Die Verwandlung der Stoffe

In diesem Kapitel wird aufgezeigt, an welchen didaktischen Grundsätzen sich dieser mehrbändige Chemielehrgang orientiert. Oberstes Ziel dabei ist, Lernenden adaptive Kompetenz zugänglich zu machen. Mit adaptiver Kompetenz ist die Fähigkeit gemeint, sinnvoll gelerntes Wissen und Fertigkeiten flexibel und kreativ in verschiedenen Situationen anwenden zu können. In Bezug auf das Lernen von Chemie bedeutet das unter anderem, chemisches Denken und tief greifendes Verständnis in den Vordergrund zu stellen und Detailwissen bzw. Wissensfülle als wünschenswerten Nebeneffekt zu betrachten. Für ein solides Chemieverständnis ist die individuelle kognitive Entwicklung jedes Lernenden entscheidend. Sie wird unterstützt durch die Einteilung von Wissen in vier Dimensionen: Faktenwissen (was weiß ich?), Wissen über Konzepte (welche Zusammenhänge gibt es?), Wissen über Prozesse (wie tue ich etwas?) und metakognitives Wissen (Wissen über das eigene Wissen und Lernen). Vom Faktenwissen zum metakognitiven Wissen nimmt der Abstraktionsgrad des Wissens immer mehr zu. Umso mehr der Abstraktionsgrad des Wissens zunimmt, desto mehr muss das Wissen selbst erschaffen werden und desto weniger kann es vermittelt werden. Indem die Chemiedidaktik des Lehrmittels die höheren Wissensdimensionen zugänglich macht, unterstützt es Lehrende und Lernende dabei, auf individuellem Wege zu einem wissenschaftlich fundierten Chemieverständnis zu gelangen.

Als Einstieg in Chemie wird, nur mit Experimenten, eine Antwort auf die Frage: „Was ist Feuer?“ gesucht. Da man in Innenräumen kein Lagerfeuer entzünden kann, werden Flammen von Kerzen und Gasbrennern untersucht.Dabei stehen die folgenden Fragen im Mittelpunkt:

Durch zahlreiche chemische Experimente gelingt es, diese Fragen zu beantworten. Die Versuche machen zugleich deutlich, dass chemische Reaktionen magische Vorgänge sind, die alle eine Gemeinsamkeit aufweisen. Es geht in diesem Kapitel jedoch nicht nur darum, chemisches Fachwissen zugänglich zu machen. Der Forschungsprozess offenbart zugleich, dass man die grundlegenden Fragen nicht mit Experimenten lösen kann - man muss sich zu deren Beantwortung etwas ausdenken. Auf andere Weise kommt man bei der Erforschung der Natur nicht voran.

Von den vier Urstoffen - Feuer, Wasser, Erde und Luft - der Vorsokratiker über die materia prima der Alchemisten bis zu den 94 Elementen der modernen Chemie: die Entwicklungsgeschichte der chemischen Elemente ist spannend und vielseitig. Dieses Kapitel ist dem Zeitraum von 500 v. Chr. bis 1794 gewidmet, der mit Antoine-Laurent Lavoisiers Elementdefinition seinen chemischen Erkenntnis-Höhepunkt erreicht. Lavoisier kam zu seinen Einsichten, indem er Robert Boyles Grundsatz - nur der Versuch ist schlüssig, niemals aber die unbelegte Behauptung - konsequent anwendete. Da Lavoisiers Wasserzerlegung im Labor nur mit großem Aufwand durchführbar ist, wird in der Mitte des Kapitels die moderne Wasserelektrolyse behandelt. Somit kann die Spaltung des Wassers auf einfache Weise demonstriert werden. Um die zahlreichen Sauerstoffreaktionen, die Lavoisiers Arbeiten kennzeichnen, besser beschreiben zu können, wird im Anschluss an die Wasserelektrolyse die stoffbezogene Redoxtheorie eingeführt. Im letzten Teil des Kapitels werden mit diesem Konzept sowie Lavoisiers Elementbegriff die großtechnischen Prozesse der Eisen- und Stahlproduktion erforscht und verständlich gemacht.

