Liste bedeutender Chemiker finden sich die wichtigsten, in der Chemie tätigen Persönlichkeiten aus Vergangenheit und Gegenwart wieder.

Sicherheitsbelehrungen und Laborregeln
Chemikalien sind oft Gefahrstoffe und dementsprechend mit Gefahrensymbolen zu kennzeichnen. Risikohinweise und Sicherheitsratschläge in Form der R- und S-Sätze sind zu beachten, bevor man sie im Experiment einsetzt oder mit einem Laborgerät untersucht.

Stoffe und ihre Eigenschaften
Stoffeigenschaften wie z. B. die Verformbarkeit (Duktilität), Löslichkeit oder Brennbarkeit eines Metalles oder Nichtmetalles bilden einen Haupt-Untersuchungsgegenstand in der Chemie und im Chemieunterricht jeder Schule. Bekannt ist z. B. der Begriff Indikator Indikator für einen mit Farbumschglag auf Säure- oder Laugezugabe reagierenden Stoff wie z. B. Lackmus.

Gemische und Trennmethoden
Reinstoff und Stoff-Gemisch sind im schulischen Chemieunterricht deutlich voneinander zu unterscheiden, um physikalische Stofftrennverfahren und Trennmethoden für Stoffgemische von chemischen Reaktionen unterscheiden zu können. In diesem Zusammenhang werden im Anfangsunterricht bei den Stoffgemischen Homogen und Heterogen vor allem daran unterschieden, dass heterogene Stoffgemische in mehreren Phase vorliegen. Mengenmäßig werden Stoffgemische über Gehaltsangaben zum Beispiel in Form von Masse- und Volumenprozenten erfasst.

3.2 Allgemeine Chemie

Rohstoffe aus der Natur: Kalkstein in Pamukkale, Türkei

Erste chemische Reaktionen
Eine Stoffumwandlung als Chemische Reaktion verläuft von einem oder mehreren Ausgangsstoffen hin zu einem Produkt. Das Brennen von Kalkstein führt so z. B. zum Baustoff "Gebrannter Kalk" (Kalziumoxid) und zum "Treibhausgas" Kohlendioxid.

Sofern nun ein Edukte als Chemisches Element reagiert, entsteht hieraus eine Chemische Verbindung. Die symbolische Schreibweise für solche Stoffumwandlungen im Chemieunterricht wird im Artikel Reaktionsschema erläutert. Die Reaktion kann dabei unter Energieabgabe verlaufen (Exotherm, Beispiel: Verbrennen von Methangas) oder unter Aufnahme von Wärmeenergie (Endotherm, Beispiel: Brennen von Kalk). Die zu Reaktionsbeginn oft erforderliche Startenergie wird demgegenüber Aktivierungsenergie genannt.

Reaktionen mit Sauerstoff / Luft
Der Wikipedia-Artikel Oxidation erläutert die vom Begriff Oxid für Sauerstoffverbindung her stammende Bezeichnung für eine Elektronen-Abgabe bei chemischen Reaktionen. Im Anfangsunterricht wird in der Schule hier oft die Glimmspanprobe als Nachweisreaktion für Sauerstoff vorgestellt, um Schülerinnen und Schülern Verbrennungsvorgänge, Brandbekämpfungsregeln, Löschprinzipien z. B. mit dem Feuerlöscher oder auch Kalkwasser als Nachweismittel für das Verbrennungsprodukt Kohlendioxid vorzustellen. Luft soll hierbei als ein Gemisch aus Stickstoff, Edelgasen und Sauerstoff kennengelernt werden, wobei nur Letzteres die Verbrennung unterhält.

Redoxreaktionen (1)

Die Verbrennung – eine Redoxreaktion

Über den Begriff der Reduktion wird im Artikel Redoxreaktion der Zusammenhang zwischen Oxidation und Reduktion erläutert, Reduktionsmittel und Oxidationsmittel werden als Bestandteile eines Redoxsystems vorgestellt. Oft stellt die Eisengewinnung über die Thermitreaktion oder den Hochofen einen Einstieg für das Thema Redoxreaktionen im schulischen Chemieunterricht dar.

