Im Rahmen dieser Arbeit, wird mit Hilfe eines Fragebogens eine empirische Erhebung unter den Studenten durchgeführt. Anhand der Resultate dieser Befragung werden die Fehlvorstellungen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Ferner werden einige Aspekte zur Prävention von Fehlvorstellungen (nicht nur im Bereich der Komplexchemie) aufgeführt.
Zu Beginn der Arbeit werden in einem Kapitel einige fachliche Grundlagen zur Komplexchemie aufgeführt. Damit diese zentralen Begriffe allgemein verständlich zum Lesen der Arbeit sind, erfolgt hier deren Erklärung.
Im nächsten Kapitel wird ein Überblick über die geschichtliche Entwicklung der Komplexchemie gegeben. Für diesem Teilbereich der Chemie lässt sich eine Person besonders hervorheben: Alfred WERNER. Seine Arbeit und die daraus resultierenden Erkenntnisse werden vorgestellt, die bis heute ihre Gültigkeit behalten haben.
Im vierten Kapitel folgt eine theoretische Erläuterung der Entstehung von Fehlvorstellungen und deren Auswirkung auf den naturwissenschaftlichen Unterricht. Im weiteren Verlauf werden das Konzept des conceptual change und das Konzept des conceptual growth vorgestellt und diskutiert und es wird auf die Stärken und Schwächen eingegangen.
Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit der Analyse der Lehre in drei ausgewählten Schulbüchern. Es wird untersucht, inwieweit die Schulbücher auf Fehlvorstellungen zur Komplexchemie eingehen bzw. ob sie selbst Fehlvorstellungen vermitteln. Der Bereich der Komplexchemie ist laut den Curricula der meisten deutschen Bundesländer kein Pflichtbereich im Chemieunterricht [BÄUERLE, KRASENBRINK 2005]. Anhand einiger Überlegungen wird in diesem Kapitel diskutiert, ob die Komplexchemie in den Chemieunterricht gehört oder nicht.
In Kapitel sechs wird die Konzeption der Untersuchung vorgestellt. Als Unterthemen werden die Methodik der Untersuchung, die Voruntersuchung, die Konzeption des Fragebogens und die Durchführung der Untersuchung näher erläutert. Außerdem wird der Fragebogen vorgestellt, der als Untersuchungsinstrument dient.
Im weiteren Verlauf erfolgt der empirische Teil dieser Arbeit. Im folgenden Kapitel findet eine individuelle und statistische Auswertung der Ergebnisse des Fragebogens statt. Die statistischen Befunde wurden mit Hilfe der Programme GrafStat und Microsoft ® Excel ermittelt und werden an dieser Position vorgestellt. Danach werden die Aufgaben des Fragebogens einzeln präsentiert und die Ergebnisse diskutiert. Folglich wird aufgeführt, welche Fehlvorstellungen zur Komplexchemie unter den Studierenden ermittelt worden sind.
Im achten Kapitel wird das Gesamtresultat dieser Untersuchung herangezogen und es wird die Prävention der Fehlvorstellungen zur Komplexchemie thematisiert. Daraus folgende Schlussfolgerungen stellen Perspektiven für einen erfolgreichen Chemieunterricht dar
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1. Einleitung
2. Fachliche Grundlagen
2.1 Allgemeine Definitionen in der Literatur
2.1.1 Teilchen
2.1.2 Modell
2.1.3 Chemisches Gleichgewicht
2.1.4 Komplexe
2.1.5 Koordinationszahl (KZ)
2.1.6 Ligand
2.1.7 Zentralatom / Zentralion
2.1.8 Chelateffekt
2.1.9 Ligandenfeld-Theorie
2.1.10 Molekülorbital-Theorie (MO-T)
3. Die Geschichtliche Entwicklung der Chemie der Komplexe
4. Über Fehlvorstellungen zum korrekten Chemieverständnis
5. Analyse ausgewählter Schulbücher
5.1 „Elemente Chemie“
5.2 „Stoff - Formel - Umwelt“
5.3 „Chemie heute - Sekundarbereich II“
5.4 Vergleich der Schulbücher
6. Konzeption der Untersuchung
6.1 Methodik der Untersuchung
6.1.1 Ziele definieren
6.1.2 Erstellung des Fragebogens
6.1.2.1 Inhalte
6.1.2.2 Umfang der Befragung
6.1.2.3 Ablauf und zeitlicher Rahmen
6.1.2.4 Auswahl der Zielgruppe
6.1.2.5 Demographische Angaben
6.2 Die Voruntersuchung
6.2.1 Die Voruntersuchung - Planung
6.2.2 Die Voruntersuchung - Ergebnisse und Diskussion
6.3 Konzeption des Fragebogens
6.4 Durchführung der Hauptuntersuchung
6.4.1 Planung der Hauptuntersuchung
6.4.2 Durchführung der Untersuchung
7. Auswertung - Ergebnisse und Diskussion
Demographische Angaben:
Semesterzahl:
Geschlecht:
Studiengang:
Auswertung der Frage 1:
Auswertung der Frage 2:
Auswertung der Frage 3:
Auswertung der Frage 4:
Auswertung der Frage 5:
Teil a):
Teil b):
Auswertung der Frage 6:
Auswertung der Frage 7:
Teil a):
Teil b):
Teil c):
Teil d):
Auswertung der Frage 8:
Teil a):
Teil b):
Auswertung der Frage 9:
Teil a):
Teil b):
Gesamtauswertung:
8. Prävention: Perspektiven für den Chemieunterricht
9. Zusammenfassung und Ausblick
10. Literaturverzeichnis
11. Abbildungsverzeichnis
12. Tabellenverzeichnis
13. Diagrammverzeichnis
Vorwort
Das Schreiben der Examensarbeit in der Chemiedidaktik hat sich als eine anspruchsvolle und überaus positive Herausforderung erwiesen.
