1 Sprech- und Darstellungsweisen auf dem Prüfstand

Reinstoffe sind auf der Stoffebene von zentraler Bedeutung. Chemiker/innen bezeichnen sie u.a. mit Hilfe chemischer Formeln, die aber eigentlich Informationen über die Teilchen und Teilchenverbände des Stoffes, nicht über den Stoff selbst liefern. Obwohl nun aber die Teilchenebene Erklärungen für die Phänomene auf Stoff- (bzw. Portions-) Ebene liefern soll, wird über eine Bezeichnung für die "klein(st)en Teilchen" der Reinstoffe immer noch heftig diskutiert - oder man umgeht dieses Minenfeld einfach durch Benutzung des allgemeinen Begriffs "Teilchen", der aber genauso auf Atome, Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen etc. anwendbar ist. Oder man reduziert didaktisch auf den Molekülbegriff der Antike, was von vielen Kolleg/inn/en aber als falsch angesehen wird. Der einzige hier korrekte und gleichzeitig allgemein akzeptierte differenzierte Begriff wäre die Formeleinheit. Diese ist aber für Schüler/innen im Anfangsunterricht nicht so recht als Teilchen (be)greifbar. Deshalb wird dieser Begriff sehr selten und meist auch nur für Salze gebraucht. Ein anderer, klar abgegrenzter Teilchenbegriff ist daher nötig. An Vorschlägen mangelt es nicht: Elementargruppe, (Kleinst-) Baugruppe, Kleinstteilchen, Baustein, Stoffteilchen, ..., nur konnte sich bisher keiner davon wirklich etablieren.


2 Verwirrungspotenzial obiger Sprech- und Darstellungsweisen

Das Problem ist zunächst, dass der Molekülbegriff älter ist als der Atombegriff (und damit auch älter als die Chemie als moderne Naturwissenschaft), weshalb Physiker/innen (und auch viele Chemiker/innen im angelsächsischen Raum) die kleinsten Teilchen von Reinstoffen immer noch als Moleküle bzw. Molekel ansprechen, selbst wenn es sich um Stoffe mit Gitterstruktur (wie z. B. Kochsalz) handelt. Als nun aber die Chemiker/innen durch die klassischen Analysereaktionen auf elementare Stoffe stießen, war klar, dass die meisten "Molekeln" aus mindestens zwei Grundbausteinen, den Atomen, bestehen, meist sogar aus Atomen verschiedener Atomsorten.

DALTONs Fehlvorstellung von Atomen als Formeleinheiten der elementaren Stoffe hat sich in der Fachwelt nicht lange gehalten - aber umso hartnäckiger in den Köpfen der Schüler/innen, weil die Teilchen nicht begrifflich auseinandergehalten wurden und weil der Elementbegriff homonym - im makroskopischen Sinne als Stoff (also besser: elementarer Stoff) und im submikroskopischen Sinne (als Atomsorte) - definiert wurde.

Daraus ergeben sich mehrere Probleme:

A) Wenn man als Lehrer/in die klassische Definition weitergibt "Atome sind die kleinsten Teilchen der Elemente", geht man das erhebliche Risiko ein, dass ab diesem Zeitpunkt ein verhängnisvoller Trugschluss gezogen wird: Das Atom wird als Formeleinheit aller elementaren Stoffe gesehen. BARKE spricht in solchen Fällen von hausgemachten Fehlkonzepten [BARKE 2015, S. 229]. Hier könnte allerdings das Periodensystem PSE³ Abhilfe schaffen, wie in KREMER & BEE (2017) gezeigt wird. Außerdem birgt die unreflektierte Verwendung eines Begriffes (Element) für zwei ganz unterschiedliche Dinge (elementarer Stoff vs. Atomsorte) die Gefahr, dass eine Unterscheidung erschwert oder unmöglich wird, was sich sogar auf die Trennung zwischen mikro- und makroskopischer Ebene auswirkt.

B) Wenn unreflektiert der Begriff „Element“ zwischen submikroskopischer und makroskopischer Ebene wechselt, und Verbindungen aus (in gleicher Weise missverstandenen) „Elementen“ bestehen, dann assoziieren Schüler/innen häufig, dass in Portionen von Verbindungen die Portionen der elementaren Stoffe gemischt vorliegen. Anlässe für dieses Fehlkonzept sind oft gehörte, zwar richtige, aber gleichwohl hochproblematische Aussagen wie etwa: "Die Verbindung Wasser enthält die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff", oder gar zitiert aus einem Schulbuch: "Elemente sind [...] Stoffe [...]. [...] Wasser ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff" [JÄCKEL 1996, S. 52 und 98].

C) Auch kommt es bei dieser Herangehensweise oftmals zur Fehlvorstellung, beim Sieden eines Reinstoffs zerfalle dieser in seine Atome: Das Aggregat seiner "kleinsten Teilchen" löst sich nach dem einfachen Teilchenmodell auf, da ihr Zusammenhalt verloren geht - und mit kleinsten Teilchen assoziieren Schüler/innen im klassischen Chemieunterricht zuerst einmal „Atome“.

D) Eine weitere typische Fehlvorstellung ist, hinter jeder chemischen Formel einfach eine zusammenhängende Gruppierung von Atomen zu sehen. Solche für sich abgeschlossene Atom-Gruppen als kleinste Teilchen findet man aber eben nur in Form von Molekülen und ungeladenen Komplexen. Hier halten Atome durch gemeinsame Elektronen fest zusammen. Zwischen den aus diesen Bindungen resultierenden „Formeleinheiten“ und anderen Teilchen bestehen (anziehende) Wechselwirkungen (TITTEL & KREMER 2017).

E) Bei Salzen ist die Problematik noch gravierender. Zunächst einmal ist unstrittig, dass es sich bei einem reinen Salzkristall (hier im Sinn von: kein Mischkristall) um eine Reinstoff-Portion handelt. Für Lernende stellt sich die Frage: Wie kann ein Salz ein Reinstoff sein, wenn es aus verschiedenen Teilchen (Ionen) besteht? Hier stellt also ein weiterer undifferenzierter Teilchenbegriff erneut eine logische Stolperfalle dar.
Nun können aber Ionen nicht die kleinsten Teilchen reiner Salze sein, denn kleinste Teilchen von Reinstoffen müssen aufgrund ihrer Anziehungskräfte Kristalle und Schmelzen bilden - gleichnamige Ionen können das aufgrund ihrer Abstoßung aber nicht.
Also muss man eine ungeladene Formeleinheit aus verschiedenen Ionen als „kleinstes Teilchen“ festlegen. Da es sich bei dieser Formeleinheit nun um eine definierte Kombination von Teilchen (Ionen) handelt, kann man diese Kombination selbst wiederum modellhaft als Teilchen auffassen. Solche Formeleinheiten spricht man mit den Begriffen Ionenpaar oder nach BARKE (2015) besser Ionengruppe an (weil es eben nicht immer Paare sind, sondern wie z. B. im Calciumfluorid eine Dreiergruppe). Man formuliert mit Formelschreibweisen dieser Teilchen Reaktionsgleichungen und „zählt“ sie bei Angaben der Stoffmenge in der Einheit Mol. Auch wenn es im Kristall für die Zusammenfassung der Ionen zu Ionengruppen verschiedene Möglichkeiten gibt, so gehört doch immer zu einer bestimmten Zahl Kationen auch eine bestimmte Zahl Anionen. Insgesamt stellt die „Ionengruppe“ ein „gedachtes“ Teilchen dar, und zwar einen kleinstmöglichen Gitterausschnitt mit dem richtigen Anzahlverhältnis der beteiligten Ionen. Dieser mikroskopische Sachverhalt drückt sich auch makroskopisch aus, man spricht von der Elektroneutralität von Stoff-Portionen und von der resultierenden Elektroneutralitätsbedingung bei Redoxreaktionen.

F) In Atomkristallen, wie z.B. im Diamant, sind alle Atome durch Elektronenpaarbindungen zu einem Kristall verknüpft. Die Formeleinheit ist hier die Portion, um die sich der Kristall vergrößern oder verkleinern lässt, ohne dass die Stoff-Eigenschaften sich ändern. Wie bei Salzen zwischen Ionen, so gibt es auch hier Bindungen zwischen Atomen verschiedener Formeleinheiten. Selbstverständlich muss man einräumen, dass ein C-Atom noch keinen Diamanten macht. Dies kann man leicht deutlich machen, indem man auf die anderen Modifikationen der jeweiligen Elemente verweist, die auf unterschiedliche Bindungsverhältnisse zurückgehen.

