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Chemieunterricht in der Oberstufe (Sekundarstufe II)

Ausarbeitungen von Werner Schötschel

Enthalpie und Entropie - Über den Ablauf chemischer Reaktionen

    Neubearbeitung: Juli 2007
    (Für die kritische Durchsicht und viele gute Änderungsvorschläge danke ich Herrn Werner Heinritz, Gomaringen.)

    Der Stoff war früher in den saarländischen Lehrplänen vorgesehen als ein Zusatzthema im Chemieunterricht der Sekundarstufe I der mathematisch-naturwissenschaftlichen Gymnasien.

    Inhaltsverzeichnis

    Arten chemischer Systeme
    Zustandsgrößen
    Innere Energie U
    1. Hauptsatz der Thermodynamik
    Isochore und isobare Reaktionen
    Enthalpieänderung
    exotherme und endotherme Reaktionen
    Standardenthalpien, Bildungsenthalpien, Reaktionsenthalpien
    Entropie S
    2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik
    Freie Enthalpie G und Gibbs-Gleichung
    Freie Standard-Reaktionsenthalpie und freie Standard-Bildungsenthalpie
    exergonische und endergonische Reaktionen
    Interpretationen zur Gibbs-Gleichung
    Tabelle von Standard-Bildungsenthalpien
    Tabelle von Standardentropien
    Aufgaben zu dem Kapitel "Enthalpie und Entropie" und Lösungen


Grundlagen der Kernchemie

Neubearbeitung: Mai 2005
Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Natürliche Radioaktivität
    Strahlungsarten
    Strahlenwirkung
    Verschiebungsgesetze und Halbwertszeit

    2 Künstliche Kernumwandlungen
    Austausch- und Einfangreaktionen
    Verwendung von Radionucliden
    Radiocarbonmethode und Neutronenaktivierungsanalyse
    Zerfallsarten der künstlichen Radioaktivität

    3 Kenngrößen der radioaktiven Strahlung und die Strahlenbelastung
    Größen und Einheiten
    Strahlenbelastung des Menschen

    4 Kernspaltung (Kernfission)
    Spaltbares Material
    Verfahren zur Uran-Anreicherung
    Ungesteuerte Kettenreaktion in der Atombombe
    Gesteuerte Kettenreaktion im Kernreaktor
    Beispiele für Reaktortypen

    5 Kernverschmelzung (Kernfusion)
    Kernbindungsenergie
    Wasserstoffbombe und Neutronenbombe
    Fusionsreaktor

    Anmerkungen

    Anhang 1: Zerfallsreihe von 241Pu
    Anhang 2: Schalenmodell des Atomkerns
    Anhang 3: Übersicht der Atomkraftwerke in Deutschland
    Anhang 4: Tokamak und Stellarator
    Anhang 5: Lawson-Diagramm

    Übungsaufgaben

    Lernziele zum Kursthema "Grundlagen der Kernchemie"


Kohle - Entstehung, Abbau, Verwendung (unter besonderer Berücksichtigung des Saarlandes)

Neubearbeitung: Mai 2005

    Inhaltsverzeichnis

    Entstehung der Kohle
    Zusammensetzung fester Brennstoffe
    Anzahl der Steinkohlenbergwerke und Steinkohlenförderung
    Kohleabbau im Saarland
    Wirtschaftliche Bedeutung der Kohle
    Entgasung der Kohle (Kokerei)
    Vorderansicht und Aufsicht einer Kokerei
    Fließschema für die Gewinnung von Koks und Kokereigas
    Anmerkungen zu den Kokereien im Saarland

    Anhang: Förderbegriffe (Rohförderung, t = t - Förderung, verwertbare Förderung)

    Hinweise zu Unterrichtshilfen


Komplexchemie

Neubearbeitung: Juni 2010
Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Bezeichnungen, Schreibweise und Nomenklatur der
    Komplexverbindungen

    2 Weitere Beispiele für die Bildung von Komplexverbindungen
    2.1 Amminkomplexe
    2.2 Cyanokomplexe
    2.3 Hydroxokomplexe
    2.4 Thiosulfatokomplexe
    2.5 Thiocyanatokomplexe
    2.6 Halogenokomplexe
    2.7 Aquakomplexe - Hydrate - Kristallwasser

