Chemieunterricht

In dieser Auflistung werden zentrale Unterrichtsinhalte sowie die didaktisch-methodischen Schwerpunkte des Unterrichts deutlich. Die zunehmende Bedeutung physikalisch-mathematischer Grundkenntnisse und Grundfertigkeiten im Chemieunterricht soll bereits an dieser Stelle betont werden. Diese werden im Verlauf des Chemieunterrichts immer wichtiger – insbesondere in der Qualifikationsphase sind Kenntnisse aus den Nachbardisziplinen für eine erfolgreiche Vorbereitung auf Abitur und Studium enorm wichtig. Meine Erfahrung zeigt, dass Schüler, die über solide mathematische und physikalische Kenntnisse verfügen, im Chemieunterricht der Qualifikationsphase vielfach bessere mündliche und schriftliche Leistungen zeigen.

 

Der Beginn: Klasse 6

In der Klasse 6 lernen die Schülerinnen und Schüler das für sie neue Fach Chemie kennen. Ausgehend von Alltagserfahrungen erarbeiten die Schüler viele interessante Aspekte zu den Themenbereichen Feuer, Luft und Wasser. So untersuchen sie beispielsweise beim Thema Feuer unter welchen Bedingungen etwas brennt, wie sich ein Brand löschen lässt und wo man Verbrennungen im Alltag einsetzt (Heizung, Verbrennungsmotor). Beim Thema Luft wird die Luft als Gasgemisch genauer unter die Lupe genommen, indem auch die einzelnen Bestandteile untersucht und nachgewiesen werden. Die Bedeutung der Luft für die Verbrennung kann an dieser Stelle auf den Sauerstoff konkretisiert werden. Das Thema Umweltverschmutzung durch Luftschadstoffe bildet den Abschluss der Themenbereiche Luft und Feuer. Die Frage „Woher kommt eigentlich unser Wasser?“ bildet den Einstieg in das Thema Wasser. Der Wasserkreislauf, die Methoden der Wasserreinigung und die Eigenschaften des Wassers (Dichteanomalie, Löslichkeit) stehen im Mittelpunkt des Unterrichts. In diesem Zusammenhang lernen die Schüler bereits einfache Trennverfahren kennen. Diese werden in der Klassenstufe 7 wieder aufgenommen und erweitert.

Der Chemieunterricht in der Klasse 6 ist geprägt von der selbständigen Erarbeitung der Inhalte anhand von Schülerexperimenten. Nahezu jeder Fachinhalt wird ausgehend von einem Alltagsphänomen mithilfe geeigneter einfacher Experimente erarbeitet. Dabei steht das eigenständige Experimentieren der Schüler im Mittelpunkt.

Damit die Schüler diese Experimente selbständig durchführen können, werden sie vor dem Themenbereich Feuer mit den geltenden Sicherheitsbestimmungen und der Handhabung der Laborgeräte vertraut gemacht. Dies geschieht durch einen Laborführerschein, der, wie beim richtigen Führerschein, aus einer theoretischen und einer praktischen Prüfung besteht. 

 

Die Weiterführung: Klassen 7 und 8

Der eher auf eine Schulung chemischer Methoden ausgerichtete Unterricht in der Klasse 6 wird zunächst in ähnlicher Form in der Klasse 7 weitergeführt – diesmal jedoch unter der Leitlinie „Stoff“. Die Schüler lernen im Rahmen eines Experimentalpraktikums verschiedene Methoden zur Untersuchung von Soffen und deren Eigenschaften kennen. So werden Untersuchungen zur Dichte von Stoffen systematisiert und einfache Dichteberechnungen durchgeführt. Löslichkeit, Leitfähigkeit, magnetisches Verhalten werden ebenfalls thematisiert. Am Ende dieser Unterrichtseinheit verfügen die Schüler über ein Repertoir an Fachmethoden, mit denen sie unbekannte Stoffe identifizieren können. Eine praktische Prüfung, in der die Schüler drei sehr ähnlich aussehende Stoffe anhand selbst geplanter und durchgeführter Experimente identifizieren sollen, schließt diese Einheit ab.

