Erfahrungsbericht: Das Periodensystem in der PraxisDas PSE einmal anders – Stoffe, Teilchenverbände und Atome getrennt

Anlässlich der Entdeckung des PSE vor nunmehr 150 Jahren ist es an der Zeit, die Tücken des PSE in der Schule aufzudecken und die Erfahrungen mit einem didaktisch aufbereiteten PSE vorzustellen.

Heißer Schwefel tritt flüssig aus und sammelt sich. Die gelbe Farbe des Stoffs ist leuchtend auf dem dunklen Vulkanboden.

Der Begriff Element: Stoff oder Atomsorte? Hier ist das Element Schwefel eindeutig als Stoff zu sehen; genauer gesagt, wie elementarer Schwefel in der Vulkanlandschaft Äthopiens an die Erdoberfläche tritt und sich in Becken sammelt. Foto: ilf_ /flickr Creative Commons BY-SA 2.0

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Das PSE – eine Tabelle mit Tücken

Das PSE hat seinen festen Platz als Werkzeug im Chemieunterricht und ist in jedem Schulbuch und jeder Formelsammlung zu finden. Doch die PSE-Versionen in vielen Schulbüchern und im Internet beinhalten die Schwierigkeit, dass vielfach Stoffeigenschaften und Teilcheneigenschaften von Elementen im PSE kombiniert dargestellt werden. Die Lernhürde für Schülerinnen und Schüler ist dabei der Begriff Element an sich, weil er ein chemisches Teekesselchen ist ( [1]): Ein Element kann ein Stoff sein und auch eine Atomsorte, ganz zu schweigen von den weiteren alltagssprachlichen Bedeutungen.

In den herkömmlichen PSE stellt zwar meist eine Legende Stoff- und Atomeigenschaften von Elementen klar, doch erscheint es aus Sicht der Schülerinnen und Schüler hilfreich, Stoff- und Atomeigenschaften auch optisch zu trennen. Im PSE3 ist genau diese optische Trennung für jeden Stoff bzw. jede Atomart vorgenommen. Zusätzlich enthält das PSE3 nicht nur Angaben über die Atomarten, sondern auch darüber, wie die Atome miteinander zu kleineren oder größeren Verbänden verbunden sind. Dies hilft den Schülerinnen und Schülern dabei, Stoff- und Teilchenebene deutlicher zu differenzieren. Dies zeigen zumindest meine Erfahrungen mit dem PSE3 in Schülerhand. Viele weitere Informationen zum PSE3 finden sich auf dem Blog https://pse3de.wordpress.com/didaktik/.

Erfahrungen mit dem PSE3

Meine Schülerinnen und Schüler bekommen das PSE3 bereits als Ausdruck, wenn das Atommodell von Dalton eingeführt wird. Hier dient das PSE dann als Elementetabelle, ohne Bezug zum Atombau. Die Schülerinnen und Schüler haben zuvor die Kennzeichen von Elementen auf der Stoffebene als chemisch nicht weiter zerlegbare Stoffe und von Verbindungen als durch chemische Reaktion in Elemente zerlegbare Stoffe kennengelernt und auch Gruppen von Elementen (Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle) nach ihren Eigenschaften grob differenziert. Dass Elemente nicht weiter in andere Stoffe zerlegt werden können, wurde von den Schülerinnen und Schülern anschließend auf der Teilchenebene gedeutet: Elemente sind Atomsorten.

Hier bietet das PSE3 durch die optische und inhaltliche Trennung von Stoffeigenschaften und Atom- bzw. Teilcheneigenschaften eine Hilfe, Elemente als Stoff und Atomsorte zu erfassen (Link zum Original). Dazu ist jedes Feld für ein Element gedrittelt (Link zu kleiner Vorschau). Das untere Drittel kennzeichnet die Stoffebene. In diesem Feld sind neben dem ausgeschriebenen Namen des Elements jeweils Schmelz- und Siedetemperatur notiert, auch ein Bild des Stoffes ist meist vorhanden. Die Farbcodierung kennzeichnet zudem, ob der elementare Stoff ein Metall, Halbmetall oder Nichtmetall ist. Die Teilchenebene wird in den beiden weiteren Dritteln pro Element adressiert: Die Atomart ist im oberen Feld angegeben. Zusätzlich zum Elementsymbol, was die Teilchenebene darstellt, sind weitere Atomeigenschaften wie die mittlere Atommasse und die Ordnungszahl, die erste Ionisierungsenergie und der EN-Wert angegeben. Das mittlere Feld zu jedem Element enthält die Teilchenart, aus der das Element als Stoff zusammengesetzt ist. Beim Element Schwefel steht S8 für die S8-Moleküle, aus denen das Molekülgitter des Stoffes Schwefel aufgebaut ist.

