Ausbildungsbild: Chemie (2nd draft) Die Naturwissenschaft Chemie beschäftigt sich mit der belebten und der unbelebten Materie, insbesondere mit dem Aufbau und den Eigenschaften der Stoffe und Stoffklassen, mit den Stoffumwandlungen und den damit verbundenen Energieänderungen. Besonders im letzten Jahrhundert wurde eine Reihe von neuen Stoffen entwickelt, welche in enger Korrelation mit dem technischen Fortschritt stehen: neue Materialien erlauben neue technische Anwendungen und umgekehrt. Auf Grund der so entstandenen Vielfalt und Wichtigkeit von Stoffen muss die Chemie heute als Basis der modernen Industrie und Gesellschaft angesehen werden. Gerade heute sind chemische gefragt, wo es doch gilt den Einbahnweg vom Rohstoff (aus der Umwelt) durch Wiederverwertung zu einem Kreislauf umzufunktionieren, in dem unsere Welt zu einem grossen Teil unbelastet bleibt. Der Chemieunterricht soll die Bedeutung und Verantwortung der Naturwissenschaft Chemie und ihre Anwendung für die Erhaltung unserer Lebensgrundlagen zeigen. Neben den historischen und bedeutsamen Errungenschaften soll er ebenfalls auf die problematischen Begleiterscheinungen der Technik hinweisen: z.b. Rohstoff- und Energiebeschaffung, Energieverwertung, Abfallstoffe und daraus entstehende Umweltbelastung, usw. Er soll durch Einbeziehen anwendungstechnischer, ökologischer, wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Aspekte die Wechselwirkung zwischen Chemie, Technik, Umwelt und privater Lebenswelt verdeutlichen. So erzieht der Chemieunterricht zum verantwortungsbewussten Handeln und fördert die Persönlichkeitsentwicklung. Der Unterricht soll sich an der Erfahrungswelt der Schüler orientieren. Das Interesse an Vorkommen, Bedeutung und Reaktionsverhalten verschiedener Stoffe und Stoffgruppen in Natur, Alltag und Technik soll durch fachspezifische Fragestellung gefördert werden. Dabei steht unentbehrlich, besonders in den ersten Jahren, das Experiment im Mittelpunkt. Genaues Beobachten und klares Beschreiben mit Hilfe chemischer Begriffe sowie der chemischen Fachsprache werden dabei gefördert. Durch fachgerechtes Analysieren und Deuten der Ergebnisse lernt der Schüler Schlussfolgerungen zu ziehen und Naturgesetze zu formulieren. Zur Erklärung der Umwandlungen der Stoffe und deren Aufbau auf der Ebene der submikroskopischen Teilchen werden Modellvorstellungen entwickelt, welche das Abstraktionsvermögen und das formale Denken des Schülers fördern. Laborübungen bringen den Schüler in unmittelbaren Kontakt mit Stoffen. Durch selbständiges Experimentieren (unter Anleitung des Lehrers) sollen die Freude am naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinn vermittelt und die manuelle Geschicklichkeit des Schülers gesteigert werden. Der Schüler lernt selbständig mit Laboranleitungen umzugehen, Wesentliches von Unwesentlichem zu unterscheiden sowie systematisches Vorgehen, welches einen arbeitserleichternden Effekt nach sich zieht. Ausserdem werden Teamwork, sicherheitsgerechtes und umweltbewusstes Handeln sowie Verant-wortungsbewusstsein gefördert. Die Chemie hilft dem Schüler ein naturwissenschaftliches Verständnis der Welt aufzubauen. Die Zusammenarbeit mit anderen naturwissenschaftlichen und gesellschaftswissenschaftlichen Fächern ist bei der Diskussion von aktuellen Problemen und Fragen (u.a. Energieversorgung, Wasser-, Boden-, Luftverschmutzung, Müllvermeidung, usw.) anzutreiben. Ausserdem trägt der Chemieunterricht zur Pflege der deutschen Sprache bei. Ausbildungsziel: von Stoffeigenschaften 1