    3 Bindung und geometrische Anordnung der Liganden in
    Komplexen

    4 Chelatkomplexe

    5 Ligandenaustauschreaktionen


    Anhang 1: Einübung der Formelschreibweise von Komplexverbindungen
    Anhang 2: Beispiele für die Nomenklatur von Komplexverbindungen
    Anhang 3: Versuche zur Komplexchemie
    Anhang 4: Schülerpraktikum: Versuche zur Komplexchemie
    Anhang 5: Übungsaufgaben


    Hinweis zu den Versuchen:
    Die Vorschriften für den Umgang mit Gefahrstoffen sind in den einzelnen Bundesländern sehr unterschiedlich. Die Lehrer und Lehrerinnen müssen aus ihrer Fachkenntnis und ihrer pädagogischen Verantwortung heraus unter Beachtung der gesetzlichen Vorgaben entscheiden, ob ein Experiment durchgeführt werden soll oder nicht.


Kunststoffe

Neubearbeitung: Mai 2005

Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes.

    Inhaltsverzeichnis

    Monomere und Polymere

    Kunststoffe aus Naturprodukten

    Eigenschaften der Kunststoffe
    Thermoplaste (Plastomere)
    Duroplaste (Duromere)
    Elastoplaste (Elastomere)

    Einteilung der hochmolekularen Stoffe nach der Verknüpfungsart der Monomeren

    Reaktionen zur Kunststoffherstellung
    Polymerisation
    Polykondensation
    Polyaddition

    Produktionszahlen

    Einsatzgebiete von Kunststoffen


Grundlagen der Metallkunde, insbesondere Eisen und Stahl

Letzte Überarbeitung: Februar 2009

Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Legierungen

    2 Zustandsschaubilder

    3 Das Zustandsschaubild Fe/Fe3C

    4 Eisenwerkstoffe

    5 Gewinnung des Roheisens (Erzverhüttung)
    5.1 Eisenerze
    5.2 Erzaufbereitung
    5.3 Vorgänge im Hochofen

    6 Gewinnung des Stahls
    6.1 Bessemer- und Thomasverfahren, Siemens-Martin-Verfahren, DSN-Verfahren
    6.2 LD-Verfahren, LD-AC-Verfahren und OBM-Verfahren
    6.3 Elektrostahl-Verfahren
    6.4 Direktreduktion von Eisenerz
    6.5 Sekundärmetallurgie

    7 Vergießen und Walzen von Stahl

    8 Statistische Angaben zum Strukturwandel der Eisen- und Stahlindustrie in den letzten Jahrzehnten

    Anhang 1: Verbesserung des LD-Verfahrens
    Anhang 2: Anmerkungen zur Geschichte der Eisenindustrie in Neunkirchen
    Anhang 3: Hinweise zur Literatur

    Arbeitsblatt: Übersicht über die Vorgänge im Hochofen


Naturstoffe - Fette, Kohlenhydrate, Eiweiße

Neubearbeitung: Mai 2005

Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Fette und Lipoide

    2 Kohlenhydrate
    Monosaccharide
    Pentosen
    Hexosen (Glucose, Galactose, Fructose)
    Oligosaccharide (Saccharose)
    weitere Disaccharide (Maltose, Cellobiose, Lactose)
    Polysaccharide (Stärke, Glycogen, Cellulose)

    3 Eiweißstoffe
    Proteide

    Anhang 1: Fetthärtung
    Anhang 2: Bedeutung von Aminosäuren für die Ernährung
    Anhang 3: Dauerwellen
    Anhang 4: Enzymatische Spaltung von Proteinen


Grundlagen der Organischen Chemie

Neubearbeitung: Mai 2005

Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen den Lernzielen des saarländischen Lehrplans für Chemie in der Klassenstufe 11 der Gymnasien. In den Vorbemerkungen zum Lehrplan hieß es: "In der organischen Chemie der Klassenstufe 11 sind - ausgehend von Experimenten - Stoffe und ihre Eigenschaften zu betrachten. Bewusst sind tiefer gehende Strukturbetrachtungen und insbesondere Reaktionsmechanismen ausgespart; sie bleiben dem Unterricht in den Grund- und Leistungskursen vorbehalten."