Das Kugelteilchenmodell, die erste Vorstellung vom Aufbau der Stoffe aus kleinsten Teilchen (Atomen), leitet zum Themenbereich Mischen und Trennen über. Hier lernen die Schüler verschiedene Gemische und die zur Trennung nötigen Trennverfahren kennen. Auch hier steht die eigenständige Planung und Durchführung von Experimenten im Mittelpunkt. Die experimentelle Analyse eines Lebensmittels wie z. B. Cola, Gummibärchen, Schokolade oder Kinderwurst bilden den Höhepunkt dieser Unterrichtseinheit.

 

 

In verschiedenen Cola-Getränken wurden die Farbstoffe durch Katzenstreu gebunden (adsorbiert). Durch Filtration erhielt man eine helle gelbliche Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wurde entweder vorsichtig eingedampft, um den Zuckergehalt zu bestimmen, oder es wurde der Zuckergehalt qualitativ mit der Fehling-Probe untersucht. Untersuchungen zum pH-Wert wurden auch noch durchgeführt.  

 

Mit dem Themenbereich „chemische Reaktion“ rücken die Stoffveränderungen in den Blick der Schüler. Von der bislang eher physikalischen Betrachtungsweise gelangen die Schüler nun zur „eigentlichen Chemie“. Die Kennzeichen von chemischen Reaktionen werden wiederum in einem Experimentalpraktikum erarbeitet. Dem energetischen Aspekt chemischer Reaktionen wird ein besonderer Raum geboten, indem die Schüler bereits die bei chemischen Reaktionen frei werdende Energie in einem einfachen Experiment bestimmen. Auch die Bedeutung von Katalysatoren wird angesprochen und auf den Autokatalysator übertragen.

Die Behandlung der zentralen Begriffe Element und Verbindung leiten zur ersten Atomvorstellung nach Dalton über. In dieser Phase erfolgt der konkrete Übergang von der stofflichen Ebene auf die atomare Ebene. Über den sehr motivierenden Ölfleckversuch gelangen die Schüler zu einer einfachen Vorstellung atomarer Dimensionen. Die Massen von Atomen werden von zentraler Bedeutung für die Erklärung chemischer Grundgesetze. Am Ende der Klasse 7 lernen die Schüler den Weg zur chemischen Formel und die Formelsprache kennen. Erste stöchiometrische Berechnungen werden auf der Basis des Molbegriffs, dem „chemischen Dutzend“, durchgeführt. Diese wichtigen mathematischen Aspekte von Chemie werden in der Klasse 8 weitergeführt und an den Themen Metallgewinnung, Redoxreaktionen und Gase gefestigt. Die intensive Festigung der oft ungeliebten stöchiometrischen Berechnungen ist für den weiteren Erfolg im Chemieunterricht von enormer Bedeutung. Daher wird diesen Aspekten ein so großer Raum gegeben.   

 

Jetzt wird es ernst: Klassen 9 und 10

Die Ähnlichkeit einiger Elemente und deren Anordnung zu Elementfamilien leiten zur Ableitung des Periodensystems der Elemente über. Die Schüler untersuchen wiederum in einem Experimentalpraktikum verschiedene Eigenschaften der Alkali-, Erdalkalimetalle und der Halogene, um anschließend die Stoffe zu systematisieren. Formelsprache und stöchiometrische Berechnungen werden dabei konsequent wiederholt und gefestigt.

Schülerübungen zur Elektrolyse von Salzlösungen leiten zur Behandlung des Atombaus über. Die Schüler erkennen, dass man von Atomen Ladungen abspalten kann. Der Ionenbegriff wird eingeführt. Am Ende dieser Unterrichtseinheit steht das 1913 von Nils Bohr vorgestellte Schalenmodell. Dieses Modell wird von den Schülern auf das Periodensystem und die Ionenbildung (Salzbildung) angewandt und anschließend auf einfache Redoxreaktionen übertragen. In diesem Zusammenhang erfolgt die Erweiterung des Redoxbegriffs auf die Ebene der Elektronen sowie die Behandlung der Themen elektrochemische Energieträger (Batterien, Akkus) sowie Korrosion. Die zentralen Inhalte werden dabei wiederum in Experimentalpraktika erarbeitet.

