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11/12 Chemie (3)

In den unterschiedlichen Ausbildungsrichtungen der Mittelstufe haben die Schüler ein solides und breit gefächertes Grundwissen erworben. Sie führen das Fach Chemie nun mit dem Ziel fort, ihre naturwissenschaftliche Allgemeinbildung zu vertiefen und ihre methodischen Kompetenzen zu erweitern.

Das Experiment als zentrale Methode naturwissenschaftlicher Welterschließung wird in der Oberstufe in verstärkt wissenschaftspropädeutischer Weise eingesetzt und differenzierter als bisher ausgewertet. Regelmäßiges selbständiges und eigenverantwortliches Handeln der Schüler fördert ihre Studierfähigkeit und dient auch als Vorbereitung für ihre spätere Berufstätigkeit.

In den Jahrgangsstufen 11 und 12 erschließen sich die Schüler mithilfe ihrer chemischen Grundkenntnisse und -fertigkeiten unter Anwendung bekannter Basiskonzepte viele Lebensvorgänge, Alltagsphänomene sowie technische Prozesse. Dies fördert ihr Interesse an einer weitergehenden Auseinandersetzung mit naturwissenschaftlichen Fragestellungen, weckt ihre Neugierde, die eigene Erlebniswelt mit den Denkstrategien der Chemie zu hinterfragen, und schafft die Grundlage für rationales Urteilen und zielorientiertes Handeln. Das Struktur-Eigenschafts-Konzept ist für die Schüler die Leitlinie bei der Auseinandersetzung mit der Chemie der Farbstoffe, Kunststoffe und Tenside. Hierbei erkennen sie, dass Produkte der chemischen Industrie unsere Umwelt und Zivilisation entscheidend prägen. Im Themenbereich Biochemie begegnen die Schüler den für das Leben so bedeutsamen Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten und eröffnen sich das Verständnis von Lebensvorgängen als komplexe Abfolge chemischer Prozesse. Ihre gestiegene Abstraktionsfähigkeit ermöglicht den Schülern, das Gleichgewichtskonzept als Schlüssel zu einem vertieften Verständnis chemischer Reaktionen zu begreifen, chemische Gleichgewichte mathematisch zu beschreiben und quantitativ zu erfassen.

Jahrgangsstufe 11

C 11.1 Aromatische Kohlenwasserstoffe (ca. 12 Std.)

Anhand ausgewählter aromatischer Verbindungen vergleichen die Schüler das charakteristische Reaktionsverhalten dieser Verbindungsklasse mit dem bekannter Kohlenwasserstoffe. Dabei werden ihnen auch die Grenzen bisheriger Bindungsmodelle bewusst. Die Mesomerie ergänzt diese Modellvorstellungen und bildet die Grundlage für das Verständnis der Bindung in aromatischen Molekülen. Bei der Beschäftigung mit dem Reaktionsmechanismus der elektrophilen Substitution sowie dem Einfluss eines aromatischen Restes auf die Eigenschaften bekannter funktioneller Gruppen wiederholen die Schüler wichtige Grundlagen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen organischer Moleküle aus Jahrgangsstufe 10 und erfahren, dass die aromatischen Verbindungen als Grundstoffe zahlreicher Alltagsprodukte eine große Rolle spielen.

  • Benzol als Aromat: Eigenschaften, Verwendung, Umwelt- und Gesundheitsaspekte
  • Mesomerie durch delokalisierte Elektronensysteme: Regeln zur Aufstellung von Grenzstrukturformeln, Mesomerieenergie

  • Halogenierung als elektrophile Substitution
  • Einfluss des Phenylrests auf die Acidität am Beispiel von Phenol und Anilin; Vergleich mit aliphatischen Alkoholen, Aminen und Carbonsäuren

C 11.2 Struktur und Eigenschaften von Farbstoffen (ca. 10 Std.)

Ausgehend von experimentellen Untersuchungen erkennen die Schüler den Zusammenhang zwischen Absorptionsverhalten und Farbigkeit von Farbstofflösungen. Das Phänomen der Farbigkeit organischer Substanzen deuten sie als Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Elektronen. Darauf aufbauend kann der Einfluss von Änderungen der Farbstoffmolekülstruktur auf die Farbigkeit modellhaft erklärt werden. Die Beschäftigung mit dem Photosynthesepigment Chlorophyll öffnet den Blick auf die Bedeutung der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Am Beispiel der gerade auch historisch bedeutsamen synthetischen Azofarbstoffe begreifen sie das Funktionsprinzip des Farbwechsels von Indikatoren. Der Einsatz von Farbstoffen zur Textilfärbung unterstreicht die Alltagsbedeutung der Farbstoffchemie.

