Wissenschaftliche Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das
Lehramt an Gymnasien im Fach Chemie,
eingereicht dem Amt für Lehrerbildung
- Prüfungsstelle Gießen -

Physikalische Chemie in der Schule

Edith Mallek

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 5

2. Grundlegende Probleme des heutigen Chemieunterrichts ... 8

2.1. Die Chance Alchemie ... 8
2.2. Der Stellenwert der Chemie im Fächerkanon ... 9
2.2.1. Historischer Rückblick ... 9
2.2.2. Der quantitative Stellenwert des Chemieunterrichts ab der zweiten Hälfte des 20. Jh. in Westdeutschland ... 12
2.3. Chemie und Chemieunterricht im gesellschaftlichen Kontext ... 14

3. Die Fachwissenschaft physikalische Chemie ... 17

3.1. Physikalische Chemie – Begriffsbestimmung ... 17
3.2. Arbeitsbereiche physikalischer Chemie ... 20
3.3. Physikalische Chemie und Mathematik ... 21
3.4. Ein kurzer Einblick in die historische Entwicklung der physikalischen Chemie ... 23
3.5. Bedeutung der physikalischen Chemie für ihre Nachbardisziplinen ... 26
3.6. Physikalische Chemie in Industrie und Technik ... 29

4. Physikalische Chemie im Schulfach Chemie der Sekundarstufe ... 31

4.1. Grundlegende Überlegungen zu der Fachwissenschaft und dem Schulfach Chemie ... 31
4.2. Exemplarische Darstellung physikalisch-chemischer Sachverhalte im Unterrichtsfach Chemie ausgehend vom Lehrplan für Sekundarstufe ... 34
4.2.1. Physikalisch-chemische Inhalte im Lehrplan Chemie für Sekundarstufe ... 35
4.2.2. Physikalisch-chemische Verfahren im Lehrplan Chemie für Sekundarstufe ... 36
4.2.3. Der Überschneidungsbereich zwischen physikalisch-chemischen Verfahren und Inhalten im Lehrplan Chemie für Sekundarstufe ... 37
4.3. Allgemeine Anmerkungen zur Bedeutung der physikalischen Chemie im Unterricht der Sekundarstufe ... 38
4.4. Negative Einflüsse auf den Unterricht in physikalischer Chemie ... 39
4.4.1. Die Lehrerausbildung im Fachbereich physikalische Chemie ... 40
4.4.2. Der Schnittmengencharakter der Physikochemie ... 41

5. Experimente im Chemieunterricht der Sekundarstufe ... 42

5.1. Das Schulexperiment ... 42
5.2. Didaktisch-methodische Formen der Schulexperimente ... 44
5.3. Auswahlkriterien der Schulexperimente ... 46
5.4. Organisationsformen der Schulexperimente ... 51
5.4.1. Demonstrationsversuche ... 51
5.4.2. Schülerversuche ... 52

6. Physikalische Chemie im Unterricht der Oberstufe ... 56

6.1. Das „übliche“ Vorgehen ausgehend von der Mathematik ... 57
6.2. Zugang zu den Sachverhalten über geeignete Gegenstände ... 60
6.2.1. Verknüpfung zwischen Gegenständen und der Erfahrungswelt der Schüler ... 60
6.2.2. Prüfung der Gegenstände auf ihre Bedeutung für Schüler ... 61
6.2.3. Möglichkeit der Fächerverbindung durch die Gegenstände ... 62
6.3. Vorschläge für Experimente ... 62
6.3.1. Abhängigkeit der Reaktionszeit von der Konzentration – die Wirkung des Sauren Regens auf Pflanzen ... 63
6.3.1.1. Saurer Regen ... 63
6.3.1.2. Experiment - Die Wirkung des Sauren Regens auf die Reaktionszeit der Gartenkresse ... 64
6.3.1.3. Didaktisch-methodischer Kommentar ... 67
6.3.2. Abhängigkeit der Reaktionszeit von der Temperatur und dem Zerteilungsgrad ... 69
6.3.2.1. Enzyme ... 69
6.3.2.2. Abhängigkeit der Reaktionszeit von der Temperatur und dem Zerteilungsgrad am Beispiel der enzymatischen Zersetzung von Lebensmitteln ... 72
6.3.2.3. Didaktisch-methodischer Kommentar ... 75
6.3.3. Abhängigkeit der Reaktionszeit von Katalysatoren ... 77
6.3.3.1. Aspirin® und sein Wirkstoff Acetylsalicylsäure ... 77
6.3.3.2. Wirkung der Schwefelsäure bei der Darstellung von Acetylsalicylsäure ... 79
6.3.3.2. Methodisch-didaktischer Kommentar ... 83