G) Metalle: Auch hier kann man zu Portionen einzelne Formeleinheiten hinzufügen oder wegnehmen, ohne dass die Stoff-Eigenschaft verloren geht. Die Atome sind durch eine metallische Bindung verknüpft. Die „gedachten“ Formeleinheiten halten dabei genau wie bei Salzen und Atomkristallen durch chemische Bindungen (Metallbindung) zusammen.

H) Edelgase: Hier existieren Atome, die wie bei den Metallen Formeleinheiten darstellen, allerdings ohne sich durch chemische Bindungen mit anderen Atomen stabilisieren zu müssen.

Aus A bis H geht klar hervor, dass Chemiker/innen unter Formeleinheiten eben nicht nur Moleküle verstehen, sondern auch andere "Systeme" aus Atomen. In der Chemie wurde bisher versäumt, sich auf einen anschaulichen Teilchen-Begriff für die Formeleinheit zu einigen. Leider, denn schlussendlich muss man klar festhalten, dass diese Vielfalt an Typen von Formeleinheiten einen Lernenden nicht nur verwirren kann, sondern letztlich gar muss. Vor allem dann, wenn ein undifferenzierter Teilchenbegriff verwendet wird, der auch für Atome und subatomare Teilchen herhalten muss. Ohne die Differenzierung der Formeleinheiten von den Atomen ist das Verständnis dieser grundlegenden Zusammenhänge bestenfalls schwierig, für allzu viele Schüler/innen aber sogar unmöglich. Und ehrlicherweise kann man auch die Frage stellen: Wie viele ausgebildete Naturwissenschaftler sind sich dieser Vielschichtigkeit immer bewusst? Leider ist die Formeleinheit als Begriff für ein Teilchen untauglich, weil Lernende sie rein sprachlich nur schwer als Teilchen begreifen können. Das Abstraktionsproblem der chemischen Formel wurde in der chemischen Didaktik mit dem erkenntnistheoretischen Dreieck Stoffebene - Teilchenebene - Formelebene von JOHNSTONE (2000) beschrieben. Der Abstraktionsgrad ist unnötig hoch, wenn die Formeleinheit nicht als Teilchen angesehen und verstanden wird.

3 Anregungen zur Minimierung von Verwirrung und Verständnisschwierigkeiten

Der Begriff "Stoffteilchen" als Ergänzung zum Begriff "Formeleinheit"

All diese Probleme lassen sich durch eine einfache Klärung umgehen: Gemisch-Portionen bestehen aus Reinstoff-Portionen, diese bestehen aus Formeleinheiten, diese wiederum aus (ggf. veränderten, etwa bei Ionen) Atomen. Die Formeleinheiten elementarer Stoffe enthalten nur eine Atomsorte, die von Verbindungen zwei oder mehrere.

Die Formeleinheit ist also der Dreh- und Angelpunkt der Differenzierung von Gemischen und Reinstoffen, von Verbindungen und elementaren Stoffen. Sie ist das Bezugsobjekt bei der Quantifizierung einer Stoffportion durch die Stoffmenge in Mol, bei molaren Stoffkonstanten wie molarer Masse, Bildungsenthalpie, Verdampfungsenthalpie etc. Wir brauchen sie zur Klärung der stöchiometrischen Verhältnisse in Mindestumsätzen usw. Wenn man nun aber die Formeleinheit modellhaft als kleinste Portion des Reinstoffs auffasst, wird sie zu einem Teilchen und wird damit – auch mit Hilfe von Modellen – zu einem wenn auch submikroskopischen, so doch bildlich vorstellbaren, Etwas.
Es handelt sich jeweils um das kleinste Teilchen des Reinstoffs. Portionen dieses Reinstoffs setzen sich daraus zusammen. Diese Teilchen bedingen die Eigenschaften der Stoffportion, sie machen den Stoff aus. Als ich zum ersten Mal den Begriff Stoffteilchen hörte, hatte ich endlich eine begriffliche Teilchen-Repräsentation für die Formeleinheit gefunden. Diese bildhaften Modellvorstellungen lassen sich einfach grafisch umsetzen und öffnen vielfältige Fenster für verständnisfördernde Visualisierungen. Einige Beispiele finden sich in den Abbildungen 1 und 2.      

Stoffteilchen1
Abb. 1. Symbolvorschläge für ein undifferenziertes (einfaches) Stoffteilchenmodell mit den Farben Violett für Hydrophilie und Gelb für Lipophilie  

   
Stoffteilchen2
Abb. 2. Symbolvorschläge für ein differenziertes Stoffteilchenmodell mit den zusätzlichen Farben Blau für negative und Rot für positive (Partial-) Ladung

Der enge Zusammenhang zwischen mikroskopischer, makroskopischer und Symbolebene lässt sich sprachlich mit Hilfe des Begriffs Stoffteilchen ganz leicht ausdrücken, zum Beispiel: Wasser-Teilchen sind die Teilchen, aus denen jede Wasser-Portion besteht oder „die kleinste theoretisch denkbare Wasser-Portion“. (Diese Vorstellung wird bei Schüler/innen gelegentlich bereits in der Vorschule angelegt. Auf die Frage, wie viele Stoffteilchen in einer Stoffportion nötig sind, damit aus Teilcheneigenschaften Stoffeigenschaften resultieren, wird zunächst nicht zwingend eingegangen.)

Reines Wasser ist ein Reinstoff. Also ist das Wasser-Teilchen ein Stoffteilchen. Seine chemische Formel gibt seine Zusammensetzung aus den Atomen der verschiedenen Atomsorten wieder. Das Stoffteilchen von Wasser ist ein Molekül, deshalb ist Wasser ein molekularer Stoff.  
Führt man schon mit dem einfachen Teilchenmodell den Begriff Stoffteilchen ein, so lässt sich diesem Wissen ein Atommodell nahtlos anschließen; es gibt keine Brüche im Teilchenmodell wie früher -  nur Präzisierungen.

Es ist ratsam, Stoff und Teilchenart immer mit einem Bindestrich zu trennen und darauf zu achten, stets beides zu bezeichnen. Dies wird sofort klar, wenn man Wasserstoffteilchen und Wasser-Stoffteilchen gegenüberstellt. Die Bezeichnung Wasser-Stoffteilchen ist eindeutig. Mit einem Wasserstoffteilchen allerdings können je nach Kontext sowohl Wasser-Stoffteilchen als auch Wasserstoff-Stoffteilchen, Wasserstoff-Atome oder Wasserstoff-Moleküle gemeint sein.

4 Abwägung

Verwendung von „Stoffteilchen“ gegenüber alternativen Teilchenbegriffen

Den undifferenzierten Begriff "Teilchen" für die Formeleinheit sollten allenfalls Lernende nutzen, die versuchen, eine Modellvorstellung selbst zu umschreiben. Lehrkräfte sollten den Schüler/inne/n jedoch die besondere Bedeutung der Formeleinheit deutlich machen, indem sie einen differenzierten Begriff verwenden. Dann ist auch eine klare Unterscheidung der verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Teilchen möglich, die hier bereits zur Diskussion stand [TITTEL & KREMER 2017]. Gegen eine Rückkehr zum antiken Molekül-Begriff spricht die Tatsache, dass dieser in der modernen Chemie bereits eine engere Bedeutung erfahren hat und mit dieser etabliert wurde.

Bausteine sind Objekte, die man je nach Bauanleitung zu verschiedenen komplexeren Strukturen zusammensetzen kann. Nutzt man die Metapher "Baustein" für Atome, so wird deutlich, dass Atome je nach Kombination verschiedene Formeleinheiten ergeben. Aus vielen gleichen Formeleinheiten lassen sich dagegen nur Stoff-Portionen aufbauen, die sich lediglich in ihrer Quantität unterscheiden. Deshalb sollte man besser Atome als Bausteine von Formeleinheiten (resp. Stoffteilchen) ansprechen, statt die Formeleinheiten selbst als Bausteine von Stoff-Portionen zu bezeichnen.

Mit dem Baugruppen-Begriff kann man richtig den Aufbau aus Atomen assoziieren - allerdings gibt es jedoch auch Formeleinheiten aus nur einem Atom (Metalle, Edelgase), was eine Bezeichnung als Gruppe ad absurdum führt. Elementargruppen bilden nur noch ein weiteres Wort im Wortfeld "Element", das mit den Begriffen Element, elementaren Stoffen und Elementarteilchen schon überstrapaziert ist. Aus diesem Grund sollte man eher über die Differenzierung der Elemente von elementaren Stoffen hinausgehen und im entsprechenden Kontext statt von Element von der Atomsorte sprechen. Zumal hier ebenfalls das Wort „Gruppe“ enthalten ist, dessen Verwirrungspotential bereits oben diskutiert wurde.
Der Begriff "kleine Teilchen" ist irreführend, weil er als Ergänzung zu den Atomen als "kleinste Teilchen" zu sehen ist - obwohl die Schüler/innen aus dem Physik-Unterricht noch viel kleinere „kleinste Teilchen“ kennen.