  • strukturelle Voraussetzungen von Lichtabsorption und Farbigkeit: delokalisierte Elektronensysteme, Einfluss von Substituenten

  • Naturfarbstoffe: Absorptionsspektrum von Chlorophyll

  • Azofarbstoffe als synthetische Farbstoffe: Struktur, Synthese (mit Mechanismus), Funktionsprinzip eines Indikators

  • Färbeverfahren: Küpenfärbung am Beispiel des Indigo

C 11.3 Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen (ca. 10 Std.)

Die Schüler erkennen, in welchem Maß der Alltag in unserer Zivilisation durch Kunststoffe geprägt ist. Sie erfassen, wie sich aus einfachen Monomerbausteinen unter Anwendung von teilweise bereits aus der Mittelstufe bekannten Reaktionstypen makromolekulare Stoffe synthetisieren lassen und können mithilfe des Struktur-Eigenschafts-Konzepts die besonderen Eigenschaften der Kunststoffe aus deren makromolekularer Struktur erklären. Über die Auseinandersetzung mit der ökologischen Dimension der Herstellung, Entsorgung und Wiederverwertung von Kunststoffen entwickeln sie die Bereitschaft zu verantwortlichem Handeln.

  • Synthese von Polymeren:
    • radikalische Polymerisation
    • Polyaddition (Polyurethan)
    • Polykondensation (Polyamid, Polyester)
  • Struktur und Eigenschaften von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren
  • Silikone und Carbonfasern als moderne Werkstoffe
  • Kunststoffabfall: Verbrennung, Verwertung, Vermeidung

C 11.4 Fette und Tenside (ca. 12 Std.)

Die Erarbeitung des Zusammenhangs zwischen den physikalischen und chemischen Stoffeigenschaften und der Molekülstruktur führt die Schüler auch zu Aspekten der gesunden Ernährung und verdeutlicht ihnen die Rolle der Fette als nachwachsende Rohstoffe. Ausgehend von den Seifen als den ältesten bekannten Tensiden stellt sich ihnen nicht nur die Wirkungsweise waschaktiver Substanzen dar, sondern auch die heutige Alltagsbedeutung synthetischer Tenside.

  • Neutralfette als Triacylglycerine: gesättigte und ungesättigte Fettsäuren
  • physikalische Eigenschaften von Fetten: Schmelzbereich, Löslichkeit
  • Bedeutung als Nahrungsmittel (auch Fetthärtung), Energieträger und nachwachsende Rohstoffe

  • Verseifung von Fetten
  • Tenside: amphiphile Eigenschaften und Grenzflächenaktivität, Vergleich von Seifen und Alkylbenzolsulfonaten

C 11.5 Kohlenhydrate und Stereoisomerie (ca. 15 Std.)

Das Phänomen der optischen Aktivität ist Ausgangspunkt für die Erschließung der Molekülchiralität als deren strukturelle Ursache. Die Schüler können hierbei ihr Grundwissen über funktionelle Gruppen und das Struktur-Eigenschafts-Konzept anwenden. Die Erkenntnis, dass scheinbar geringfügige Unterschiede in den Molekülkonfigurationen weitreichende biologische Auswirkungen haben können, ist für das Verständnis der Chemie vieler Naturstoffe von zentraler Bedeutung. Das Arbeiten mit Molekülmodellen unterstützt die Schüler bei der Entwicklung ihres räumlichen Vorstellungsvermögens. Mit Stärke und Cellulose lernen sie wichtige Speicher- und Gerüststoffe kennen, die auch als nachwachsende Rohstoffe Verwendung finden. Die Nachweisreaktionen für Zucker sind in besonderer Weise für Praktika geeignet.