Erläuterung: da der Aufbau, die Eigenschaften und die Umwandlung von Stoffen die eigentlichen Aufgabengebiete der Chemie darstellen, sollte dieses Ziel im Verlauf der Ausbildung immer wieder auftauchen, mit steigender Anforderung und Komplexität. Außerdem bietet sich dieses Kapitel in besonderem Maße zu Praktikumsaufgaben in Gruppenarbeit an (Gruppenarbeit wurde in den Studenten- und Dozentenumfragen ebenfalls als eine sehr wichtige Arbeitsmethode identifiziert). e - Beschreibung und Einteilung von Stoffen - Trennungsmethoden - Synthese / Analyse Stammbaum zur Einteilung der Stoffe Trennungsmethoden von Gemischen Analyse und Synthese von Verbindungen: Reaktionsgleichungen aufstellen und ausgleichen Monographien zur Auswahl: einige Metalle und Nichtmetalle, Oxide, Säuren, Basen, Carbonate usw. Gemische zur Auswahl: Wasser, Luft, Erde, Gestein, Düngemittel, Baustoffe usw. neue Materialien (z.b. aus der Bauchemie) in Industrie, Haushalt und Technik verwendete Chemikalien Kristalle physikalische Eigenschaften von Stoffen beschreiben methodische Einteilung der Stoffe Stoffe in heterogene / homogene Gemische, Verbindungen bzw. Elemente nach ihren Eigenschaften einteilen. geeignete Trennmethoden für Gemische erkennen Stoffeigenschaften in Büchern / Rechnern nachschlagen Wasser, Luft: Biologie (obwohl, oder gerade weil Biologie kein eigenständiges Fach auf technique générale darstellt, sollten verstärkt Querverbindungen zu diesem Fach hergestellt werden) Recherche von physikalischen Eigenschaften und Konstanten: Physik Beispiele im Anhang Ausbildungsziel: Modelldenken und Symbolsprache Erläuterung: die über Stoffeigenschaften beruhen auf ihrem Aufbau. Um den Aufbau von Stoffen den Schülern näherzubringen benutzt man in den Wissenschaften oftmals Modelle und Symbole. Somit ist auch dieses Ausbildungsziel von wesentlicher Bedeutung. Teilchenmodell Periodensystem der Elemente (PSE) Aggregatzustände im Teilchenmodell der Materie Stoffeinteilung im Teilchenmodell der Materie wichtigste Namen und Symbole von Elementen Umgehen mit dem Periodensystem der Elemente (PSE) wichtigste Atomgruppen Erklärung makroskopischer Beobachtungen anhand des Teilchenmodells Benutzen des PSE zum Wiederfinden von Namen, Symbolen, Wertigkeiten und weiteren Eigenschaften von Elementen 2
Modelldenken, Abstraktionsvermögen: verstehen, daß alle makroskopischen Eigenschaften von Stoffen auf ihren mikroskopischen Aufbau zurückzuführen sind. Recherche anhand präziser Unterlagen (PSE) Das Zustandekommen unterschiedlicher Stoffeigenschaften kann dem Schüler durch Modelle nähergebracht werden. Hier kann man sich auch die natürliche Neugier der Schüler zunutze machen um die Notwendigkeit von Modellen und Symbolsprache erkennen zu lassen Beispiele im Anhang (kommen nach) Ausbildungsziel: Atombau, Elektronenkonfiguration Erläuterung: obwohl dieses Ausbildungsziel in der Umfrage nicht explizit als sehr wichtig empfunden wurde, erscheint es dennoch unerlässlich, um notwendige über Stoffeigenschaften zu verstehen. - Bohr-Modell - Orbitalmodell Einführung in das Bohr-Modell für Atome durch das Experiment von Rutherford Schalenmodell der Atomhülle Isotope Atomare Masseneinheit, Atommasse, Molekülmasse Einführung in das Orbitalmodell für Atome durch das Welle-Teilchen Dualismus Aufgaben bezüglich Atom- und Molekülmassen lösen eine Vorstellung des Größen- und Massenverhältnissses zwischen Atom und sichtbarer Materie erlangen erkennen, daß ein mathematisches Modell (Orbitalmodell) konkrete naturwissenschaftliche Anwendung finden kann die geschichtliche Entwicklung des Atommodells kann