Bei allen die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben, möchte ich mich ganz herzlich bedanken.
Als erstes gilt mein Dank den Studentinnen und Studenten, die mit viel Geduld den Fragebogen ausgefüllt haben, der die Grundlage meiner Arbeit war. Und den Dozenten, die es mir ermöglicht haben, die Untersuchung im Rahmen deren Vorlesungen einzubeziehen. Exemplarisch möchte ich mich bei Prof. Dr. Hartmut Redlich für seine Bemühungen bedanken.
Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, der mir stets durch fachliche Gespräche, das schnelle Beantworten von Emails und viel Engagement eine große Hilfe war.
Für das Korrekturlesen, viele nützliche Tipps und neue Anregungen möchte ich mich bei meiner Verlobten Susanne und meinen Freunden Johannes und Andreas herzlich bedanken.
Die Examensarbeit hat mir viele neue Erkenntnisse aufgezeigt und insgesamt viel Spaß bereitet. Deshalb kann ich jedem angehenden Chemie- Lehramtskandidaten nur empfehlen, die Examensarbeit in der Chemiedidaktik zu schreiben
1. Einleitung
„Wenn wir die ganze Psychologie des Unterrichts auf ein einziges Prinzip reduzieren müssten, würden wir dies sagen: Der wichtigste Faktor, der das Lernen beeinflusst, ist das, was der Lernende bereits weiß. Dies ermitteln Sie, und danach unterrichten Sie Ihren Schüler“ [AUSUBEL 1980].
Was David P. AUSUBEL knapp aber dennoch klar formuliert, klingt auf den ersten Eindruck einfach und einleuchtend. Doch im Allgemeinen ist das Gegenteil der Fall. Denn gerade in naturwissenschaftlichen Fächern wie Chemie oder Physik bringen Schüler - die Personengruppe lässt sich auf alle Lernenden der Naturwissenschaften, wie z.B. Studenten, erweitern - ihre Alltagsvorstellungen mit in den Unterricht. Doch in den meisten Fällen erweisen sich diese Alltagsvorstellungen als Fehlvorstellungen. Somit konstruieren sich die Lernenden eigene Erklärungen zu naturwissenschaftlichen Phänomenen, die jedoch wissenschaftlich nicht korrekt sind [BARKE 2006]. Und deshalb bedarf es einer großen Anstrengung, diese Fehlvorstellungen aufzuspüren, zu diskutieren und letzt endlich zu Gunsten von wissenschaftlich korrekter Sicht zu ändern.
In der Arbeit Komplexchemie - Diagnose und Prävention von Fehlvorstellungen werden die jeweiligen Fehlvorstellungen der Studierenden der Chemie in dem Bereich der Komplexchemie untersucht. Das besonderes Interesse gilt dabei den Lehramtskandidaten. Erstens weil ich selbst dieses Fach studiere und zweitens weil diese künftigen Lehrer später selbst festzustellen haben, mit welchem Vorwissen die Schüler in den Unterricht kommen und mit welcher Kompetenz sie von Jahrgang zu Jahrgang zum Schulabschluss gelangen. Nur wenn die Chemielehrer selbst keine Fehlvorstellungen in den Unterricht hineintragen, ist es gewährleistet, dass die Schüler wissenschaftlich korrekt und didaktisch angemessen unterrichtet werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit, wird mit Hilfe eines Fragebogens eine empirische Erhebung unter den Studenten durchgeführt. Anhand der Resultate dieser Befragung werden die Fehlvorstellungen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Ferner werden einige Aspekte zur Prävention von Fehlvorstellungen (nicht nur im Bereich der Komplexchemie) aufgeführt.
Zu Beginn der Arbeit werden in einem Kapitel einige fachliche Grundlagen zur Komplexchemie aufgeführt. Damit diese zentralen Begriffe allgemein verständlich zum Lesen der Arbeit sind, erfolgt hier deren Erklärung.
Im nächsten Kapitel wird ein Überblick über die geschichtliche Entwicklung der Komplexchemie gegeben. Für diesem Teilbereich der Chemie lässt sich eine Person besonders hervorheben: Alfred WERNER. Seine Arbeit und die daraus resultierenden Erkenntnisse werden vorgestellt, die bis heute ihre Gültigkeit behalten haben.
Im vierten Kapitel folgt eine theoretische Erläuterung der Entstehung von Fehlvorstellungen und deren Auswirkung auf den naturwissenschaftlichen Unterricht. Im weiteren Verlauf werden das Konzept des conceptual change und das Konzept des conceptual growth vorgestellt und diskutiert und es wird auf die Stärken und Schwächen eingegangen.
Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit der Analyse der Lehre in drei ausgewählten Schulbüchern. Es wird untersucht, inwieweit die Schulbücher auf Fehlvorstellungen zur Komplexchemie eingehen bzw. ob sie selbst Fehlvorstellungen vermitteln. Der Bereich der Komplexchemie ist laut den Curricula der meisten deutschen Bundesländer kein Pflichtbereich im Chemieunterricht [BÄUERLE, KRASENBRINK 2005]. Anhand einiger Überlegungen wird in diesem Kapitel diskutiert, ob die Komplexchemie in den Chemieunterricht gehört oder nicht.
