Petra Wlotzka, Bernd Hartke und Ilka Parchmann

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen visualisieren

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, Lewisformeln, Elektronendichten, Atommodelle, Computervisualisierungen, Heisenbergsche Unschärferelation
Veranschaulichung eines Wassermoleküls, © Bernd Hartke

Petra Wlotzka, Bernd Hartke und Ilka Parchmann

Unterrichtspraktische und fachliche Gedanken zu Lewisformeln, Elektronendichten und Atommodellen

Chemische Grundkonzepte sind für die Forschung ebenso unverzichtbar wie für das Erlernen von Chemie. Sie sind fundamental, obwohl sie für uns nicht beobachtbar sind: Wir erklären Reaktionen über strukturelle Eigenschaften, obwohl niemand jemals chemische Bindungen, Orbitale oder Partialladungen gesehen hat und diese Konzepte auch nicht eindeutig quantenmechanisch, der Grundlage heutiger theoretischer Modellierungen, definiert werden können [1]. Knizia nutzt mit Verweis auf einen Kollegen die Metapher des Einhorns für chemische Bindungen:„Chemical bonds have even been compared to unicorns: mythical creatures of which everyone knows how they look, despite nobody ever having seen one [1].
Wie kann man Konzepte für Schülerinnen und Schüler so visualisieren, dass sie das weitere Lernen unterstützen und gleichzeitig anschlussfähig sind an den Stand der heutigen Wissenschaft? Mit dieser Frage und verschiedenen Ansätzen haben sich zahlreiche Kolleginnen und Kollegen der Fachdidaktik beschäftigt (z.B. [2, 3]). Auch aus fachwissenschaftlicher Sicht werden Pro- und Kontra-Argumente für verschiedene Modelle und deren Passung zu experimentellen Befunden und computerbasierten Modellierungen diskutiert [4, 5].
Es ist daher für Lehrkräfte durchaus eine Herausforderung zu entscheiden, welche Visualisierungen hier von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für welche Lerngruppe am besten geeignet erscheinen. Genauso wie für andere Modelle, gilt vermutlich auch hier, dass den Lernenden erst einmal der Modellcharakter aller Darstellungen deutlich werden muss, und dies ist für viele schon ein durchaus hoher Anspruch. Computerprogramme wie „Chemsketch können dabei helfen, zu zeigen, dass unterschiedliche Darstellungen ineinander umgewandelt werden können und dennoch die gleiche chemische Struktur repräsentieren. Die Arbeit mit Computersimulationen zur Darstellung und Modellierung von z.B. Molekülinteraktionen wie Schlüssel-Schloss-Prozessen bei Enzymen ist noch vergleichsweise neu in der schulischen Praxis, Vorschläge existieren jedoch bereits in der fachdidaktischen Literatur [6, 7, 8]. Dieser Beitrag zeigt anhand von Beispielen sowie unterrichtspraktischen und fachlichen Überlegungen auf, wie Visualisierungen im Unterricht genutzt werden können und wie man interessierten Lernenden erste Einblicke in die Computerchemie bieten kann.
Anwendungsfelder für Computervisualisierungen
Das Verständnis von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist eines von vier Basiskonzepten, das den Aufbau von Lehrplänen curricular prägt [9]. Beginnend mit einfachen Klassifikationen von Stoffen und Stoffgruppen werden erste Teilchenmodelle dazu genutzt, grundlegende Merkmale und Reaktionsverhalten zu interpretieren. Bindungs- und Strukturmodelle führen zu Unterscheidungen von metallischen, molekularen und ionischen Verbindungen und zur Einteilung von Reaktionstypen wie Redox- und Säure-Base-Reaktionen. In der SekundarstufeII werden Reaktionen exemplarisch mechanistisch und mit Blick auf funktionelle Gruppen in Molekülen differenzierter für einzelne Molekülbestandteile betrachtet.
Die übliche Darstellung nach Einführung von Bindungs- und Strukturmodellen ist die Lewisschreibweise, ergänzt um Reaktionspfeile und den gekrümmten Pfeil (z.B. für das „Umklappen von Elektronenpaaren) für mechanistische Darstellungen in der Organischen Chemie. Letzterer ist ein Beispiel dafür, wie moderne Forschung am Computer dazu beiträgt, bewährte Modelle durch ein fortwährend besseres Verständnis zu untermauen [5]; dies kann sicher ein spannendes Thema für besonders an Theorien der Chemie interessierte Schülerinnen und Schüler sein.
Für den Regelunterricht von Interesse sind ergänzende Visualisierungsmöglichkeiten zur Lewisschreibweise, da diese zum einen Missverständnisse wie manifeste Brücken zwischen Atomen...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 176 / 2020

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