als Beispiel für die Evolution einer Wissenschaft behandelt werden. Hierbei erkennt der Schüler klar die steigende Komlexität der Modelle durch die Entwicklung neuer Methoden um die Materie zu erforschen Arbeiten mit Molekülbaukasten, z.t. eigenständig in der Physik wird das Bohrsche Modell ebenfalls behandelt Radioaktivität in Technologie und Physik Ausbildungsziel: Atombindung, Ionenbindung Erläuterung: dieses Ausbildungsziel kann als logische Folge der vorherigen Kapitel angesehen werden. Kennt man den Aufbau von Atomen und Stoffen, stellt sich die Frage, wie Stoffe entstehen und was sie zusammenhält. 3
Bindungsverhältnisse in Stoffen Oktettregel Bindungen in Molekülen Dipol und van der Waals Kräfte zwischen Molekülen Ionenbindungen und Salze Bildung und Elektrolyse von Salzen Aufstellen und Benennen von chemischen Formeln Bestimmung der Bindungsart Zusammenhang Stoffaufbau / Energie erkennen Eigenschaften eines Stoffs aus der Bindungsart ableiten Wichtigkeit des Modells erkennen Bedeutung von Salzen (Mineralien, Dünger, chemische Rohstoffe) Ausbildungsziel: Redox-Reaktionen Erläuterung: die Redox-Reaktionen stellen eine der wichtigsten Reaktionsarten in der Chemie und im Alltag dar. - Oxidation und Reduktion - Korrosion einfache Redoxreaktionsgleichungen aufstellen und ausgleichen (Oxidationszahl) Eigenschaften der Luft und des Sauerstoffs wichtige Oxidationsmittel und Anwendungen wichtige Reduktionsmittel und Anwendungen Aufstellen einfacher Redoxgleichungen (mit Hilfe der Oxidationszahlen) Stöchiometrische Aufgabenbeispiele lösen Reaktionen beobachten, beschreiben, im Modell darstellen und in Symbolsprache verfassen können Gewinnung und Eigenschaften von Metallen auch im Fach Technologie Ausbildungsziel: : Säure-Base Reaktionen 4
Erläuterung: als zweite wichtige Reaktionsart in der Chemie muss auch dieses Gebiet ausführlich behandelt werden, obwohl es im Studium von den Dozenten nicht als unabdingbar eingestuft wird (im Studentenfragebogen fehlte eine diesbezügliche Frage). Im klassischen luxemburgischen Gymnasium stellt dieses Ausbildungsziel eines der Hauptthemen im Abschlußexamen dar. Bildung, Aufbau und wichtigste Eigenschaften von gebräuchlichen Säuren und Basen Indikatoren und ph-messung Wichtigkeit des ph in lebendigem Gewebe, bei natürlichen und technischen Vorgängen Berechnung des ph-werts vorgeführte und selbständig durchgeführte Experimente in chemischer Symbolsprache verfassen. Durch konkrete Rechenbeispiele Anwendungen der Symbolsprache erkennen Arbeiten mit Tabellen (Säurekonstanten) fachübergreifende Möglichkeiten (Biologie): ph Werte und ihre Bedeutung in physiologischen Flüssigkeiten, Getränken oder Böden Einführung des Logarithmus in Mathematik Ausbildungsziel: Elektrochemie Erläuterung: aufbauend auf die über den Atomaufbau und die Redox-Reaktionen stellt die Elektrochemie besonders für angehende Elektrotechniker ein wichtiges Ausbildungsziel dar. Aber auch die vielen Anwendungen in der Technik erlauben es, dieses Kapitel besonders interessant und motivierend zu gestalten Elektrolyse und galvanische Elemente Herstellen und Funktionsweise von Batterien und Akkumulatoren Brennstoffzelle elektrochemische Korrosion und Korrosionsschutz Redoxgleichungen mit Atomen, Ionen und Elektronen aufstellen vertieftes Verständnis über Atome, Ionen und Elektronen erlangen und anwenden Arbeiten mit Tabellen (Redoxreihe) Brennstoffzelle, Batterien und Akkumulatoren (Technologie) Ausbildungsziel: Energetik 5