7. Zusammenfassung ... 85

Abbildungsverzeichnis ... 87

Tabellenverzeichnis ... 88

Quellenverzeichnis ... 89

1. Einleitung

Ein Thema, auch das Thema dieser Arbeit – „Physikalische Chemie in der Schule“ – kann verglichen werden mit einer Weggabelung. Zu Beginn steht der Autor in der Mitte und muss die Entscheidung treffen, ob er nach links, nach rechts oder geradeaus gehen möchte. Manchmal ist es Zufall, welchen Weg er beschreitet, manchmal eine bewusste Entscheidung. Häufig kommt den persönlichen Vorlieben, Abneigungen, dem Werdegang, ja der Persönlichkeit des Schreibers eine tragende Rolle zu. Dies widerspricht dem Prinzip der Objektivität, das für wissenschaftliche Arbeiten gelten soll oder muss. Aber gibt es die reine, unverzerrte Objektivität? Ich denke nicht. Dies hieße nämlich in Nullen und Einsen zu denken und dafür ist das menschliche Gehirn nicht geschaffen. Jeder Text, jede Aussage, jeder Satz ist auch ein kleines Spiegelbild seines Verfassers. Wir Menschen nehmen wahr und interpretieren. Oft unbewusst entwickeln wir eine Erwartungshaltung oder eine Vorstellung. Betrachten wir das Thema meiner (dieser) Examensarbeit. Was erwarten Sie? Was habe ich erwartet als ich an der Weggabelung stand?
Für mich beinhaltet das Thema „Physikalische Chemie in der Schule“ zwei Aspekte. Die physikalische Chemie ist eine naturwissenschaftliche Kategorie. Der Handlungsort Schule ist mit naturwissenschaftlichen Konzepten nicht fassbar; die Schule ist wohl am ehesten eine gesellschaftliche bzw. geisteswissenschaftliche Kategorie, deshalb sind Chemielehrer in erster Linie Pädagogen mit einer naturwissenschaftlichen Ausbildung.¹ In Anbetracht dessen muss in dieser Arbeit der Unterricht, der Chemieunterricht, eine stärkere Berücksichtigung finden als die fachwissenschaftlichen physikochemischen Konzepte.
Unter dem Begriff „Schule“ verstehe ich im Rahmen dieser Examensarbeit den Chemieunterricht der Sekundarstufe I und II, da in diesem Bereich der Schwerpunkt meiner Ausbildung liegt. Die tragende Säule des Unterrichts im Fach Chemie sind Experimente. Sie stellen das fundamentale Abgrenzungsmerkmal zu anderen Unterrichtsfächern wie Deutsch, Sport oder Geschichte dar. Der Weg vom Sachverhalt (physikalische Chemie) bis zum Experiment, das zum Bestandteil des Unterrichts werden kann, umfasst meiner Meinung nach mindestens drei Schritte. Im Ersten muss der Sachverhalt erfasst werden, um die verschiedenen Facetten zu ergründen. Der zweite Schritt sollte dazu dienen die betreffenden Sachverhalte, die im Chemieunterricht zu vermitteln sind, als solche zu erkennen. Dies ist für Physikochemie umso wichtiger, da ihre Erkenntnisse zunehmend der allgemeinen Chemie zugerechnet werden. Erst im dritten Schritt darf die Frage nach geeigneten Experimenten für den Schulunterricht gestellt werden. Dieses Vorgehen kann als „roter Faden“ dieser wissenschaftlichen Hausarbeit verstanden werden.
