Doppelstunde I Geschichte der Chemie Modelle im Chemieunterreicht Fehlkonzepte Anfängertutorium ao. Prof. Dr. Hans Flandorfer

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1 Doppelstunde I Geschichte der Chemie Modelle im Chemieunterreicht Fehlkonzepte Anfängertutorium ao. Prof. Dr. Hans Flandorfer

2 Geschichte der Chemie Anfängertutorium Dr. Hans Flandorfer

3 Chemie im Altertum Die Wurzeln der Chemie z.b. Metallurgie, Färberei, Brauerei, Arzneien Metallurgie: Erschmelzen von Kupfer und Eisen aus den Erzen Basiert auf rein experimenteller Erfahrung, keine Theorie! Chemie im Mittelalter Tradition der Alchemie arabischer Gelehrter auf Basis der antiken Lehre wird in Europa übernommen (ca. 12 Jh.) Gewisser theoretischer Unterbau, der heute esoterisch anmutet, aber damals im Kontext mit gängiger Weltsicht war. Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

4 Alchemie in Europa 1085 schrieb Gerhard von Cremona in Toledo das erste Chemiebuch Europas: Das Buch der Alaune und Salze Roger Bacon ( ) führte das Experiment als wichtigste Arbeitsmethode der Alchimisten ein ( Sine experimentil nihil sufficienter sciri potest : Ohne Experimente kann nichts ausreichend gewusst werden) Albertus Magnus isolierte im 14 Jh. als erster das Element Arsen Auffinden des Steines der Weisen und des Lebenselixiers. Triebfeder dafür war der Glaube, dass man damit Blei in Gold verwandeln bzw. den Tod überwinden könne Doch auch diese vorwissenschaftliche Methode trachtete danach, wie die Chemie heute, bestimmte Aspekte der Welt zu erklären. Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

5 Theorien zur Verbrennung Chemie in der Neuzeit Phlogistiontheorie von J.J. Becher und G.E. Stahl: Phlogiston ist masseloser Bestandteil der Materie. Es entweicht bei Verbrennungsprozessen und wird von der Umgebung aufgenommen verbrannte Materie verschwindet oder wird weniger. Erklärte viele Phänomene der Verbrennung, war zu seiner Zeit weitgehend akzeptiert und war erste systematische Theorie chemischer Prozesse. Gewichtszunahme durch Bildung fester Oxide bei der Verbrennung negative Masse des Phlogistons zunehmende Widersprüche, aufkeimende Gegnerschaft! Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

6 Quantifizierung chemischer Reaktionen A.L. Lavoisier ( ) Bedeutendster Naturforscher auf dem Weg der Chemie zur exakten Wissenschaft! Untersuchung von Gasreaktionen, Gasvolumetrie und Gravimetrie Erkannte, dass Materie bei der Verbrennung grundsätzlich an Masse zunimmt Widerlegung der Phlogistontheorie Postuliert die Massenerhaltung Entdeckt gemeinsam mit J. Priestly den Sauerstoff Prägt den Begriff der Oxidation Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

7 Chemisch-technische Leistungen Im 19 Jh. beginnt die chemische Industrie enorm zu wachsen. Grundlage waren entscheidende Entdeckungen. 1828, Wöhler vereint Chemie zu einer Wissenschaft um 1840, Liebig Düngemittel gegen Hungersnöte um 1860, Graebe, Liebermann, Bayer Farbchemie 1910, Haber und Bosch Ammoniaksynthese aus Luftstickstoff etc.. Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

8 Teilchenkonzept Grundlegendstes Konzept der Chemie: Nicht kontinuierliche Massen sondern diskrete Einheiten reagieren miteinander! Atome, Moleküle, Ionen im physikalischen Sinne waren noch lange unbekannt! Entdeckung des Atoms und seines Aufbaues um 1900! 1772, Lavoisier Gesetz der Masseerhaltung 1794, Proust Gesetz der konstanten Proportionen 1794, Berzelius Formelschreibweise 1803, Dalton Gesetz der multiplen Proportionen 1808, Dalton Grundlage moderner Atomtheorien 1869, Mendelejew, Meyer Periodensystem Geschichte der Chemie H. Flandorfer Anfängertutorium

9 Modelle im Chemieunterricht Anfängertutorium ao. Prof. Dr. Hans Flandorfer

10 Modelle in der Chemie Theorie Modell Beobachtung Der Chemieunterreicht erfordert den ständigen Wechsel zwischen diesen Ebenen! Modelle im Chemieunterricht H. Flandorfer Anfängertutorium