Alle chemischen Reaktionen sind mit Energieaustausch verbunden. Der Schüler erkennt durch dieses Ausbildungsziel, daß die Energie immer die treibende oder hemmende Kraft bei einer chemischen Umsetzung ist. - Endotherme, exotherme Vorgänge - Aktivierungsenergie - Energieprobleme Enthalpie, freie Enthalpie, Entropie Katalysatoren Energiequellen (Brennstoffzelle bereits bei Elektrochemie gesehen) Rechenaufgaben bezüglich Energieumsatz bei Reaktionen lösen (Satz von Hess) erkennen, daß bei jeder Umsetzung der Energieaustausch von wesentlicher Bedeutung ist fachübergreifende Möglichkeiten (Biologie): Enzyme bzw. Hefezellen sind Katalysatoren über den Atomaufbau helfen zum Verständnis der Radioaktivität (Technologie, Mechanik?) Ausbildungsziel: Reaktionskinetik und chemisches Gleichgewicht auch an die deutschen Programme im Gymnasium anpassen Reaktionsgeschwindigkeit Reaktionen im Gleichgewicht Bestimmung und Einflüsse auf die Geschwindigkeit einer Reaktion Umkehrbare Reaktionen chemische Reaktion im Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Prinzip von le Chatelier Bestimmung der Ordnung einer Reaktion Folge von Konzentrations-, Druck- oder Temperaturänderungen auf das Gleichgewicht bestimmen Möglichkeiten der Einflußnahme auf chemische Reaktionen erkennen und voraussagen Ausbildungsziel: Organische Chemie an die deutschen Programme im Gymnasium anpassen 6
Erdöl Aromatische und nichtaromatische Kohlenwasserstoffe der natürliche Kohlenstoff-Kreislauf Gewinnung fossiler Brennstoffe Alkane: homologe Reihe, Nomenklatur, physikalische und chemische Eigenschaften Alkene, Alkine: homologe Reihe, Nomenklatur, physikalische und chemische Eigenschaften Benzol und aromatische Kohlenwasserstoffe: Nomenklatur, physikalische und chemische Eigenschaften Probleme und Gefahren im Umgang und mit Kohlenwasserstoffen Nomenklatur organischer Verbindungen aus dem Aufbau eines Moleküls auf seine Eigenschaften schließen über das Verständnis des Kohlenstoff-Kreislaufs die damit verbundenen Umweltprobleme erkennen Halogenkohlenwasserstoffe, Alkanole, Alkanale, Ketone, Carbonsäuren, Ester Kunststoffe usw. Ausbildungsziel: Masse, Volumen und Konzentrationsberechnungen Dieses Ausbildungsziel sollte als Anwendung über die gesamte Ausbildungszeit regelmäßig auftauchen. 7
Stoffmengeneinheit Mol molare Masse, molares Volumen Stöchiometrische Rechenaufgaben lösen Ausbildungsziel: Experimente und Laborbeobachtungen beschreiben und deuten - analysieren, deuten, schlußfolgern - Naturgesetze formulieren Teamwork, Sicherheit, Umweltgerecht Gruppenkooperation, Themen selbständig aufarbeiten, Zeiteinteilung, nachsuchen in der Bibliothek, aktive Mitarbeit Ausbildungsziel: Treibstoffe, Öle, Lösungsmittel 8
Ausbildungsziel: Umweltchemie und Recycling XX (evtl. kurzer Text zur Erläuterung) Ursachen, Probleme und Bekämpfung der Luftverschmutzung z.b. Einsatz des Autokatalysators aufbauend auf das Kapitel Energetik und im Fach Technologie Post Scriptum : da der Fragebogen an die Studenten für das Fach Chemie noch unvollständig war und nur unzureichende Antworten auf die Dozentenfragebögen erfolgten, mußten die Ausbildungsziele zu einem großen Teil aus dem bestehenden Rahmenlehrplan entnommen werden. Es wurde auch mit ausländischen Lehrplänen verglichen. Anhang Aufgabenbeispiele 1. von Stoffeigenschaften Aufgabe 10ème: Stelle eine Anzahl von Gegenständen aus dem Raum in dem du dich befindest zusammen. Versuche sie so genau wie möglich zu beschreiben und im Stammbaum der Stoffeinteilung einzuordnen. Aufgabe 11ème: Beschreibe den chemischen Aufbau von Glas und einige Eigenschaften, die sich aus diesem Aufbau ergeben. 9