Wie kann man durch eine einfach nachzuvollziehende Symbolik ein eingestelltes Gleichgewicht von einem System unterscheiden, das auf dem Weg zum Gleichgewicht ist? Wie könen Schüler/innen die Reaktion auf eine Störung sowie die veränderte Zusammensetzung eines Gleichgewichts nach der Störung anschaulich darstellen? Die Gleichgewichts-Schreibweise ist dazu wenig geeignet. Präzise Formulierungen tragen aber dazu bei, solche und ähnliche Sachverhalte besser zu verstehen. Es werden Sprech- und Darstellungsweisen zu diesen Fragen vorgeschlagen, die die Diskussion darüber in Gang bringen sollen.

1 Sprech- und Darstellungsweisen auf dem Prüfstand

Bei Betrachtungen zum chemischen Gleichgewicht und dessen Beeinflussungen durch Konzentrations-, Druck- oder Tempe- raturänderungen, wird in der Versprachlichung häufig nicht sauber unterschieden zwischen einer Argumentation über das Prinzip von LE CHATELIER einerseits (d. h. einer Störung durch einen äußeren Zwang und den darauf erfolgenden Reaktionen des Systems) und Aussagen zur Lage des chemischen Gleichgewichts über das Massenwirkungsgesetz und die Gleichgewichtskonstante K andererseits.

Dieselbe Problematik schlägt sich letztlich auch in der chemischen Symbolsprache nieder, wie im Folgenden verdeutlicht wird:

Die so genannte »Verschiebung« oder »Verlagerung« eines Gleichgewichts wird häufig durch einen dickeren oder längeren Pfeil des Gleichgewichtdoppelpfeils symbolisiert:

Beispiel 1:

»Durch Konzentrationssenkung des Esters (= Produkt) wird das Gleichgewicht nach rechts verschoben.«

beispiel 1

Beispiel 2:

»Temperaturerniedrigung führt zur Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung der exothermen Reaktion, also nach rechts.«

beispiel 1

Die kaum zwischen dem Gleichgewichtszustand und dem Prozess der Einstellung eines chemischen Gleichgewichts unterscheidende Sprechweise von Chemikern schlägt sich auch in Äußerungen wie »im Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion gleich groß« nieder.

2 Verwirrungspotenzial obiger Sprech- und Darstellungsweisen

Ein Stoffsystem im chemischen Gleichgewicht verhält sich völlig anders als eines, das sich (noch) nicht im Gleichgewicht befi ndet. Es ist daher sinnvoll, zwischen beiden Systemen zu unterscheiden.
»Verschiebung« oder »Verlagerung« eines Gleichgewichts wird häufi g mit der Vorstellung verbunden, dass die Konzentrationen der Teilchen auf einer Seite des Gleichgewichtssymbols alle zuund die der Teilchen auf der anderen Seite alle abnehmen. Dies trifft aber ausschließlich auf Temperaturänderungen zu.

In diesem Zusammenhang bergen daher folgende vier Aspekte Verwirrungspotenzial für Lernende:

A) Gleiche Symbolik für unterschiedliche Sachverhalte

  1. Der Gleichgewichtspfeil mit einem größer gezeichneten Pfeil gibt einerseits die ungefähre Lage eines Gleichgewichts an (Gleichgewichtskonstante K >> 1), andererseits besagt er »das System ist (noch) nicht im Gleichgewicht, die Reaktion nach rechts überwiegt.«
  2. Der Unterschied zwischen chemischer Reaktion (einem Prozess) und chemischem Gleichgewicht (einem Zustand) wird durch Verwendung derselben Pfeile nicht deutlich. So kommt es zu Fehldeutungen über die Bedeutung der stöchiometrischen Faktoren der Reaktionsgleichung. Sie werden oft als Angaben über die Zusammensetzung des Gleichgewichtgemischs missverstanden.

B) »Verschiebung eines Gleichgewichts« bedeutet einerseits: Es stellen sich neue Konzentrationen aller beteiligten Teilchen ein, die Gleichgewichtkonstante ist wieder dieselbe wie vor der Beeinfl ussung. Dies trifft für Druck- und Konzentrationsänderungen zu. Andererseits kann damit aber auch gemeint sein: Es stellt sich ein neues Gleichgewicht mit einer anderen Gleichgewichtkonstanten ein. Dies ist ausschließlich bei Temperaturänderungen der Fall.

C) Ohne Veranschaulichungsmöglichkeit ist die tatsächliche veränderte Zusammensetzung eines Gleichgewichts infolge eines Einflusses von außen schwer zu beschreiben und bleibt deshalb oft unklar.

D) Das chemische Gleichgewicht wird immer wieder dadurch als dynamisches Gleichgewicht charakterisiert, dass man formuliert: Die Reaktionsgeschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion ändern sich nicht mehr, sie sind gleich groß. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist aber eine zur Beschreibung des Gleichgewichtzustands ungeeignete Größe. Da sie defi niert ist als Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit, sich die Konzentrationen der an einem Gleichgewicht beteiligten Stoffe aber mit Erreichen des Gleichgewichtzustandes nicht mehr ändern, sind die Geschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion zwar sehr wohl gleich groß, aber immer unabhängig vom betrachteten Gleichgewicht gleich Null. Was eigentlich zum Ausdruck gebracht werden soll, nämlich, dass pro Zeiteinheit gleich viele Hin- wie Rückreaktionen stattfi nden, kann daher über die Reaktionsgeschwindigkeiten nicht verdeutlicht werden.

3 Vorschläge zur Minimierung von Verwirrung und Verständnisschwierigkeiten

Zu A) Für Systeme, die tatsächlich im chemischen Gleichgewicht sind, wird ausschließlich das Gleichgewichtsymbol verwendet (»Harpunen«, z. B. Schrifttyp Lucida Sans Unicode, Zeichencode 21CC):

vorschlaege minimierung verwirrung 1

Die extreme Lage eines Gleichgewichts kann durch Vergrößerung der oberen oder unteren Harpune ausgedrückt werden:

vorschlaege minimierung verwirrung 2

Will man hingegen ausdrücken, dass das System nicht im Gleichgewicht ist und die Reaktion nach rechts überwiegt, wird der normale Reaktionspfeil verwendet. Dabei kann die ebenfalls noch ablaufende Reaktion in die andere Richtung entweder vereinfachend weggelassen oder durch einen kleinen Reaktionspfeil angedeutet werden (hier eingeklammert):

Reaktion nach rechts:

reaktion nach rechts

Zu B) Anstelle »Verlagerung« oder »Verschiebung nach rechts«:
Bei Konzentrations- oder Druckänderungen formuliert man: Reaktion nach rechts bzw. links, bis zur Wiedereinstellung des Gleichgewichts (mit demselben Wert für K). Bei Temperaturänderungen hingegen: Reaktion nach rechts bzw. links bis zur Neueinstellung des Gleichgewichts (mit verändertem Wert für K).

Zu C) Veränderungen der Zusammensetzung eines Gleichgewichtgemischs durch eine Störung kann man durch halbquantitative Kreisdiagramme darstellen, in denen mithilfe von Pfeilen die Tendenz der Veränderung veranschaulicht wird: Die ausgefüllten Kreisausschnitte entsprechen den jeweiligen Konzentrationen.

Beispiel 1: Störung eines Estergleichgewichts durch Entzug eines Teils des Esters:

stoerung

GG-Konstante: K

Nach der Störung ist das System nicht mehr im Gleichgewicht, es wird also nicht mehr mit dem Gleichgewichtsymbol sondern mit normalen Reaktionspfeilen gearbeitet. Die momentan nach der Störung vorliegenden Konzentrationen sind keine Gleichgewichtkonzentrationen und werden daher wie die Störung rot markiert.

Reaktion auf Störung:

reaktion auf stoerung

Diese Darstellung ist hilfreich, um die Rolle der stöchiometrischen Faktoren zu verdeutlichen: Während die Zusammensetzung des Gleichgewichts (blaue Kreisausschnitte) oder die Störung (roter Pfeil) durch sie nicht beschrieben wird, sind sie entscheidend bei der Reaktion auf die Störung (grüne Pfeile). Im obigen Beispiel ist darauf zu achten, dass diese alle gleich lang sind, da die stöchiometrischen Faktoren alle gleich sind. Ein stöchiometrischer Faktor von 2 müsste durch einen doppelt so langen grünen Pfeil veranschaulicht werden.