Stereoisomerie

  • Molekülchiralität als Voraussetzung für optische Aktivität: Enantiomerie und Diastereomerie
  • Fischer-Projektionsformeln; D- und L-Konfiguration an Beispielen

Isomerie bei Monosacchariden

  • Kohlenhydrate als Polyhydroxycarbonylverbindungen; Fischer- und Haworth-Projektionsformeln
  • D-Glucose: Pyranosestruktur (nukleophile Addition); Mutarotation
  • D-Fructose: Furanosestruktur; Keto-Enol-Tautomerie

Verknüpfungsprinzip bei Di- und Polysacchariden

  • Disaccharide: Maltose, Cellobiose, Saccharose; glykosidische Bindung; Fehling-Probe und Silberspiegel-Probe

  • Polysaccharide: Stärke und Cellulose als Reserve- und Gerüstpolysaccharide; Zusammenhänge zwischen Molekülstruktur und Stoffeigenschaft

C 11.6 Aminosäuren und Proteine (ca. 10 Std.)

Unter Anwendung der bereits erarbeiteten Kenntnisse zu den Säure-Base-Eigenschaften funktioneller Gruppen erschließen sich den Lernenden die besonderen Eigenschaften der Aminosäuren. Hierbei wenden sie ihr Grundwissen über Molekülchiralität und Nomenklatur an und lernen die Peptidbindung als Verknüpfungsprinzip kennen. Die Auseinandersetzung mit höheren Strukturen ermöglicht es den Schülern, charakteristische Proteineigenschaften zu erklären und die fundamentale Bedeutung der Proteine für das Leben zu erfassen. Hierbei kommt der Verwendung von Molekülmodellen am Computer besondere Bedeutung zu.

Aminosäuren

  • Grundstruktur der α-Aminocarbonsäuren: Fischer-Projektionsformeln
  • Eigenschaften: Löslichkeit, Säure-Base-Eigenschaften; Zwitterionenstruktur
  • Prinzip der Elektrophorese, isoelektrischer Punkt

Peptide und Proteine

  • Peptidbindung: räumlicher Bau, Nachweisreaktionen für Peptide
  • Proteinstruktur: Von der Primär- zur Quartärstruktur
  • biologische Bedeutung

C 11.7 Reaktionsgeschwindigkeit und Enzymkatalyse (ca. 15 Std.)

Anhand von Experimenten setzen sich die Schüler erstmals quantitativ mit dem zeitlichen Aspekt chemischer Reaktionen auseinander und erhalten hierbei einen Einblick in die Bedeutung der Reaktionsgeschwindigkeit für technische und biologische Prozesse. Aus der Analyse von Messergebnissen leiten die Schüler eine sinnvolle Definition von momentaner und mittlerer Reaktionsgeschwindigkeit her. Die beobachteten Abhängigkeiten der Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktionsbedingungen werden auf der Teilchen­ebene mithilfe der Stoßtheorie gedeutet. Diese Theorie verhilft den Schülern auch zum vertieften Verständnis der bereits bekannten Phänomene der Aktivierung und Katalyse chemischer Reaktionen.

Anhand des Schlüssel-Schloss-Modells erlangen die Schüler eine Vorstellung von der Wirkungsweise der Enzyme, die ihnen dabei hilft, die Substratspezifität, die Wirkungsspezifität und die charakteristische Abhängigkeit dieser Katalysatoren von den Milieubedingungen zu verstehen und in den Bedeutungszusammenhang biologischer Systeme einzuordnen.

  • zeitlicher Verlauf einer Reaktion, Ermittlung einer mittleren und einer momentanen Reaktionsgeschwindigkeit; Vorgänge auf Teilchenebene: Stoßtheorie

  • experimentelle Ableitung der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktionsbedingungen

  • Aktivierungsenergie und Katalyse
  • Enzyme: Substrat- und Wirkungsspezifität; Schlüssel-Schloss-Prinzip, Einfluss von Hemmstoffen

  • Abhängigkeit der Enzymaktivität von Substratkonzentration, Temperatur, pH-Wert, Schwermetallionen

Jahrgangsstufe 12

C 12.1 Chemisches Gleichgewicht (ca. 18 Std.)