Von den Metall-Nichtmetallverbindungen, den Salzen, führt der Weg hin zu den flüchtigen Stoffen, die aus Molekülen aufgebaut sind. Was diese Moleküle zusammenhält, welche räumliche Struktur sie zeigen und welche Eigenschaften sich aus der Molekülstruktur ableiten lassen, dass sind die zentralen Inhalte dieser Unterrichtseinheit. Angewandt werden diese Inhalte am Beispiel des Wassers. Die Dichte- und Siedetemperaturanomalien werden mit der räumlichen Struktur des Eisgitters und den bestehenden Wasserstoffbrückenbindungen in Beziehung gesetzt. Eine Betrachtung des Lösungsvorgangs auf molekularer Ebene schließt den Unterrichtsgang der Klassenstufe 9 ab.

 

Die Inhalte der Klasse 10 finden sich in der folgenden Tabelle:

 

Themenbereich:	Inhalt
Säuren und Laugen	·        Wo finden sich Säuren im Alltag? Wo werden sie eingesetzt? Die Schüler lernen wichtige alltägliche und technische Säuren und Laugen kennen. ·        Welche Eigenschaften haben Säuren und Laugen? In einem Experimentalpratikum untersuchen die Schüler die allgemeinen Eigenschaften von sauren und alkalischen Lösungen. ·        Durch welche Teilchen werden diese Eigenschaften hervorgerufen? Die Schüler lernen die Hydronium- und Hydroxid-Ionen kennen. ·        Säure-Base-Theorie nach Brönsted ·        Säuren und Laugen heben sich in ihrer Wirkung auf, sie neutralisieren sich ·        Kennen lernen des pH-Wertes als negativer dekadischer Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen. Die Berechnung von pH-Werten aus gegebenen Säurekonzentrationen bzw. von Säurekonzentrationen aus dem pH-Wert wird intensiv geübt, um eine gute Vorbereitung auf die Oberstufe zu gewährleisten. Grundsätzliche mathematische Kenntnisse zu Logarithmen sind aus dem Mathematikunterricht weitgehend bekannt, müssen jedoch häufig noch gefestigt werden. ·        Konzentrationsbestimmung von sauren Lösungen durch Titration. Die Schüler lernen das Verfahren der Titration kennen und bestimmen im Schülerexperiment den Säuregehalt einer sauren Lösung unbekannter Konzentration. Das Auswerten der Titration wird eingehend geübt.
Einführung in die organische Chemie am Beispiel der Kohlenwasserstoffe	·        Was sind organische Stoffe? Die Schüler lernen organische Stoffe als Kohlenwasserstoffverbingungen kennen. ·        Experimentalpraktikum: Qualitative Elementaranalyse in organischen Verbindungen. Die Schüler lernen die wichtigsten Nachweise für die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff in organischen Verbindungen kennen. Eine Nachweis von Halogenen erfolgt im Demonstrationsversuch. ·        Der Weg zur Formel einer organischen Verbindung. Am Beispiel der experimentellen Analysen von Erdgas (Methan) und Feuerzeuggas (Butan) lernen die Schüler, wie man aus experimentellen Daten die Molekülformeln von Methan und Butan bestimmt. Anhand von weiteren Anwendungsbeispielen werden die Rechenschritte intensiv gefestigt. ·        Molekülbau, Isomerie, homologe Reihe der Alkane: Ausgehend von den ermittelten Summenformeln lernen die Schüler die homologe Reihe der Alkane kennen. Mithilfe eine Molekülbaukastens entwickeln sie den räumlichen Bau der Moleküle und leiten anhand der verschiedenen Verknüpfungsmöglichkeiten der C-Atome Isomere ab. Anschließend werden die verschiedenen Moleküle entsprechend der Nomenklaturregeln benannt. ·        Eigenschaften der Alkane: In einem Experimentalpraktikum erarbeiten die Schüler typische Eigenschaften verschiedener Alkane wie Brennbarkeit, Viskosität, Siede- und Schmelztemperaturen und Löslichkeit und vergleichen diese miteinander. ·        Wo kommen Alkane her? In einer Internetrecherche und mithilfe von PC-gestützten Arbeitsblättern erarbeiten die Schüler die Entstehung von fossilen Brennstoffen, deren Gewinnung und Reinigung. Die mit der Nutzung fossiler Brennstoffe als Energieträger verbundenen Umweltprobleme werden thematisiert und diskutiert. ·        Alkene und Alkine– Kohlenwasserstoffe mit Mehrfachbindungen: Die während des Crackens entstehenden ungesättigten Verbindungen leiten zu der Frage über, was diese Moleküle zusammenhält und welche Eigenschaften sie haben. In Analogie zu den Alkanen leiten die Schüler Eigenschaften ab, die sie dann im Experiment überprüfen. Die Bedeutung von Ethen z. B. für die Bananenreifung wird als experimentelle Hausaufgabe durchgeführt.