Anschlussfähigkeit des Stoffteilchen-Begriffs

Das im Anfangsunterricht früher verwendete Kugelteilchenmodell, das letztlich nichts anderes ist als eine Modellvorstellung von Stoffteilchen in Kugelform, lässt sich ohne an Anwendbarkeit und Aussagekraft zu verlieren, durch das Stoffteilchenmodell (mit Freiheit der Form) ersetzen. Dadurch gewinnt diese Modellvorstellung didaktisch ungemein, denn sie verliert den Makel der unzureichenden Anschlussfähigkeit. Gleichzeitig ist das schlüssigere und für Lernende einfachere Stoffteilchenmodell aber auch noch näher an der Fachwissenschaft, denn das wissenschaftliche Teilchenmodell ist eben gerade nicht auf die Kugelvorstellung beschränkt.

Stoffteilchen und Stoffteilchenmodell bleiben aber nicht auf den Anfangsunterricht beschränkt, sondern tragen nach einer fortschreitenden, darauf aufbauenden Differenzierung der Teilchenvorstellung weiter bis an die Hochschule. Denn auch da gilt: Das einfachste einen Sachverhalt brauchbar erklärende und Vorhersagen zulassende Modell wird bevorzugt verwendet. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf das in Abbildung 1 gezeigte Tensid-Stoffteilchen verwiesen, mit dem Wechselwirkungen zwischen Teilchen bei der Micellenbildung, dem Schmutzlösen, der Verringerung von Oberflächenspannungen usw. auf anschauliche Art und Weise erklärt werden können. Denkt man sich zu dem in Abbildung 1 dargestellten unverzweigten Kohlenwasserstoff-Molekül eine analoge Darstellung eines isomeren, stark verzweigten Moleküls, wird der Einfluss der Struktur auf die Stärke der Wechselwirkung regelrecht bildlich (be)greifbar. Oder man denke an die in vielen Biologiebüchern verbreitete Darstellung von Saccharose-Molekülen als verknüpfte Fünf- und Sechsecke – nichts anderes als eine grafische Darstellung eines Saccharose-Stoffteilchens und eben nicht die Strukturformel von Saccharose-Molekülen.  

5 Impulse zum Weiterdenken

  • Inwiefern werden die aufgezeigten Probleme A) bis H) minimiert, welche neuen Probleme können sich ergeben?
  • Ist es eher hilfreich oder verwirrend, dass im Begriff „Stoffteilchen“ zwei nicht zu vermischende Ebenen, Stoffebene und Teilchenebene, in einem Wort zusammentreffen?
  • Müsste der Begriff statt „Stoffteilchen“ nicht zutreffender „Reinstoffteilchen“ lauten, da etwa dem Stoff „Luft“ als Gemisch kein eindeutiges Stoffteilchen zugeordnet werden kann, es somit Stoffe (nämlich Gemische) ohne Stoffteilchen gibt? Oder sollte über eine Definition des Begriffs „Stoff“ im Sinne des bisherigen „Reinstoff“ nachgedacht werden? Dann gäbe es nicht unter dem Oberbegriff „Stoffe“ Reinstoffe und Gemische, sondern unter „Materie“ Stoffe und Stoffgemische.
  • So wie die Teilchen der Reinstoffe den eigenen Begriff „Stoffteilchen“ zur genaueren Abgrenzung bekommen, könnten auch die Teilchen, die Atome aufbauen (Protonen, Neutronen und Elektronen), einen eigenen Begriff erhalten, der sie von den physikalischen „Elementarteilchen“ abhebt: Atomteilchen.


Literatur

BARKE, H.-D. et al. (2015). Chemiedidaktik kompakt. 2. Auflage. Springer Spektrum. Berlin, Heidelberg.

JÄCKEL et al. (1996). chemie heute SI 52 und 98. Schroedel. Hannover 1996

JOHNSTONE, A. H. (2000). Teaching of Chemistry - logical or psychological? Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 1(1), 9-15.

KREMER, M. & U. BEE (2017). Mehr Transparenz bei den Elementen mit dem PSE. MNU, 70(1), 36 – 42.

SIEVE, B. (2015). Interaktive Tafeln im naturwissenschaftlichen Unterricht - Entwicklung und Evaluation einer Fortbildungsmaßnahme für Chemielehrkräfte. Springer Spektrum. Wiesbaden 2015

TITTEL, C. & M. KREMER (2017). Didaktischer Prüfstand - Wechselwirkungen zwischen Teilchen. In: MNU-Journal 5 343-346. Verlag Klaus Seeberger. Neuss 2017

HARALD THIELEN-REDLICH,
Privates St.-Josef-Gymnasium,
Klosterstraße 2, 54675 Biesdorf, ist Lehrer für Biologie und Chemie.

Kommentare  

# Janz Ulf 2018-08-22 14:54
Sehr geehrter Herr Kremer,
hier ein paar Anmerkungen zum Didaktischen Prüfstand – Die „kleinsten“ Teilchen der Reinstoffe.

Die von Ihnen genannten Probleme können durchaus im Unterricht beobachtet werden und lassen sich wohl teilweise auf Präkonzepte zurückführen, dürften aber häufig „hausgemacht“ sein. Ich denke jedoch nicht, dass die Lösung darin liegt, die Teilchen von Reinstoffen als Stoffteilchen zu bezeichnen und die Darstellung dieser Teilchen in Einklang zur dazugehörenden Formel zu setzen.
Vielmehr geht es um das Problem, wie im Unterricht schrittweise ein tragfähiges Teilchenkonzept entwickelt werden kann. EILKS (2007) zeigt ein solches Konzept auf und betont, dass „ ein sorgfältigerer Umgang mit der Ebene der diskret vorkommenden Teilchen und eine klare Trennung von der Ebene ihrer Bausteine – der Atome und der Atombestandteile – die Konzeptentwicklung verbessern helfen kann.“ Bewusst wird hier die Formulierung kleinste Teilchen vermieden, weil Schülerinnen und Schüler sehr wohl um die Existenz von Atomen, Elektronen usw. wüssten. EILKS (2007) argumentiert: „Eine Redewendung der kleinen Teilchen, die einen Stoff ausmachen, weicht dieser Problematik aus, ist dennoch hinreichend und kann eine weitere, spätere Differenzierung vorbereiten, wenn man über den Aufbau dieser kleinen Teilchen unterrichtet.“
Nach diesem Konzept kann man bereits in der Orientierungsstufe ein Teilchenmodell nutzen, welches unter anderem davon ausgeht, dass die (kleinen) Teilchen der Stoffe auch verschiedene Formen aufweisen können, womit auf das Kugelteilchenmodell mit seinen Problemen gezielt verzichtet werden kann.
Ausgehend von einem anschlussfähigen Grundverständnis über Stoffe (Kontinuum) und Teilchen (Diskontinuum), eröffnen sich verschiedene Wege das Teilchenkonzept zu erweitern und dabei die Formelebene zu integrieren. Zwei verschiedene Wege möchte ich näher betrachten.
1) EILKS (2007) entwickelt das Teilchenkonzept über die Atome und ihren Aufbau weiter zu den drei Arten chemischer Bindungen. Die Ebene der diskret vorkommenden Teilchen wird somit differenzierter, betrachtet nun Atome, Moleküle und Ionen inklusive der Bindungsarten. Dieses Konzept spiegelt teilweise auch der aktuelle Lehrplan von Rheinland-Pfalz (2014) wieder. Bereits im ersten Lernjahr (8.Klasse) wird ein differenziertes Atommodell eingeführt (Schalenmodell, Energiestufenmodell oder Kugelwolkenmodell). Auf der Teilchenebene werden anschließend Ionen und Ionenbindung, Moleküle und Elektronenpaarbindung, Metalle und Metallbindung behandelt. Parallel dazu wird die Formelebene entwickelt.
Nach eineinhalb Jahren (Mitte der 9. Klasse) sollten die Schülerinnen und Schüler in der Lage sein verschiedene Stoffe (Metalle, Salze, Flüchtige Stoffe), Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) und Formeln (Verhältnisformeln, Summenformeln) vergleichend gegenüber zu stellen und die Ebenen sinnvoll in Beziehung zu setzen. Es erscheint also sehr vorteilhaft, schon früh im Unterricht ein differenziertes Atommodell zu nutzen, auf das immer wieder zurückgegriffen werden kann.

