Seltsame Erfahrungen

Ich lei­te gera­de einen Abde­cker­kurs Natur­wis­sen­schaf­ten. Den besu­chen Schü­le­rin­nen und Schü­ler, um Bele­gungs­pflich­ten zu erfül­len — er muss ins Abitur ein­ge­bracht wer­den und es wer­den auch zwei Klau­su­ren geschrie­ben, aber im Prin­zip ist die­ser Kurs eine For­ma­lie. Ent­spre­chend wenig wür­de man kli­schee­haft gedacht dann von den Schü­le­rin­nen und Schü­lern an Leis­tungs­be­reit­schaft erwar­ten. Das ist aber nicht so.

Erfah­rung 1:

Die Mit­ar­beit ist dann am inten­sivs­ten, wenn ich anspruchs­vol­len Stoff auf­be­rei­te. Ver­meint­lich fluffi­ge, vom Kurs selbst gewünsch­te The­men — z.B. Dro­gen und Medi­ka­men­te — ver­lo­ren schnell an Schwung, da das dazu not­wen­di­ge che­mi­sche und bio­lo­gi­sche Wis­sen doch recht kom­plex ist, um es sich neben­bei anzu­eig­nen. Grund­la­gen­che­mie, die ande­ren Fächern dient, z.B. Fet­te, Eiwei­ße oder Zucker wur­den ger­ne mit­ge­nom­men — obwohl das eigent­lich recht klas­sisch ist.

Erfah­rung 2:

Wir machen gera­de ein Pro­jekt (Ich war aber der Böse, der es vor­ge­schla­gen hat…). Dabei wol­len wir rund um das The­ma Far­ben Kin­der­gar­ten­kin­dern che­mi­sches Den­ken ver­mit­teln, z.B. mit

  • Rot­koh­l­in­di­ka­tor
  • Papier­chro­ma­to­gra­phie
  • einer selbst gebau­ten Lavalam­pe, deren Funk­ti­on auf Dich­t­e­un­ter­schie­den beruht
  • Gas- und Schaum­bil­dung (Teil­chenn­mo­dell)
  • Milch­bil­dern (Ten­si­de und Lebens­mit­tel­far­be)

Dabei wer­den uns tat­säch­lich Kin­der­gar­ten­kin­der besu­chen. Die Ver­su­che haben die SuS selbst erar­bei­tet. „Püt­scher, püt­cher, püt­scher” ist dabei zu wenig — es soll auch ein biss­chen auf kind­ge­rech­tem Niveau um Natur­wis­sen­schaft gehen — Was haben Lebens­mit­tel gemein­sam, die Rot­kohl­saft rot fär­ben usw.?

Die­se Woche durf­ten eini­ge aus dem Kurs „Kind” spie­len und die Sta­ti­ons­be­treu­er soll­ten mit ihnen die Auf­ga­be an der Sta­ti­on durch­füh­ren. Erst­mal mögen auch Ober­stu­fen­schü­ler ger­ne Kin­der spie­len und es kam tat­säch­lich auch zu durch­aus rea­len Kata­stro­phen (Nicht­ein­hal­tung der Ver­suchs­be­schrei­bun­gen, wil­des Her­um­geman­sche usw.).

Eine Grup­pe hat­te ihren Ver­such per­fekt vor­be­rei­tet — er klapp­te wie am Schnür­chen und auch sinn­vol­le Vor­be­rei­tungs­ver­su­che waren inte­griert.  Allein — sie konn­ten ihren Ver­such über­haupt nicht ver­mit­teln und schon gar nicht kind­ge­recht.

Mög­li­che Reak­ti­on von mir: „Hm — also das war ja ein­deu­tig Teil der Auf­ga­be und die­se Leis­tung geht jetzt in die Gesamt­no­te ein!”

Es reich­te ein: „Am … sit­zen da sechs neu­gie­ri­ge Kin­der­au­gen, die sich auf den Tag gefreut haben und euch anschau­en.” — Das saß.

Das hat mich berührt. Ich hat­te den Ein­druck, dass die SuS in die­sem Moment etwas ver­stan­den hat­ten, was sie durch die ers­te Reak­ti­on nie hät­ten ler­nen kön­nen. Viel­leicht den­ke ich da jetzt zu roman­tisch: Aber even­tu­ell braucht Schu­le mehr von die­sen Erkennt­nis­pro­zes­sen.