In Kapitel sechs wird die Konzeption der Untersuchung vorgestellt. Als Unterthemen werden die Methodik der Untersuchung, die Voruntersuchung, die Konzeption des Fragebogens und die Durchführung der Untersuchung näher erläutert. Außerdem wird der Fragebogen vorgestellt, der als Untersuchungsinstrument dient.
Im weiteren Verlauf erfolgt der empirische Teil dieser Arbeit. Im folgenden Kapitel findet eine individuelle und statistische Auswertung der Ergebnisse des Fragebogens statt. Die statistischen Befunde wurden mit Hilfe der Programme GrafStat und Microsoft ® Excel ermittelt und werden an dieser Position vorgestellt. Danach werden die Aufgaben des Fragebogens einzeln präsentiert und die Ergebnisse diskutiert. Folglich wird aufgeführt, welche Fehlvorstellungen zur Komplexchemie unter den Studierenden ermittelt worden sind.
Im achten Kapitel wird das Gesamtresultat dieser Untersuchung herangezogen und es wird die Prävention der Fehlvorstellungen zur Komplexchemie thematisiert. Daraus folgende Schlussfolgerungen stellen Perspektiven für einen erfolgreichen Chemieunterricht dar.
Abschließend erfolgen eine Zusammenfassung der Arbeit sowie ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklung im Bereich der Komplexchemie.
Zwar gab es in den letzten Jahren bereits einige didaktische Untersuchungen im Bereich der Chemie, doch sind die Fehlvorstellungen zur Komplexchemie nahezu unerforscht. Deswegen dürften die Ergebnisse dieser Untersuchung von allgemeinem Interesse sein.
Im Verlauf der Arbeit wird nicht zwischen den Geschlechtern innerhalb der Personengruppen unterschieden. So sind z.B. mit „Schülern“ sowohl die Schülerinnen als auch die Schüler gemeint1.
2. Fachliche Grundlagen
Um mit einer (Examens-)Arbeit ein möglichst breites Publikum ansprechen zu können, muss die Arbeit sowohl für Chemiker als auch für naturwissenschaftliche Laien verständlich geschrieben sein. Deshalb bedarf es der Erklärung einiger Fachtermini, auf deren Verwendung nicht verzichtet werden kann. So mögen die folgenden Fachbegriffe für einen Chemiker trivial klingen, jedoch muss es einen allgemein gültigen Konsens über deren Bedeutung geben.
2.1 Allgemeine Definitionen in der Literatur
Im Folgenden werden zu zentralen Begriffen dieser Arbeit Definitionen vorgestellt, wie sie in der Literatur auftauchen. Dabei werden mit Absicht zu den einzelnen Begriffen zum Teil kontroverse Definitionen aufgeführt, die sich sowohl in der Qualität als auch in der Ausführlichkeit der Erläuterung unterscheiden. Als Quellen haben Schulbücher, Lexika sowie fachdidaktische Bücher gedient.
2.1.1 Teilchen
„Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Die Teilchen eines Stoffs sind untereinander gleich. Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in ihrer Größe. [...] Zwischen den Teilchen bestehen Anziehungskräfte. Diese Anziehungskräfte haben nur eine geringe Reichweite. [...] Zwischen den Teilchen ist leerer Raum. [...] Die kleinsten Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung“ [JÄCKEL 1996].
„Neben der Verwendung des Teilchenbegriffs auf der Ebene des Teilchenmodells ist es zusätzlich üblich, das Teilchen als Oberbegriff für Atome, Ionen und Moleküle zu benutzen“ [BARKE 2006].
Die Schulbuchdefinition nach JÄCKEL weist einige Mängel auf. So muss hinzugefügt werden, dass die Aussage „Die Teilchen eines Stoffs sind untereinander gleich“ nur für Atome in Elementen (Reinstoffen) richtig ist. Diese Aussage trifft nicht für Salze, Säuren und Basen zu. So enthält z.B. eine Kochsalzlösung Na+- und Cl--Ionen und H2O-Moleküle.
Im weiteren Verlauf der Arbeit ist mit „Teilchen“ stets der Oberbegriff für Atome, Ionen und Moleküle gemeint.
2.1.2 Modell
„Modelle sind vorstellungsmäßig [...] anschauliche, zweckgesteuerte Idealisierungen der Realität (d.h. der Menge aller Objekte und Prozesse, welche die Welt ausmachen). Modelle sind niemals Selbstzweck. Sie werden vielmehr mit der Absicht kreiert, bestimmte Objekte oder bestimmte Prozesse besonders deutlich hervorzuheben bzw. zu imitieren; d.h. man nimmt beim Aufstellen von Modellen bewusst eine Reduzierung vor und berücksichtigt immer nur eine Teilmenge der tatsächlich bekannten oder postulierten Objekte und Prozesse“ [NÖDING 1973].
„Der Begriff „Modell“ ist außerordentlich vielfältig […]. Im naturwissenschaftlichen Bereich sind grundsätzlich Sachmodelle (z.B. Modell des Hochofens) und Denkmodelle (z.B. Atommodelle) zu unterscheiden. Modelle sind keine Wirklichkeit. […] Sachmodelle repräsentieren ein Objekt oder dessen Funktion. […]
Schülern muss verständlich werden, dass Modelle zwar experimentelle Ergebnisse erklären und „deuten“ helfen, dass sie aber die tatsächlichen Gegebenheiten selbst nicht sind“ [BECKER 1994].