 

Die Orientierungsphase: Klasse 11

Das Ziel der Klassenstufe 11 ist es, die Kenntnisse der Schüler so zu bündeln und zu erweitern, dass eine Orientierung auf die Qualifikationsphase möglich ist. Die Schüler, die in der Klasse 11 sind, besitzen unterschiedliche Eingangsvoraussetzungen. Daher besteht der erste Teilabschnitt aus einer integrierten Wiederholung zentraler Inhalte aus den Klassen 9 und 10. Ausgehend von einfachen organischen Kohlenwasserstoffen werden Bindungsverhältnisse, Molekülaufbau aber auch quantitative Berechnungen zur Analyse durchgeführt. Aus den Bindungsverhältnissen werden Stoffeigenschaften abgeleitet und systematisiert. Als neue Unterrichtsinhalte kommen zwei Reaktionsmechanismen hinzu, die in der Klasse 10 nicht thematisiert wurden. Die Schüler lernen die Mechanismen der radikalischen Substitution von Halogenen an Alkane sowie die elektrophile Addition von Halogenen an Alkene kennen. Die Behandlung von Reaktionsmechanismen ist für die Schüler völlig neu und erwartet ein gehöriges Maß an Vorstellung auf molekularer Ebene. Da dies allerdings eine sehr wichtige Voraussetzung für die Qualifikationsphase ist, ist diese Fähigkeit stark zu schulen. Ferner werden hierbei auch mathematisch-physikalische Inhalte betont. So berechnen die Schüler die Wellenlänge, und damit die Energie, die zur Spaltung eines Brom- oder Chlormoleküls für die radikalische Substitution nötig ist. Generell sollten sich Schüler in der Klasse 11 bewusst sein, dass in der Qualifikationsphase und auch in einem späteren Studium gute mathematisch-physikalische Grundlagen den Schlüssel zum Erfolg im Fach Chemie bilden.

 

Die weiteren Inhalte sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:   