    Inhaltsverzeichnis

    1 Der Begriff "Organische Chemie"
    1.1 Der historische Begriff "Organische Chemie"
    1.2 Der moderne Begriff "Organische Chemie"

    2 Fossile Brennstoffe
    2.1 Die Entstehung fossiler Brennstoffe
    2.2 Die Förderung von fossilen Brennstoffen
    2.3 Die Verwendung fossiler Brennstoffe
    2.4 Weltenergievorräte

    3 Alkane
    3.1 Methan
    3.2 Weitere Kohlenwasserstoffe: Ethan, Propan, Butan
    3.3 Homologe Reihe der n-Alkane
    3.4 Isomerie
    3.5 Die wichtigsten Regeln zur Nomenklatur der Alkane
    3.6 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane

    4 Alkene
    4.1 Ethen
    4.2 Weitere Alkene
    4.3 Eigenschaften der Alkene
    4.4 Ungesättigte Verbindungen in der Natur
    4.5 Vom Alken zum Makromolekül
    4.6 Kunststoffverbrauch - ein Müll-Problem

    5 Alkohole
    5.1 Alkoholische Gärung
    5.2 Homologe Reihe der Alkanole
    5.3 Einteilung der Alkanole
    5.4 Eigenschaften der Alkanole
    5.5 Herstellung und Verwendung der Alkanole

    6 Carbonylverbindungen
    6.1 Aldehyde und Ketone
    6.2 Carbonsäuren
    6.3 Ester


Organische Chemie für die Oberstufe und zur Einführung in das Studium

Neubearbeitung: September 2008

Der Stoffumfang dieser vom Verfasser in mehreren Durchgängen erprobten Unterrichtshilfe entspricht den Lernzielen des bis 2009 gültigen Lehrplans für den fünfstündigen Leistungskurs Chemie an Gymnasien und Gesamtschulen des Saarlandes. Vorgesehen waren (einschließlich der Zeit für Klausuren) rund 75 Unterrichtsstunden.

Diese Handreichung ist in erster Linie gedacht für Lehrerinnen und Lehrer zur Vorbereitung des Unterrichts. Daher sind Hinweise auf begleitende Experimente aufgenommen worden, die in der Ausarbeitung "Versuche zur Organischen Chemie (einschließlich Naturstoffe)" beschrieben sind. Selbstverständlich muss der Unterrichtende bei jedem Experiment selbst entscheiden, ob er es unter Beachtung der geltenden Vorschriften durchführen will. Die zahlreichen weiterführenden Anmerkungen und die ausführliche Darstellung von Reaktionsmechanismen ermöglichen eine Vertiefung des Unterrichtsstoffs.

Für Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe kann diese Handreichung zur Vorbereitung auf das Abitur dienen. Die mit roter Schrift gekennzeichneten Anmerkungen ermöglichen dann eine Vertiefung, auch wenn sie keinen Prüfungsstoff darstellen. Zur Festigung der Nomenklaturregeln sind zahlreiche Übungsaufgaben mit Lösungen aufgenommen worden. Klausuraufgaben finden sich im Internet (z.B. unter www.saarland.de/14629.htm ).

Durch die an vielen Stellen angebotenen Ergänzungen ist die Handreichung auch für Schüler geeignet, die sich auf Chemievorlesungen im Studium vorbereiten wollen. Sie bildet zusammen mit der Handreichung über Naturstoffe (Fette, Kohlenhydrate, Eiweiße) eine leicht verständliche Einführung in die Organische Chemie.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Organische Chemie als Chemie der Kohlenstoffverbindungen

    2 Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen
    2.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe
    2.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe
    2.3 Ringkohlenwasserstoffe (Cyclische Kohlenwasserstoffe)
    2.3.1 Alicyclische Kohlenwasserstoffe
    2.3.2 Aromatische Kohlenwasserstoffe
    2.4 Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Erdöl

    3 Sauerstoffhaltige Verbindungen
    3.1 Verbindungen mit der Gruppe -OH
    3.1.1 Alkanole = Alkohole
    3.1.2 Ether
    3.1.3 Phenole
    3.2 Alkanale = Aldehyde und Alkanone = Ketone
    3.3 Carbonsäuren und Ester