Es steht im Prin­zip auch im Cur­ri­cu­lum so drin, aber dort ste­hen eben auch lan­ge Lis­ten von abitur­rele­van­ten The­men. In einem Abde­cker­kurs ist das fast egal — Halb­jah­res­no­te und gut. In einem Kurs auf erhöh­tem Niveau habe ich nicht die Zeit für der­er­lei Luxus. Das ver­meint­lich Unwich­ti­ge bie­tet in der Schu­le nach mei­ner Erfah­rung viel mehr Raum für Frei­heit und Expe­ri­men­te. Des­we­gen bin ich auch ein Freund des Semi­nar­fachs.

Mit der Waage zählen

Die Her­aus­for­de­rung:

In der Che­mie hat man es sehr oft mit Zah­len­ver­hält­nis­sen zu tun — sel­te­ner mit Mas­sen­ver­hält­nis­sen. Das ein­fachs­te Bei­spiel ist die soge­nann­te Sum­men- oder Ver­hält­nis­for­mel. So bedeu­tet

Cu2S

etwa, dass im Stoff Kupfer(I)-Sulfid immer zwei Kup­fer­ato­me auf ein Schwe­fela­tom kom­men, bzw. das Anzahl­ver­hält­nis von Kup­fer- zu Schwe­fela­to­men

2:1

beträgt. Nun haben wir so gewis­se Pro­ble­me, Ato­me in der rea­len Welt optisch aus­zu­ma­chen — zwar kann unser Auge weni­ge Pho­to­nen wahr­neh­men, ein­zel­ne Ato­me las­sen sich damit jedoch nicht anschau­en. Selbst Elek­tro­nen­ras­ter­mi­kro­sko­pe (ste­hen eher nicht in der Schu­le her­um) machen im Prin­zip ledig­lich Elektronen(-hüllen) durch Elek­tro­nen sicht­bar — die dort abge­bil­de­te Wirk­lich­keit passt jedoch erstaun­lich gut zur Quan­ten­theo­rie. Den­noch kommt der Begriff „Atom” (von griech. ἄτομος/átomos) schon in der Anti­ke und weit vor der Erfin­dung des Ras­ter­mi­kro­skops vor. Wie um Him­mels Wil­len sind die Men­schen dar­auf gekom­men, dass unse­re Welt aus win­zi­gen, klei­nen Teil­chen besteht?

Im Wesent­li­chen wur­de zu expe­ri­men­tel­len Befun­den eine Theo­rie ent­wi­ckelt.  Lässt man Stof­fe mit­ein­an­der reagie­ren, so tun sie das immer in einem ganz bestimm­ten Mas­sen­ver­hält­nis. Ein klas­si­sches Bei­spiel ist die­ser Ver­such. Wie kommt man aber von der Tat­sa­che, dass Stof­fe in einem bestimm­ten Mas­sen­ver­hält­nis mit­ein­an­der reagie­ren, zur Annah­me, dass Ato­me, d.h. win­zi­ge Teil­chen mit weit­ge­hend kon­stan­ter Mas­se exis­tie­ren?

Mei­ne bis­he­ri­gen Lösung­an­sät­ze

Schritt 1:

Ich mache im Unter­richt die­sen oder die­sen Ver­such, bzw. las­se ihn die SuS machen. Ich ach­te dar­auf, dass die Ergeb­nis­se unge­fähr hin­kom­men — des­we­gen schie­be ich oft noch die Kup­fer­oxid­ge­schich­te hin­ter­her, wenn der ers­te Ver­such nicht so ein­deu­tig ver­läuft. Man bekommt her­aus, dass Stof­fe nicht in jedem belie­bi­gen Mas­sen­ver­hält­nis mit­ein­an­der reagie­ren — anschau­lich wird das beson­ders dadurch, indem man für jede Teil­mes­sung nor­miert, d.h. z.B. immer berech­nen lässt, mit wie wel­cher Mas­se Schwe­fel bzw. Sauer­stoff 1g Kup­fer reagiert hät­te. Dafür braucht es heu­te nicht ein­mal einen Drei­satz mehr, da ich hier in Nie­der­sach­sen Raub­bau in der Mathe­ma­tik betrei­ben kann. Die lehrt Pro­por­tio­na­li­tä­ten in ihren Spi­ral­cur­ri­cu­lum näm­lich so:

