Goerres-Eule
Hinterglasbild, Jodie, 6a, 2009-10

 

Städtisches Görres-Gymnasium Düsseldorf

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Lehrinhalte der gymnasialen Oberstufe im Fach Chemie

In der Oberstufe wird das Fach Chemie am Görres-Gymnasium in Kooperation mit dem Luisen-Gymnasium regelmäßig als Grund- und Leistungskurs angeboten. Die Jahrgangsstufe 11 (10 für G8) dient dabei als Vorbereitung auf den späteren Unterricht in den Jahrgangsstufen 12 (11 f. G8) und 13 (12 f. G8). Hierdurch soll sichergestellt werden, dass alle Schüler mit den gleichen Voraussetzungen und Chancen zum Abitur geführt werden.
Inhaltlich werden in der Einführungsphase (Stufe 11 bzw. 10) die Grundlagen für ein systematisches Verständnis der organischen Chemie gelegt. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen wird gemessen. Daraus werden wichtige Erkenntnisse zum chemischen Gleichgewicht gewonnen. Diese werden genutzt, um die Vorgänge bei einem großtechnischen Verfahren besser verstehen zu können.
In der 12. /11. Jahrgangsstufe geht es zunächst um Elektrochemie. Dieses Thema wurde bereits in der Mittelstufe angesprochen und wird nun vertieft. Es schließt sich ein Exkurs in die chemische Analytik an, die ausgiebig experimentell erprobt wird. Den Abschluss bildet eine Reihe zu Reaktionswegen in der organischen Chemie. Innerhalb der 12. bzw. 11. Jahrgangsstufe soll ein Besuch eines Betriebes oder eines externen Schülerlabors stattfinden. In diesem Zusammenhang wurden bereits mehrmals erfolgreich Kontakte zu Henkel, Bayer oder ThyssenKrupp aktiviert. Die originale Begegnung ist für die Einschätzung der Einflussgrößen auf großtechnische Prozesse oder auch bei der forschenden Labortätigkeit ein wichtiger Bestandteil der naturwissenschaftlichen Grundbildung.
In der 13. /12. Jahrgangsstufe steht das Thema Farbstoffe im Mittelpunkt. Dieses Thema eignet sich besonders gut, um in Schülerversuchen chemische Synthesen durchzuführen, da man den Erfolg deutlich anhand der Färbung des Produktes erkennen kann. Innerhalb dieser Jahrgangsstufe zeigt sich, dass Farben nicht nur zur Zierde da sind, sondern auch wichtige Funktionen ausüben können.

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Curriculum Chemie 11./10. Klasse

Die 11./10. Klasse steht unter dem Leitthema:

"Ablauf und Steuerung chemischer Reaktion in Natur und Technik"