Als Eigenschaften der Teilchenarten sind die Atomisierungsenergie sowie bei Nichtmetallen die Bindungslänge im Molekül bzw. der mittlere Abstand der Atome bei Metall- oder sonstigen Gitterstrukturen angegeben. Über einen Farbcode wird wiederum die Art der Teilchen angegeben, aus denen der Stoff aufgebaut ist. So erkennen die Schülerinnen und Schüler auf den ersten Blick, dass ausschließlich die Edelgase einatomig vorkommen; Halogene und viele andere elementare Gase zweiatomige Moleküle bilden und Metalle in Atomgittern vorkommen. Ferner können die Schülerinnen und Schüler ablesen, dass einige Elemente in unterschiedlichen Variationen vorkommen können, den Modifikationen. Dadurch, dass Modifikationen wie die von Kohlenstoff oder Phosphor ins PSE integriert sind, wird für die Schüler deutlicher, dass es sich bei Modifikationen um verschiedene Stoffe handelt, die die gleiche Atomsorte als grundlegenden Stoffbaustein haben.

Durch die Betrachtung der Ebene der Teilchenarten wird den Lernenden leichter ersichtlich, dass die Eigenschaften eines elementaren Stoffes nicht nur von der Atomart abhängen, aus denen das Element zusammengesetzt ist, sondern vielmehr von den Teilchenaggregaten und Teilchenarten, also der Verknüpfung der Atome untereinander.

Nach meinen Erfahrungen besteht der wesentliche Vorteil dieses PSE3 in der nun klaren Trennung von Stoff- und Teilchenebene. Schülerinnen und Schüler können so die mehrfache Bedeutung des Wortes Element leichter fassen und die Eigenschaften des elementaren Stoffs, der Atome und der konkreten Teilchen, aus denen der Stoff aufgebaut ist, leichter gegenüberstellen. Die Einarbeitung in dieses PSE ist nur geringfügig aufwändiger, doch dieser kleine Aufwand lohnt sich, denn über die integrierte Angabe der konkreten Teilchen eines Stoffes, erhalten die Schülerinnen und Schüler ein weiterreichendes Werkzeug als es die herkömmlichen PSE-Versionen sind.

Limits und Möglichkeiten im Unterricht

Die Angaben im PSE3 reichen für fast alle Themen des Mittelstufenunterrichts aus. So kann auch der Zusammenhang zwischen dem Atombau und der Stellung der Atomart im PSE herausgearbeitet werden. Die Werte für die erste Ionisierungsenergie und die Werte für den mittleren Atomabstand in Gitterverbänden bzw. die Werte für die Bindungslänge in Molekülen ermöglichen die Ableitung periodischer Eigenschaften innerhalb der Atomsorten im PSE, wenn man den Atomaufbau mit einbezieht. Die Durchschnittswerte für den Atomabstand entsprechen zwar weder Kovalenzradien noch Van-der-Waals-Radien oder metallischen Radien, Vorstellungen zur „Dichte“ können mit dieser elementarisierten Größe jedoch zusätzlich auf der Teilchenebene gefestigt werden, bis hin zur Berechnung ihres Zahlenwertes. Für die Ableitung der periodischen Eigenschaften und das Arbeiten mit dem PSE ist diese Abstandsgröße nicht weiter störend. Die Vorteile der klaren Trennung der Ebenen und der Einbindung der Arten der Stoffbausteine (kleinste Wiederholungseinheit), aus denen das jeweilige Element sich zusammensetzt, überwiegen.

Quelle zum Ausdrucken:

Der Klett-Verlag stellt verschiedene Varianten bereit: Link

https://www2.klett.de/sixcms/media.php/229/PSE3_auf_einem_Blatt_V2.pdf

Hier sind die sechs Zahlenwerte auf der rechten Seite weggelassen.

Das vollständige PSE³ erhält man hier: https://www2.klett.de/sixcms/media.php/229/PSE3_Langform_A4_V4.pdf

Literatur:

[1] Der Elementbegriff als Teekesselchen; NiU-Chemie, Heft 128, S. 24-27 (Beitrag ist vergriffen)

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