Wieder eingestelltes Gleichgewicht (K unverändert):

eingestellte konstante

GG-Konstante: K

Beispiel 2: Störung durch Temperaturerniedrigung bei einem Estergleichgewicht, wobei die Bildung von Ester und Wasser exotherm ist. Die erniedrigte Temperatur wird von außen nicht konstant gehalten. Die Störung wird in einem symbolisierten Thermometer mithilfe eines roten Pfeils in der Tendenz veranschaulicht.

eingestellte konstante stoerung

GG-Konstante: K1

Reaktion auf Störung:
Wie im ersten Beispiel gilt: Nach der Störung ist das System nicht mehr im Gleichgewicht, es wird also nicht mehr mit dem Gleichgewichtsymbol sondern mit normalen Reaktionspfeilen gearbeitet. Die momentan nach der Störung vorliegenden Konzentrationen sind keine Gleichgewichtkonzentrationen mehr und werden daher wie die Störung rot markiert.
Die Reaktion auf diese Störung führt zum verstärkten Ablauf der exothermen Reaktion, wodurch die Temperatur des Systems wieder ansteigt, allerdings nicht bis zum Ausgangswert. Dieser Schritt wird mit grünen Pfeilen angegeben.

eingestellte konstante stoerung reaktion

Neu eingestelltes Gleichgewicht (K verändert):

neu eingestelltes gleichgewicht

GG-Konstante: K2 > K1

Der einfachere Fall, dass die Temperatur nach der Störung konstant gehalten wird, lässt sich problemlos in analoger Weise darstellen.

Zu D) Im Gleichgewichtzustand sollte statt der Reaktionsgeschwindigkeit die Reaktionsrate zur Argumentation herangezogen werden. Sie bezieht sich nicht auf Konzentrationsänderungen, sondern auf die Zahl erfolgreicher Zusammenstöße der Reaktionspartner. Dadurch kann die Dynamik des Gleichgewichtes in der gewünschten Weise fachlich korrekt beschrieben werden.

4 Abwägung

Die zunächst zielführend erscheinende strenge Unterscheidung zwischen Wiedereinstellung und Neueinstellung kann später im »Chemiker-Jargon« wieder zu »Verschiebung« nivelliert werden. Wenn dann tragfähige Vorstellungen entwickelt wurden, erscheint diese Differenzierung eher als unerheblich. Gleiches gilt für die klare Unterscheidung von Reaktionsgeschwindigkeit und -rate.
Die Darstellung mithilfe der Kreisdiagramme ist sicher aufwändig, aber kann den Lernenden durch ihre klare Visualisierung der ablaufenden Veränderungen helfen, die Vorgänge bei Gleichgewichtbeeinfl ussungen von außen zu verstehen. Ob die Unterscheidung zwischen Gleichgewichts- und Reaktionspfeil didaktisch sinnvoll ist oder nur eine weitere Komplikation darstellt, bleibt abzuwarten.

5 Impulse zum Weiterdenken

  • Wie könnte man mithilfe einer solchen Darstellung den Lernenden plausibel machen, dass sich bei Druckänderungen die Gleichgewichtkonstante niemals ändert?
  • Könnte man bei einer Gleichgewichtbeeinflussung durch Druckvariation überhaupt die Änderungen in den Konzentrationen, Stoffmengen, Partialdrucken mit einer solchen Darstellung transparent machen (denken Sie insbesondere daran, dass eine Druckänderung nicht nur durch Volumen- oder Stoffmengenänderung erreicht werden kann, sondern auch durch Zugabe eines Inertgases)? Wäre dies sinnvoll?
  • Auch die Einstellung eines Gleichgewichtes geht von einem System aus, das sich noch nicht im GG befindet. Lassen sich die vorgeschlagenen Sprech- und Darstellungsweisen auf diesen Fall übertragen?

Nehmen Sie Stellung zu diesem Vorschlag, berichten Sie von Reaktionen Ihrer Lernenden, beteiligen Sie sich am didaktischen Prüfstand: Schreiben Sie uns Ihre Kommentare und Anregungen.

Zusammengestellt auf Grundlage der Ergebnisse einer Arbeitsgruppe »Didaktischer Prüfstand« bei der MNU-Chemie-Bundesfachleitertagung 2016 von MATTHIAS KREMER und CARSTEN TITTEL.

MATTHIAS KREMER, , Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Gymnasien), Königstr. 31,78628 Rottweil, ist Bereichsleiter Naturwissenschaften und Fachleiter für Chemie.

CARSTEN TITTEL, , Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Gymnasien), Mathildenstr. 32, 72072 Tübingen, ist Fachleiter für Chemie.

Kommentare  

# Dr Holger Fleischer 2017-11-10 14:08
Der Aufsatz zum chemischen Gleichgewicht hat mich interessiert, begeistert und zum Nachdenken angeregt. Die Idee mit den Kreissegmenten zur Darstellung von Gleichgewicht, Nicht-Gleichgewicht und Einstellung des Gleichgewichts gefällt mir ausgesprochen gut. Ich bin leider, was die Fähigkeit zum Programmieren angeht, ein Laie, aber das Konzept eignet sich bestimmt gut, um es interaktiv zu gestalten. Klar, man kann auch Winkelscheiben einsetzen, die lassen sich unkompliziert aus Pappe herstellen und mit Magneten an die Tafel bringen, aber da ist manuelles Justieren notwendig. Die sprachlich klare Unterscheidung zwischen „Wiedereinstellung“ und „Neueinstellung“ des Gleichgewichts finde ich super, sie gibt mehr Präzision als die „Verschiebung“.

Zur verwirrenden Nutzung der nicht gleichlangen Pfeile (im Gleichgewichtssymbol): Unter der Prämisse, dass ein Pfeil für den „Vorgang einer chemischen Reaktion“ steht, sollten die ungleich langen Pfeile für ein System stehen, das noch nicht im Gleichgewicht ist und nichts über die Lage des Gleichgewichts aussagen. Für letzteres gibt es ja das MWG und die Gleichgewichtskonstante.
Ausgangs-, Gleichgewichts- und Nicht-Gleichgewichtskonzentrationen sollten voneinander unterschieden werden, aber immer „cGG(X)“ zu schreiben, erscheint sehr schwerfällig. Entscheidet man sich bei den Gleichgewichtskonzentrationen für c(X) und bei den Ausgangskonzentrationen für c0(X), dann stellt sich die Frage, ob Nicht-Gleichgewichtskonzentrationen auch mit c0(X) bezeichnet werden sollen, oder ob cNGG(X) für die wenigen Fälle akzeptabel erscheint. Ich kenne Vorschläge der IUPAC für diese Fälle nicht, sind jemanden entsprechende Richtlinien bekannt?

Natürlich erfolgt in einem Schulbuch die Herleitung des Massenwirkungsgesetzes nicht korrekt thermodynamisch sondern anschaulich über die Gleichheit der Geschwindigkeit von Hin- und Rückreaktion – womit die Argumentation im MNU-Beitrag zur fachsprachlichen Korrektheit komplett ignoriert wird.

Die Ausführung zur Reaktionsgeschwindigkeit war DER Aspekt des Aufsatzes, über den ich am längsten einen inneren Dialog geführt habe und noch führe. Der Ansatz, den Begriff Reaktionsgeschwindigkeit auf die Stoffebene zu beziehen und den Begriff Reaktions- oder Stoßrate auf die Teilchenebene, war für mich zunächst völlig plausibel. Er erlaubt eine sprachliche Differenzierung zwischen den beiden Ebenen auch für zeitliche Aspekte chemischer Reaktionen.