Die zugrunde liegenden Theoriekonzepte werden zunächst an einzelnen Beispielen untersucht. Gegen Ende des Jahres werden sie verwendet, um einen wichtigen großtechnischen Prozess im Detail nachvollziehen zu können. Mindestens ebenso wichtig wie die Erarbeitung der Lerninhalte ist es jedoch, die Schüler in diesem Jahr auf den weiteren Unterricht in der Oberstufe vorzubereiten. Hierzu werden die wichtigsten Gegenstände aus dem Mittelstufenunterricht erneut aufgegriffen und gegebenenfalls wiederholt. Innerhalb dieser Reihe werden zu Beginn vor allem stöchiometrische Grundkenntnisse aus dem Mittelstufenunterricht reaktiviert und vertieft. Es werden dabei lebensnahe Beispiele aufgegriffen und ausgewertet (z.B. Wie funktioniert ein Airbag?).
Es schließt sich eine Unterrichtseinheit mit der Überschrift "Vom Alkohol zum Aromastoff" an, in der zunächst Aromastoffe aus Naturstoffen über verschiedene Verfahren isoliert werde (z. B. Lavendelöl, Nelkenöl, Orangenöl ...). Die Aromastoffe leiten über zur Identifizierung organischer Verbindungen bzw. Stoffklassen: Alkanole, Alkanale, Alkanone, Alkansäuren, Ester.
Aus einem Alkohol und einer Carbonsäure kann ein Ester erzeugt werden (synthetischer Aromastoff). Diese Moleküle kommen häufig als Aromastoffe in Früchten vor. Die Schüler stellen verschiedene Ester her und vergleichen deren Duft mit den Aromen von Früchten und den künstlichen Aromen von Süßigkeiten.
Organische Substanzen werden anhand ihrer funktionellen Gruppen in Stoffklassen geordnet. Die Stoffeigenschaften werden mit Hilfe der Molekülstrukturen begründet. Neben experimentellen Aspekten wird in dieser Unterrichtsreihe die Systematik der organisch-chemischen Nomenklatur vermittelt.
Durch Oxidation kann gezielt eine funktionelle Gruppe eines organischen Moleküls verändert werden, so dass ein neues Molekül mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften entsteht. Zur Beschreibung der entsprechenden Reaktionen wird das Konzept der Oxidationszahlen in den Unterricht eingeführt.
Die folgende Unterrichtseinheit erforscht die Ermittlung und mathematische Erfassung der Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen.
Es wird nach einer Systematik gesucht, die die experimentell gemessenen Geschwindigkeiten von Reaktionen verstehen und vorhersagen lässt. Es wird untersucht, auf welche Weise eine Temperaturänderung (RGT-Regel), eine Konzentrationsänderung oder die Anwesenheit eines Katalysators die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Als neues Theoriekonzept wird hierzu die Stoß- und Kollisionstheorie eingeführt.
Unvollständig ablaufende chemische Reaktionen führen zum chemischen Gleichgewicht, das sich als dynamisches Gleichgewicht darstellt. Die mathematische Erfassung erfolgt über das Massenwirkungsgesetz (MWG). Auf die Lage des chemischen Gleichgewichtes, das auch bei der Herstellung von synthetischen Aromastoffen eine wichtige Rolle spielt, kann nach "Le Chatelier" Einfluss genommen werden. Dadurch wird z. B. die Ausbeute beeinflusst.
Wie wichtig diese Zusammenhänge sind, wird bei der Herstellung von Kunstdünger deutlich. Die Produktion von Düngemitteln wird am Beispiel des Haber-Bosch-Verfahrens gezeigt. Dabei wird auch fächerübergreifend auf den historischen Hintergrund eingegangen. Erst durch Anwendung der im Verlauf des Jahres erlernten Theoriekonzepte zu den Themen Reaktionsgeschwindigkeit, Katalysatoren und dem Massenwirkungsgesetz ist es möglich, diesen komplexen, großtechnischen Vorgang zu verstehen. Zusätzlich wird innerhalb dieser Unterrichtsreihe der natürliche Stickstoffkreislauf oder ein anderer natürlicher Kreislauf thematisiert.

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Curriculum Chemie 12./11. Klasse

Übergeordnetes Leitthema:

"Chemie in Anwendung und Gesellschaft"

In diesem Jahrgang soll also ein besonderes Augenmerk auf die technische und gesellschaftliche Bedeutung der Chemie gelegt werden. Wir fragen uns, wie Chemie unser Leben beeinflusst. Das Schuljahr ist in Trimester eingeteilt:

Themenfeld A: Speicherung und Nutzung elektrischer Energie in der Chemie

In diesem Themenfeld werden freiwillig und unfreiwillig ablaufende elektrochemische Prozesse untersucht. Freiwillig ablaufende Metallabscheidungen aus Lösungen führen zur Spannungsreihe der Metalle. Die galvanische Zelle (umgangssprachlich Batterie) wandelt chemische in elektrische Energie um. Eine sehr einfache galvanische Zelle ist eine Konzentrationszelle, die jedoch nur kleine Spannungen liefert. Eine Vielzahl handelsüblicher Batterien wird untersucht bzw. in ihrem Aufbau erläutert. Um die Prozesse mathematisch zu erfassen wird für beliebige Redoxpaare das Standardelektrodenpotential eingeführt, das die Wasserstoffnormalelektrode als Bezugselektrode aufweist. Mit Hilfe der Nernstschen Gleichung kann die Spannung einer beliebigen galvanischen Zelle berechnet werden. Akkumulatoren stellen eine weitere Gruppe der mobilen elektrochemischen Spannungsquellen dar. Hier stehen vor allem der Blei-Akku ("Autobatterie") und die Brennstoffzelle im Vordergrund.
Freiwillig ablaufende elektrochemische Prozesse finden auch bei Korrosionsvorgängen statt, so dass Korrosion und Korrosionsschutz einen wichtigen Beitrag zum Alltag liefern.
Zu den unfreiwillig ablaufenden elektrochemischen Reaktionen gehört die Elektrolyse. Die Elektrolyse ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung chemischer Grundstoffe. Es werden einfache Elektrolysen durchgeführt und die Abscheidung bestimmter Produkte an den Elektroden begründet (Abscheidungspotential, konkurrierende Elektrodenreaktionen, Zersetzungsspannung, Überspannung). Im Unterricht wird eine wichtige technische Elektrolyse behandelt (z. B. Chloralkalielektrolyse, Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Aluminium, Kupferraffination ...). In diesem Zusammenhang erfolgt die mathematische Erfassung über die Faradayschen Gesetze.