Die drei Aspekte machen das Thema für mich bearbeitenswert, da sie im völligen Gegensatz zu den Lehrinhalten meiner Ausbildung stehen. Physikalische Chemie stellt neben der anorganischen und organischen Chemie eines der drei fachwissenschaftlichen Gebiete dar, die innerhalb des Lehramtsstudiums absolviert werden müssen. Für mich war das physikalisch-chemische Praktikum ein sehr großes Problem. Die Versuche, die innerhalb des physikalisch-chemischen Praktikums durchgeführt wurden, waren aus jeglichem fachwissenschaftlichen oder geschichtlichen Kontext herausgelöst. Es wurden exemplarisch nur einzelne Aspekte ausgewählter Fachgebiete der Physikochemie bearbeitet. Dabei bestand die Hauptanforderung darin die erhaltenen Messergebnisse in mathematischen Gleichungen auszurechnen. Die durchgeführten Experimente oder ihr Nutzen für den Schulunterricht wurden völlig außen vor gelassen. Diese Erfahrung war der Anlass für die vorliegende Arbeit. Ich wollte nicht glauben, dass mathematische Gleichungen alles sein sollen, was die physikalische Chemie leisten kann.
Ich beginne diese wissenschaftliche Hausarbeit, indem ich auf grundlegende Probleme des heutigen Chemieunterrichts eingehe (Kapitel 2). Sie werden in verschiedenen Facetten in zahlreichen fachdidaktischen Beiträgen diskutiert. Das Ziel ist hierbei weniger die Darstellung der Diskussion, sondern eine Skizze der Ausgangssituation. Es werden Aspekte erörtert, die negativen Einfluss auf den Chemieunterricht haben, obwohl die Ursachen z. T. nur indirekt in ihm begründet sind. Erst durch die Wahrnehmung dieser Probleme kann ein Weg beschritten werden, um diesen entgegenzuwirken. Nach diesem Einstieg gehe ich der Frage nach: Was ist physikalische Chemie? Hier sollen der Gegenstand „physikalische Chemie“ und einige seiner Ausprägungen näher bestimmt werden (Kapitel 3). Im Anschluss begebe ich mich auf die Suche nach Physikochemie im Lehrplan, dabei ist es wichtig die Differenzierung zwischen der Fachwissenschaft und dem Unterrichtsfach Chemie zu diskutieren, da sie in enger Beziehung miteinander stehen, jedoch nicht gleichbedeutend sind. (Kapitel 4). Bevor ich im letzten Kapitel (Kapitel 6) einige alternative Anwendungsbeispiele für Experimente zu dem Unterrichtsinhalt „Reaktionsgeschwindigkeit“ darstelle und diskutiere, halte ich es für notwendig, grundlegende didaktisch-methodische Konzepte zum Themenkomplex „Schulversuche“ darzulegen. Nur auf dieser Grundlage sind der konstruktive und produktive Einsatz und die Prüfung auf die Eignung für den Unterricht möglich.

2. Grundlegende Probleme des heutigen Chemieunterrichts

[...]

1 Mir ist durchaus bewusst, dass es eine Vielzahl von Chemielehrkräften und Chemiestudenten des höheren Lehramtes gibt, die diese These vehement abstreiten würden. Trotz des starken Einbezugs der Fachwissenschaft in die Lehrerausbildung bin ich der festen Überzeugung, dass uns das Wissen um Orbitalmodelle wenig nutzen wird, um junge Menschen auf ihr Erwachsenenleben vorzubereiten.