Themenbereich:	Inhalt
Alkanole	·        Herstellung von Alkohol durch alkoholische Gärung. Die Schüler setzen verschiedene Obstweine aus Fruchtsäften an. ·        Der Weg zur Summenformel von Ethanol: Durch Auswertung der quantitativen Analyse von Ethanol ermitteln die Schüler die Summenformel von Ethanol und festigen so den Weg der Formelermittlung. ·        Von der Summenformel zur Strukturformel: Anhand eines Vergleichs des Reaktionsverhaltens von Natrium mir Wasser, Ethanol und Heptan gelangen die Schüler zur Hydroxylgruppe als funktionelle Gruppe der Alkanole. ·        Experimentalpraktikum: Eigenschaften und Verwendung von Alkanolen: In diesem Praktikum untersuchen die Schüler typische Stoffeigenschaften wie Löslichkeit, Siede- und Schmelztemperatur. Ferner lernen sie dabei die Isomerie und die Nomenklaturregeln für Alkanole kennen. ·        Alkanole als Sucht- und Rauschmittel
Oxidationsprodukte der Alkanole	·        Alkanole lassen sich oxidieren: In einem Schülerexperiment oxidieren die Schüler Propanol mit Kupferoxid und weisen den entstandenen Aldehyd nach. Die Suche nach der Struktur des Produkts führt zur Erarbeitung der Oxidationszahlen. Das Aufstellen der Oxidationszahlen wird eingehend gefestigt. ·        Stoffklasse der Alkanale (Aldehyde): Eigenschaften, Nomenklatur und Nachweise werden erarbeitet. ·        Experimentalpraktikum Oxidierbarkeit verschiedener Alkohole: Durch Oxidation von sekundäre Alkoholen gelangen die Schüler zur Stoffklasse der Alkanone, durch Oxidation von Alkanalen zu Carbonsäuren. ·        Stoffklasse der Alkanone (Ketone): s. o., zusätzlich erfolgt der Vergleich von Alkanonen und Alkanalen ·        Die Stoffklasse der Carbonsäuren wird tiefgreifender behandelt, da an ihr das Säure-Base-Konzept nach Brönsted wiederholt und erweitert wird. Die Schüler untersuchen die Eigenschaften von Essigsäure und Salzsäure und vergleichen diese. Dabei erkennen sie den Unterschied zwischen starken und schwachen Säuren. Durch Einführung des Protolysegrades kann eine quantitative Unterscheidung erfolgen. Der Vergleich des pH-Wertes verschiedener gleich konzentrierter Carbonsäuren führt zur genaueren Betrachtung der Molekülstruktur und zur Ableitung induktiver Effekte. Abschließend werden die Inhalte zur Methode der Säure-Base-Titration aus der Klasse 10 wiederholt, indem sie durch Experimente und deren Auswertung gefestigt werden.  ·        Veresterung – Duftstoffe – Arzneimittel: In einem Experimentalpraktikum stellen die Schüler verschiedene Fruchtaromen, Wintergrünöl (Demonstrationsversuch) und Aspirin durch Veresterung her. Die Eigenschaften der Ester und die Nomenklaturregeln werden ebenfalls erarbeitet. ·        Anwendung der Ester – Fette und Seifen: Die Schüler lernen den Aufbau von Fetten kennen, deren Eigenschaften und deren Bedeutung als Energieträger. Gelegentlich extrahieren die Schüler Fette aus verschiedenen Samen und Früchten (Nüsse, Oliven, Raps) nach der Soxhlett-Methode. Die Verseifung eines Fettes sowie die Erarbeitung der Eigenschaften von Seife erfolgt wiederum als Experimentalpraktikum.

 

Die Qualifikationsphase: Klassen 12 und 13

 

Folgende Inhalte sind in der Qualifikationsphase zu bearbeiten:

 

12.1 Physikalische Chemie I: Kinetik, Energetik, chemisches Gleichgewicht

·        Im Rahmen der Reaktionskinetik lernen die Schüler Methoden kennen, wie man den zeitlichen Verlauf chemischer Reaktionen messend verfolgen kann. Beispiele hierfür sind die Photometrie, die Titration, die Volumetrie und die Gravimetrie. Im Schülerexperiment nehmen die Schüler Messreihen auf und erstellen entsprechende Konzentrations-Zeit-Diagramme. Anhand der Diagramme werden Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeiten ermittelt und mit deren Hilfe Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme erstellt. Aus der Steigung der Geraden ermitteln die Schüler dann die Geschwindigkeitskonstante. Alternativ erfolgt dies direkt anhand eines ln c / t –Diagramms für Reaktionen erster Ordnung. Neben der grafischen Ableitung der Geschwindigkeitsgleichung wird diese auch mathematisch durch Integration hergeleitet. Normalerweise werden diese Verfahren nur für Reaktionen nullter, erster (pseudoerster) und zweiter Ordnung angewandt. Die Deutung des zeitlichen Verlaufs chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene erfolgt mithilfe der Stoßtheorie. In Leistungskursen wird zusätzlich die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante über die Arrhenius-Gleichung behandelt. Gute mathematisch-physikalische Grundkenntnisse und der sichere Umgang mit dem Ti-83 sind für den Unterricht sehr von Vorteil, da u. a. die Bestimmung von Momentangeschwindigkeiten zu bestimmten Zeitpunkten leicht mit dem Ti-83 durchgeführt werden kann, wenn man zuvor die der Kinetik zugrunde liegende Funktion bestimmt hat. 