Vom physikalischen Blickwinkel finde ich die Aussage, dass die Reaktionsgeschwindigkeit im chemischen Gleichgewicht Null ist, aber bedenkenswert, wenn man sie in Analogie zur Bewegungsgeschwindigkeit und dem Relativitätsprinzip betrachtet. Beobachte ich z.B. einen Läufer auf einem Laufband, so hat er im Inertialsystem „Sporthalle“ keine Geschwindigkeit (oder die Geschwindigkeit Null), im System „Laufband“ hingegen schon. Das Relativitätsprinzip gibt keinem der beiden Bezugssysteme einen Vorrang.

Die Bewegungsgeschwindigkeit ist eine vektorielle Größe und hat eine Richtung. Wie ist das für die Reaktionsgeschwindigkeit? Der Änderung der Stoffmengenkonzentration kann ebenfalls eine Richtung zugewiesen werden– sie kann zu oder abnehmen. Sie ist aber nicht notwendigerweise mit einer einzigen chemischen Umwandlung verbunden und gibt deshalb meistens auch keine Reaktionsgeschwindigkeit an. Ich versuche, meinen Standpunkt im Folgenden zu klären.

Gehen wir davon aus, dass es in einem geschlossenen System nur durch chemische Reaktionen zu einer Veränderung der Stoffmengenkonzentration der Stoffe A, B, C, … kommen kann und sehen dabei auch von Veränderungen des Volumens ab, durch die c(A) und c(B) verändert werden könnten, ohne dass n(A) und n(B) sich ändern. Stoff B soll aus Stoff A entstehen, wobei folgende Reaktionsgleichung angenommen wird: A -> B. In diesem Fall ist vR(t) = -dc(A)/dt = dc(B)/dt. Die zeitliche Veränderung von c(A) kommt nur durch die Umwandlung von A zu B zustande, von daher ist dc(A) = dc(A: A->B): Das totale Differential hat nur einen Summanden und aus dc(A)/dt kann auf die Geschwindigkeit der Reaktion A -> B geschlossen werden.

Liegen zwei Parallelreaktionen A -> B und A -> C vor, macht die messbare, zeitliche Konzentrationsänderung von c(A), dc(A) = dc(A: A->B, A->C) keine Aussage mehr über die Geschwindigkeit der einzelnen Reaktionen. Nur dc(B) und dc(C) ermöglichen das, weil sie eindeutig mit einer Reaktion verbunden sind: dc(B) = dc(B: A->B) und dc(C) = dc(C: A->C). Wie sich dc(A) hier aufteilt ist nur bei Kenntnis von dc(B) und dc(C) zu ermitteln.
Folgereaktionen A -> B -> C können als zwei Reaktionen A -> B (1) und B -> C (2) betrachtet werden. Wenn B einen quasistationären Zustand erreicht, ist dc(B)/dt = 0. Nimmt man nun die messbare Konzentrationsänderung von B als Maß für die Geschwindigkeit der Reaktion 1, kommt man zum Schluss, dass sie nicht stattfindet. Gleiches gilt für Reaktion 2. Nimmt man hingegen die messbare Konzentrationsänderung von A als Maß für die Geschwindigkeit von Reaktion 1, so kommt man zu einem widersprüchlichen Ergebnis: Die Geschwindigkeit von Reaktion (1) kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht zwei verschiedene Werte annehmen. Analoges gilt für die messbare Konzentrationsänderung von C und die Geschwindigkeit von Reaktion (2). Erst mit dc(A) = dc(A: A->B) und dc(C) = dc(C: B->C) kommt man schließlich zu dc(B) = dc(B: A->B) + dc(B: B->C) = 0. Das totale Differential von dc(B) hat zwei Summanden und es folgt: dc(B: A->B) = -dc(B: B->C). Der Fall – stationäres Gleichgewicht – ist mit dem des chemischen Gleichgewichts eng verwandt.

Die Auflösung des Widerspruchs setzt also ein Modell zur chemischen Reaktion auf der Teilchenebene voraus. Mithin stellt sich mir die Frage, ob die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion nicht ausschließlich nur über die Teilchenebene definiert werden kann. Ist die makroskopische Reaktionsgeschwindigkeit dann nicht einfach gleich der Rate der reaktiven Stöße?

In einem offenen System kann es schließlich noch durch andere Prozesse zu zeitlichen Variationen von Konzentrationen kommen, ohne dass chemische Reaktionen daran beteiligt sind. Die Messung von z.B. dc(A)/dt ist hier völlig ohne Aussagekraft mit Bezug auf eine chemische Reaktion.
Antworten
# Carsten Tittel und Matthias Kremer 2017-11-10 14:09
Zur Verwendung nicht gleichlanger Pfeile: Relativ eindeutig wäre tatsächlich die Verwendung nicht gleichlanger Pfeile für Systeme, die noch nicht im Gleichgewicht sind. Wir haben ja auch vorgeschlagen, die Reaktion auf eine Störung des Gleichgewichts mit einem „normalen“ Reaktionspfeil zu schreiben und die auch bei diesem Vorgang ablaufende Reaktion in die andere Richtung bei Bedarf zu thematisieren und durch einen kleinen Reaktionspfeil in die andere Richtung anzugeben.

Die extreme Lage eines Gleichgewichts mit unterschiedlich langen „Harpunen“ im Gleichgewichtssymbol (also Pfeile mit nur einer „halben“ Pfeilspitze) anzugeben, würde zwar von der anderen Situation unterscheiden, erscheint uns aber zu ähnlich. Wir stimmen also Dr. Fleischer zu, die extreme Lage eines Gleichgewichts am besten mittels einer Aussage über K (z. B. K>>1) anzugeben.

Bei der Indizierung des Konzentrationssymbols c sehen wir keine große Notwendigkeit für eine gesonderte Angabe von Konzentrationen außerhalb des Gleichgewichtes, so dass cNGG entbehrlich erscheint. Mit der Unterscheidung von c0 als Konzentration zu Beginn der Gleichgewichtseinstellung und cGG als Konzentration im fertig eingestellten Gleichgewicht wird zwar etwas Schreibaufwand betrieben, den Lernenden aber mehr Klarheit und Sicherheit gegeben. Wird eine weitere Konzentration (außerhalb des Gleichgewichts) betrachtet, kann dann c ohne Index verwendet werden. Allerdings müsste dann im Einzelfall notiert werden, wofür das Symbol genau stehen soll.

Nach sorgfältigen Betrachtungen von Folgereaktionen und dem dort zu beobachtenden Phänomen des stationären Zustandes kommt Dr. Fleischer zu dem Schluss, dass die makroskopische Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit als Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit in diesem Fall zu Widersprüchen führt. Er stellt daher im Gegensatz zu uns den Vorschlag in den Raum, auf diese Definition der Reaktionsgeschwindigkeit komplett zu verzichten und diese ausschließlich auf der Teilchenebene zu definieren. Genau dafür hatten wir die Verwendung der „Reaktionsrate“ als beschreibende Größe vorgeschlagen.
Die Aussage, dass sich im Gleichgewicht die Konzentrationen der beteiligten Stoffe nicht mehr ändern, ist unbedingt notwendig für ein Verständnis des Chemischen Gleichgewichts. Betrachtet man weiter keine kinetischen Inhalte, kann dies so stehen bleiben. Haben die Schüler jedoch Grundlagen der Kinetik gelernt, müssen sie aus dieser Aussage folgern, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Hin- und für die Rückreaktion beide gleich Null sind. Betrachtet man nun die Teilchenebene, kommt man zur Dynamik des Gleichgewichts und damit zu Aussagen über die weiterlaufenden Reaktionen. Da der Begriff Reaktionsgeschwindigkeit aber besetzt ist, bleibt nichts anderes übrig, als einen anderen Begriff dafür zu wählen: Die beiden Reaktionsraten sind gleich groß.