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Themenfeld C: Analytische Verfahren zur Konzentrationsbestimmung

Die Titration ist ein probates Mittel, um die Konzentration einer Lösung unbekannten Inhalts zu untersuchen. Die Schüler kennen dieses Verfahren bereits aus dem Unterricht der 10./9. Klasse. In der Oberstufe wird nun genauer untersucht, was während der Titration mit der Lösung geschieht. Hierzu wird der pH-Wert kontinuierlich gemessen. Die erhaltene Kurve wird diskutiert. Das Theoriekonzept der Säure-Base-Reaktionen (Brönsted), welches auf den Überlegungen zum chemischen Gleichgewicht aus Klasse 11/10 aufbaut, wird eingeführt. Es werden verschiedene Methoden zur Endpunktbestimmung angewendet. Dies können Indikatoren oder auch die Messung der elektrischen Leit-fähigkeit (pH-Meter) der Vorlage sein. Die unterschiedliche Stärke von Säuren und Basen (pKS- bzw. pKB-Wert) wird mathematisch erfasst. Die daraus resultierenden unterschiedlichen pH-Werte bei gleicher Konzentration werden berechnet (pH-Wert-Berechnung). Auf dieser Basis lassen sich saure und basische Eigenschaften von Salzen (Salzprotolysen) begründen.
Im Folgenden sind noch Schwerpunkte aufgeführt, die den Unterricht im Leistungskurs betreffen:
Die genaue Ermittlung des Verlaufes einer Titration mit Erstellung und Interpretation einer Titrationskurve verdeutlicht, warum ein einziger Tropfen der zugefügten Maßlösung zu einem pH-Sprung führt, der letztendlich den Farbumschlag des Indikators bewirkt.
Es ist oftmals sehr wichtig, den pH-Wert einer Lösung genau einzustellen. Dies ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen unausweichlich. Die Schüler stellen Lösungen her, die selbstständig hierfür sorgen. (Pufferlösungen)
Weitere Titrationsmethoden:
Die Redox-, die komplexometrische und die Fällungstitration werden vorgestellt und zur Konzentrationsbestimmung einer unbekannten Lösung angewendet.

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Themenfeld B: Reaktionswege zur Herstellung von Stoffen in der organischen Chemie

Mit der Veresterung haben die Schüler bereits in der 11./10. Klasse eine organische Reaktion kennen gelernt. Nun wird auch der Mechanismus dieser Reaktion besprochen, d.h. einzelne Schritte des Reaktionsablaufes. Die Schüler lernen, unterschiedliche Reaktionen bestimmten Reaktionstypen (Substitution, Addition, Elimination) zuzuordnen. Die Reaktionen laufen je nach vorliegender funktioneller Gruppe des Ausgangsstoffes radikalisch, nucleophil oder elektrophil ab. Schwerpunkt der Stoffklassen sind Alkane, Alkene, Halogenalkane, Carbonsäuren und Ester. Am Ende der Reihe sollen sie in der Lage sein, eine Strategie zur Synthese einer bestimmten Chemikalie aus einfachen Grundbausteinen zu entwerfen und somit Reaktionen zu Reaktionswegen zu verknüpfen.
Dem Leistungskurs bleibt vorbehalten, die Aufklärung der Sn1- bzw. Sn2-Reaktion näher zu erfassen sowie sich über die Regioselektivität einer Reaktion Gedanken zu machen (z.B. Regel von Markownikow).

Eine Schwerpunktsetzung erfolgt für alle Themenfelder im Rahmen der Abitur-Vorgaben, die für jeden Abiturjahrgang neu festgelegt werden.