Anhand von zahlreichen Experimenten, unter anderem auch mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Sauerstoff, werden die Eigenschaften von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen untersucht. Auch die Umstände, unter denen ein Wechsel von einem zum anderen Aggregatzustand stattfindet, werden dabei deutlich. Vor allem Gase offenbaren bei Druck- und Temperaturänderungen auffällige Verhaltensweisen. Um all diese Vorgänge präzise und verständlich beschreiben zu können, werden 12 Fachbegriffe eingeführt und angewendet. Mit Hilfe dieser Fachbegriffe lassen sich zahlreiche Fragen zu den Aggregatzuständen formulieren, die mit weiteren vergleichbaren Experimenten nicht zu beantworten sind. Ein ganz anderer Versuch, die Volumenkontraktion beim Mischen von Ethanol mit Wasser, führt jedoch auf eine Hypothese, die sich durch unzählige weitere Experimente bestätigen läßt und sich als das zentrale Konzept der Chemie erweisen wird - es ist hier die Rede vom Prinzip der kleinsten Teilchen. Aufbauend auf diesem wichtigsten Basiskonzept der Chemie, wird das Kugelteilchen-Modell definiert. Mit dieser Theorie können nicht nur alle zu den Aggregatzuständen gestellten Fragen beantwortet werden, es ergibt sich auch eine ganz neue Art der Beschreibung von chemischen Reaktionen. Anschließend wird mit zahlreichen weiteren Experimenten das Kugelteilchen-Modell geprüft. Es erweist sich dabei stets als wertvolles Werkzeug zur Erklärung der beobachteten Phänomene. Am Ende des Kapitels wird eine für den Chemie-Lernprozess entscheidende Einteilung vorgenommen: Es wird zwischen Wirklichkeits- und Theorieebene unterschieden.

Kapitel 5 „Gewinnung reiner Stoffe“ behandelt im ersten Teil mit 17 Experimenten die physikalischen Trennmethoden Destillation, Dünnschicht-Chromatographie, Extraktion, Adsorption und Filtration, Sedimentieren / Dekantieren sowie Zentrifugation. Bei der Analyse all dieser Verfahren auf der Wirklichkeitsebene und auf der Theorieebene offenbart sich ein interessanter Zusammenhang: Auf der Wirklichkeitsebene beruhen all diese Trennverfahren auf ganz verschiedenen Eigenschafts-Unterschieden. Auf der Theorieebene jedoch kann man alle physikalischen Trennmethoden auf einheitliche Weise erklären. Die Beantwortung von Fragen bzw. die Definition von Begriffen sowohl auf der Wirklichkeitsebene als auch auf der Theorieebene prägt das gesamte Kapitel. Auf diese Weise werden die folgenden Themen behandelt: Reinstoffe und Gemische, Elemente und Verbindungen, physikalische und chemische Eigenschaften sowie physikalische und chemische Vorgänge. Dabei wird deutlich, dass mit dem Kugelteilchen-Modell (KTM) nicht zwischen Elementen und Verbindungen unterschieden werden kann. Außerdem zeigt sich, dass chemische Reaktionen mit dem KTM definiert, aber nicht erklärt werden können.

Ende des 18. Jahrhunderts entdeckten Chemiker zwei bedeutende Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen, den Grundsatz der Massenerhaltung und das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse. Anhand einfacher Experimente wiederholen wir diesen interessanten Erkenntnisprozess. Daraufhin wird das Atommodell von Dalton eingeführt – damit ist es möglich, beide chemische Gesetze zu verstehen. Doch Daltons Theorie kann mehr als das, mit ihr war es zum ersten Mal in der Menschheitsgeschichte möglich, das große chemische Rätsel zu lösen: Wie können neue Stoffe gebildet werden ? Mit dem Molekülkonzept gelingt es Dalton diese Frage zu beantworten. Mit Daltons Atommodell, das treffender Molekülmodell heißen sollte, können auch auf der Theorieebene Elemente und Verbindungen unterschieden werden. Außerdem können mit Daltons Modell chemische Reaktionsgleichungen mit Atomsymbolen und Molekülformeln formuliert werden, sodass die etwas umständlichen chemischen Wortgleichungen ersetzt werden können. Basierend auf dem Gesetz der konstanten Massenverhältnisse und somit auch basierend auf dem Atommodell von Dalton können chemische Reaktionsgleichungen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ interpretiert werden. D. h., bei mind. drei gegebenen Massen kann eine vierte unbekannte Masse durch Proportionalitätsbeziehungen berechnet werden.