2) HERDT (2015) dagegen zeigt, wie die Strukturen der Reinstoffe vor dem differenzierten Atommodell behandelt werden können. Als Teilchen der Reinstoffe werden Atome, Moleküle und Ionen unterschieden. Zellstoffmodelle helfen bei der Darstellung von Molekülen, Ionengittern und Metallgittern (Atomgittern), wodurch auch die Unterscheidung von Molekülformeln und Verhältnisformeln möglich wird. Ebenso plädiert BARKE (2015) für die frühe Einführung des Ionenbegriffs und unterbreitet einen Vorschlag, wie eine Behandlung im Anfangsunterricht ohne differenziertes Atommodell möglich wäre.
Die Betrachtung von Atomen und Ionen als Grundbausteine der Materie bezeichnen STREHLE, RÖLLEKE und BARKE (2007) als „Teilchenphilosophie“ und empfehlen in diesem Zusammenhang ein entsprechendes Periodensystem, das in den letzten Jahren didaktisch nochmals verfeinert wurde (www.chemisch-denken.de) und von SAUERMANN et al. als „Grundbausteine-Kräfte-Konzept“ benannt wird.

Es lässt sich also feststellen, dass es sich lohnen würde die Formulierung „kleinste“ Teilchen zu vermeiden, ohne jedoch auf eine Unterscheidung der Teilchen, die einen Stoff ausmachen und deren Bausteine zu verzichten. Die Teilchen, die einen Stoff ausmachen sind im Wesentlichen Atome, Moleküle und Ionen. Damit sind auch die Teilchen der Reinstoffe Atome, Moleküle und Ionen. Je nachdem welchen der zwei oben beschriebenen Wege man beschreitet kommt man früher oder später zu dieser Aussage. Für beide Wege lassen sich ohne Frage verschiedene Vor- und Nachteile finden.

Unabhängig von diesen Konzepten darf natürlich der Elementbegriff nicht missverständlich und unreflektiert im Unterricht verwendet werden.
Das PSE3 ist in diesem Zusammenhang eine gute Möglichkeit, um aufzuzeigen, dass mit dem Begriff Element verschiedene Betrachtungsebenen gemeint sein können. Neben der Ebene der Atomart werden Informationen zu Teilchen- und Stoffebene sichtbar.
Es ergeben sich jedoch auch einige Vorteile, wenn Elemente konsequent nach IUPAC als Teilchen (Atomarten mit bestimmter Protonenzahl) aufgefasst werden. Wenn man im Unterricht Atome und Ionen als Elemente bezeichnen würde, könnte man dem „Reinstoffproblem“ auch so begegnen:
A) Reinstoffe lassen sich in Verbindungen und Elementare Stoffe einteilen.
1. Ein Elementarer Stoff besteht aus einer Elementsorte. Die Atome verbinden sich zu Metallatomgittern oder zu Molekülen, können jedoch bei den Edelgasen auch einzeln vorliegen. Formelbeispiele: Fe, N2, He
2. Eine Verbindung besteht aus verschiedenen Elementsorten. Diese verbinden sich als Ionen zu Ionengittern (ionische Verbindungen) oder als Atome zu Molekülen (molekulare Verbindungen). Formelbeispiele: AlCl3, N2O

Offene Frage: Lohnt sich eventuell eine Unterteilung der Teilchenebene in eine Atomare Teilchenebene für Atome, Moleküle und Ionen und eine Subatomare Teilchenebene für Elektronen, Protonen und Neutronen?

LITERATUR:
Barke, H.-D (2015): Ionen als Bausteine der Salze -
eingeführt zusammen mit dem Atom - und Molekülbegriff. PdN-ChiS 64 (8)

Eilks, I. (2007): Neue Wege zum Teilchenkonzept. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie 18, (100/101)

Herdt, C. (2015): Salze im Anfangsunterricht – Grundzüge einer strukturorientierten Unterrichtskonzeption für das erste Schuljahr. PdN-ChiS 64 (7)

Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur (2014): Lehrpläne für die Naturwissenschaftlichen Fächer für die weiterführenden Schulen in Rheinland-Pfalz

Sauermann, D., Barke, H.-D., Rölleke, R., Hilbing, C.: Chemisch Denken, Periodensystem mit Bindefähigkeiten und Ionen, Online unter: www.chemisch-denken.de (08.08.2018)

Strehle, N., Rölleke, R., Barke, H.-D. (2007): Das Ion im Chemieunterricht – noch Vorstellungen von gestern? MNU 60 (6)
Antworten
# Thielen-Redlich Harald 2018-08-27 04:42
Sehr geehrter Herr Janz,

vielen Dank für Ihren Diskussionsbeitrag. Wir wollen gar nicht in Abrede stellen, dass man auch ohne einen Teilchen-Begriff für die Formeleinheit (wie Stoffteilchen) korrekt unterrichten kann. Nur eben, dass es ohne solch einen Begriff mehr Stolpersteine zu überspringen oder zu umrunden gilt. Hierzu drei Gedanken:

(1) Anschlussfähigkeit bedeutet für mich, dass ein Begriff so gewählt ist, dass man mit seiner Hilfe weitere Begriffe differenzieren (und am besten auch erklären) kann.
Ich sehe für den Begriff Teilchen nur eine begrenzte Anschlussfähigkeit, weil er sowohl im Anfangsunterricht bekannte, als auch erst später betrachtete Objekte umfasst - die aber auf gar keinen Fall verwechselt werden dürfen; er ist für mich daher nur ein Sammelbegriff, den ich ansonsten strikt meide:

• er reicht allein in der chemischen Beschreibung von Materie über drei Struktur-Ebenen hinweg (subatomare Teilchen über Atome bis zu Atomgruppen)
- im Anfangsunterricht steht er allgemein für Formeleinheiten
- dann für Atome
- dann für Elektronen, Protonen und Neutronen
- dann für die Formeleinheiten, die durch chemische Bindung möglich werden (wobei aber eben nicht jede Bindung zwischen Atomen Formeleinheiten bedingt, weshalb der angesprochene Artikel von Eilks 2007 das Problem der Strukturebenen nicht löst - zum Beispiel bei metallischen Phasen oder Atomkristallen/ Atomgittern wie Diamant oder Quarz)
- dann noch für Ionen, Molekülionen
- schließlich noch für Komplexe und Komplexionen;
- (aus den Medien kennen die SuS den Begriff auch noch für Partikel (was ja auch noch falsch ist))
• darüber hinaus umfassen Teilchen mit den Energiequanten auch noch nicht-materielle Instanzen

Will sagen, der Teilchenbegriff ist viel zu umfassend für unser Problem, die Formeleinheiten differenziert als Teilchen anzusprechen.


(2) Wenn Salze Reinstoffe sind, muss es (per definitionem aus dem Anfangsunterricht) eine einzige Teilchensorte geben, aus der sich jede Portion zusammensetzt - wenn aber Ionen die Teilchen eines Salzes sein sollen, muss es sich dabei doch um ein Gemisch handeln.


(3) Es fehlt (v.a. für Berufsanfänger im Chemieunterricht) - eine einfache Anweisung, die bekannten „hausgemachten" Probleme zu vermeiden. Sie geben in Ihrer Antwort Hinweise, wo man richtige didaktische Ansätze nachlesen kann, und sicher geben die referierten Artikel wertvolle Hinweise, wie man auch ohne einen übergreifenden Formeleinheiten-Begriff korrekt Chemie unterrichten kann. Über diesem Problem haben jedoch schon Generationen von Fachleitern, Referendaren und Lehrern gebrütet - und allzu viele sind, wie dann auch ihre SuS, daran gescheitert.

In unseren Augen ist es sinnvoll, diesen Begriff zusätzlich einzuführen, denn er hilft, Ordnung in den o.g. Begriffen zu schaffen, sie besser abgrenzbar (definierbar) zu machen und Verwechslungsmöglichkeiten zu eliminieren.
Als Beispiel das von Ihnen aufgegriffene Thema Stoffkategorien, zunächst korrekt strukturiert mit Hilfe des Formeleinheiten-Begriffs:

- ein Stoff ist entweder Reinstoff (aus nur einer Sorte Formeleinheiten) oder Stoffgemisch (aus mehreren Sorten Formeleinheiten)
- ein Reinstoff ist entweder elementarer Stoff (Formeleinheiten aus nur einer Atomsorte) oder Verbindung (Formeleineheiten aus mehreren Atomsorten)

Man ersetze nun in diesem Baum den Begriff Formeleinheiten durch Teilchen und halte (bei Rückfrage der Schüler) daran fest, dass nach Dalton Atome die kleinsten Teilchen von Elementen sind (also auch Teilchen), und bringe in diesem Zusammenhang Beispiele von Atomsorten, die zu allem Überfluss im Namen die Endung -Stoff haben - und das Verwirrungspotential wird maximal sein.