Als Beispiel werden einige historische Modelle bzw. Modellvorstellungen aufgeführt und es werden deren Grenzen aufgezeigt [BARKE, HARSCH 2001]:
1) Teilchenmodell: Versagt bei Umgruppierungen von Atomen und Ionen bei chemischen Reaktionen, bei der Darstellung von Verbindungen, Ionengittern, Molekülstrukturen, etc. .
2) Dalton-Modell: Erklärt nicht den Atomaufbau (Atomkern, Protonen, Neutronen, Elektronen), Redoxreaktionen, Elektronenübertragungen, etc. .
3) Schalenmodell der Atomhülle: Kennt keine Bindungswinkel, Bindungslängen, räumliche Strukturen von Molekülen etc. .
2.1.3 Chemisches Gleichgewicht
„Chemische Reaktionen in homogener2 Phase laufen nie vollständig, sondern nur bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ab, in dem neben den Reaktionsprodukten auch die Reaktanden noch zum Teil vorhanden sind. Der gleiche Endzustand wird erreicht, wenn man vom Reaktionsprodukt ausgeht und dieses den Bedingungen (d.h. gleichem Außendruck und gleicher Temperatur) der Bildungs-Reaktion unterwirft“ [ROEMPP 1995].
„Alle reversiblen Prozesse tendieren zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands. Bei einer chemischen Reaktion wird der Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die Reaktion in der einen Richtung (Hinreaktion) genauso schnell abläuft wie in der umgekehrten Richtung (Rückreaktion)“ [MORTIMER 1996].
Dieses Phänomen (Einstellung eines Gleichgewichts) wird anhand des Modellbeispiels "Apfelkrieg" erläutert (Abbildung 1): Ein Großvater spielt gegen seinen Enkel im Garten ein Spiel. Jeder Spielteilnehmer erhält zu Beginn neun Äpfel. Ziel des Spiels ist es, in das gegnerische Feld möglichst viele Äpfel zu werfen. Nach einiger Zeit lässt sich feststellen, dass sich ein konstantes, dynamisches Gleichgewicht einstellt. Im Feld des Großvaters befinden sich mehr Äpfel (größere Konzentration) als im Feld des Enkels (kleinere Konzentration), sodass der Enkel weitere Wege laufen muss, um an die Äpfel zu kommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Modell zur Modellvorstellung vom Gleichgewichtszustand3
2.1.4 Komplexe
„Ein Komplex-Ion oder Komplex-Molekül, häufig einfach Komplex genannt, besteht aus einem Metall-Ion oder -Atom als Zentralatom, an welches mehrere Moleküle oder Ionen, die Liganden, angelagert sind.“ [MORTIMER 1996].
Beispiele sind: K3[Fe(CN)6], [Cu(NH3)4]Cl2 oder [Cr(OH2)6]Cl3.
„In einem Komplexteilchen („Komplex“) sind an ein Zentralion (oder Zentralatom) mehrere Ionen und/oder Moleküle (Liganden; [...]) gebunden. Man spricht auch von der durch Zentralion und Liganden gebildeten Koordinationseinheit“ [AMANN 1989].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Modell von einem Komplex:
Abbildung 2: Modell für einen Komplex mit oktaedrischer Geometrie: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]4
2.1.5 Koordinationszahl (KZ)
„Die Koordinationszahl des Zentralatoms oder des Zentralions in einer Verbindung ist gleich der Zahl der Atome oder Ionen, die direkt mit dem Zentralatom bzw. Zentralion verbunden sind“ [ROEMPP 1995].
„Die Koordinationszahl des Zentralatoms ist die Zahl der direkt daran gebundenen Atome. Komplexe mit Koordinationszahlen von 2 bis 12 sind bekannt; am häufigsten kommen die Koordinationszahlen 2, 4 und 6 vor“ [MORTIMER 1996].
„Die Anzahl direkter Bindungen zwischen Zentralatom und Liganden wird KoordinationsZahl (KZ) genannt. Sie ist abhängig vom Liganden und charakteristisch für das Zentralatom“ [TAUSCH 1995].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 zeigt einige Verbindungen mit unterschiedlichen
Koordinationszahlen. Verbindungen mit gleichen Koordinationszahlen können sich in ihrem räumlichen Aufbau unterscheiden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Beispiele für Komplexe mit verschiedenen Koordinationszahlen5
2.1.6 Ligand
„Bezeichnung für elektrisch neutrale Moleküle oder Ionen, die um ein
Zentralatom gruppiert sind und deren Anzahl in den Koordinationsverbindungen (Komplexen) von der Koordinationszahl des Zentralatoms bzw. -ions abhängt“ [ROEMPP 1995].
„Liganden können Moleküle oder Ionen sein, die im freien Zustand über wenigstens ein Elektronenpaar verfügen, das dem Zentralatom unter Bildung einer kovalenten Bindung zur Verfügung gestellt werden kann“ [MORTIMER 1996].
„Als Liganden können neutrale Moleküle, z.B. Wasser H2O oder Ammoniak- Moleküle NH3 oder Anionen an M6 koordiniert (gebunden) sein“ [TAUSCH 1995].