Symbolschreibweise und Massen-Gesetze
Die Symbol-Schreibweise für chemische Elemente und Verbindungen wird vorgestellt, indem die Elemente im Periodensystem vorgestellt werden. Deren Verbindungen werden als Summenformel oder Verhältnisformel dargestellt. Die Grundgesetze der Chemie wie z. B. das Gesetz von der Erhaltung der Masse und das Gesetz der konstanten Proportionen bilden ebenso die Grundlage der Stöchiometrie wie der Begriff Atom von John Dalton oder der Begriff Molekül nach dem Satz von Avogadro. Die Wikipedia-Artikel über das Reaktionsschema und die Reaktionsgleichung führen somit in die symbolische Fachsprache der Naturwissenschaft der Chemie ein.

Wasser und Wasserstoff

H2O ist die einzige chemische Verbindung, die natürlich in allen drei Aggregatzuständen vorkommt.

Der Artikel Wasser stellt einen der wichtigsten Grundstoffe des alltäglichen Lebens wie auch der Schulchemie als ein Verbrennungsprodukt des Gases Wasserstoff vor, welches als Füllgas für den Zeppelin benutzt und seit jeher mit Hilfe der Knallgasprobe nachgewiesen wurde. Es lässt sich über eine Elektrolyse aus Wasser erzeugen.

Aufbau des Periodensystem und Atombau
Der zunächst von Ernest Rutherford entdeckte Aufbau des Atoms - das von ihm entwickelte Atommodell als eines Teilchens aus Atomkern und Atomhülle - wird auch in Wikipedia-Artikeln zu den Elementarteilchens deutlich, aus denen das Atom besteht: Elektron, Proton und Neutron bilden die Bausteine der Atome, wobei die verschiedenen Atomarten als Isotope bezeichnet und im Periodensystem in Hauptgruppen entsprechend ihrer jeweiligen Ordnungszahl angeordnet werden. So unterscheidet man z. B. Alkalimetalle (1. Hauptgruppe), Halogene (7. Hauptgruppe) und Edelgase (8. Hauptgruppe).

Ionenbildung und -verbindungen

Lösen von Natriumchlorid in Wasser: Rechts sind von Wassermolekülen ummantelte (hydratisierte) Ionen dagestellt.

Der Begriff Ion wird in den Artikeln Kation und Anion näher unterschieden. Die Edelgasregel erläutert die Entstehungsmechanismen für Ionen und die aus ihnen entstehenden Salze. Kochsalz als typisches Beispiel für eine ionische Verbindung bildet Kristalle. Nachweisreaktionen für Kationen, Anionen und auch für nichtionische, zumeist organischer Verbindungen werden in Wikipedia-Artikeln wie z. B. unter Nachweis (Chemie) ausführlich erläutert.

Atombindung
Das Kugelwolkenmodell für die Atombindung (im Chemieunterricht auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bildung genannt) führt über die Lewisschreibweise hin zur Strukturformel als eine Schreibweise für die Chemische Struktur.

Redoxreaktionen (2)
Der Artikel Redoxreaktion erläutert neben der Elektronenübertragung auch die Elektrolyse als eine erzwungene Redoxreaktion sowie den Begriff Batterie für Galvanische Elemente wie z. B. die Voltasche Säule. Die Oxidationszahl gibt hierbei an, wie viele Elektronen ein Ion abgibt oder aufnimmt. Viele Redoxreaktionen werden als Nachweisreaktion für Ionen genutzt - auch zu deren chemischer Trennung im Kationentrenngang.

Säuren und Basen

Zugabe von Ammoniakwasser zu Salzsäure

Die Begriffe sauer, neutral und alkalisch gehen auf die Definitionen von Säure und Lauge bzw. Base zurück. Sie lassen sich kennzeichnen über den pH-Wert einer Lösung. Dieser kann durch einen Indikator oder durch pH-Elektroden angezeight werden und hängt mit der Konzentration des Hydroxonium-Ions zusammen. Durch eine Neutralisation heben sich saure und basische Charaktere von Stoffen gegenseitig auf. Säuren wie Kohlensäure, Phosphorsäure,Salzsäure und die Halogenwasserstoffsäuren und Sauerstoffsäuren bilden hierbei Salz, da sich das jeweilige Säurerest-Ion (wie z. B. das Carbonat-Ion, das sich mit Kalkwasser nachweisen lässt) mit dem Kation der Lauge verbindet. Nichtmetalloxide reagieren daher oft mit Wasser zu Säuren und basische Metalloxide zu Laugen: Der Protonenübergang ist auch hier der grundlegende Mechanismus solcher Stoffumwandlungen.

