"Die kinetische Ableitung des Massenwirkungsgesetzes ist logisch falsch, wissenschaftlich fragwürdig, didaktisch unnötig und schädlich ...", mit diesen Worten beginnt ein Artikel, der vor einiger Zeit in einer chemiedidaktischen Zeitschrift erschienen ist .
Ein Widerspruch gegen den Artikel – der sich auf Argumente stützt, die bereits in den sechziger Jahren geäußert wurden – ist mir nicht bekannt geworden. Wird das Massenwirkungsgesetz in der gymnasialen Oberstufe wirklich falsch hergeleitet? Das sind genauer gesagt zwei Fragen: Wird die kinetische Herleitung wirklich verwendet und was ist daran falsch?
Um das Ergebnis vorwegzunehmen: Loecks Einwände treffen die kinetische Ableitung überhaupt nicht, wenn sie richtig aufgefasst und gehandhabt wird. Der zweite Teil dieser Arbeit wird diese These belegen.
Vor der Frage, welche Gesetzmäßigkeiten das chemische Gleichgewicht bestimmen, steht die Frage, warum chemische Reaktionen überhaupt ablaufen. Ein Erklärungsmodell mit offenbar hoher Suggestivkraft ist die Vorstellung: "Eine Reaktion kann ablaufen, wenn die Produkte eine niedrigere Energie haben, als die Edukte." Diese Vorstellung ist falsch – darauf haben schon van′t Hoff und von Helmholtz im vorigen Jahrhundert hingewiesen.
Wird diese Vorstellung in der GyO widerlegt? Im ersten Teil dieser Arbeit wird an einer Lehrbuch–Synopse und einer Kurzbefragung aufgezeigt, dass das, wenn überhaupt, dann nur selten geschieht. Statt dessen wird aus der falschen Vorstellung eine "unvollständige": aus der Existenz endothermer Reaktionen müsse auf ein „zweites“ Prinzip geschlossen werden – das der maximalen Entropie.
Gespeist wird diese Argumentation von einer Fehlinterpretation der Gibbs-Helmholtz- Gleichung. Im Theoriekapitel über die Triebkraft wird auf das moderne Verständnis der Gleichung eingegangen.
Die Kritik an den "zwei Prinzipien" ist keineswegs neu. Der originäre Beitrag der vorliegenden Arbeit ist es, ein "korrektes" Verständnis der Triebkraft chemischer Reaktionen aufzuarbeiten und die Unterrichtspraxis damit zu konfrontieren. Es wird deutlich, dass die herkömmliche Behandlung der Triebkraft einen didaktischen Schaden anrichtet: sie erschwert das Verständnis der Entropie.
Im Theoriekapitel zur Triebkraft versuche ich, das gegenwärtige Verständnis spontaner Vorgänge zu skizzieren. Man befindet sich dabei auf dem Feld der statistischen Thermodynamik – ein Gebiet, das nicht unbedingt zur Grundausbildung von Chemielehrern gehört.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 AUFBAU DES ERSTEN TEILS