2.1.7 Zentralatom / Zentralion
„Charakteristisch für die Koordinationsverbindung ist, dass um ein oder mehrere Zentralatome (zu ergänzen ist: Zentral-Ionen) ein oder mehrere neutrale Moleküle und/oder Ionen (so genannte Liganden) gruppiert sind, und zwar in der so genannten ersten (inneren) Koordinationssphäre. Das Zentralatom ist dann koordinativ gesättigt, wenn die tatsächliche Koordinationszahl gleich der maximalen ist“ [ROEMPP 1995].
„Atom oder Ion im Mittelpunkt eines Komplexes, an das Liganden gebunden sind“ [MORTIMER 1996].
„Das Zentralion ist meist ein Übergangsmetall-Kation von hoher Ladung und kleinem Ionenradius“ [AMANN 1989].
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Komplexes. Das Zentralion (M) kann unterschiedliche positive Ladungen (n) aufweisen, je nachdem wie viele Elektronen abgegeben werden. Liganden (L) mit mindestens einem freien Elektronenpaar (Doppelpunkt) bilden eine kovalente Bindung zum Zentralion aus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Beispiel für den Aufbau eines Komplexes7
2.1.8 Chelateffekt
„[...] eingeführte Sammelbezeichnung für solche cyclischen Verbindungen, bei denen Metalle, Gruppierungen mit einsamen Elektronenpaaren oder mit Elektronenlücken und Wasserstoff an der Ringbildung beteiligt sind. [...] Es sind Verbindungen, in denen ein einzelner Ligand mehr als eine Koordinationsstelle an einem Zentralatom besetzt, d.h. mindestens „zweizähnig“ ist [...]. In diesem Falle werden also normalerweise gestreckte Verbindungen durch Komplexbildung über ein Metall-Atom oder -Ion zu Ringen geschlossen. [...] Voraussetzung für die Chelat-Bildung ist, dass die mit dem Metall reagierende Verbindung zwei oder mehr Atomgruppierungen enthält, die als Elektronendonatoren wirken“ [ROEMPP 1995].
„Chelat-Komplexe werden mit Liganden gebildet, die mehr als eine Koordinationsstelle am Zentralatom einnehmen können“ [MORTIMER 1996].
„Durch eine erhöhte Stabilität gegenüber Komplexen mit einzähnigen Liganden zeichnen sich Komplexe mit zwei- und mehrzähnigen Liganden aus. [...] Solche Komplexe nennt man Chelatkomplexe und den mit ihrer Bildung verbundenen Stabilitätsgewinn im Vergleich zu analogen Komplexen mit einzähnigen Liganden Chelateffekt“ [TAUSCH 1995].
Abbildung 5 zeigt, wie ein Chelatkomplex gebildet wird. Beispiel: 1,2- Diaminoethan koordiniert sich über die beiden Stickstoff-Atome. Das freie Elektronenpaar wird dem Zentralatom (M) unter Bildung einer kovalenten Bindung zur Verfügung gestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Modellvorstellung für die Bildung eines Chelatkomplexes8
2.1.9 Ligandenfeld-Theorie
„Sie geht von dem freien Zentralion aus und betrachtet die Änderungen und Aufspaltungen, die sich bei der Ausbildung chemischer Bindungen zwischen Zentralion und Liganden ergeben; dies können auch symmetrieerniedrigende Strukturänderungen des Kerngerüstes sein [...]. Die Ligandenfeldtheorie ist eine semiempirische Theorie und enthält eine Reihe von Parametern, die an experimentelle Daten, z.B. aus Elektronenanregungsspektren, angepasst werden. Wenn die Liganden in vereinfachender Weise als Punktladungen oder Punktdipole dargestellt werden, wird auch die Bezeichnung Kristallfeldtheorie verwendet; der Begriff Ligandenfeldtheorie wird dann für eine Erweiterung benutzt, bei der die elektronische Struktur der Liganden näherungsweise berücksichtigt wird“ [ROEMPP 1995].
2.1.10 Molekülorbital-Theorie (MO-T)
„Von Hund u. Mulliken [...] 1927, also bereits kurz nach Entwicklung der mathematischen und physikalischen Grundlagen der Quantentheorie, eingeführtes Näherungsverfahren der Quantenchemie, welches zunächst vor allem zur Interpretation der Elektronenspektren zweiatomiger Moleküle konzipiert wurde. [...] In den letzten 3 Jahrzehnten hat sich die MO-T zur wichtigsten Theorie der chemischen Bindung entwickelt; sie wird in großem Umfang - begünstigt durch die rasche Entwicklung auf dem Computersektor - zur Erklärung und Vorhersage von Molekül-Eigenschaften auf quantentheoretischer Grundlage herangezogen. Die MO-T geht von einem gegebenen Kerngerüst aus [...] und bestimmt die Energieniveaus (Orbitalenergien) eines Elektrons im Feld der Kerne und im gemittelten Feld der übrigen Elektronen. Die zugehörigen Einelektronenwellenfunktionen bezeichnet man als Molekülorbitale“ [ROEMPP 1995].
„Bei Komplexen müssen die Atomorbitale des Zentralatoms mit denen der Liganden kombiniert werden. Welche Orbitale auf Grund ihrer Symmetrieeigenschaften kombiniert werden können, lässt sich mit Hilfe der Gruppentheorie ableiten. [...] Zunächst sollen nur Komplexe mit σ-Bindungen zwischen dem Zentralion und den Liganden berücksichtigt werden. Zur σ- Bindung geeignet sind diejenigen Orbitale des Metallions, deren größte Elektronendichte in der Bindungsrichtung Metall-Ligand liegt“ [RIEDEL 1994].