Solche klassischen Verwirrungs-Fallen lassen sich einfach und ohne Fehler vermeiden: man ersetze den abstrakten Begriff Formeleinheiten durch Stoffteilchen - und schon lässt er sich begreifen. Das Stoffteilchen macht den Reinstoff aus - weniger Reinstoff geht nicht.
Antworten
# Janz Ulf 2018-08-29 19:35
Sehr geehrter Herr Thielen-Redlich,
vielen Dank für Ihre Gedanken.

Ich möchte gerne kurz erwidern:
1) Wenn die Schülerinnen und Schüler von Beginn an lernen, Stoff- und Teilchenebene zu unterscheiden, dann kann der Teilchenbegriff problemlos sehr weit gefasst werden. Es gibt eine Vielzahl von Stoffen und es gibt viele verschiedene Teilchen (oftmals sind Atome, Protonen und selten Photonen, Quarks o.ä. als Begriffe aus den Medien schon bekannt). So wie wir von Beginn an nicht alle Stoffe in den Blick nehmen, sondern eine Auswahl typischer Vertreter treffen, betrachten wir zunächst auch nur bestimmte Teilchen.
Zu 2) Das darf natürlich so nicht unterrichtet werden.
Zu 3) Meiner Erfahrung nach gibt es in einem Unterricht nach der strukturorientierten Konzeption die "klassischen Verwirrungs-Fallen" nicht und "Generationen von Referendaren und ihren SuS" konnten den Unterricht erfolgreich durchlaufen.
Antworten
# Thielen-Redlich Harald 2018-09-01 19:05
Sehr geehrter Herr Janz,
vielen Dank für Ihr Engagement in dieser Diskussion.

zu 3) Ich bin davon überzeugt, dass Ihre Referendar/-innen mit einem fundierten Konzept an den Start gehen.

zu 1) Doch leider springen nicht alle SuS von Anfang an auf unseren didaktischen Zug auf. Wenn wir also am Anfang nur eine überschaubare didaktische Auswahl von Teilchen treffen, so können doch diejenigen irritiert sein, die erst zu einem späteren Zeitpunkt versuchen, sich zu orientieren. Denn irgendwann wird die Fülle der Teilchen nicht mehr so leicht zu überschauen sein - und dann ist es von Vorteil, wenn man den Unterschied zwischen Atomen und Formeleinheiten wenigstens sprachlich ausdrücken kann.
Die vielen "Stolperfallen" werden seit Jahrzehnten in der didaktischen Literatur diskutiert. Ursache ist m. E., dass der Unterricht entweder nicht ausreichend stringent (z. B. nach dem strukturorientierten Konzept) geplant ist oder verläuft - oder eben dass die SuS dabei nicht von Anfang an mitkommen (können).

zu 2) Diese Missverständnisse werden jedoch leider oft genug bei SuS provoziert.

Wie gesagt - "Stoffteilchen" ist zunächst nur ein anderes Wort für "Formeleinheit". Es bringt jedoch einen Teilchenbegriff zum Ausdruck, schafft von Anfang an Ordnung im Teilchenzoo und erspart eine Menge Irritationen und Rückfragen.
Ein Nebenaspekt sei zum Schluss noch erwähnt: Im Gespräch mit Kolleg/-innen der Physik kommt es deshalb häufig zu Missverständnissen, weil sie bei dem Wort "Teilchen" in der Regel an etwas anderes denken als wir Chemiker/-innen. Mit "Stoffteilchen" ist dann schnell geklärt, dass nicht Quarks, Bosonen oder Fermionen zur Debatte stehen sollen, sondern die "Domäne" der Chemiker gemeint ist.
Antworten
# Sieve Bernhard 2018-09-13 09:55
Wie sag ich´s meinem Kinde?

Werte Kollegen, mit Interesse verfolge ich die Diskussion im didaktischen Prüfstand, denn hier werden echte didaktische Probleme diskutiert, also Probleme, die sich bei der Vermittlung von Chemie und der Entwicklung tragfähiger und konsistenter Vorstellungen ergeben.

Zum vorgestellten Stoffteilchenkonzept möchte ich folgendes anmerken, weil m.E. das Problem tiefer liegt und die Problematik nicht einfach durch ein neues Wort gelöst werden kann – ich überzeichne hier bewusst. Das Problem liegt, wie der Kollege Janz es schon geschildert hat, im generellen Verständnis von Modellen sowie deren Symboliken und den verwendeten Fachworten. Bevor ich damit starte, erlaube ich mir eine kritische Anmerkung zum im Beitrag vorliegenden Modellverständnis: M.E. darf man nicht von einer „Daltonschen Fehlvorstellung“ sprechen, denn dann müsste man konsequenterweise auch von einer Demokritschen Fehlvorstellung und auch von der Bohrschen Fehlvorstellung sprechen. Dies hieße, dass man den Modellen eine Falschheit oder umgekehrt eine Richtigkeit attestiere. Hier liegt m.E. ein historisch und auch erkenntnistheoretisch nicht angemessenes Verständnis von Modellen zugrunde: Das Dalton-Modell ist genauso wie das Demokrit-Modell oder eine Variation des differenzierten Atommodells in Anlehnung an Bohr oder Sommerfeld nicht richtig oder falsch, sondern eine mehr oder minder erklärungsmächtige Vorstellung, mit der man den Aufbau und bestimmte Eigenschaften von dem, was für uns „begreifbar“ ist, beschreibt – didaktisch gemeinhin als Stoffebene bezeichnet. Hier gilt es klar die Grenzen dieser Modelle herauszustellen, aber auch deren Plausibilität zu prüfen. Gleiches gilt ebenso für Fachworte, die ebenfalls in einem wissenschaftshistorischen und auch erkenntnistheoretischen Kontext gesehen werden müssen.

Schaut man sich Beschreibungen aus Schulbüchern und auch Fachbüchern an, so findet man für das, was wir chemiedidaktisch gemeinhin als Teilchenebene bezeichnen u.a. folgende Worte: Teilchen, kleinste Teilchen, Kugelteilchen, Atome, Ionen, Moleküle, kleinste Baueinheiten, Formeleinheiten, Elementargruppen, Elementarwürfel, Elementarzellen, Element-Teilchen, Verbindungs-Teilchen, Stoff-Individuen, Teilchenpakete oder Teilchencluster (gemeint sind hier Partikel) und nun auch noch Stoffteilchen.
Aus Sicht der Terminologie werden dabei mehrere Probleme deutlich:
1. Wie nenne ich das, was einen Stoff nach der Diskontinuumsvorstellung aufbaut?
2. Welche Bezeichnung wähle ich für das kleinste Anzahlverhältnis von „Teilchen“, wenn ein Atommodell in Anlehnung an Dalton oder auch einem differenzierten Atommodell theoretische Grundlage des Unterrichts ist?
3. Welche symbolische Darstellung ist jeweils als Anschauungsmodell geeignet?

Diese Fragen dürfen nicht allein vom Blick der Fachwissenschaft und auch nicht allein vom Blick der Lernenden aus diskutiert werden. Für eine konsistente Begriffsbildung sind beide Perspektiven zu rekonstruieren, wobei man zwischen der Situation der beginnenden Lernenden (Anfangsunterricht) und der der auf ein Studium ausgerichteten Lernenden (Oberstufe) unterscheiden muss.

Ich sehe in der Argumentation vom Kollegen Janz einen tragfähigen Ansatz und habe im eigenen Unterricht und auch in der Lehrerausbildung mit folgendem Wortsystem sehr gute Erfahrungen gemacht – auch mit Blick auf die von Herrn Janz angesprochene Literatur. Ich bezeichne dies ganz bewusst als Wortsystem, denn Aufgabe der Sprachbildung im Unterricht ist es, aus den bloßen (Fach-)Worten, also der reinen Buchstabenfolge, tragfähige Vorstellungen bei den Schüler*innen hervorzubringen, also die Worte mit einem Begriff zu hinterlegen (vgl. hierzu das semiotische Dreieck von ...).

