10. – 13. Schuljahr

Petra Wlotzka und Jutta Lumer

Organische Stoffklassen und Reaktionsmechanismen

Visualisierungsstrategien als Erarbeitungshilfen

Die organische Chemie ist integraler Bestandteil aller Oberstufenlehrpläne. Dabei stehen i.d.R. die Klassifizierung von organischen Stoffen in Stoffklassen, die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Stoffklassen und vor allem auch Reaktionsmechanismen im Mittelpunkt der Betrachtungen. Doch gerade die Entwicklung von geeigneten Reaktionswegen für die Herstellung organischer Produkte mit der einhergehenden Abschätzung des Reaktionsverhaltens organischer Stoffe bereitet vielen Schülerinnen und Schülern große Probleme, wie diverse Studien belegen; denn das Vorhersagen mechanistischer Abläufe ist sehr komplex und setzt voraus, dass die Lernenden zur Beschreibung und Erklärung verschiedene Konzepte miteinander verknüpfen können [1]. Um tatsächlich vorauszusagen, wie organische Moleküle miteinander reagieren, müssen ganz unterschiedliche Eigenschaften von Molekülen und dynamische Veränderungen in den Blick genommen, gedanklich miteinander verknüpft und gegeneinander abgewogen werden. Nur wer Reaktionsmechanismen in ihrer Mehrdimensionalität verschiedener Konzepte durchdringt, kann kompetent Schlussfolgerungen ziehen, Reaktionswege postulieren und erworbenes Wissen auch auf unbekannte Fragestellungen anwenden [2].
Geeignete Visualisierungstechniken können helfen, die Eigenschaften von Molekülen und die darauf zurückzuführenden Reaktionsmechanismen für die Lernenden transparent zu machen [3]. Im vorliegenden Beitrag werden an Beispielen des Unterrichts der Sekundarstufe II (Organik) verschiedene Markierungs- und Zuordnungstechniken sowie ein Overlay-Verfahren vorgestellt. Damit werden Schülerinnen und Schülern im Laufe der gymnasialen Oberstufe Handlungsoptionen an die Hand gegeben, die es ihnen ermöglichen, auf ähnliche Art und Weise selbstständig an die Lösung neuer mechanistischer Problemstellungen heranzugehen.
Klassifizierung organischer Stoffklassen mithilfe farbiger Markierungen
Am Ende der Sekundarstufe I bzw. zu Beginn der Sekundarstufe II lernen die Schülerinnen und Schüler an Alltagsbeispielen die verschiedenen organischen Stoffklassen mit ihren typischen funktionellen Gruppen kennen. Die funktionellen Gruppen bestimmen die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten der jeweiligen Moleküle. Von daher ist ein erster grundlegender Schritt für das Verständnis eines Reaktionsmechanismus, dass die Lernenden die funktionellen Gruppen der beteiligten organischen Moleküle eindeutig erkennen und deren Eigenschaften ableiten können.
In diesem Sinne dient Material1 der Klassifizierung und Systematisierung organischer Sauerstoffverbindungen. Die Lernenden kennzeichnen dazu in einem ersten Schritt alle funktionellen Gruppen der abgebildeten Moleküle mit unterschiedlichen Farben (vgl. Aufgabe1). Diese Tätigkeit wird von den Schülerinnen und Schülern zunächst als eintönig empfunden. Spätestens jedoch, wenn es darum geht, ein Ordnungsschema zu erstellen, erkennen sie den hilfreichen Nutzen, weil ihnen die Farben eine erste Orientierung bieten. Da es nicht nur die eine „richtige Anordnung gibt (Abb.1 ), wird die Auseinandersetzung mit den funktionellen Gruppen und den Stoffklassen schon dadurch vertieft, dass jeder für sich ein eigenes Ordnungsschema konzipiert. Die Vorgabe der Farben erleichtert es dabei, unterschiedliche Anordnungen miteinander zu vergleichen. Dieser automatisch stattfindende Austausch vertieft erfahrungsgemäß nochmals die Auseinandersetzung mit den Molekülen und fördert so das intendierte Üben, Wiederholen und Festigen.
Darüber hinaus können die fertigen Übersichten auch dazu genutzt werden, um an ausgewählten Molekülen über die Elektronegativitäten der einzelnen Atome der Moleküle polare Bindungen zu bestimmen und positive bzw. negative Teilladungen im einzelnen Molekül einzeichnen zu lassen. Entsprechende Überlegungen in solch intensiven...

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