1.2 AUFBAU DES ZWEITEN TEILS
2 TRIEBKRAFT IN LEHRBÜCHERN
3 BEHANDLUNG DER TRIEBKRAFT IN DER LITERATUR
3.1 DER FEHLER DES ENERGIEPRINZIPS
3.2 WELCHE ROLLE SPIELT DIE ENERGIE BEIM ELEMENTARPROZEß
4 ALLGEMEINES ZUR BEFRAGUNG
4.1 GRUNDGESAMTHEIT UND STICHPROBE
4.2 ALLGEMEINE FRAGEN
4.2.1 Die Frage 1 nach dem "Dienstalter"
4.2.2 Die Frage 2 nach dem Gesamteindruck der Chemie-Kompetenz der Durchschnittsabiturienten
5 BEFRAGUNG ZUM THEMA 'TRIEBKRAFT' BZW. 'RICHTUNG CHEMISCHER REAKTIONEN'
5.1 ERGEBNISSE
6 TRIEBKRAFT-KONSEQUENZEN FÜR DEN UNTERRICHT
6.1.1 Räumliche Verteilung
6.1.2 Energetische Verteilung
6.1.3 Quantitative Vertiefung
6.1.4 Einführung der freien Gibbs-Enthalpie
6.2 ANWENDUNG DES QUALITATIVEN ENTROPIEKONZEPTS AUF VERSCHIEDENE CHEMISCHE VORGÄNGE
6.2.1 Auflösung eines Stoffes
6.2.2 Endotherme Vorgänge
6.2.3 Besonders große Triebkraft
6.2.4 Antreiben von antriebslosen Reaktionen
6.3 FAZIT
7 MWG-HERLEITUNG IN LEHRBÜCHERN
8 DIE DISKUSSION UM DIE HERLEITUNG DES MASSENWIRKUNGSGESETZES
8.1 ELEMENTARE STOßPROZESSE
8.2 FAZIT
9 BEFRAGUNG ZUR HERLEITUNG DES MASSENWIRKUNGSGESETZES
9.1 ERGEBNISSE
10 KONSEQUENZEN FÜR DEN UNTERRICHT
10.1 FAZIT
11 WARUM LAUFEN (CHEMISCHE) VORGÄNGE SPONTAN AB? THEORIE.
11.1 DIFFUSION UND DISSIPATION
11.2 DIE ANZAHL DER REALISIERUNGSMÖGLICHKEITEN
11.3 ENTROPIE
11.4 DAS SYSTEM IN ISOTHERMER UMGEBUNG
11.5 DIE WAHRSCHEINLICHKEIT EINES (MIKRO-)ZUSTANDES
11.6 ZUSTANDSWAHRSCHEINLICHKEIT, ENTARTUNG UND FREIE ENERGIE
11.7 DIE RECHNUNG FÜR KONSTANTEN DRUCK : FREIE GIBBS-ENTHALPIE
12 WIE KOMMT DAS MWG ZUSTANDE?
12.1 EINE ALTERNATIVE HERLEITUNG DES MWG
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht kritisch die in der gymnasialen Oberstufe verbreiteten Erklärungsmodelle für das chemische Gleichgewicht sowie die Herleitung des Massenwirkungsgesetzes (MWG) und deckt didaktische Fehlkonzepte auf.
- Kritische Analyse von Lehrbüchern hinsichtlich der "Zwei-Prinzipien-Lehre" zur Triebkraft.
- Empirische Erhebung zur Unterrichtspraxis und den Erklärungsmodellen von Chemielehrern.
- Theoretische Fundierung spontaner Vorgänge durch statistische Mechanik und Entropie.
- Darstellung der korrekten Herleitung des Massenwirkungsgesetzes jenseits der rein kinetischen Betrachtung.
Auszug aus dem Buch
3.1 Der Fehler des Energieprinzips
Die Vorstellung, die in den Lehrbüchern implizit oder auch explizit bemüht wird, um einen spontanen Prozeß zu charakterisieren, geht von der Analogie aus, daß ein Körper in einem Potentialfeld in Richtung abnehmender potentieller Energie beschleunigt wird.
Dabei ist interessant, daß man sich über den Verbleib des Körpers keine Gedanken mehr machen darf, ohne Schwierigkeiten zu bekommen: Eine Kugel rollt spontan einen Berg herunter. Richtig. Danach hat sie allerdings kinetische Energie. So eine Kugel rollt genauso spontan wieder einen Berg hinauf.
Die Vorstellung, Energieabnahme sei Triebkraft für spontane Vorgänge, ist nicht mit dem Energieerhaltungsprinzip vereinbar. Energie kann nicht verloren gehen. Also ist jede Energieabgabe eines Systems automatisch eine Energieaufnahme eines anderen Systems (der Umgebung). Tatsächlich wird Energie bei spontanen Vorgängen nur zwischen einem System und einem anderen System umverteilt (und das nicht einmal immer). Die Frage, warum das bei einem Vorgang geschieht, ist zu erklären (und keineswegs selbst seine eigene Erklärung, wie es das Energieprinzip suggeriert). Das Energieprinzip ist also keineswegs "unvollständig" zur Erklärung der Triebkraft von Reaktionen, sondern ungeeignet.
Im Theoriekapitel (s. Anhang) wurde ja gezeigt, daß die Zahl der möglichen Zustände Ω die Schlüsselgröße ist. Es folgt nun einige intuitiv ansprechendere Bebilderung, die mit der theoretischen Behandlung nicht überall deckungsgleich ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Darstellung der Problematik und Zielsetzung der Arbeit, insbesondere die Kritik an der kinetischen Herleitung des MWG.
2 TRIEBKRAFT IN LEHRBÜCHERN: Synopse der gängigen Schulbuchdarstellungen zur Triebkraft spontaner Reaktionen.
3 BEHANDLUNG DER TRIEBKRAFT IN DER LITERATUR: Kritische Auseinandersetzung mit der Vorstellung eines Energie-Minimums als alleinigem Triebfaktor.