3.3 Anorganische Chemie

Grünes Chrom-III-chlorid - eine typisch anorganische Verbindung


Stoffchemie/Stoffeigenschaften/Reaktionen
Die Anorganische Chemie ist im Wesentlichen die Chemie der Säuren, Laugen und Salze. Nachweisreaktionen dienen zur Identifikation der wichtigsten anorganischen Stoffe. Zum Teil müssen sie über einen Kationentrenngang voneinander getrennt werden, um Störungen der Nachweise zu vermeiden.

Massenwirkungsgesetz
Das Chemisches Gleichgewicht wird vom Massenwirkungsgesetz (MWG) beschrieben. Die Gleichgewichtskonstante gibt die Lage des Gleichgewichtes einer bestimmten Reaktion an; die Chemiker LeChatelier sowie Guldberg und Waage haben diese Gesetzmäßigkeiten erkannt und untersucht.

Komplexchemie
Der Artikel Komplexchemie erklärt Komplexbildungsreaktionen sowie die hier entstehende Komplexverbindung aus Liganden und einem Zentralatom.

Die Kernchemie sowie Technische Prozesse/Chemische Technologie stellen weitere Unterthemen der Anorganischen Chemie dar.

3.4 Organische Chemie

Die Organische Chemie umfasst mit wenigen Ausnahmen nahezu die Gesamtheit der Kohlenstoffverbindungen. Sie wird im Chemieunterricht (wie auch in Wikipedia) in folgenden Themenbausteinen/Basisartikeln vorgestellt:

3.4.1 Kohlenwasserstoffe

Eine Probeflasche mit Erdöl

Alkane
Die grundlegende Stoffgruppe der gesättigten Kohlenwasserstoffe ist die der Alkane|Alkan. Die n-, Iso- und Cyclo-Alkane zeigen das Phänomen der Isomerie, reagieren zumeist nach dem Mechanismus namens Radikalische Substitution und werden nach einem international festgelegten System benannt, der IUPAC-Nomenklatur.

Alkene und Alkine
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe werden in Alken und Alkine unterteilt. Die eine bestimmte Form von Hybridisierung aufweisenden Verbindungen reagieren über die Elektrophile Addition. Das Orbitalmodell hilft im Chemieunterricht, zwischen Sigma-Bindung und Pi-Bindung zu unterscheiden, um diese Arten von Reaktionen zu deuten. Die Polymerisation ist der technisch bedeutsamste Anwendungsfall für diese Reaktion - so beruht z.B. die Herstellung der Kunststoffe wie von Polyethylen aus solchen Alkenen mit sp2-Hybridisierung auf diesem Mechanismus.

Aromaten (Benzol und Benzolderviate)
Benzol wird im Chemieunterricht als der Grund-Typ der Aromaten vorgestellt, von denen sich Stoffe wie Phenol, Anillin, TNT, Toluol und Naphthalin ableiten. Eine spezielle Form der Mesomerie sorgt für die besondere Stabilität dieser Verbindungen.

3.4.2 Sonstige Stoffgruppen

Alkohole
Die Stoffgruppe der Alkohole wird im Unterricht durch die Hydroxylgruppe im Molekül gekennzeichnet - Methanol, Ethanol und Isopropanol sind deren wichtigste Vertreter.

Aldehyde und Ketone
Die Carbonylgruppe in den Molekülen der Aldehyde und Ketone zeigt - anders als die Hydroxylgruppe - ungesättigten Charakter. Im Unterricht dient das Lösungsmittel Aceton als typisches Beispiel für Vertreter dieser Stoffgruppe, die nach IUPAC auch als Alkanale und Alkanole bezeichnet werden.

Carbonsäuren

Aceto balsamico, Rot- und Weißweinessig

Moleküle mit der Carboxylgruppe sind charakteristisch für die Carbonsäuren. Methan- oder Ameisensäure sowie Ethan- bzw. Essigsäure, ihre Salze (Azetate) und die in der Limo-Industrie mitverwendete Weinsäure (Salze: Tartrate) und Zitronensäure (Salze: Zitrate) sind wichtige Unterrichtsbeispiele für Carbonsäuren.

Ester
Ester sind Aromastoffe und Lösungsmittel, die über die Veresterung von Alkoholen mit Carbonsäuren über die Kondensationsreaktion hergestellt werden oder in der Natur entstehen. Auch Kohlenhydrate und Fette weisen die Estergruppe (Symbol: R-COOR) auf.