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Curriculum Chemie 13./12. Klasse

Übergeordnetes Leitthema:

"Chemische Forschung - Erkenntnisse, Entwicklungen und Produkte"

Laut Lehrplan können zwei mögliche Unterthemen gewählt werden. Am Görres-Gymnasium hat sich das Thema "Farbstoffe und Farbigkeit" bewährt, welches mit dem Theoriekonzept "das aromatische System" verknüpft ist. Farbstoffe eignen sich schon deshalb gut für den Unterricht, da es diese Sub-stanzklasse ermöglicht, den Erfolg einer chemischen Synthese schon aufgrund des optischen Erscheinungsbildes des Produkts abzuschätzen. Im Verlauf des Jahres werden die Schüler verschiedene Farbstoffklassen kennen lernen und möglichst viele auch selbst synthetisieren. Verschiede Färbeverfahren werden ebenfalls erprobt. Falls die Zeit es erlaubt, ist es durchaus möglich auch das weitere zur Wahl stehende Thema, Makromoleküle, anzureißen, da auch dieses Thema für die aktuelle chemische Forschung von besonderer Bedeutung ist. In der Regel ist dies jedoch nur für den Leistungskurs möglich.

Aromatische Verbindungen stellen eine eigene Stoffklasse dar, die besondere Eigenschaften aufweist. Die Stabilität eines aromatischen Moleküls wird mit der eines entsprechenden Aliphaten verglichen. Die Hückel-Regel ermöglicht Aromatizität zu erkennen.
Der Kanon der organisch-chemischen Reaktionen wird um die an einem Aromaten stattfindende elektrophile Substitution erweitert. Es wird gezeigt, wodurch ein Aromat für diese Reaktion aktiviert bzw. deaktiviert werden kann (mesomere und induktive Effekte). Hierzu wird die Formulierung mesomerer Grenzstrukturen herangezogen. Abschließend wird das Thema Zweitsubstitution behandelt. Auch am Ende dieser Unterrichtseinheit sollen die Schüler in der Lage sein, eine Synthesestrategie mit Hilfe der besprochenen Reaktion aufzustellen.

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Das Thema Farbstoffe und Farbigkeit ermöglicht an vielen Stellen fächerübergreifende Aspekte mit einzubeziehen. Es wird eine Referatreihe durchgeführt, die die Chemie mit Physik, Biologie, Kunst, Geschichte und Geographie verknüpft.
Es stellen sich z.B. folgende Fragen:
Was ist Licht? Welche Strukturen in einem Molekül lassen auf Farbigkeit schließen? Auf welche Weise interagiert ein Lichtquant mit einem Farbstoffmolekül (Leistungskurs)? Was geschieht in unserem Auge, wenn wir eine Farbe wahrnehmen? Was ist Fluoreszenz ...
Die Chromophor-Theorie und das Mesomeriemodell werden zur Ermittlung der Farbigkeit von Stoffen herangezogen. Triphenyl-, Anthrachinon- und Azofarbstoffe werden synthetisiert. Es wird gezeigt, wie funktionelle Gruppen die Farbe dieser Stoffe beeinflussen (hypso- oder bathochromer Effekt). Es wird untersucht, wie ein Farbstoff auf die Änderung des pH-Wertes reagiert (Indikatorfarbstoffe).
Es wird die Färbung eines Textilstückes mit Indigo und einem Küpenfarbstoff vorgenommen sowie die Beizenfärbung von Baumwolle mit Alizarin durchgeführt. Eine Entwicklungsfärbung wird mit einem Azofarbstoff durchgeführt. Zudem werden Direkt- und Reaktivfärben mit den anderen angewandten Färbemethoden verglichen. Hierzu werden die wesentlichen Strukturmerkmale der zu färbenden Fasern mit den im Farbstoffmolekül enthaltenen Gruppen in Beziehung gesetzt. Zum Schluss werden die Schüler eine eigene Färbestrategie mit einem selbst synthetisierten Farbstoff entwickeln und in einer Testreihe überprüfen.
Mit dem Thema Färbemethoden endet das Curriculum des Fachs Chemie. Das 13./12. Schuljahr endet mit dem Abitur, deshalb ist eine intensive Prüfungsvorbereitung integraler Bestandteil des Unterrichts in dieser Zeit. Der Stoff der 12./11. und 13./12. Klasse wird gegen Ende des Kurses kompakt wiederholt. Der Umgang mit Prüfungsfragen wird geübt, um Missverständnisse während der schriftlichen Prüfung zu vermeiden.
Dieser letzte Unterrichtsabschnitt soll aber nicht nur als Vorbereitung auf die konkrete Prüfung - das schriftliche Abitur - dienen, sondern soll auch ein allgemeiner Leitfaden zur Vorbereitung auf Klausuren und Prüfungen im Studium sein.

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Hoffmann-BrunsStand: Januar 2010
© FK Chemie des Städt. Görres-Gymnasiums Düsseldorf