Man muss nur ope­ra­tio­na­li­sie­ren, wie man auf den Fak­tor kommt (Fall 1: Die Zahl 1 ist klei­ner als der Mess­wert, Fall 2: Die Zahl 2 ist grö­ßer als der Mess­wert). — das ken­nen die SuS aber eigent­lich aus dem Mathe­ma­tik­un­ter­richt, bzw. das kommt dann schnell wie­der. Frü­her habe ich tat­säch­lich Ver­hält­nis­glei­chun­gen mit den SuS auf­ge­löst oder Gera­den mit Stei­gungs­drei­ecken gezeich­net. Damit erle­be ich heu­te eher kei­ne Erfol­ge mehr. Es ist eben so wie es ist und die oben skiz­zier­te Rechen­ope­ra­ti­on ist durch den Mathe­ma­tik­un­ter­richt in der 7. Klas­se hier in Nie­der­sach­sen sicher ein­ge­führt.

Schritt 2:

Ich ver­tei­le zwei Arten von Kugeln. Leich­te und schwe­re Kugeln, wobei die Kugeln bei­der Gat­tun­gen aber unge­fähr die glei­che Mas­se haben. Jede Grup­pe erhält zusätz­lich eine Waa­ge und soll mit einem defi­nier­ten Start­wert von Kugeln begin­nen, also etwa drei leich­ten und einer schwe­ren Kugel. Die Mas­se der leich­ten Kugel wird ins­ge­samt bestimmt wie auch die Mas­se der schwe­ren Kugel. In den wei­te­ren Durch­gän­gen soll das Mas­sen­ver­hält­nis von leich­ten und schwe­ren Kugel­por­tio­nen stets erhal­ten blei­ben und die jewei­li­gen Anzah­len von leich­ten und schwe­ren Kugeln sol­len notiert wer­den.

Eine Tabel­le könn­te dann so aus­se­hen:

m(Kugelportion,leicht) m(Kugelportion,schwer) Quotient(leicht/schwer) n(Kugeln, leicht) n(Kugeln,schwer) Quotient(leicht(schwer)
5g 5g 1 3 1 3
10g 10g 1 6 2 3
15g 15g 1 9 3 3

Her­aus­kom­men soll natür­lich: Hal­te ich das Mas­sen­ver­hält­nis der bei­den Kugel­ar­ten kon­stant, so bleibt auch das Anzahl­ver­hält­nis kon­stant. Ich fürch­te bloß, dass heu­te kaum noch etwas mit dem Begriff „Zah­len­ver­hält­nis” anfan­gen kann — natür­lich könn­te ich bei der Tabel­le wie­der her­ge­hen und jeweils auf eine schwe­re Kugel nor­mie­ren…

Schritt 3:

Was bedeu­tet das für den Ver­such mit Kup­fer und Schwe­fel bzw. Sauer­stoff? Eine mög­li­che Erklä­rung für unse­re Beob­ach­tung der kon­stan­ten Mas­sen­ver­hält­nis­se könn­te dar­in lie­gen, dass die Stof­fe Kup­fer und Schwe­fel aus ein­an­der glei­chen, aber stoff­spe­zi­fisch unter­schied­lich schwe­ren „Kugeln”, den Ato­men auf­ge­baut sind — es gibt fai­rer­wei­se auch ande­re Erklä­run­gen, aber das klingt erst­mal plau­si­bel. Die Kis­te so zu erklä­ren deckt sich zudem mit ande­ren Beob­ach­tun­gen aus der Che­mie.

Schritt 4:

Dann kommt ein klei­ner Exkurs in den Begriff des Ver­hält­nis­ses. Ich arbei­te immer mit Mäd­chen- und Jun­gen­por­tio­nen in einer Klas­se: Wenn jeder Jun­ge 40 Kilo wiegt, wie vie­le Jun­gen sind dann in einer Jun­gen­por­ti­on mit einer Mas­se 400 Kilo ent­hal­ten?  Dann ist der Weg zur Berech­nung von Anzahl­ver­hält­nis­sen nicht mehr weit.