Nur wenn die Reaktionsgeschwindigkeit nie als Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit definiert wird, ist eine widerspruchsfreie Darstellung möglich, wenn man sagt, die Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Reaktionen im chemischen Gleichgewicht sind gleich groß und nicht gleich 0.
Antworten
# Ulf Janz 2017-11-10 14:10
Sehr geehrter Herr Kremer,
sehr geehrter Herr Tittel,

mit großem Interesse habe ich den Artikel "Das Chemische Gleichgewicht auf dem didaktischen Prüfstand" gelesen. Aus fachdidaktischer Sicht beschäftigt mich das Thema schon seit Jahren. Schüler haben die unterschiedlichsten Probleme mit diesem Thema. Auf der einen Seite ist es ein Konzept, das viele Erklärungen zulässt und Zugänge zu Themen ermöglicht, die sonst nicht möglich wären. Auf der anderen Seite ist das Thema so komplex, dass Schüler regelmäßig einen Parameter außer Acht lassen, unvollständig argumentieren oder zu falschen Schlüssen kommen. In der Ausbildung erlebe ichhäufig, dass diese Probleme von Referendaren, Praktikanten, Seiteneinsteigern u.a. nicht antizipiert werden und adäquate Strategien zum Umgang damit unbekannt sind.

1) In folgenden Punkten sehe ich eine große Übereinstimmung:
a) Auf der sprachlichen Ebene muss konsequent eine klare Unterscheidung zwischen dem Gleichgewicht als Zustand (eines Systems) und Einstellung eines Gleichgewichts als Prozess erfolgen.
b) Die Symbolische Ebene der Gleichgewichtspfeile stellt auch aus meiner Sicht eine "Stolperfalle" dar. Ein beiläufiges Verändern von Dicke oder Länge der Pfeile führt auf der Seite der Lernenden automatisch zu Lernschwierigkeiten. Diese Ebene reicht in keinem Fall aus, um das Gleichgewichtskonzept umfassend darzustellen.
c) Geeignete Veranschaulichungen müssen ergänzend zur Reaktionsgleichung angeboten und diskutiert werden.

2) Das sehe ich anders bzw. differenzierter, bin aber für Diskussionen offen:
a) Möchte ich ausdrücken, dass keine Gleichgewichtsreaktion vorliegt, weil die Rückreaktion (oder Hinreaktion) vernachlässigbar ist, dann wähle ich den normalen Reaktionspfeil. Für alle Reaktionen, die sich im Gleichgewicht befinden wird der Gleichgewichtspfeil verwendet. Um die Lage des Gleichgewichts zu beschreiben, wird hinter der Reaktionsgleichung die Gleichgewichtskonstante angegeben (analog zur Reaktionsenthalpie usw.); sind die Zahlenwerte unbekannt, dann kann K>1, K<1, K≈1 gewählt werden. Bei der Einstellung (oder Neueinstellung) wird entsprechend der normale Reaktionspfeil eingesetzt. Gegen einen einen kleinen, eingeklammerten Pfeil spricht aus meiner Sicht nichts und würde es daher im Unterricht mal erproben.
b) Eine Unterscheidung zwischen "Verschiebung", "Neueinstellung" und "Wiedereinstellung" halte ich nicht für notwendig. Entscheidend ist für mich die Störung des Gleichgewichts als Ereignis. Gehen wir also von dem stabilen und dynamischen Zustand eines Gleichgewichts aus, so kann man z.B. betrachten, wie es zur Einstellung dieses Zustandes kommen kann. Ich kann aber auch durch ein Ereignis den Zustand stören (=Störung). Als Folge ergibt sich ein Prozess, der nach einer bestimmten Zeit einen neuen Zustand zur Folge hat. Bei diesem Prozess ist die eine Reaktion gegenüber der anderen begünstigt, sie läuft also kurzzeitig verstärkt ab. Dies dürfen die Schüler auch als "Verschiebung" bezeichnen. Als Folge einer Störung wird es bezogen auf die Konzentrationen sämtlicher Stoffe deutliche Änderungen geben, weshalb man immer von einem neuen Gleichgewicht reden könnte (was ich aber nicht praktiziere). Der mathematische Ausdruck, der über die Gleichgewichtskonstante das Gleichgewicht beschreibt, kann dabei ebenfalls geändert werden oder unverändert bleiben. Entscheidend ist aus meiner Sicht also, ob das Ereignis und der damit verbundene Prozess zu einem Zustand mit derselben oder mit einer neuen Gleichgewichtskonstanten führt.
c) Die Kreisdiagramme habe ich noch nicht ausprobiert. Ich halte sie für sinnvoll, aber aus Schülersicht auch nicht unproblematisch. Die Art der Visualisierung, die ich favorisiere, reiche ich Ihnen bei Gelegenheit nach.

3) Da bin ich klar anderer Meinung:
Natürlich bleiben die Konzentrationen der Stoffe im Gleichgewicht konstant. Scheinbar passiert nichts. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sind jedoch nicht gleich Null. Es wäre meiner Meinung nach sogar wichtig, dass in diesem Zusammenhang der Begriff der Reaktionsgeschwindigkeit eingesetzt wird. Erstens wird dadurch die nachweisbare Dynamik des Gleichgewichts betont: Hin- und Rückreaktion laufen weiterhin ab und jede Reaktion hat eine zeitliche Komponente und damit eine definierbare Reaktionsgeschwindigkeit. Zweitens kann die Reaktionsgeschwindigkeit nur Null sein, wenn auch die Konzentration des reagierenden Stoffes (der Stoffe) Null ist. Berechnen wir nicht die Reaktionsgeschwindigkeit mit v = k c(A)? Drittens würde die von Ihnen vorgeschlagene Lösung das Problem von der Stoffebene auf die Teilchenebene verlagern und damit neue Probleme schaffen. Viertens steht die Aussage nicht im Einklang mit den wahrscheinlich zuvor eingesetzten Modellen (Holzapfelkrieg, Stechheberversuch, ...), denn dort ist jeweils ein Umsatz pro Zeiteinheit beobachtbar, der größer als Null ist.

ich wähle didaktisch einen anderen Zugang zur Reaktionsgeschwindigkeit:
Erstens: Jede chemische Reaktion hat (in Abhängigkeit von den Bedingungen) einen bestimmten zeitlichen Verlauf. Es gibt zwei Ebenen, auf denen die zur Reaktion gehörende Reaktionsgeschwindigkeit betrachtet werden kann (Stoffebene - Teilchenebene). Wurde ein Stoff vollständig umgesetzt, dann haben sämtliche Teilchen reagiert, es sind keine weiteren Reaktionen möglich, die Geschwindigkeit ist Null. Daraus ergibt sich aber auch, dass zu jedem Zeitpunkt, an dem Teilchen reagieren auch eine Reaktionsgeschwindigkeit vorliegt, die nicht Null sein kann. Die Frage, ob sich die Reaktionen auf der Teilchenebene in einer meßbaren Änderung der Stoffmengenkonzentrationen äußern ist aus meiner Sicht eine ganz andere.
Als zweiter Schritt ergibt sich die Frage, wie man Reaktionsgeschwindigkeiten messen kann (Abnahme der Masse/Zeiteinheit, Zunahme des Gasvolumens/Zeiteinheit usw.) und wie ein Geschwindigkeitsgesetz formuliert werden kann.
Als dritter Schritt gilt es das Problem zu lösen, wieso sich die Konzentrationen von Stoffen in einem Reaktionsgemisch nicht weiter ändern, obwohl weiterhin Reaktionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit ablaufen.

Fazit: Das Thema Chemisches Gleichgewicht baut didaktisch am besten auf dem Thema Reaktionsgeschwindigkeit auf, eine zu starke didaktische Reduktion der Reaktionsgeschwindigkeit halte ich nicht für sinnvoll. Sämtliche Modelle, die in diesem Zusammenhang eingesetzt werden (Stechheber, Holzapfelkrieg, usw.) arbeiten auch mit der Analogie eines Geschwindigkeitsgesetzes: Obwohl der Junge doppelt so schnell rennt, wie der alte Mann, fliegen gleich viele Äpfel hin und her!