 

·        Ausgehend von den Prinzipien des Energieflusses und der Energieumwandlung rücken energetische Aspekte von chemischen Reaktionen in den Blick der Schüler. Die Schüler erarbeiten im Schülerexperiment geeignete Methoden zur Bestimmung der bei chemischen Reaktionen frei werden den Wärmeenergie. Dabei messen sie in einem Experimentalpraktikum Lösungsenthalpien einiger Salze, Neutralisationsenthalpien und Reaktionsenthalpien bei Redoxreaktionen. Die erhaltenen Erkenntnisse münden in der Ableitung des Born-Haber-Kreisprozesses und dem Satz von Hess. Die Schüler üben die Bestimmung von Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien und aus Bindungsenthalpien. Im Leistungskurs werden neben der Enthalpie noch die Entropie und damit die Gibbs-Helmholtz-Gleichung erarbeitet. Berechnungen festigen und sichern die gewonnenen Erkenntnisse wiederum. Auf diese Weise sind die Schüler in der Lage, chemische Reaktionen auf energetischer Ebene vorherzusagen. Solide mathematische Kenntnisse sind auch hier wieder von Vorteil.

 

·        Das Phänomen der Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen leitet zum chemischen Gleichgewicht über. Der Zeitpunkt einer Reaktion, bei dem die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der der Rückreaktion ist, wird als Beginn des chemischen Gleichgewichts bezeichnet. Experimentell wird dies am Beispiel der Veresterung von Ameisensäureethylester bzw. der sauren Esterhydrolyse ermittelt. Auch am Beispiel der Untersuchung der Protolyse von Essigsäure kann die Gleichgewichtslage bestimmt werden. Der aus den Geschwindigkeitsgleichungen abgeleitete Term ist das Massenwirkungsgesetz von Guldberg und Waage (1867), die Konstante die Gleichgewichtskonstante K (kinetische Ableitung des Massenwirkungsgesetzes). Berechnungen zum Massenwirkungsgesetz wird ein großer Raum gegeben, da diese Berechungen in den Anwendungsthemen des Kurshalbjahres 12.2 wieder aufgegriffen werden. Auch hier sind fundierte mathematische Kenntnisse von Vorteil.

Die Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts durch Konzentrationsveränderungen, Druck und Temperatur (Le Chatelier) spielen ebenfalls eine große Rolle. Eine erste Anwendung finden diese Konzepte in der Ammoniaksynthese sowie in der technischen Herstellung von Schwefelsäure.

 

12.2 Physikalische Chemie II: Säuren und Basen, Elektrochemie und Komplexe

·        Ausgehend vom Säure-Base-Begriff nach Brönsted werden die allgemeinen Grundlangen dieses Konzepts wiederholt und erweitert. Das Phänomen der unterschiedlichen Säurestärke wird zusätzlich zum Protolysegrad durch Ableitung der Säurekonstanten K_s bzw. Basenkonstante K_B quantifiziert. Umfangreiche Berechnungen rund um pK_s- und  pH-Wert festigen die Inhalte. Dabei wird nach starken, mittelstarken und schwachen Säuren bzw. Base differenziert. Mathematische Kenntnisse im Umgang mit quadratischen Gleichungen sind Vorbedingung für das hinreichende Verständnis. Die Methode der Titration wird aus der Klassenstufe 10 wieder aufgenommen und erweitert. In einem Experimentalpraktikum erstellen die Schüler Titrationskurven von starken und schwachen Säuren  bzw. Basen und leiten daran die Kernunterschiede ab. Da das Gymnasium Damme über einige pH-Meter verfügt, die die Messwerte direkt an die XLS-Mess-Software überträgt, kann die Auswertung über einen Laptop erfolgen. Eine Darstellung der Titrationskurve überden Ti-83 ist ebenfalls möglich. Die Bedeutung von Indikatoren sowie die von Puffersystemen werden in diesem Zusammenhang erarbeitet. Berechnungen mithilfe der Puffergleichung dienen zur Festigung des Gelernten. Den Abschluss des Themenkreises bildet eine praktische Prüfung zur Titration, in der die Schüler die Konzentration sowie die Art der Säure bzw. Base durch Bestimmung des pK_S-Wertes bestimmen. Hier wird der Methodenschulung ein besonderer Raum gegeben.