Aufbauend auf ihrem in Jahrgangsstufe 10 erworbenen Wissen zu reversiblen Reaktionen erkennen die Schüler, dass vielen chemischen Prozessen ein dynamisches Gleichgewicht zugrunde liegt. Computersimulationen oder Modellexperimente erleichtern den Lernenden dabei den für das Verständnis häufig erforderlichen Wechsel zwischen der Betrachtung der Vorgänge auf der Teilchen- und auf der Stoffebene. Das Massenwirkungsgesetz befähigt die Schüler zur Vorhersage der Auswirkungen von Konzentrationsänderungen und erlaubt die Durchführung einfacher Berechnungen. Das Prinzip von Le Chatelier erweitert qualitativ die Betrachtung der Störung des Gleichgewichts auf weitere Außenfaktoren. Die Bedeutung des Massenwirkungsgesetzes und des Prinzips von Le Chatelier für die Planung großtechnischer Verfahren erarbeiten die Schüler am Beispiel des Haber-Bosch-Verfahrens. Sie erkennen, dass alltägliche chemische Vorgänge, vor allem auch in Lebewesen, häufig irreversibel und nur in eine bestimmte Richtung ablaufen. Die Analyse dieser Reaktionen führt die Schüler zum Begriff der Entropie.

  • Aufgreifen von Grundwissen: reversible Reaktionen
  • dynamisches Gleichgewicht: Hin- und Rückreaktion
  • Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante Kc
  • Störung des Gleichgewichts; Prinzip von Le Chatelier
  • technische Anwendung: Haber-Bosch-Verfahren
  • Entropie und Richtung chemischer Reaktionen

C 12.2 Protolysegleichgewichte (ca. 18 Std.)

Die Anwendung des Massenwirkungsgesetzes auf Protolysegleichgewichte ermöglicht den Schülern, die bisher nur qualitativ zugänglichen bzw. aus der Molekülstruktur ableitbaren Säure-Base-Eigenschaften auch quantitativ zu erfassen. Bei der Auswertung der Messergebnisse von praktischen Experimenten zur Säure-Base-Titration vertiefen sie die theoretisch aus dem Massenwirkungsgesetz abgeleiteten Erkenntnisse und üben, diese auf Beispiele aus dem Alltag anzuwenden. Hierbei bietet sich der Einsatz des Computers zur Messwerterfassung und Auswertung an. Die Bedeutung von Puffersystemen in der Natur sowie für technische Anwendungen wird den Schülern deutlich.

  • Aufgreifen von Grundwissen: Säure-Base-Definition nach Brönsted; korrespondierende Säure-Base-Paare
  • Ionenprodukt des Wassers und pH-Wert
  • Säure- und Basenstärke: pKS- und pKB-Wert
  • pH-Wert wässriger Lösungen starker und schwacher Säuren und Basen
  • Ermittlung und Interpretation von Titrationskurven: pKS-Bestimmung durch Halbtitration, Auswahl geeigneter Indikatoren

  • Puffersysteme: Wirkungsweise und Bedeutung

C 12.3 Redoxgleichgewichte (ca. 27 Std.)

Experimentalbefunde machen den Schülern bewusst, dass auch viele Redoxvorgänge als Gleichgewichtsreaktionen beschrieben werden können. Standardpotentiale ermöglichen es ihnen, die Richtung von Elektronenübergängen zu ermitteln und letztlich auch Leerlaufspannungen in galvanischen Zellen zu berechnen. Diese Grundlagen der Elektrochemie nutzen sie für ein vertieftes Verständnis der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie bei der Elektrolyse. Die große Bedeutung von Redoxvorgängen wird den Schülern auch bei der Beschäftigung mit Korrosionsphänomenen und mit elektrochemischen Energiequellen bewusst. Am Beispiel der Brennstoffzelle erkennen sie den Beitrag der angewandten Chemie zur Lösung aktueller technologischer und umweltrelevanter Herausforderungen.

  • Aufgreifen von Grundwissen: Donator-Akzeptor-Prinzip; korrespondierende Redoxpaare
  • galvanische Zelle: Leerlaufspannung als Potentialdifferenz
  • Spannungsreihe: Standard-Wasserstoff-Halbzelle, Standardpotentiale
  • Konzentrationsabhängigkeit des Redoxpotentials: Konzentrationszelle und Nernstsche Gleichung

  • Elektrolyse: Zersetzungsspannung und Phänomen der Überspannung
  • elektrochemische Energiequellen in Alltag und Technik: Batterie, Akkumulator, Brennstoffzelle

  • Korrosion und Korrosionsschutz bei Metallen; Kontaktelement
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