Beide Theorien, sowohl die Ligandenfeld-Theorie als auch die MolekülorbitalTheorie, sind in ihrer Definition sehr schwer umzusetzen. An dieser Stelle werden sie nur angebracht, da diese Theorien zum Teil auch in den Schulbüchern auftauchen.
Wie weit diese Theorien in der Schule heranzuziehen sind, wird im Kapitel 5 diskutiert.
3. Die Geschichtliche Entwicklung der Chemie der Komplexe
Schon seit mehreren Jahrhunderten sind den Menschen Komplexverbindungen bekannt, z.B. das „Berliner Blau“9. Jedoch konnten der chemische Aufbau und die Funktionalität des Stoffes zur damaligen Zeit noch nicht genau geklärt werden [BARKE 2006].
In der Komplexchemie haben die Arbeiten eines Naturwissenschaftlers ganz besonders dazu beigetragen, dass gerade im Bereich der anorganischen Chemie ältere Forschungsgebiete geklärt und neue erschlossen werden konnten: Alfred WERNER (1866-1919).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Alfred WERNER10
Durch die Kettentheorie inspiriert, hat S.M. JØRGENSEN11 versucht, durch experimentelle Arbeiten diese Theorie zu untermauern. In JØRGENSENs Formulierung (Abbildung 7) „repräsentieren die an die Ammoniakmoleküle gebundenen Chloratome schwachgebundene Chloridionen (wenngleich er den eigentlich ionischen Charakter nicht formulierte). […] Die Anwendung der Kettenschreibweise wurde mit zunehmender Komplexität der Verbindungen derart schwierig, dass sie bestenfalls für eine Übergangszeit und in Ermangelung einer besseren Alternative akzeptabel erscheinen konnte“ [GADE 2002].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Vergleich der Konstitutionsformeln, die JØRGENSEN und WERNER für die Serie der Chloroamminkobalt(III)-Komplexe vorschlugen12
WERNERs Koordinationstheorie hat der damaligen vorherrschenden Kettentheorie nach C. BLOMSTRAND zur Aufklärung des Aufbaus von Komplexverbindungen widersprochen. WERNER hat „über Nacht“ die Theorie zur Konstitution anorganischer Verbindungen aufgestellt: „Er wachte in einer Dezembernacht des Jahrs 1892 gegen 2.00 Uhr auf, das Konzept klar vor seinen Augen. Er stand auf und schrieb - unterstützt von einigen Tassen Kaffee - bis 17.00 Uhr des nachfolgenden Tages jene Arbeit, die auch heute noch als grundlegend für die moderne Komplexchemie angesehen wird“ [KAUFFMANN 1966].
Die Koordinationstheorie war durch die Aufgabe der vorherrschenden Beschränkung: Valenz (Wertigkeit) = Bindigkeit (Koordinationszahl) fundiert. So hat WERNER formuliert, dass jedes Zentralatom in einem Komplex neben seiner Valenzzahl eine typische Koordinationszahl hat. Zu diesem Zeitpunkt hatte er noch keine experimentelle Untersuchung in diesem Gebiet gemacht. „Die neutralen Liganden (meist NH3 und organische Amine) waren dabei direkt an das Zentralatom gebunden, während die anionischen Liganden entweder „in der ersten Sphäre“ direkt an das Metall gebunden waren oder „in einer weiteren Sphäre“ als Gegenion fungieren konnten“ [GADE 2002].
Ebenso hat die neue Koordinationstheorie nach WERNER bei der Erklärung von Resultaten von Leitfähigkeitsmessungen an einer Reihe von Aminkobaltkompexen geholfen, die unter anderem von ihm selbst durchgeführt worden ist. So konnte die fehlende ionische Leitfähigkeit der neutralen Verbindung [Co(NH3)3(NO2)3] erklärt werden.
WERNER hat sich weiter mit der Geometrie von Komplexen beschäftigt. So hat er erarbeitet, dass Komplexe mit der Koordinationszahl sechs oktaedrisch und Komplexe mit der Koordinationszahl vier überwiegend quadratisch-planar aufgebaut waren.
Anhand dieser Theorie haben WERNER und sein Arbeitskreis zahlreiche, weitere Untersuchungen durchgeführt, die seine Theorie verifiziert und diese bis heute gültig gemacht haben.
4. Über Fehlvorstellungen zum korrekten
Chemieverständnis
„Bereitet die in den Schulen vermittelte naturwissenschaftliche Bildung auf die darin liegenden Herausforderungen angemessen vor? Untersuchungen haben gezeigt, dass Naturwissenschaften traditionell eher in „sterilen Päckchen hundertprozentiger Wahrheiten“ unterrichtet werden. Zur Entwicklung von Wissenschaftsverständnis werden hingegen authentische Lernsituationen, die Lebensbezug aufweisen, benötigt“ [SCHALLIES 2002].
Michael SCHALLIES nennt ein zentrales Problem, mit dem Schüler im Chemieunterricht zu kämpfen haben. Sie werden mit verschiedenen chemischen Modellen und Theorien konfrontiert. Die Erklärungen werden nur auswendig gelernt und wiedergegeben, wie sie vom Lehrkörper vorgegeben werden, ohne das nötige Verständnis dazu zu entwickeln. Der Grund dafür ist, dass Schüler oft bereits eigene Vorstellungen zur Deutung bestimmter Sachverhalte haben. Diese werden jedoch vom Lehrerkörper nicht abgefragt und folglich bleibt es für den Schüler unklar, ob es sich um korrekte Annahmen oder um Fehlvorstellungen handelt [BECKER 1994].