 

·        Das Thema Elektrochemie verdeutlicht an einem zweiten Thema das Donator-Akzeptor-Prinzip, diesmal nicht auf der Ebene der Protonen, sondern auf der Ebene der Elektronen. Ausgehend vom erweiterten Redoxbegriff werden a verschiedenen Beispielen das Aufstellen von Redoxgleichungen sowie die Bestimmung der Oxidationszahlen eingeübt. Die dazu durchzuführenden Versuche erfolgen meist im Rahmen von Schülerexperimenten an dem Oxidationsmittel Kaliumpermanganat mit verschiedenen Reduktionsmitteln bei unterschiedlichen pH-Werten. Giftige Chromate finden keine praktische, wohl aber eine theoretische Anwendung. In einem Experimentalpraktikum führen die Schüler Redoxtitrationen durch, wie z. B. die Bestimmung von Vitamin C in Zitronensaft, die Bestimmung von Sulfit im Wein (Iodometrie (Rücktitration)) oder die Bestimmung von Wasserstoffperoxid in Haarbleichmitteln durch. Das Experimentalpraktikum Zementationsreaktionen führt zur Ableitung der Redoxreihe der Metalle, die durch anschließende Potenzialmessung zur Spannungsreihe unter Einbeziehung der Normalwasserstoffelektrode als Bezugspunkt führt. Enthalpieberechnungen verknüpfen an dieser Stelle energetische Aspekte mit konkreten Redoxreaktionen. Praktische Anwendungen wie beispielsweise das Ätzen von Platinen oder die Reinigung von Silber ergänzen die erarbeiteten Inhalte. Die Behandlung der Nernst-Gleichung stellt einen zentralen Aspekt der Elektrochemie dar. An verschiedenen Beispielen wird teils im Schülerexperiment die Nernst-Gleichung aus experimentellen Daten abgeleitet sowie die pH- und Temperaturabhängigkeit der Redoxpotentiale bestimmt. Umfangreiche Berechnungsübungen zu Konzentrationszellen und zum Löslichkeitsprodukt festigen die Inhalte. Energetische Aspekte und Bezüge zum chemischen Gleichgewicht werden immer wieder aufgezeigt und trainiert. Schülerexperimente zur Korrosion und zu elektrochemischen Energiespeichern schließen sich an, um die erarbeiteten Inhalte auf den Alltag anzuwenden und zu festigen.

Die Umkehrung der galvanischen Zellen führt zur Elektrolyse. Wiederum in einem Experimentalpraktikum werden die grundlegenden Inhalte Zersetzungsspannung, Überspannung und Abscheidungspotentiale selbständig erarbeitet. Die Faraday-Gesetze werden ebenfalls experimentell abgeleitet. Verschiedene Anwendungsbeispiele wie das Galvanikpraktikum und die Gewinnung von Kupfer, Aluminium und Chlor schließen sich als Festigungselement an.

 

·        Das Phänomen des Kristallwassers beim blauen Kupfersulfat und beim „Blaugel“ leitet zur Behandlung der Koordinationsverbindungen über. Untersuchungen zur Herstellung von Amminkomplexen und zur Stabilität von Silberkomplexen und zu Ligandenaustauschreaktionen schließen sich an, bevor die theoretische Behandlung der Komplexgleichgewichte und die Ableitung der Stabilitätskonstenten erfolgt. Letztere wird experimentell am Beispiel des Silberdithiocyanato-Komplexes elektrochemisch bestimmt. Chelatkomplexe werden im Experiment durch komplexometrische Titration von Eisen-Ionen mit EDTA-Lösung thematisiert. Im Anschluss daran werden die Bindungsverhältnisse in Komplexen mit dem Valenzbindungsmodell von Pauling erklärt.