Von

n(Junge)=m(Jungenportion)/m(Junge)

ist es dann auch nicht mehr weit zu

n(Kupferatom)=m(Kupferportion)/m(Kupferatom)

Man kann sogar ket­ze­ri­sche Fra­gen stel­len, on die Jun­gen lie­ber in Klas­se a) wäre, für die gilt:

n(Jungen)/n(Mädchen) > 1

oder in Klas­se b), für die gilt:

n(Jungen)/n(Mädchen) < 1

Pro­blem:

Ich fin­de kei­nen über­zeu­gen­den Über­gang von Schritt 2 zu Schritt 3. Ich muss das im Unter­richt immer übers didak­ti­sche Knie bre­chen. Ich habe in die­sem Jahr auch schon Schritt 4 vor­ge­zo­gen… Immer sel­te­ner höre ich die­sen Gedan­ken­gang von mei­nen SuS. Viel­leicht ist Schritt 2 ja auch doof. Oder die SuS gehen in ihrem All­tag sel­ten mit Ver­hält­nis­sen um… . Viel­leicht lässt sich im Vor­we­ge noch mehr und etwas anders machen. Habt ihr da drau­ßen Ide­en? Ich hät­te es schon ger­ne etwas selbst­be­stimm­ter, weil für mich genau so etwas ja auch natur­wis­sen­schaft­li­ches Den­ken aus­macht.

Chemie: Arbeitsblatt „Atommodelle”

Anbei fin­det ihr ein kürz­lich wie­der­ent­deck­tes  Arbeits­blatt, wel­ches die wesent­li­chen Atom­mo­del­le im Che­mie­un­ter­richt der Mit­tel­stu­fe über­bli­ckend doku­men­tiert und im Auf­ga­ben­teil eine kri­ti­sche Aus­ein­an­der­set­zung mit dem Modell­be­griff for­dert.

Ursprüng­lich habe ich ich die­ses Mate­ri­al in der Ober­stu­fe ein­ge­setzt, wobei zusätz­lich das ver­ein­fach­te Orbi­tal­mo­dell mit ent­hal­ten war — lei­der weiß ich nicht mehr, woher  dort die Illus­tra­tio­nen stam­men. Daher gibt es nur die Tei­le, von denen ich sicher weiß, dass sie frei von Rech­ten Drit­ter sind.

Hier das Mate­ri­al: ODT PDF

Tenside: Wiederholungsstunde im Zeitalter des Internets

Um es vor­weg­zu­neh­men: Es gibt Hin­wei­se dar­auf, dass die in der Schu­le gelehr­te und in unzäh­li­gen Lehr­bü­chern dar­ge­stell­te Funk­ti­ons­wei­se von Ten­s­iden wahr­schein­lich so nicht stimmt. Dum­mer­wei­se ste­hen in den Quel­len­an­ga­ben auch noch „unbe­deu­ten­de Namen” wie das Max-Planck-Insti­tut oder das Jour­nal of the Ame­ri­can Che­mi­cal Socie­ty — von letz­te­rer Fach­zeit­schrift sind durch­aus nicht ein­fa­che Akzep­tanz­kri­te­ri­en für Arti­kel bekannt.

Es kann also gut sein, dass die fol­gen­de Auf­ga­be wie auch unge­zähl­te Che­mie­stun­den in deut­schen Klas­sen­zim­mern bald Maku­la­tur sein könn­ten. Aber da gibt es noch wei­te­re Bei­spie­le auf dem Prüf­stand (d-Orbi­ta­le bei der Schwe­fel­säu­re)… Bei den Ten­s­iden ist es eigent­lich scha­de — die Theo­rie ist so ein­leuch­tend und fügt sich her­vor­ra­gend in das Vor­wis­sen der SuS aus der Mit­tel­stu­fe ein.

Vor­wis­sen der SuS:

Die SuS wuss­ten bereits den grund­sätz­li­chen Auf­bau eines Sei­fenan­ions, kann­ten sei­nen Her­stel­lungs­pro­zess mit Mecha­nis­mus (Ver­sei­fungs­re­ak­ti­on), wuss­ten, wie der Rei­ni­gungs­pro­zess grund­sätz­lich abläuft. Sie wuss­ten noch nichts über die Grenz­flä­chen­ak­ti­vi­tät von Sei­fen und den genaue­ren Ablauf des Disper­gie­rungs­pro­zes­ses, ins­be­son­de­re nichts über das „Zer­bre­chen” der Schmutz­teil­chen durch die Absto­ßung der pola­ren Sei­fen­mo­le­kül­area­le.

Die Fil­me



Die Auf­ga­be

Die SuS soll­ten für jeden Film Aspek­te notie­ren, deren Dar­stel­lung sie für gelun­gen bzw. nicht so gelun­gen hiel­ten sowie zusätz­lich für sie neue Infor­ma­tio­nen stich­punkt­ar­tig her­aus­stel­len.