    4 Stickstoffhaltige und schwefelhaltige Verbindungen
    4.1 Salpetersäureester
    4.2 Nitroverbindungen
    4.3 Amine
    4.4 Aminosäuren
    4.5 Säureamide
    4.6 Azoverbindungen
    4.7 Sulfonsäuren
    4.8 Heterocyclische Verbindungen
    4.9 Tenside und Waschmittel

    Anhang 1: Ermittlung der Formel einer organischen Verbindung
    Anhang 2: Die wichtigsten Nomenklaturregeln für aliphatische Verbindungen
    Anhang 3: Die Elektronenverteilung in Molekülen organischer Verbindungen (I-Effekt und M-Effekt)
    Anhang 4: Ort für den Eintritt eines zweiten Substituenten in einen Benzolring
    Anhang 5: Kondensierte Ringsysteme
    Anhang 6: Reaktionstypen in der organischen Chemie
    Anhang 7: Die wichtigsten Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie
    Anhang 8: Zuordnung der in dieser Ausarbeitung behandelten Reaktionen zu den einzelnen Reaktionsmechanismen
    Anhang 9: Die optische Aktivität organischer Verbindungen
    Anhang 10: Zusammenstellung der verschiedenen Isomeriearten
    Anhang 11: Lösungen zu den Aufgaben aus Anhang 1 und 2
    Anhang 12: Zusammenstellung der Versuche zur Organischen Chemie

Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht - Gesetzmäßigkeiten für den Ablauf chemischer Reaktionen

Neubearbeitung: Mai 2005

Anordnung und Umfang des Stoffes entsprechen weitgehend den Lernzielen des alten saarländischen Lehrplans für Chemie in der Klassenstufe 11 der Gymnasien.

    Inhaltsverzeichnis

    1 Die Reaktionsgeschwindigkeit
    1.1 Definition der Reaktionsgeschwindigkeit
    1.2 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Art der Stoffe
    1.3 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Phasengrenzfläche
    1.4 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration
    1.5 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur
    1.6 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Katalysatoren

    2 Das chemische Gleichgewicht
    Aufgaben zum chemischen Gleichgewicht

    Anhang: Erläuterung des Begriffes "Reaktionsweg"

Hilfreich für das Verständnis vom Wesen eines dynamischen Gleichgewichtes ist der Einsatz der Computersimulation "Schöpfen".
Erläuterung zum Simulationsprogramm "Schöpfen"
von Werner Schötschel und Arne Wittling
Simulationsprogramm zum chemischen Gleichgewicht ("Schöpfen")
von Werner Schötschel und Arne Wittling


Versuche zur Organischen Chemie (einschließlich Naturstoffe)

Neubearbeitung: Mai 2002

Alle in dieser Datei beschriebenen Versuche zur Organischen Chemie und zur Chemie der Naturstoffe sind über Jahrzehnte hin erprobt und optimiert worden, sodass bei genauer Beachtung der Angaben ein Gelingen der Versuche gesichert ist.

Alle Versuche sind so beschrieben, wie sie als Demonstrationsexperiment ausgeführt werden sollen. Jeder Lehrer muss selbst entscheiden, ob ein Versuch auch als Schülerexperiment geeignet ist.

Die Vorschriften für den Umgang mit Gefahrstoffen sind in den einzelnen Bundesländern sehr unterschiedlich. Die Lehrer und Lehrerinnen müssen aus ihrer Fachkenntnis und ihrer pädagogischen Verantwortung heraus unter Beachtung der gesetzlichen Vorgaben entscheiden, ob ein Experiment durchgeführt werden soll oder nicht. In dieser Zusammenstellung sind auch Versuche zu finden, deren Ausführung - aus welchen Gründen auch immer - von einzelnen Lehrern oder Lehrerinnen abgelehnt wird. In einem solchen Fall kann die Versuchsbeschreibung eine gute Anregung sein, Ersatzexperimente zu erarbeiten, die mit ungefährlicheren Stoffen das gleiche pädagogische Ziel erreichen. Denkbar ist auch, dass ein Experiment (z.B. die Bromierung von Benzol) nur als Filmaufnahme vorgeführt oder nur theoretisch besprochen wird. Dies sollte aber auf Ausnahmen beschränkt werden, denn ein fesselnder Chemieunterricht wird immer ein experimenteller Unterricht sein.


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