Mit freundlichen Grüßen
Ulf Janz
Fachleiter Chemie

STAATLICHES STUDIENSEMINAR
FÜR DAS LEHRAMT AN GYMNASIEN LANDAU
Nordring 23
76829 Landau
Antworten
# Carsten Tittel − Matthias Kremer 2017-11-10 14:12
ad 1) Wir Autoren freuen uns, dass die aufgezeigten Probleme von Herrn Janz nochmals zusammenfassend auf den Punkt gebracht wurden und ihre große Relevanz für Lehrende und Lernende betont wird.

ad 2a) Eine zusätzliche Angabe der Größenordnung von K erscheint uns ebenfalls als zielführend. Dennoch halten wir es aus Sicht der Lernenden für sinnvoll, für den Gleichgewichtszustand ein anderes Symbol - wie beispielsweise die vorgeschlagenen Harpunen - zu wählen. Damit erreicht man eine Darstellungsweise, die klar etwas anderes ausdrückt als die bloße Möglichkeit von Hin- und Rückreaktionen (die ja gerade auch durch zwei „normale“ Reaktionspfeile ausgedrückt wird).

ad 2b) Um den Unterschied von Zustand, Prozess und Störung in seinen unterschiedlichen Auswirkungen möglichst klar herauszuarbeiten, erscheint uns auch weiterhin eine sprachliche Unterscheidung zwischen GG-Beeinflussungen mit Änderung von K und ohne Änderung von K sinnvoll und wünschenswert. Zumindest sollte dies so lange beibehalten werden, bis sich ein Grundverständnis bei den Lernenden eingestellt hat. Vielleicht gibt es bessere Alternativen als unseren Vorschlag mit Neu- und Wiedereinstellung, die uns noch nicht bekannt sind. Die von Herrn Janz vorgeschlagenen Ausdrucksweisen scheinen aus unserer Sicht das Problem für die Lernenden aber weder transparenter zu machen noch stärker verständnisfördernd zu sein.

ad 3)

1. Eine kinetische Herleitung des MWG ist nach unserem Kenntnisstand fachlich nicht korrekt, es kann in seiner Allgemeingültigkeit nur thermodynamisch hergeleitet werden. Dies manifestiert sich unter anderem auch darin, dass das MWG für niedrige Konzentrationen direkt aus den Reaktionsgleichungen abgeleitet werden kann, die für die kinetische Herleitung herangezogenen Geschwindigkeitsgesetze aber nicht. In ihnen kommen nur die am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion beteiligten Teilchen zum Tragen. Die kinetische Herleitung ist also nur in den wenigen Ausnahmefällen stimmig, in denen sich die Reaktionsgleichung mit ihrer Stöchiometrie zufällig im Geschwindigkeitsgesetzt wiederfindet. Da eine thermodynamische Ableitung allerdings sehr anspruchsvoll ist, ist sie im schulischen Kontext kaum realisierbar. Man könnte daher die kinetische Herleitung als Form einer didaktischen Reduktion ansehen, die dann aber aus der Sache wohl begründet sein muss. Die Tatsache, dass man gerne ein bestimmtes Modell wie den Holzapfelkrieg einsetzen will, ist allerdings keine Begründung für eine fachlich eher fragwürdige Reduktion. Im Gegenteil: Man müsste sich dann eigentlich fragen, ob das verwendete Modell brauchbar ist. Nun sind wir selber durchaus dem Modell des Holzapfelkrieges gegenüber nicht abgeneigt, da es den Lernenden auf sehr eindrückliche Weise klar macht, wie es möglich ist, dass wenige reaktive Teilchen das Gleichgewicht gegenüber vielen weniger reaktiven halten können. Die Ableitung des MWG daraus bleibt aber kritisch. Will man sie einsetzen, dann ist dies nur verbunden mit einer entsprechenden Modellkritik sinnvoll möglich, wie z.B. eben auch dem Ansprechen von v = 0 für alle Gleichgewichtszustände.

2. Es wird bemängelt, dass man mit der Reaktionsrate auf die Teilchenebene wechseln muss. Aus unserer Sicht ist ein Verständnis des dynamischen Gleichgewichts NUR und AUSSCHLIESSLICH auf der Teilchenebene möglich, auf stofflicher Ebene ist die Reaktion ja anscheinend zum Erliegen gekommen. Das ist also der allerwesentlichste Punkt, der mit den Lernenden im Detail besprochen werden muss. Damit ist man automatisch bei einer Form der Stoßtheorie, und damit eigentlich zwangsläufig wieder bei der Reaktionsrate, da sich die Reaktionsgeschwindigkeit auf makroskopisch messbare Vorgänge (d.h. auf die Stoffebene) bezieht.

3. Selbstverständlich ändern sich im Laufe einer Rektion die Reaktionsgeschwindigkeiten, sie sind ja keine Konstanten. Das ist wesentliches Grundverständnis der Reaktionsgeschwindigkeit. Wir schreiben hier absichtlich Reaktionsgeschwindigkeiten, da man für eine Reaktion immer mehrere Geschwindigkeiten angeben kann, je nachdem auf welches Teilchen man sich bezieht. Und selbstverständlich wird die Reaktionsgeschwindigkeit immer irgendwann null, bezogen auf die Gesamtheit aller Teilchen: Entweder wenn sie vollständig abgelaufen ist oder der GG-Zustand erreicht wurde.

4. Reaktionsgeschwindigkeit und Geschwindigkeitsgesetz sind nicht dasselbe. Hier muss sauber unterschieden werden.

5. Reaktionsgeschwindigkeiten sind keine Grundvoraussetzung zum Verständnis des chemischen Gleichgewichtes - es geht auch ganz ohne, da das dynamische Gleichgewicht nur auf Teilchenebene verstanden wird. Auch für den Holzapfelkrieg oder den Stechheberversuch benötigt man keine Reaktionsgeschwindigkeit. Viele Bildungspläne sehen wohlbegründet die Gleichgewichtsbehandlung ohne Reaktionsgeschwindigkeiten vor. Allerdings bevorzugen aber auch wir eine Betrachtung unter Einbeziehung von Geschwindigkeit und Stoßtheorie.

6. Insgesamt denken wir, dass gerade im Fall des dynamischen Gleichgewichtes fachlich und didaktisch sehr sauber argumentiert werden sollte und alle verwendeten Vereinfachungen wohl überlegt werden sollten. Unter dieser Voraussetzung gibt es aber sicher nicht nur einen einzigen didaktisch richtigen Weg.
Antworten
# Dr. Arnd Jungermann 2017-11-10 14:17
Mein Eindruck zum ersten Thema dieser neuen Reihe im MNU-Journal ist so, dass es eine hohe
didaktische Priorität hat, aber ich habe bei den angebotenen Antworten gleichzeitig den
Eindruck, dass der zentrale Punkt, den ich in diesem Thema sehe, nicht getroffen wird.
Plancks Entdeckung der Energiequantelung liegt jetzt 117 Jahre zurück und hat die damalige
naturwissenschaftliche Welt erschüttert. Von dieser Erschütterung haben sich nach meinem
Eindruck die Chemiedidaktik und vielleicht sogar die (Hochschul-)Chemie bis heute nicht
erholt.[1] Es gab verheißungsvolle Ansätze von Quantenchemie in den 1980-er Jahren in der
Bindungslehre und in der Thermodynamik, die man zurückhaltend noch als chemische
Energetik bezeichnete. Vielleicht erinnern sich noch einige ältere Kolleglnnen an die blauen
Bände aus dem Schroedel-Verlag. Etwa 2004 gab es Neuauflagen dieser Bände, die dann aber
auf die quantenchemische Thermodynamik leider wieder verzichteten.[2]

Nach meiner Meinung läuft in der (Quanten-)Chemie einiges nicht so, wie es sinnvollerweise
laufen könnte. Mit der Quantisierung kommen heute unsere Schüler erstmalig in Kontakt,
wenn der Schalenaufbau der Atomhülle besprochen wird. Diesen Einstieg in die
Energiequantelung halte ich für ausgesprochen ungünstig, denn in der Atomhülle geht es um
verschiedenartige Elektronen. Elektronen aber sind Fermionen, für die beim Aufbau der
Atomhülle gewisse Nebenbedingungen einzuhalten sind. Diese machen die EnergieniveauSchemata
vergleichsweise kompliziert.