11 Abbildungsmerkmal Merkmale von Modellen x, y x, y Maßstab: x/x ; y/y Verkürzungsmerkmal e 0 Subjektivierungsmerkmal 0 e Modelle im Chemieunterricht H. Flandorfer Anfängertutorium

12 Entwicklungsprozess nicht sichtbar Denkmodell (abstrakt) Original (Realität) sichtbar Anschauungsmodell (Reales Modell) Lernprozess Wichtig: Anschauungsmodell steht nur in Bezug auf sichtbare Eigenschaften des Originals in direkter Beziehung zur Realität!!! Modelle im Chemieunterricht H. Flandorfer Anfängertutorium

13 Denkmodelle Die Alchemie hatte im wesentlichen rein beobachtenden und beschreibenden Charakter. Erst mit der Einführung abstrakter Denkmodelle entstand die Wissenschaft der Chemie Denkmodelle sind das Grundwesen der Chemie Die chemische Formelsprache ist nichts anderes als ein Denkmodell, das mit Symbolen und Zeichen dargestellt wird. Teilchenmodelle wie z.b. Struktur-, Bindungs- und Reaktionsmodelle sind abstrakte Denkmodelle, die auf verschiedenste Weise in Anschauungsmodelle überführt werden können, aber keinen direkten Bezug zur Beobachtung aufweisen Modelle im Chemieunterricht H. Flandorfer Anfängertutorium

14 Anschauungsmodelle Kristallgittermodell statisch Abbildungen, Formeln körperlich Modelle bildlich dynamische Molekülmodelle funktional Computersimulation und -animation Modelle im Chemieunterricht H. Flandorfer Anfängertutorium

15 Fehlkonzepte Anfängertutorium Dr. Hans Flandorfer

16 Naives Weltbild Fehlkonzepte Vorkonzepte Kognitiver Konflikt Wissenschaftliches Weltbild Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

17 Quellen von Fehlkonzepten Erfahrung Umgebung Vorbildung Fehlkonzepte Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

18 Fehlkonzepte in der Chemie Problem individuell funktionierende Konzepte, die viele Jahre erfolgreich angewendet wurden und deshalb nicht ohne weiteres verschwinden. Chance über kognitiven Konflikt kann der Bedarf eines neuen Konzeptes erfahren und dieses wirkungsvoll aufgenommen werden. Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

19 Die Teilchennatur der Materie Fehlkonzepte zu den vier grundlegenden Postulaten der Teilchennatur der Materie: Materie besteht aus Teilchen, d.h. aus diskreten Bereichen! Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung! Der Raum zwischen den Teilchen ist leer! Bindungen bzw. Kräfte existieren zwischen den Teilchen! Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

20 Materie besteht aus Teilchen Teilchen sind nicht sichtbar, Materie erscheint makroskopisch kontinuierlich und wird daher auch so betrachtet. Für ein rein funktionales Verstehen der Umwelt ist keine Teilchentheorie erforderlich. Verschiedene Konzepte für verschiedene Situationen reichen aus. Es gibt viele Zwischenstufen bzw. Teilchenkonzepte auf niedrigem Niveau. Bsp.: Teilchen selbst wird Eigenschaft zugeordnet und nicht deren Wechselwirkung Teilchen bewegen sich ständig Wird als Faktum gerne akzeptiert aber nicht verinnerlicht. Bsp.: Gasteilchen sammeln sich am Boden eines Gefäßes. Aber auch jene, die wissen, dass die Teilchen zufällig verteilt sind, führen dies auf abstoßende Kräfte, nicht auf die Bewegung zurück. Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

21 Der Raum zwischen den Teilchen ist leer Die Vorstellung, das der Raum zwischen den Teilchen, z.b. eines Gases oder Kristalles, leer ist, bereitet große Schwierigkeiten. Auf die Frage, was in den Zwischenräumen ist, kommen am häufigsten Antworten wie Luft, Gas, Dampf, etc.. Manchmal wird auch einfach völlige Raumerfüllung angenommen bzw. die Zwischenräume einfach nicht bedacht. Bsp.: Der relative Anteil des Freiraumes in einem Gas wird häufig grob unterschätzt. Bindungen bzw. Kräfte zwischen den Teilchen Wird im Prinzip akzeptiert, da solche Phänomene auch in der makroskopischen Welt vorkommen (z.b. Magnetismus, Elektrostatik). Wird aber auch zu sehr in diesem Lichte gesehen und fallweise überschätzt (z.b. bei Gasen) oder unterschätzt (z.b. bei Festkörpern). Fehlkonzepte H. Flandorfer Anfängertutorium

22 Fachdidaktikzentrum der Fakultät t für f r Chemie