Analysen haben gezeigt, dass selbst einfache im Chemieunterricht vermittele Begriffe und ihre Bedeutungsvorstellungen nicht so gelernt werden, dass sie die Alltagskonzepte (Fehlvorstellungen) der Schüler verdrängen können. Daher müssen diese stets ernst genommen und in den Unterrichtsprozess mit einbezogen werden. In den letzten Jahren haben mehrere empirische Untersuchungen in der Chemiedidaktik der Westfälischen Wilhelms- Universität dies zum Ergebnis gebracht, z.B. die Examensarbeit „Brennstoffe und Energie: Empirische Erhebungen zu Schülervorstellungen und Unterrichtsvorschläge zu deren Korrektur“ von Tobias DÖRFLER.
Ferner sind Denk- und Lernprozesse zu fördern, wenn die Schüler aus ihrem Alltag heraus Bedeutungsvorstellungen für die Chemie entwickeln. Damit wird das Grundverständnis der Schüler zur Chemie gefördert. Nur wenn die Vorstellungen der Schüler herangezogen und im Unterricht behandelt werden, wird es dem Schüler möglich sein, ein korrektes Chemieverständnis zu entwickeln [BECKER 2001]. Um Fehlvorstellungen von Schülern zu einem bestimmten Thema zu untersuchen, muss ebenfalls analysiert werden, woher diese falschen Annahmen bei den Schülern kommen; was also die Ursachen dafür sind, dass Fehlvorstellungen tief fundiert sind und deshalb nur schwer durch korrekte Theorien beseitigt werden können. Liegt es an der individuellen Disposition der Schüler, der Lernumgebung, am sozialen Kontext oder noch an anderen Faktoren? Im Folgenden wird diskutiert, was die Ursachen für Alltagsvorstellungen bzw. für Präkonzepte sind und welche Methoden es gibt, diese Fehlvorstellungen dauerhaft zu beseitigen [PFEIFER, LUTZ, BADER 2002].
Um fehlerhaften Erläuterungen zu naturwissenschaftlichen Phänomenen bei Kindern und Jugendlichen so früh wie möglich vorzubeugen, wäre es sinnvoll, erste chemische Sachverhalte in der Grundschule oder gar im Kindergarten vorzustellen. Nur so erreichen die Lernenden von Anfang an ein angemessenes Chemieverständnis und Fehlvorstellungen werden nicht entwickelt und schon gar nicht derart fest verinnerlicht, dass sie nicht revidiert werden können [PFEIFER, LUTZ, BADER 2002].
Wichtig dabei ist, Lehrer selbst in ihrer Ausbildung bzw. in ihrem Studium derart zu unterrichten, damit sie keine Fehlvorstellungen haben und an die Lernenden weitergeben, wobei diese überhaupt nicht bemerken, dass es sich um Fehlvorstellungen handelt.
Weiter ist es hilfreich - wenn nicht sogar notwendig - auf die Interessen der Kinder einzugehen, um den Chemieunterricht gerade im Kindesalter derart abzustimmen und zu gestalten, dass alle Lernenden motiviert sind, am Fach teilzunehmen. Möglich ist dies über einen konsequenten phänomenorientierten Alltags- und Lebensbezug. Ferner fördert die Einführung von einfachen Schülerexperimenten die Motivation und Leitungsbereitschaft der Schüler [BECKER, EILKS, SUMFLETH 2005].
Wolfgang BÜNDER geht sogar noch einen Schritt weiter. Er sagt, „Lernen in bedeutungsvollen Kontexten“ steigert nicht nur das Interesse und die Motivation des Schülers am Fach Chemie, es ist die nötige Prämisse, damit „verständnisvolles Lernen überhaupt stattfinden kann“ [BÜNDER, 2001].
Förderung muss besonders dahingehend eingesetzt werden, damit Schüler freiwillig und erfolgreich lernen - dies geschieht wenn Schüler die äußeren Absichten und Anstöße (durch den Lehrer) für wichtig erachten eine produktive Lernumgebung für die Schüler geschaffen wird - Experimentieren z.B. muss über das Vormachen durch den Lehrer und über das Anleiten durch den Lehrer zu selbstständigem Experimentieren durch die Schüler führen die Lernziele für den Schüler klar werden - versteht der Schüler den Sinn und Zweck des Lernens, fördert dies die Langzeitwirkung.
Starkes, frühkindliches Interesse am Fach Chemie ist besonders zu unterstützen. Möglich ist dies durch außerschulische Förderung. So können beispielsweise Arbeitsgemeinschaften gebildet werden, die sich außerhalb des Unterrichts im Chemielabor treffen, um weitere chemische Sachverhalte oder Interessensschwerpunkte zu vertiefen. Dass grundsätzlich Interesse am Fach Chemie besteht, wird durch Existenz von diversen Schülerwettbewerben deutlich, wie z.B. „Schüler experimentieren“ oder „Jugend forscht“.
Auf diese Weise lassen sich im Fach Chemie hochbegabte Kinder weitergehend fördern. Außerdem wird durch derartige Initiativen die Wahrscheinlichkeit gesteigert, dass diese Kinder einmal das naturwissenschaftliche Studium beginnen [BECKER, LÜCK 2006].
Zur Feststellung und Beseitigung von Fehlvorstellungen werden im Folgenden zwei Konzepte beschrieben und miteinander verglichen: conceptual growth und conceptual change.