Deutlich einfacher gestaltet sich im Unterricht die Einführung der Energiequantelung bei der
Behandlung von Stoffeigenschaften, speziell bei den thermischen Stoffeigenschaften.
Abkühlungskurven verschiedener Stoffe lassen sich leicht auch im Anfängerunterricht
aufnehmen und mit einfachen Energieniveauschemata deuten. Abzählen, addieren und
multiplizieren! Nicht einmal ein Dreisatz wird benötigt.[3] Damit waren nach meinen
Erfahrungen auch GB-Klassen, wie ich sie im Anfangsunterricht hatte, nicht überfordert.
Der Gewinn wäre beträchtlich, denn es eröffnet sich der Zugang zu einem
thermodynamischen Temperaturverständnis und endlich könnten wir die kinetische
Temperaturdeutung, die vorne und hinten nicht mit den Phänomenen übereinstimmt, hinter
uns lassen:

• Bereits im Anfangsunterricht Chemie lernen die Klassen, dass es im Verlauf von
chemischen Reaktionen heiß oder kalt werden kann. Diesen Phänomenen zum Trotz
überziehen alle Schulbücher, die ich kenne, solche Temperaturänderungen mit
isothermen Deutungen. Das halte ich für widersinnig und nicht verstehbar.

• Dass die kinetische „Herleitung" des Massenwirkungsgesetz eine Mogelpackung ist,
sollte eigentlich jedem, der Chemie studiert hat, bekannt sein.

• Dem kinetischen Gleichgewichtsmodell „Apfeltennis zwischen Großvater und Enkel" fehlt
das elementar Chemische: die Stoffumwandlung. Eigentlich müsste das geworfene
Objekt über dem Netz im einfachsten Fall in zwei Objekte aufspalten, beim Rückwurf
müssten entsprechend zwei Objekte geworfen werden und sich über dem Netz zu einem
vereinigen. Oder zumindest sollte das geworfene Objekt Form, Größe oder Farbe beim
Seitenwechsel ändern, damit es chemisch ansatzweise Sinn macht.

Nach einem Blick in das Vorlesungsverzeichnis der Uni Freiburg muss ich befürchten, dass man
heute, im 21. Jahrhundert, die Hauptsätze immer noch unberührt von der Energiequantelung
lehrt wie im 19. Jahrhundert. Vor fast einem viertel Jahrhundert (1993) schrieben Kittel und
Krömer bereits, dass Thermodynamik ohne Quantenbegriffe nicht verstehbar sei.[4]
Die Schwierigkeiten, die weltweit mit dem Verständnis der Entropie bestehen, haben m. E. ihre
Ursache darin, dass man sich nicht von dem liebgewonnenen kinetischen Fehlverständnis der
Temperatur verabschieden kann. Nicht eine gemittelte Teilchengeschwindigkeit ist
charakteristisch für die Temperatur, sondern die Art der Verteilung der thermischen Energie
über die erreichbaren Energieniveaus/Energiezustände.[1, 5]

Immer noch wird gegen alle Phänomene die exotherme Reaktion mit Energieabgabe verknüpft,
selbst wenn sie im isolierten System abläuft, bei dem es per Definition keinen und de facto
auch nur einen marginalen thermischen Austausch mit der Umgebung gibt. An wen oder was
soll da denn Energie abgegeben werden? Solange wir nicht die Temperaturänderung durch
Umverteilung der konstanten Energie auf veränderten Energiestufen beschreiben, besteht
wenig Aussicht, die Phänomene zu verstehen. (Natürlich weiß ich auch aus eigener Erfahrung,
dass man auch mit Auswendiglernen von Unverstandenem Prüfungen bestehen kann. Aber, ist
das als Lehrer mein Ziel? Entspräche das den Zielen des MNU?) Selbst wenn die reagierenden
Stoffe nicht isoliert sind wie z. B. beim üblichen Entzünden von Stahlwolle, ist der
quantenchemische Umbau des Energiespeichersystems so schnell, dass die reagierenden und
rot aufglühenden Stoffe mit dem Abstrahlen von thermischer Energie trotz der hohen
Temperaturdifferenz gar nicht nachkommen können, um die Temperatur auch nur annähernd
,isotherm' zu halten. Zudem wird die Lage des Endzustands (Gleichgewichts) nicht durch die
Geschwindigkeit des Speicherumbaus bestimmt. Solche Reaktionen isotherm deuten zu wollen,
das haben wir heute dank der Quantenchemie eigentlich nicht mehr nötig.[4, 6]

Unter Punkt 3 Vorschläge zur Minimierung von Verwirrung und Verständnisschwierigkeiten
erschließen sich mir die im Beispiel 1 gezeichneten Kreissegmente nicht. Auch wenn ich bei der
Esterbildung von unterschiedlichen Konzentrationen der Edukte Alkohol und Säure ausginge
(so entnehme ich das aus der Skizze von Beispiel 1), würde ich erwarten, dass Ester und
Wasser zu gleichen Teilen gebildet werden. Die Skizze zeigt mir etwas anderes, oder ich lese
sie falsch, was ich nicht ausschließen will. Bedeutet die Skizze etwa, dass alle vier Stoffe in
willkürlichen Portionen, die aus der Skizze nicht hervorgehen, vermischt wurden und sich dann
die gezeichnete Verteilung als Gleichgewicht eingestellt hat? Falls es so gemeint ist, hielte ich
dies als Einstiegsbeispiel für keine geschickte Wahl. Was könnte der Schüler aus einer
willkürlichen Wahl lernen?

Unklar bleibt mir, welche Bedeutung der grünlichen Fläche in Beispiel 2 zukommt? Habe ich im
Text etwas überlesen?

Am überzeugendsten empfinde ich die Darstellungen wie sie in den Peter Atkins Lehrbüchern
seit 1996 [6] skizziert werden. Es wird dabei nicht zwischen verschiedenen Edukten
(Produkten) unterschieden, wodurch die Skizzen einfach bleiben und es wird deutlich:

1. in welcher Richtung auf die Störung reagiert wird, damit Edukte und Produkte wieder
eine gemeinsame Hüllkurve der Besetzungszahlen bilden,

2. in welcher Richtung sich die Temperatur verändert.

Mit diesen Skizzen habe ich während meiner Dienstzeit erfolgreich gearbeitet.

Unter Punkt 5 Impulse zum Weiterdenken wird ausgesagt, dass: "sich bei Druckänderungen
die Gleichgewichtskonstante niemals ändert". Niemals? Ist das wirklich so?
Druckänderungen wirken sich auf Gleichgewichte aus, falls Gase auf Edukt- und Produktseite
mit unterschiedlichen stöchiometrischen Zahlen eingehen. Mit einer Druckänderung ist auch
eine Volumenarbeit verbunden, die die Temperatur und (außer bei Edelgasen) auch die
Entropie ändert. Volumenarbeiten ändern dabei nur die quantenchemischen TranslationsEigenwerte
der beteiligten gasförmigen Stoffe. Die Freiheitsgrade von Rotation und Vibration
sind von der Volumenarbeit nicht tangiert. Es stellt sich zunächst nur im Translationsspeicher
die andere Temperatur ein. Diese Temperatur wird jedoch bei realen Gasen mittels spontaner
Emission und Absorption auch auf die Rotations- und Vibrationsspeicher/freiheitsgrade
übertragen, so dass sich bei realen Gasen insgesamt Temperatur und Entropie ändern .
Je nach Art der Druckänderung reagiert das Gleichgewicht darauf entweder mit der
temperatursenkenden oder der temperatursteigernden Reaktion. Jetzt ergibt sich für mich als
Folge auf das obige „niemals" die Frage: Wenn sich eine Temperaturänderung als Folge einer
Druckänderung ergibt, behält dann in diesem speziellen Fall wirklich die
Gleichgewichtskonstante trotz Temperaturänderung ihren Wert bei? Da möchte ich Zweifel
anmelden.