 

13.1 Organische Chemie I: Stoffklassen und deren Reaktionsmechanismen

·        Zunächst erfolgt die intensive Wiederholung der bisher kennen gelernten Stoffklassen der organischen Chemie. Die Nomenklaturregeln sowie die zentralen Eigenschaften werden anhand der Molekülstruktur erläutert, wodurch die Herstellung des  Struktur-Eigenschaftsbezug von den Schülern geübt wird. Verschiedene Isomeriearten werden ebenfalls thematisiert und mithilfe von Molekülbaukästen veranschaulicht. In diesem Zusammenhang werden auch verschiedene Trennverfahren wie die Dünnschicht-, Säulen- und Gaschromatographie angesprochen und teilweise im Experiment nachempfunden. Grundlagen der IR- und NMR-Spektroskopie und deren Bedeutung für die Strukturaufklärung fließen in den Unterricht mit ein.

Vor der Behandlung der eigentlichen Reaktionsmechanismen erfolgt die Behandlung des Atombaus. Dabei wird das Bohr-Sommerfeld-Modell aus der Klasse 9 um die Quantenzahlen, die Hundsche Regel und das Pauli-Prizip erweitert. Im Anschluss daran erfolgt unter Einbeziehung der Heisenbergschen Unschärferelation die Erarbeitung eines didaktisch reduzierten wellenmechanischen Atommodells und die Übertragung auf die Bindungsverhältnisse in Molekülen mithilfe des Valenzbindungsmodells nach Pauling.

Folgende Reaktionsmechanismen werden im Detail behandelt: nucleophile Substitution (S_N1 / S_N2), Eliminierungen (E1 / E 2) als konkurrenz, elektrophile Addition an Alkene und Diene, nucleophile Addition an Carbonylgruppen, säurekatalysierte Veresterung und deren Umkehrung (saure Hydrolyse) sowie die alkalische Verseifung. Einen Schwerpunkt bilden die aromatischen Verbindungen. Deren Bindungsverhältnisse und Reaktionsverhalten werden tiefgreifend behandelt. Querbeziehungen zur Säure-Base-Reaktionen und zum Redoxverhalten werden aufgezeigt, wodurch die Verknüpfung von organischer und anorganischer Chemie deutlich wird.

Verschiedene Mechanismen der elektrophilen Substitution wie Halogenierung, Nitrierung, Sulfonierung und Friedel-Crafts-Reaktionen werden, wie auch die Einflüsse von Erstsubstituenten auf die Zweitsubstitution, ausgehend vom Experiment abgeleitet. Alltagsbezüge zur Verwendung von Aromaten z. B. als Arzneimittel, Konservierungsstoff, Sprengstoff oder Kunststoffe werden hergestellt.  

 

13.2 Organische Chemie II: Angewandte organische Chemie   

·        Das letzte Kurshalbjahr steht ganz im Zeichen der Verknüpfung und Anwendung der gelernten Inhalte als Vorbereitung auf die Abiturprüfung. Als mögliche Themen stehen dabei zur Auswahl: Kunststoffe, Farbstoffe oder Naturstoffe. Je nach Schwerpunktsetzung im Zentralabitur können eines oder zwei Themen bearbeitet werden. Allerdings ist die Farbstoffchemie bestens für eine Verknüpfung der Inhalte geeignet, da dort sowohl Inhalte der Farbstoffchemie, der Säure-Base-Chemie und der Elektrochemie wiederholt werden können. Neben den verschiedenen Ursachen von Farbigkeit werden Bindungsmodelle vermittelt und wiederholt, die die Farbigkeit erklären. Eine didaktisch reduzierte Molekülorbital-Theorie spielt mit ihren HOMO-LUMO-Wechselwirkungen eine zentrale Rolle. Für die im Experimentalpraktikum hergestellten Farbstoffe werden die Synthesewege formuliert, wodurch u. a. der Mechanismus der elektrophilen Substitution an Aromaten gefestigt werden kann. Auch die photometrische Untersuchung der hergestellten Farbstoffe dient dazu, grundlegende chemische Methoden zu wiederholen. Verschiedene Schülerexperimente zu den Färbeverfahren runden das Thema ab.