Kernproblem im Unterricht ist das Wort Teilchen und der Bedeutungswechsel, den dieses Wort im Laufe des Chemieunterrichts erfährt. Bedeutungswechsel finden wir häufig im Bereich der Chemie, wie schon die Worte Element oder Säure und Base zeigen. Solche Homonyme kann man entweder vermeiden oder aber die Bedeutungserweiterung bzw. den -wechsel bewusst im Unterricht thematisieren. Ich versuche generell den Begriff Teilchen zu vermeiden und schließe mich dabei der Argumentation meines damaligen Fachleiterkollegen Detlef Rebentisch an. Das Wort Teilchen ist für Lernende nicht automatisch ein Wort, das der Diskontinuumsebene zugeschrieben wird; es wird alltagssprachlich auch der makroskopischen Ebene zugeordnet (Zuckerteilchen im Sinne eines kleinen Zuckerkristalls). Diese Vorstellung gilt es zu verändern, dennoch tritt sie auf. Vermeintlich gut gemeint spricht man hier dann von kleinsten Teilchen, um winzige Kristalle von den Zucker-Molekülen zu differenzieren. Dies wird dann jedoch zum Eigentor, wenn die Lernenden verstehen sollen, dass es noch kleinere Teilchen als diese „kleinsten Teilchen“ gibt. Daher sind die Bezeichnungen kleinste Teilchen oder auch Kugelteilchen und auch die der entsprechenden Modelle (Modell der kleinsten Teilchen, Kugelteilchenmodell) didaktisch schlichtweg abzulehnen, wenn es um die Beschreibung der diskontinuierlichen Ebene geht. Da sind sich mittlerweile Fachdidaktiker glücklicherweise überwiegend einig.

Das Wort Teilchen erfährt im klassischen Unterricht einen Bedeutungswandel von der Beschreibung für die kleinste denkbare Entität eines Stoffes hin zu einem Oberbegriff für Atome, Moleküle, Ionen, aber auch für die subatomaren Teilchen, die man gemeinhin als Elementarteilchen bezeichnet (Protonen, Neutronen, Elektronen und den ganzen Teilchen-Zoo, der diese Teilchen noch aufbaut). Schon hier zeigt sich die Unschärfe der Fachsprache der Chemie. Wie soll bei all diesen „Teichen“ ein Schüler verstehen, was gemeint ist.

Anstelle des Wortes Teilchen, was bei uns in Norddeutschland zudem alltagssprachlich u.a. auch mit einem Stück Kuchen verknüpft ist, nutze ich das Wort Baustein und differenziere dabei im einfachen Bausteinmodell (das häufig irreführend als Kugelteilchenmodell oder Modell der kleinsten Teilchen beschrieben wird) noch nicht zwischen Atomen, Molekülen und Ionen. Das Wort Baustein ziehe ich vor, da es m.E. nach einen für Schüler leichteren Zugang zur Diskontinuumsvorstellung ermöglicht. Für mich ist in Anlehnung an Rebentisch ein Stoffbaustein die Einheit, die durch myriardenfache Wiederholung einen Stoff bildet.
Lernende müssen die Vorstellung entwickeln, dass sich die Bausteine nicht in einem Stoff befinden, sondern ihn aufbauen. Formulierungen wie „Ein Zuckerkristall enthält Zuckerteilchen oder Zuckerbausteine.“ sind zu korrigieren in die Richtung „Zuckerkristalle sind aus unfassbar vielen Zuckerbausteinen aufgebaut.“ Rebentisch führt dazu aus: „Nicht die gedankliche Zerlegung bestimmt den Gedankengang, sondern die Existenz der Bausteine führt bei deren unvorstellbar großer Anzahl zu einer sichtbaren Stoffportion bei Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Somit wird zwischen dem Oberbegriff Teilchen und den hierarchisch nachgeordneten Begriffen Atom, Ion, Molekül der Begriff Baustein vorübergehend im Lernweg eingeschoben, bis alle passenden Begriffe zur Verfügung stehen. Somit bestehen alle Stoffe aus für sie charakteristischen Teilchen, die als Bausteine bezeichnet werden.“ (Rebentisch, S. 2)
Vorteil des Wortes Stoffbaustein: Ein anderes Wort als das Homonym Teilchen beschreibt den diskontinuierlichen Bau der Materie, deren „Körnigkeit“ auf. Verwirrende Termini wie Formeleinheit, Baugruppe, Elementargruppe sind komplett verzichtbar. So bestehen Salze demnach aus Bausteinen, die einen geometrischen Körper bilden, der vielfach wiederholt einen makroskopisch sichtbaren Kristall bildet. Fachlich m.E. strittige Hilfskonstrukte wie die Ionengruppe als Baustein der Salze sind zwar dem ebenfalls gedachten Hilfskonstrukt der Formeleinheit und damit der Verhältnisformel näher, die Verwendung des Bausteins nach der o.g. Argumentation ist fachlich anschlussfähiger an das Konstrukt Elementarzelle und stützt damit den Wiederholungsgedanken konsistent auch unter strukturellen Betrachtungen von Kristallstrukturen.

Das Bausteinkonzept ist zudem anschlussfähiger in Bezug auf die Beschreibung einer chemischen Reaktion auf der Teilchenebene. Mit dem klassischen Teilchenmodell, nach dem eine Teilchensorte einen Stoff repräsentiert, lassen sich chemische Reaktionen und die dabei erfolgende Veränderung der Stoffbausteine im Rahmen des Donator-Akzeptor-Konzepts nicht beschreiben, denn das Modell geht nicht von einer Veränderlichkeit der Teilchen aus. Das Teilchenmodell erhebt allerdings auch nicht den Anspruch, hier erklärungsmächtig zu sein.
Mit dem Modell der Stoffbausteine werden chemische Reaktionen auf einer ersten Ebene aus der Logik der Lernenden erklärbar. Dazu Rebentisch: „Da der Ausgangsstoff nicht mehr vorhanden ist, kann es folglich auch seine Bausteine nicht mehr geben, d. h. sie werden in chemischen Reaktionen zerstört. Die neu entstehenden Bausteine bilden den neuen Stoff.“ Erst später wird dann differenziert, dass bei einer chemischen Reaktion die Stoffbausteine Atome sich mit anderen Atomen neu verbinden (erste Differenzierungsebene, in der der Molekülbegriff als weitere Sorte von Stoffbausteinen auftaucht (Dalton-Ebene)) oder die Atome, Ionen und Moleküle durch Übertragung von Atombausteinen (Elektronen, Protonen, Elektronenpaare) als Stoffbausteine neu entstehen (zweite Differenzierungsebene auf der Ebene eines differenzierten Atommodells). An dieser Stelle des Unterrichtsgangs wird dann das Wort Baustein auf der Stoffebene obsolet – wie auch das Wort Teilchen -, weil dieses Wort durch die Worte Atome, Molekül, Ion ersetzt wird.
Ein weiterer Vorteil des Bausteinkonzepts ist, dass Modifikationen sich leicht in dieses Konzept einbinden lassen. So kann die Modifikation Diamant als Stoff beschrieben werden, der aus unsagbar vielen tetraederförmig angeordneten Bausteinen aus C-Atomen aufgebaut ist.
Wichtig ist bei dieser Begriffsentwicklung, dass man auf der diskontinuierlichen Ebene den grundlegenden Stoffbaustein Atom noch in weitere Bausteine differenzieren kann. Das metaphorisch fachsprachlich problematische Wort Elementarteilchen lässt sich problemlos durch Atombaustein ersetzen. Damit wird die fachlich konsequente, doch problemgenerierende Vorstellung „Teilchen eines Elements“ vermieden. Das Wort Element erfährt nämlich auch einen Bedeutungswandel – vom Grundstoff (Stoffebene) zum Atom mit definierter Protonenzahl (Teilchenebene). Letztere Bedeutung muss jedoch erst in den Blick der Lernenden gerückt werden, was nach meinen Erfahrungen nur selten gelingt (aus diesem Grund vermeide ich bewusst den Elementbegriff nach der IUPAC-Definition und benenne das PSE auch nicht als Periodensystem der Elemente, sondern als Periodensystem der Atomsorten). Das Wort Atombaustein drückt schülernah aus, was es im Kern meint: Die Bausteine, aus denen ein Atom aufgebaut ist.

Die Verwendung der Worte Stoffbaustein und Atombaustein hat sich m.E. bewährt und stützt eine konsistente Begriffs- und damit Vorstellungsentwicklung. In Teilen ist dieses Terminologie mit dem Stoffteilchenkonzept vergleichbar, doch ist die Terminologie in Anlehnung an Rebentisch m.E. praktikabler und gerade was strukturelle Aspekte angeht, anschlussfähiger. Die Reaktionen auf den Beitrag zeigen aber, wie schwierig das Ringen um eine konsistente und für Lernende (und auch für Lehrkräfte in der Ausbildung) ist und wie wichtig daher die Diskussion um unsere Fachsprache ist.