Dr. Arnd Jungermann

[lJ www.arndjunqermann.de, www.quantenthermodynamik.com Kap. 1.1.
[2] K. Dehnert et al. Al/gemeine Chemie Schroedel Verlag 1979 bzw. 2004
[3] A. Jungermann, PdN Ch 5/49 (2000) 34; PdN Ch 6/51 (2002) 37, J.Chem.Educ. 83/11 (2006) 1686
[4] Ch. Kittel, H. Krömer, Physik der Wärme (1993), Thermodynamik, (2001) Oldenbourg Verlag
[5] T. J. Zielinski, J.Chem.Educ. 81. 605 (2004)
[6] P. W. Atkins, Physikalische Chemie VCH, Weinheim 1996, 2006, 2010
Antworten
# Carsten Tittel − Matthias Kremer 2017-11-10 14:18
Stellungnahme der Autoren

Das Hauptanliegen der Rückmeldung von A. Jungermann ist die Forderung, auch im Schulunterricht
die Energiequantelung einzuführen, am besten bei der Behandlung von Stoffeigenschaften, speziell bei den thermischen Stoffeigenschaften wie z. B. Abkühlungskurven, die sich mit einfachen Energieniveauschemata deuten ließen.

Tatsächlich haben wir folgende - nach Jungermann ebenfalls zentrale Punkte - nicht auf den Prüfstand gestellt: Die in der Schule übliche kinetische Temperaturdeutung, die isothermen Deutungen von Vorgängen mit Temperaturänderungen und die kinetische Herleitung des Massenwirkungsgesetzes sowie das Gleichgewichtsmodell „Apfeltennis“.
Das Arbeiten mit Energiequantelung und die isothermen Deutungen berühren unseres Erachtens grundsätzlichere Fragen, die in einer eigenen Diskussion – auch zusammen mit den anderen naturwissenschaftlichen Fächern - beleuchtet werden müssten.

Ob und ggf. wie das Massenwirkungsgesetz im Schulunterricht hergeleitet werden soll, ist eine Frage, die jede Lehrkraft bei ihrer Unterrichtsvorbereitung unter dem Aspekt der Prinzipien der Elementarisierung entscheiden muss. Da wir unter Punkt D) die Verwendung der Reaktionsgeschwindigkeit als ungeeignet zur Beschreibung des Gleichgewichtszustandes bezeichnen, haben wir den Punkt der „kinetischen“ Herleitung des Massenwirkungsgesetzes nicht gesondert betrachtet. Gleichwohl sind wir der Meinung, dass dieses Vorgehen eine mögliche didaktische Reduktion darstellen kann, wenn man sie auf die Reaktionsrate statt auf die Reaktionsgeschwindigkeit gründet. Fraglich hingegen ist, ob die korrekte thermodynamische Herleitung des MWG für Schülerinnen und Schüler zu leisten ist, bzw. welche Vereinfachungen dann vorgenommen werden müssten.
Auf das Modell „Apfeltennis“ sind wir nicht eingegangen, da das von A. Jungermann monierte Fehlen des elementar Chemischen (Bildung neuer Teilchen) einen Sachverhalt darstellt, der bei der Verwendung jedes Modells im Chemieunterricht zu beachten ist, nämlich seine Grenzen. Insofern haben wir diesen Punkt nicht als spezielles Problem beim Thema „Chemisches Gleichgewicht“ gesehen.
Gut, dass auf diese „Stolperstellen“ beim Unterrichten dieses Themas besonders hingewiesen wurde!

Zur Darstellung der Gleichgewichtszusammensetzung mit Kreisdiagrammen: Ja, wir haben absichtlich unterschiedliche Konzentrationen der beteiligten Stoffe gewählt. Schüler sind oft der Meinung, im Gleichgewicht müssten Konzentrationsverhältnisse vorliegen, wie sie im Gleichgewichtssymbol durch die stöchiometrischen Faktoren angegeben sind. Um dem entgegenzuwirken, sollten eben auch andere Gleichgewichtszusammensetzungen thematisiert werden. Ob gleich als einführendes Beispiel oder erst im späteren Verlauf des Unterrichts, ist eine Entscheidung jeder einzelnen Lehrkraft. Dazu haben wir uns nicht geäußert, würden es aber selbst nicht unbedingt als erstes Beispiel wählen

Die Rolle der stöchiometrischen Faktoren kommt bei der Beschreibung der Gleichgewichtseinstellung (nach einer Störung oder zu Beginn) durch die Länge der grünen Pfeile zum Ausdruck, wie wir vorgeschlagen haben. Da Ester und Wasser zu gleichen Teilen entstehen, müssen die grünen Pfeile dieselbe Länge haben. Aus der willkürlichen Wahl der Gleichgewichtszusammensetzung und der Darstellung der Reaktion (genauer „chemischen Reaktion“) können Schüler also lernen, dass die stöchiometrischen Faktoren sehr wohl eine Bedeutung für die Wieder- oder Neueinstellung des Gleichgewichts haben, allerdings nicht auf seine Zusammensetzung.
Betrachtet man nur die „Seite der Produkte“ insgesamt, wird häufig nicht verstanden, dass nach Zugabe eines Edukts das Gleichgewicht nach seiner Wiedereinstellung zwar „weiter rechts“ liegt, aber trotzdem die Gleichgewichtskonstante unverändert ist: Von dem zugegebenen Edukt liegt mehr vor als im ursprünglichen Gleichgewicht, von seinem Reaktionspartner weniger.

Im Beispiel 2 geht es um die Störung eines Gleichgewichts durch Temperaturänderung. Deshalb ist neben den Kreissymbolen ein stilisiertes Thermometer gezeichnet. Die „grünliche Fläche“ soll also helfen, die Temperatur des Systems zu erkennen. Zunächst liegt sie bei T1, wird dann durch die Störung abgesenkt (rot gezeichnetes Niveau) und durch die Reaktion auf die Störung bis auf T2 < T1 wieder angehoben. Die Bezeichnungen und die Bedeutung dieser Darstellung sind im Text etwas zu wenig deutlich geworden.