Kohlenhydrate

Datei:Sugar factory.jpg
Zuckerfabrik, Groningen, Niederlande

"Zucker" wie Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker), Saccharose (Haushaltszucker), Lactose (Milchzucker) und Maltose (Malzzucker) bilden Bauasteine der Kohlenhydrate. Aus solchen Verbindungen entstehen Stärke, Glykogen und Cellulose. Im Unterricht in der Regel behandelte Untergruppen der Kohlenhydrate sind die Hexosen (Kennzeichen: 6 C-Atome pro Molekül), die Ketosen (Carbonylgruppe eines Ketons im Molekül), Monosaccharide (Einzelbausteine) und Disaccharide (aus zwei Monosacchariden aufgebaute Kohlenhydrate). Viele Kohlenhydrate zeigen eine Keto-Enol-Tautomerie und reagieren bei einer Fehling-Probe positiv.

Fette

verschiedene Fett-Produkte im Supermarkt

Fette sind neben Kohlenhydraten und Proteinen wichtige Nahrungsmittel-Bestandteile. Sie werden im Unterricht auch unter der Bezeichnung Lipid vorgestellt und leiten sich vom Glycerin ab, welches Ester mit Fettsäuren bildet. Fette werden daher als Triglyzeride bezeichnet. Als lipide und lipophile Nährstoffe bedeutsam sind die Omega-3-Fettsäure, Linolsäure, Linolensäure und die Arachidonsäure.

Aminosäuren - Proteine
Aminosäure-Moleküle weisen die Aminogruppe auf. Aminosäuren kondensieren zu Proteinen. Durch die Chemische Evolution entstanden so Eiweiße als Baustoffe des irdischen Lebens.

3.4.3 Spezielle Themen

Lebensmittelfarbe auf einem dünnen Wasserfilm

In der Sekundarstufe II werden Spezialthemen im Unterricht behandelt. Hierzu zählen z. B. die Farbstoffe (Stichworte: Pigment, Lebensmittelfarbe und Azofarbstoff) sowie die Kunststoffe (Stichworte/Artikel: Polymer -- Monomer -- Polymerisation -- Polyaddition -- Polykondensation -- Duroplast -- Thermoplast -- Elastomer -- Heteropolymer -- Copolymer -- Polyethylen -- Polypropylen -- Polyvinylchlorid = PVC -- Polystyrol = Styropor -- Polytetrafluorethylen = Teflon -- Polymethylmethacrylat = Plexiglas -- Polyamid = Nylon -- isotaktisch -- ataktisch).

3.5 Chemie und Umwelt

Schematisches Bodenprofil
Warnhinweis über Inhaltsstoffe

Die Chemie prägt unseren Alltag. Ein guter Chemieunterricht nimmt daher auch Bezug auf die Vor- und Nachteile dieser Prägung: Nähr-, Gefahr- und Schadstoffe gelangen im Boden, im Wasser und in der Luft und nehmen an natürlichen und künstlichen Stoffkreisläufen teil. Chemieunterricht beinhaltet daher auch Aspekte der Ökologie sowie weiterer Nachbarwissenschaften (fachübergreifend/interdisziplinär). Stichworte wie Treibhauseffekt und globale Erwärmung, Überdüngung (Eutrophierung) und Luftverschmutzung, Bioakkumulation und erneuerbare Energien, Recycling und Analytik, Nachhaltigkeit und nachwachsende Rohstoffe sind daher aus dem modernen Chemieunterricht nicht mehr wegzudenken.

4 Literatur und Links

4.1 Informationen zur Schulchemie

4.2 Links zu Übersichten und Lernhilfen

Bei der Suche nach Informationen und Hilfen zum Thema Chemie können die folgenden Seiten helfen:

4.3 Links zu ausgearbeiteten Unterrichtsthemen

4.4 Links zu Computersimulationsprogrammen

4.5 Links zum Zeichnen von Strukturformeln usw.

4.6 Links zu Musteraufgaben

4.7 Links zum Experimentalunterricht

4.8 Links zu Experimentier-Wettbewerben und Experimentier-Anleitungen für Schüler und Schülerinnen

Um Chemie mit Alltags-Chemikalien auch zu Hause zu ermöglichen, kann man die Anweisungen der Experimentierwettbewerbe für Schüler und Schülerinnen der einzelnen Bundesländer nutzen.

4.9 Links zu Pädagogik/Didaktik des Chemieunterrichtes

Um einen Einblick in die Theorie der Vermittlung von Chemie-Wissen zu erhalten, dienen die folgenden Seiten.

5 Siehe auch

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Chemieunterricht aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Die Liste der Autoren findet sich in der Versionsgeschichte des hier vorliegenden Artikels.

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