Abschließend möchte ich jedoch noch Gelegenheit nutzen, und einiges zur im Beitrag verwendeten Symbolik anmerken. Die Abkehr von der Kugeldarstellung bei der Darstellung von Teilchen im Sinne des Teilchenmodells im eigentlichen Sinne ist sicherlich zu begrüßen. Kugeldarstellungen sollten, wenn überhaupt, auf die Kennzeichnung von Atomen im Sinne von Dalton dargestellt werden, wodurch sich Kreise / Kugeln im Teilchenmodell nur für Metalle eignen. Auch die Annäherung der Teilchenform an folgende räumliche Darstellungen sind sehr sinnvoll (z.B. Glucose-Teilchen als Sechsecke in Anlehnung an die Haworth-Formel der Moleküle). In Anlehnung an das oben beschriebene Stoffbausteinkonzept ließen sich die Bausteine von Salzen in der Form ihres Gittertyps als Tetraeder, Oktaeder o.ä. skizzieren, aber noch nicht differenziert nach den Ionensorten. Problematisch und hinsichtlich der Vorstellungen kontraproduktiv halte ich die Symbolik im Beitrag, wenn es um die Darstellung von (Teil-)Ladungen sowie die Darstellung der Ionengruppe geht. M.E. sind zu dem Zeitpunkt des Unterrichtsgangs bereits weiterreichende Schreibweisen abrufbar, die konsistent an die Fachwissenschaft andocken (Lewis-Schreibweise für Moleküle). Das Problem in den Symboliken zum differenzierten Stoffteilchenmodell sehe ich in der vermeintlichen Anschaulichkeit der Symboliken. Sie können als Hilfe dienen, doch birgt die vermeintliche Anschaulichkeit das Problem, dass die Lernenden die Symbolik, das Modell, als Teil der Realität erachten und die Vorstellung entwickeln, Stoffteilchen sähen so aus und hätten diese Form (dieses Problem ist besonders im Fach Biologie bekannt, wenn Lernende z.B. mit Modellskeletten arbeiten und ableiten, dass Knochen so aussehen und sich so anfühlen). Rein fachlich halte ich zudem insbesondere die Verknüpfung des fachdidaktisch klar abzulehnenden Konzepts der Wertigkeit mit einer Darstellung von Ionengruppen für problematisch. Ferner sind die Worte hydrophil und hydrophob und somit auch amphiphil Bezeichnungen für stoffliche Phänomene, deren Ursache in der Art der chemischen Bindung, der Struktur der Stoffbausteine und den daraus abgeleiteten Wechselwirkungen zwischen den Stoffbausteinen resultiert. Im Sinne der begrifflichen Präzision und der Klarheit der Trennung von Stoff- und Teilchenebene sollte man dem Stoffbaustein keine Stoffeigenschaften attestieren, denn ein Stoffbaustein allein bildet keinen Stoff und kann damit keine Stoffeigenschaften besitzen.

Dr. Bernhard Sieve, Hannover
Antworten
# Kremer Matthias 2018-10-02 07:59
Dieser didaktisch tiefer gehende Diskussionsbeitrag von Bernhard Sieve ist sehr zu begrüßen, da er die unglückliche Formulierung „Daltons Fehlvorstellung“ richtig stellt und im Zuge der ausführlichen Darlegung verschiedener Problemfelder beim Umgang mit der Teilchenebene sowohl die Perspektive der Fachwissenschaft als auch die der Lernenden bedenkt.
Zu Dalton
Daltons Theorie, dass jedes Element aus gleichartigen Atomen besteht, steht im Widerspruch zur Tatsache, dass manche Elemente als Moleküle vorliegen. Dies darf nicht zur Verwirrung der Schüler führen, wofür wir im Unterricht zu sorgen haben. Nur darum ging es den Autoren, und es ist gut, dass der missverständliche Ausdruck dafür korrigiert wurde.
Bausteine oder Stoffteilchen anstelle von „kleinsten Teilchen“?
Soll man tatsächlich „generell den Begriff Teilchen [...] vermeiden“? Gute Argumente sprechen dafür, stattdessen „Baustein“ zu verwenden. Versuchen wir eine Abwägung anhand einiger Kriterien, die nach meinem Dafürhalten zu beachten sind:
Der Begriff, der das benennt, was einen Reinstoff nach der Diskontinuumsvorstellung aufbaut, soll
1. eindeutig sein, also ausschließlich für die gemeinten Objekte stehen
2. nicht vom Alltagsgebrauch her der makroskopischen Ebene zugeschrieben werden, sondern die „Andersweltlichkeit“ des Objekts ausdrücken
3. nicht das „Teilen“ einer Stoffportion, sondern ihren „Aufbau“ ausdrücken, also nicht suggerieren, das Objekt sei eine winzige Stoffportion
4. nach dem „chemischen Dreieck“ von Johnstone (2000) eine direkte Korrelation zwischen makroskopischer, submikroskopischer und symbolischer Ebene herstellen, also eine eindeutige Zuordnung zum Stoff und zu der zugehörigen chemischen Formel herstellen
5. keine Neuschöpfung, sondern anschlussfähig zum herkömmlichen Sprachgebrauch in der Chemie sein.
Kriterium 1 erfüllen „Baustein“ und „Stoffteilchen“, aber nur, wenn durch Voranstellung von „Stoff“ (also Stoffbaustein) Klarheit geschaffen wird. Es gibt nämlich noch zahlreiche andere Bausteine: z. B. Atombausteine und Molekülbausteine bei Makromolekülen (Stärkemoleküle sind nicht aus Glucosemolekülen (C6H12O6) sondern aus Glucosebausteinen (C6H10O5) aufgebaut). „Baustein“ kann nach dieser Klärung als Kurzform für „Reinstoffbaustein“ und „Stoffteilchen“ als Kurzform für „Reinstoffteilchen“ (zu finden z. B. bei Johannsmeyer (2004) in Abb. 13.2) erläutert werden. „Kleinste Teilchen“ ist, wie von B. Sieve ausgeführt, nicht eindeutig. Die eindeutige Abgrenzung aus der großen Menge verschiedener submikroskopischer Objekte, die alle als Teilchen bezeichnet werden, wird durch beide zur Diskussion stehenden Begriffe geschaffen.
Kriterium 2 ist bei allen drei Begriffen nicht erfüllt, da Teilchen und Bausteine auch Bedeutung im makroskopischen Bereich haben. Hier wäre die Neuschöpfung z. B. „Monade“ (Weninger, 1976) theoretisch hilfreich, hat aber den Nachteil, dass sie sich nicht durchsetzen konnte, was zu Kriterium 5 geführt hat. Es muss also auch hier schon der Bedeutungswandel von Begriffen thematisiert werden. Immerhin wird durch die vorangestellte Silbe „Stoff“ signalisiert, dass es sich nicht um ein Teilchen oder einen Baustein aus dem Alltag handelt. Der Begriff „Bausteine“ für den Aufbau eines Gases ist allerdings etwas gewöhnungsbedürftig und könnte Schüler verwirren. Soll der verwendete Begriff anschlussfähig in Physik sein, wo irgendwann Doppeltspaltversuche (evtl. mit Fulleren-Molekülen) thematisiert werden, wirkt „Baustein“ auch sperriger als „Teilchen“.
Bei Kriterium 3 liegt „Baustein“ eindeutig vorne, wobei natürlich nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich Schüler/-innen auch bei „Bausteinen“ massive Stoffportionen vorstellen.
Kriterium 4 geht auf Johnstone zurück, der uns lehrt: Wir werden als Lehrerinnen und Lehrer erfolgreicher sein, wenn wir einerseits auf Konsistenz zwischen Modell-Vorstellung, ihrer sprachlichen Darstellung und der Formelsprache achten und andererseits diese Ebenen gut voneinander trennen.
Werden die Stoffteilchen im späteren Unterricht genauer, also im Hinblick auf ihren Aufbau, betrachtet und wird erkannt, dass es je nach Stoffklasse verschiedene Typen gibt, entwickelt sich das Modell weiter: Alle Stoffteilchen bzw. Bausteine sind aus miteinander verbundenen Atomen oder Ionen aufgebaut (einzige Ausnahme: Stoffteilchen der Edelgase). Es ist nun sehr hilfreich für das Verständnis der chemischen Formel, diese als abstrakte Beschreibung des Aufbaus des Stoffteilchens zu verstehen. Daher „erzwingt“ der Gebrauch der chemischen Formeln, die sich eingebürgert haben, den Aufbau der zugehörigen Stoffteilchen. Schüler erkennen bei den Metallen, die aus miteinander verbundenen Atomen bestehen, dass man als Stoffteilchen eben den kleinstmöglichen Ausschnitt aus dem Gitter (Atome) nimmt. Stellt man irgendwann die Frage nach den Stoffteilchen der Salze, wird klar, dass eine Ionensorte allein keinen Stoff bilden kann. Stoffteilchen der Salze sind also ebenfalls so aufgebaut, wie die Formel angibt: Der kleinstmögliche Ausschnitt aus dem Gitter, der das Anzahlverhältnis richtig angibt, bei Barke (2001) S. 169 „Ionengruppe“ genannt. Dies geschieht aber wie erwähnt erst, nachdem der in den Lernweg eingeschobene Begriff „Stoffteilchen“ bzw. „Baustein“ revidiert und durch präzisere Begriffe ersetzt ist, um im Nachhinein den Werdegang der Modellvorstellungen zu betrachten. Schlussendlich könnte in einem spiralcurricularen Ansatz noch weiter differenziert werden, wenn man bei Modifikationen von Salzen - wie beispielsweise Wurtzit und Zinkblende - erkennt, dass auch die Ionengruppe über die Angabe von Elementarzellen noch weiter spezifiziert werden muss.
Die Betrachtung der vorläufigen Modellvorstellung von Stoffteilchen oder Stoffbausteinen, nachdem weitergehende Erkenntnisse gewonnen wurden, führt übrigens nicht nur bei den Gittern zur Erkenntnis, dass der Begriff Stoffbaustein bzw. Stoffteilchen kein natürliches Phänomen, sondern etwas sinnvoll Erdachtes ist. Beim Reinstoff Wasser etwa musste gelernt werden, dass neben den Molekülen immer auch Ionen vorliegen und die Wassermoleküle miteinander zu Clustern verknüpft sind, beim Reinstoff Essigsäure, dass Dimere vorliegen usw.
Bei den Salzen tritt bei der Baustein-Verwendung eine Schwierigkeit auf: Für Ionengruppen den Begriff „Baustein“ zu verwenden, wäre nicht korrekt, da ein Salzkristall eben nicht aus solchen „Molekül-Analoga“, sondern aus einzelnen Ionen aufgebaut wird. Nach B. Sieve bestehen Salze „aus Bausteinen, die einen geometrischen Körper bilden, der vielfach wiederholt einen makroskopisch sichtbaren Kristall bildet.“ Im Vergleich dazu finde ich den Anschluss an die chemische Formel durch das Stoffteilchen „Ionengruppe“ leichter nachzuvollziehen.
Kriterium 5 würde bedeuten, einen wissenschaftlich etablierten Begriff wie „Teilchen“ vorzuziehen, was eher für „Stoffteilchen“ sprechen würde, weniger für die Neuschöpfung „Baustein“. Stoffteilchen ist eine verallgemeinerte Form von Wörtern wie z. B. „Wassermolekül“ (Name des Stoffes verknüpft mit Art des Teilchens) und so mit dem herkömmlichen Sprachgebrauch kompatibel.
Fazit
Ganz eindeutig fällt m. E. die Abwägung nicht aus. Im Referenzrahmen „GeRRN“ des MNU (2017) werden daher auf S. 24 beide Möglichkeiten genannt: „Anstelle des Terminus „kleine Teilchen“ wird heute auch häufig etwas präziser von „Bausteinen der Stoffe“ oder von „Stoffteilchen“ gesprochen.“
Damit wird auf eine Lösung hingewiesen, wie sie Silvia Schmidt (2010) vorschlägt: „Da der Teilchenbegriff allerdings etabliert ist, stößt eine Begriffsabkehr meist nicht auf positive Resonanz. Da er auch medial präsent ist, soll er nicht umgangen werden, ihm wird der Begriff Baustein zur Seite gestellt. Beide Begriffe sollten reflektiert werden.“
Aus meiner Sicht lässt sich mit der Ausschärfung des bisherigen Begriffs „kleine Teilchen“ auf „Stoffteilchen“ für das, was einen Reinstoff nach der Diskontinuumsvorstellung aufbaut, und dem ihm zur Seite gestellten Synonym „Baustein“ aus der Perspektive der Fachwissenschaft wie auch aus der der Lernenden wirklich gut arbeiten.
Zu den bildlichen Darstellungen
Im Zusammenhang mit der Formelermittlung von Ionenverbindungen sei auf Brandenbergers (1958) „Periodensystem der Grundbausteine“ verwiesen, das von vielen Kolleg/-innen erfolgreich eingesetzt wird und gerade auch auf einem Weg vom undifferenzierten zum differenzierten Stoffteilchen genutzt werden kann. Die differenzierten Symbol-Darstellungen der zur Formel gehörigen Ionengruppen sollen die Anschlussfähigkeit an ihre undifferenzierte Stoffteilchen-Darstellung gewährleisten - sie bleiben als Einheit erkennbar, die aber dennoch in Ionen dissoziieren kann. Zu einem Zeitpunkt, wo die Zusammensetzung von Salzen und damit auch ihrer Stoffteilchen aus Ionen bekannt sind, dient diese Darstellung nur noch als Hinweis darauf, dass die Stoffteilchen- (oder Baustein-) Darstellung nicht zu verwerfen ist, sondern immer noch Berechtigung hat - also anschlussfähig ist. Wenn über Ionengruppen im Unterricht gesprochen wird, sollten sie zunächst immer zusammen mit einem Ionengitter dargestellt werden, wie etwa hier: https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/chemie/gym/bp2016/fb5/4_lernbox/1_teilchen/4_ionen/4_lernbox_ionen_und_ionengruppen_zpg.pdf