Unsere Behauptung, „dass sich bei Druckänderungen die Gleichgewichtskonstante niemals ändert“ wird von A. Jungermann zu Recht kritisiert, da damit einhergehende Temperaturänderungen nicht auszuschließen sind. Gemeint hatten wir den Fall, dass die Temperatur bei der Druckänderung und dem anschließenden Prozess künstlich konstant gehalten wird, so dass sich tatsächlich nur der Druck ändert und die Reaktion des Systems auf die Änderung eines einzigen Parameters zu betrachten ist. Dann bleibt die Gleichgewichtskonstante unverändert, auch wenn sich das Gleichgewicht wieder eingestellt hat.
Antworten
# Jungermann Arnd 2018-01-27 13:36
Lieber Matthias, lieber Carsten,
inzwischen hatte etwas Zeit, den didaktischen Prüfstand auf der Webseite anzuschauen. Ich möchte Euch gratulieren zu Eurem Prüfstand-Impuls, der ja offensichtlich gut angenommen wird. Sicher richtig ist, dass viele Wege nach Rom führen und sie von den verschiedenen „Pilgern“ (Schüler wie Lehrer) unterschiedlich beschwerlich oder leichtgängig empfunden werden können. Die Diskussion soll ja u. a. die Möglichkeit bieten andere Pilger auf andere Wege oder auf Stolperfallen aufmerksam zu machen. Viele Wege führen aber auch nicht nach Rom und man sieht es dem Weganfang nicht ohne Weiteres an.
Zu Eurer Stellungnahme zu meinem Beitrag:
1. Was lag auf dem didaktischen Prüfstand?
Ihr führt als Erstes aus, dass Ihr diese vier Punkte gar nicht auf den Prüfstand gestellt hättet:
a) Temperaturdeutung
b) isotherme Deutungen von Vorgängen mit Temperaturänderungen
c) kinetische Herleitung des Massenwirkungsgesetzes
d) Gleichgewichtsmodell Apfeltennis (ich bevorzuge das friedliche Tennis statt des Kriegs)
Es mag vielleicht Euer Wunsch gewesen sein, dies auszuklammern, aber das würde mich an die Autoindustrie erinnern, die auf dem Prüfstand auch versucht hat, mittels Software Unliebsames auszuklammern. Nachdem ich Euren Vorschlag noch mal durchgesehen habe, meine ich sagen zu können, dass Ihr sie – anders als die Autoindustrie - tatsächlich nicht ausgeklammert habt:
In Beispiel 1 soll als Störung Endstoff aus einem Gleichgewicht entzogen werden. Nach GGW-Lehre wird deshalb mit steigender Temperatur (exotherm) der Endstoff nachgebildet, also bleibt bei den Phänomen die Gleichgewichtskonstante K nicht konstant. Bei der klassischen Deutung wird K nur fiktiv als konstant angenommen. Man hat dafür sogar den ersten Hauptsatz scheinbar umgangen, denn die isotherme Deutung von Vorgängen mit Temperaturänderung verletzt die Energieerhaltung: Man nahm unendlich große thermische Reservoire an, die Energieaustausch mit dem reagierenden System leisten, ohne dass sich die Temperatur in diesen Reservoiren än-dern würde. Als „Entschuldigung“ für diesen „Kunstgriff“ hat man die Prozessgeschwindigkeit als unendlich klein angenommen. Nach meinem Dafürhalten ist dies deutlich von den Phänomenen entfernt, aber was mir wichtiger ist, wir haben diese „Kunstgriffe“ heute nicht mehr nötig, Dank Planck. (Mit dieser Entschuldigung habe ich mich auf meiner Webseite beschäftigt.)
Meinem Einwand in Bezug auf die Druckabhängigkeit von K habt Ihr mir zugestimmt und dann geschrieben: „Gemeint hatten wir den Fall, dass die Temperatur bei der Druckänderung und dem anschließenden Prozess künstlich konstant gehalten wird, …“ Wenn man bei einem Prozess einen Eingriff des Experimentators von außen (so lese ich das „künstlich“) zulässt, wird dann nicht der Begriff „Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten“ widersinnig?
2. Herleitung des MWG
Wenn ich als ausgebildeter Chemielehrer weiß, dass die kinetische Herleitung ein „Fake“ ist, neige ich dazu, diesen nicht zu elementarisieren. Schließlich möchte ich erreichen, dass die Schüler Verständnis für die Phänomene entwickeln und sehe dabei eine Fehlvorstellung, auch wenn sie scheinbar mathematisch untermauert ist, als nicht hilfreich an und suche andere Wege. Man muss nach meiner Erfahrung im Schulunterricht auch nicht das MWG thermodynamisch herleiten, um Verständnis für die Gleichgewichtsphänomene zu vermitteln. (Ähnliches gilt für die Nernst-, Gibb-Helmholtz- und Schrödinger-Gleichung und die dazu gehörenden Phänomene.)
Hilfreich für das Gleichgewichts-Verständnis sind Modelle, die das stoffliche Verhalten mit dem in-neren Aufbau der Stoffe (Teilchenmasse, Bindungsabstände, Bindungskräfte) in Zusammenhang bringen und die das Verständnis der Phänomene wie Temperatur, thermische Energie, Entropie und thermische Strahlung erleichtern. Ihr schreibt: „Fraglich hingegen ist, ob die korrekte ther-modynamische Herleitung des MWG für Schülerinnen und Schüler zu leisten ist, bzw. welche Ver-einfachungen dann vorgenommen werden müssten.“ Dem ersten Teil des Satzes stimme ich voll zu, beim zweiten habe ich die Erfahrung gemacht, dass man die wissenschaftlich exaktere Deu-tung Verständnis fördernd elementarisieren kann.
3. Apfeltennis
Zum Apfeltennis-Modell schreibt Ihr in der Antwort auf Ulf Janz: „… da es den Lernenden auf sehr eindrückliche Weise klar macht, wie es möglich ist, dass wenige reaktive Teilchen das Gleichge-wicht gegenüber vielen weniger reaktiven halten können.“ Daraus lese ich, dass ‚reaktiv’ eine Teilcheneigenschaft sei. Sind denn die Teilchen in beiden Richtungen nicht völlig gleich gezeich-net? Sollten sie dann nicht identische Eigenschaften haben? Auch habe ich Zweifel, dass in die Reaktivität nicht auch Stoffeigenschaften, die aus den Wechselwirkungen zwischen den Teilchen hervorgehen (Bindungskräfte, Bindungsabstände, Bindungswinkel…), eingehen. Diese Wechsel-wirkungen vermisse ich beim Apfeltennis. Die Modellkritik außen vor zu lassen mit der Begrün-dung, dass es bei jedem Modell Grenzen gibt, über zeugt mich nicht, schließlich erfordert jedes Phänomen ein an diesem Phänomen orientiertes Modell und zum einem Prüfstand gehören auch Leistungsfähigkeitsvergleiche verschiedener Modelle zu diesem Phänomen.
Herzliche Grüße
Arnd
Antworten
# Klaus Rösch 2017-12-01 08:51
Rückmeldung zum Thema „Chemisches Gleichgewicht“: Download der Rückmeldung im PDF-Format
Antworten
# Carsten Tittel − Matthias Kremer 2017-12-01 08:53
Stellungnahme der Autoren

Wie bedanken uns bei Herrn Rösch für die äußerst positive Kritik, sowohl am Projekt des „Didaktischen Prüfstandes“ als auch zu den konkreten Vorschlägen des Beitrags zum „Chemischen Gleichgewicht“. Die penibel ausgeführten Rechnungen stellen in unseren Augen ein Musterbeispiel für sorgfältige und korrekte Darstellung eines nachvollziehbaren Rechenweges dar.
Die von K. Rösch alternativ vorgeschlagenen Zylinderdarstellungen bringen tatsächliche Mengenverhältnisse zum Ausdruck im Unterschied zu den weniger konkreten halbquantitativen Kreisdiagrammen der Teilchenkonzentrationen in unserem Vorschlag. Allerdings ist aus unserer Sicht der grafische Aufwand, gerade an der Tafel oder im Schülerheft unverhältnismäßig höher. Kann dies im Unterricht durch Lehrkräfte oder Schülerinnen und Schüler überhaupt sauber und in angemessener Zeit realisiert werden? Wir sind der Meinung, gerade die Einfachheit in der Beschränkung auf Kreisdiagramme und verschiedenfarbige Pfeile bildet den entscheidenden Mehrwert der von uns vorgeschlagenen Darstellungsform: Einerseits verlangt sie von den Lernenden bereits einen gewissen Grad an Abstraktion, sie bleibt aber hinreichend konkret, um die Lernenden bei ihren ersten Überlegungen zur Beeinflussung eines chemischen Gleichgewichts anhand von Reaktionsgleichungen in angemessener Form visualisierend zu unterstützen.
Da im Massenwirkungsgesetz die Konzentrationen stehen und nicht die Stoffmengen, suggerieren möglicherweise gefüllte Zylinder außerdem eine andere Größe als die Konzentration.
Als problematisch sehen wir die Vorschläge zur Visualisierung von Druckveränderungen an. Ist es korrekt, die Druckverminderung allein durch Reduktion der Kreisradien darzustellen? Müssten sich nicht - je nach stöchiometrischen Verhältnissen in einem chemischen Gleichgewicht - auch die Winkel der Kreissegmente verändern? Wenn die Fläche des Kreissegments ein Maß für die Konzentration eines Gleichgewichtsbestandteils und nicht ein Maß für seine Stoffmenge sein soll, müsste sie ja bei Volumenverringerung eigentlich bei allen Bestandteilen zunehmen. Dies lässt sich mit Kreissegmenten nicht auf leicht nachvollziehbare Weise darstellen, wenn von Anfang an ein Vollkreis mit den Konzentrationen gebildet wird. Aber das muss ja nicht sein. Insbesondere die Druckveränderungen bei Zugabe eines Inertgases (bei konstantem Volumen) und ihr Einfluss auf das Gleichgewicht können durch Veränderung der Kreisradien unseres Erachtens nicht dargestellt werden. Hier ändert sich zwar der Gesamtdruck des Systems, die Partialdrucke der einzelnen Komponenten bleiben jedoch gleich. Somit liegt unseres Erachtens keine Störung vor. Über weitere Argumentationen zu diesem Sachverhalt würden wir uns freuen.
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