Erläu­te­rung

Jeder Film hat sei­ne Stär­ken und Schwä­chen. In zen­tra­len Punk­ten über­lap­pen sie sich inhalt­lich. Gera­de durch den unter­schied­li­chen Zugang zum Stoff habe ich mir eine Fes­ti­gung des bereits ein­ge­führ­ten Unter­richts­stof­fes erhofft. Die Fil­me durf­ten sich die SuS zwei­mal anschau­en: Ein­mal kon­su­ma­tiv zur Ori­en­tie­rung, ein­mal mit dem kon­kre­ten Arbeits­auf­trag. Vie­le che­mi­sche Zusam­men­hän­ge sind im zwei­ten Film übri­gens unkor­rekt zur bis­her noch gül­ti­gen Lehr­mei­nung bear­bei­tet, jedoch stellt er die his­to­ri­schen Gewin­nung von Sei­fen als ein­zi­ger in die­ser Brei­te dar. Der Ers­te setzt bei der Dar­stel­lung des Wasch­pro­zes­ses stark auf Makro­auf­nah­men, die 3d-Ani­ma­tio­nen des Letz­ten sind die aus­ge­reif­tes­ten.

Coffeinbestimmung in Getränken

Die Bestim­mung des Cof­fein­ge­halts in Geträn­ken ist eine der Metho­den, SuS Prin­zi­pi­en eines Ana­ly­se­la­bors näher­zu­brin­gen. PTAs und CTAs schla­gen sich in der Rea­li­tät zwar weit­aus mehr mit Auto­ma­ten her­um, aber die grund­sätz­li­chen Ver­fah­renschrit­te blei­ben doch immer gleich — auch wenn da eine Black­box steht, die wir in der Schu­le mit ihren „pri­mi­ti­ven tech­ni­schen Metho­den” aber ein Stück­chen öff­nen kön­nen. Das Ver­fah­ren funk­tio­niert foto­me­trisch, sodass man eine Cof­fein­lö­sung mit einem Spek­trum im sicht­ba­ren Bereich benö­tigt — die meis­ten Schu­len werden,wenn über­haupt, ledig­lich VIS-Foto­me­ter her­um­ste­hen habe — die­se Din­ger lie­gen schon im Kilo­eu­robe­reich. Schon des­we­gen soll­te man sie nicht ver­stau­ben las­sen, son­dern wirk­lich auch ein­set­zen.

Cof­fe­in ist in Was­ser recht gut lös­lich und als rei­ner Stoff im Che­mi­ka­li­en­han­del zu mode­ra­ten Prei­sen zu bekom­men. Bei uns habe ich eine jung­fräu­li­che 500g Packung im Gift­schrank ent­deckt. Gän­gi­ge Ver­suchs­vor­schrif­ten for­dern die Zube­rei­tung von fünf Lösun­gen zur Erstel­lung der Eich­kur­ve mit fol­gen­den Mas­sen­kon­zen­tra­tio­nen:

  1. 100mg/L
  2. 200mg/L
  3. 300mg/L
  4. 400mg/L
  5. 500mg/L

Man braucht eine gute Waa­ge und am bes­ten auch fünf 1L-Maß­kol­ben, damit man die ent­spre­chen­den Men­gen ein­wie­gen kann. Ein übli­che Schul­waa­ge weist eine maxi­mal­öe Genau­ig­keit von d=0,01g (=10mg) auf, sodass man bei der Lösung mit der kleins­ten Mas­sen­kon­zen­tra­ti­on schon von vorn­her­ein einen saf­ti­gen Wäge­feh­ler macht, oder den Maß­kol­ben noch eine Num­mer grö­ßer wäh­len muss. Die­se Lösun­gen sind farb­los und damit einer foto­me­tri­schen Unter­su­chung nicht zugäng­lich.

Des­we­gen nutzt man aus, dass Cof­fe­in in sau­rer Lösung bei Anwe­sen­heit von Iodid schwer­lös­li­ches Peri­odid bil­det und als sol­ches spe­zi­fisch aus­fällt. Hier sieht man zwei Cof­fe­in-Lösun­gen (V=10mL), die mit jeweils 1mL Jod/Kaliumiodidlösung (c=0,05mol/L) ver­setzt wur­den, nach dem Ansäu­ern mit ca. 1mL 25%iger Schwe­fel­säu­re:

Wei­ter­le­sen

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