Dabei meint das Prinzip des conceptual change (Konzeptwechsel), dass zunächst Schülervorstellungen und Alltagsvorstellungen erfasst werden. Mit Hilfe dieser wird der Unterricht darauf ausgerichtet, um bei dem Schüler kognitive Konflikte entstehen zu lassen. Dieser wird damit verpflichtet, falsche Erklärungsmuster aufzugeben und sich stattdessen korrekte Deutungen anzueignen. Zu diesem Ergebnis kamen auch Henry COLE und Ronald RAVEN:
„The results of the study show that learning the correct principle without first learning to exclude the false principles is not as effective as learning to exclude the false principles and then learning the correct principle.”13
Dabei ist es wichtig, den Schülern klar zu machen, dass es nicht darum geht, deren Alltagsvorstellungen vollständig zu beseitigen, weil sie fehlerhaft sind, sondern diese Alltagsvorstellungen wissenschaftlich zu überprüfen, zu korrigieren und zu einer fachlich korrekten Sicht zu kommen.
„Lernen kann […] nicht als Transfer von „Wissensfertigbauteilen“, sondern muss als aktive Konstruktion auf der Basis der bereits vorhandenen Vorstellungen gesehen werden. […] Das […] „Grundprinzip“ […] hebt hervor, dass Wissen grundsätzlich menschliche Konstruktion ist. Das bedeutet, dass auch das wissenschaftliche Wissen nicht als Abbild einer objektiv vom Menschen unabhängigen Realität zu sehen ist, sondern als menschliche Konstruktion […]“ [DUIT, GRÄBER 1993].
Conceptual change und conceptual growth beschreiben zwei Lernwege, die von den Fehlvorstellungen zu den wissenschaftlichen Vorstellungen führen: Das Konzept des conceptual growth verläuft dabei auf dem kontinuierlichen Weg, d.h., dass beim Lernen an die vorhandenen Vorstellungen des Lernenden anknüpft wird. Durch (kleinere) Verbesserungen wird die wissenschaftlich richtige Überzeugung erlangt. Allerdings droht in weiteren Situationen die Gefahr, dass zur Erklärung neuer Phänomene wieder zuerst die Fehlvorstellungen herangezogen werden und nicht die wissenschaftliche Methode.
Das Konzept des conceptual change beschreibt den diskontinuierlichen Weg: zuerst werden die Fehlvorstellungen behandelt, weil sie den wissenschaftlichen Tatsachen gegenüber stehen. Der Lernende muss einen kognitiven Konflikt erfahren, nur dieser bringt ihn dazu, die wissenschaftliche Richtigkeit zu akzeptieren.
Essentiell sind auch die Bedingungen, dass der Lernende mit den vorhandenen Vorstellungen unzufrieden sein muss (dissatisfaction), dass die neuen Vorstellungen logisch aufgebaut sind (intelligible), dass sie für den Lernenden einleuchtend sind (plausible) und dass sie auch in neuen Situation zur Erklärung beitragen (fruitful). Bei diesem Ansatz des Konzeptwechsels müssen noch einige soziale Aspekte beachtet werden, u.a.: Motivation, Interesse und Überzeugungen des Lehrenden und Lernenden [DUIT 1996].
Gerade im Bereich der Naturwissenschaften ist die Notwendigkeit zum Konzept des conceptual change von großer Bedeutung. Denn nur wenn zuerst die vorhandenen Fehlvorstellungen untersucht werden und anhand derer die wissenschaftliche Sicht erreicht wird und diese übernommen wird, ist der Lernerfolg möglich, weil dann die Fehlvorstellungen nicht mehr zur Erklärung diverser Phänomene herangezogen werden.
Aber gerade das Konzept des conceptual change ist nicht leicht in der Praxis anzuwenden, weil oft die eigenen Erklärungsversuche der Lernenden in ihnen so stark verwurzelt sind, dass sie nur kaum zur Unzufriedenheit führen, aber nur dann dauerhaft eliminiert werden können.
Bezogen auf das Untersuchungsthema der Komplexchemie bleibt zu sagen, dass die Schüler erst im Unterricht Komplexreaktionen begegnen. Bis dahin bleiben diese unbekannt, was bedeutet, dass keine Präkonzepte mitgebracht werden. Fehlvorstellungen werden folglich erst durch die falsche Vermittlung des Stoffes durch die Lehrperson oder durch die Komplexität des Themas verursacht.
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1 Gleiches gilt für: Befragte(r), Testperson(en), Lehrer(innen), Lernende(r), u.a.
2 „ein Körper wird als homogen betrachtet, der in all seinen Teilen gleiche Beschaffenheit hat, also z.B. nur fest, nur flüssig oder nur gasförmig ist oder der den von ihm eingenommenen Raum gleichmäßig erfüllt“ [ROEMPP 1995]
3 http://www.seilnacht.com/versuche/gleichg.html
4 [MORTIMER 1996, S. 511]
5 http://www.cci.ethz.ch/vorlesung/de/al1/node30.html
6 M = Zentralatom
7 http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/komplexe
8 [MORTIMER 1996, S.513]
9 Entdeckung durch Dippel und Diesbach im Jahr 1704
10 http://www.chemistryexplained.com/Va-Z/Werner-Alfred.html
11 Erster Wissenschaftler, der sich mit der Präparation ganzer Serien von Komplexverbindungen beschäftigte [GADE 2002]
12 [GADE 2002]
13 [COLE, RAVEN 1969, S. 234].
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