4 ALLGEMEINES ZUR BEFRAGUNG: Methodische Erläuterungen zur durchgeführten Lehrerbefragung und deren Stichprobe.
5 BEFRAGUNG ZUM THEMA 'TRIEBKRAFT' BZW. 'RICHTUNG CHEMISCHER REAKTIONEN': Auswertung der Daten zur praktizierten Unterrichtsmethode bezüglich chemischer Triebkraft.
6 TRIEBKRAFT-KONSEQUENZEN FÜR DEN UNTERRICHT: Skizzierung eines fachlich fundierten, anschaulichen Erklärungsmodells für den Unterricht.
7 MWG-HERLEITUNG IN LEHRBÜCHERN: Zusammenfassung der verschiedenen Herleitungsansätze des Massenwirkungsgesetzes in gängigen Lehrwerken.
8 DIE DISKUSSION UM DIE HERLEITUNG DES MASSENWIRKUNGSGESETZES: Theoretische Analyse, warum die kinetische Herleitung des MWG oft auf falschen Prämissen beruht.
9 BEFRAGUNG ZUR HERLEITUNG DES MASSENWIRKUNGSGESETZES: Diskussion der Umfrageergebnisse zur Herleitungspraxis des MWG.
10 KONSEQUENZEN FÜR DEN UNTERRICHT: Didaktische Ableitungen für eine fachgerechte Einführung des Gleichgewichtsbegriffs.
11 WARUM LAUFEN (CHEMISCHE) VORGÄNGE SPONTAN AB? THEORIE.: Statistische Fundierung der Entropie und der Spontanität von Prozessen.
12 WIE KOMMT DAS MWG ZUSTANDE?: Herleitung des MWG aus dem statistischen Prinzip der maximalen Entropie.
Schlüsselwörter
Chemisches Gleichgewicht, Massenwirkungsgesetz, Triebkraft, Entropie, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Energetik, Statistische Thermodynamik, Chemiedidaktik, Kinetik, Energieverteilung, Spontane Reaktionen, Mikrozustände, Zustandssumme, Freie Enthalpie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, ob die in der Schule unterrichteten Modelle zur Triebkraft chemischer Reaktionen und zur Herleitung des Massenwirkungsgesetzes fachwissenschaftlich haltbar sind.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Studie?
Die Schwerpunkte liegen auf der energetischen Bewertung chemischer Prozesse, der Rolle der Entropie sowie der didaktischen Aufarbeitung dieser komplexen thermodynamischen Themen für die gymnasiale Oberstufe.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Es wird der Frage nachgegangen, inwiefern die gängigen Erklärungsversuche in Lehrbüchern und Unterrichtspraxis – insbesondere die "Zwei-Prinzipien-Lehre" – zu didaktisch schädlichen Fehlvorstellungen führen und wie ein fundiertes Verständnis aufgebaut werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Neben einer umfassenden Literaturanalyse und Lehrbuch-Synopse wurde eine schriftliche Erhebung unter 41 Chemielehrern durchgeführt, um die tatsächliche Unterrichtspraxis und die Vorstellungen der Lehrkräfte zu eruieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine kritische Auseinandersetzung mit der Lehrbuchliteratur, die Auswertung der Umfragedaten sowie die theoretische Herleitung der Konzepte durch die statistische Thermodynamik.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist maßgeblich durch Konzepte wie Entropie, Triebkraft, thermodynamische Spontaneität, statistische Mechanik und die Kritik an einer rein kinetischen MWG-Herleitung geprägt.
Warum wird die kinetische Herleitung des MWG kritisiert?
Der Autor kritisiert, dass diese Herleitung auf der Stöchiometrie der Bruttogleichung basiert, was physikalisch nur für Elementarreaktionen gilt. Da jedoch viele Reaktionen über komplexe Mechanismen verlaufen, ist die kinetische Herleitung als allgemeine Begründung logisch fragwürdig.
Was schlägt der Autor für den Unterricht vor?
Der Autor empfiehlt, den Fokus von der rein kinetischen Herleitung auf das thermodynamische Fundament zu verlagern, indem die Rolle der Entropie als Verteiltheit von Energie (Wärmeenergie) intuitiv und qualitativ eingeführt wird.
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- Dr. Frank Jürgensen (Author), 1995, Werden chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz in der gymnasialen Oberstufe falsch unterrichtet?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/22082