Barke, H., D.; Harsch, G.: Chemiedidaktik heute. Springer (2001)
Brandenberger, E. (1958) und H. R. Christen (1974) weiterentwickelt seit 2003 von Prof. Dieter Sauermann, München / Prof. Hans-Dieter Barke, Münster, Reinhard Rölleke, Münster / Dr. Claus Hilbing, Detmold / Frank W Seeberger, Münster: Chemisch Denken – das Grundbausteine – Kräfte – Konzept. Version 2017-03-21-eco /Online erhältlich: www.ChemischDenken.de
Johannsmeyer, F.: Stationen auf dem Weg ins Diskontinuum im Chemieunterricht der Sekundarstufe I (2004), erhältlich unter http://oops.uni-oldenburg.de/183/1/johsta04.pdf
Johnstone, A. H.: Teaching of Chemistry - logical or psychological?; CERPIE; 1 (2000) 1; 9-15
MNU: Gemeinsamer Referenzrahmen für Naturwissenschaften (GeRRN), 2. Auflage, Neuss (2017) erhältlich unter http://www.mnu.de/images/publikationen/GeRRN/GeRRN_2._Auflage_2017-09-23.pdf
Schmidt, S.: Didaktische Rekonstruktion des Basiskonzepts ´Stoff-Teilchen´ für den Anfangsunterricht nach Chemie im Kontext (2010), erhältlich unter http://oops.uni-oldenburg.de/1133/1/schdid10.pdf
Weniger, J.: Didaktische und semantische Probleme bei der Einführung der Atomhypothese und der Kern-Elektron-Hypothese. In: Weninger, J., Brünger, H.: Atommodelle im naturwissenschaftlichen Unterricht. Weinheim 1976 (Beltz)
Antworten
# Fleischer Holger 2018-10-12 19:53
Der Beitrag „Die ‚kleinsten Teilchen‘ der Reinstoffe“ enthält viel zum Nachdenken Anregendes, gerade für den Anfangsunterricht, sehr verständlich geschrieben und die Schwachstellen auf den Punkt gebracht.
Es ist beim Übergang vom Kontinuum ins Diskontinuum in der Tat nicht wichtig, ob da kleine oder kleinste Teilchen auftauchen, weshalb das Adjektiv ruhig verschwinden kann – das dient auch zur Vereinfachung.
Die „Formeleinheit“ ist in der Tat wenig sinnvoll, wenn man noch keine Formel kennt. Das Konzept des „Stoffteilchens“ ist hier bestens geeignet, besser wäre beim Namen m.E. „Reinstoffteilchen“. Das passt in ein bestehendes Begriffsgefüge und erfordert nicht die – dann sicher zur Verwirrung führende – begriffliche Neuordnung der gesamten Stoffwelt mit dem Materiebegriff. Ich würde den Begriff „Formeleinheit“ im Unterricht gar nicht einsetzen. Wie m.E. völlig richtig herausgestellt wird, spielt die bildliche Vorstellbarkeit eine wichtige Rolle, auch wenn damit wieder Fehlvorstellungen möglich sind – ohne Fehlvorstellungen bleibt, wer keine Vorstellung hat. Die Formeleinheit bietet hier wenig Vorstellbares.
Bei den Stoffteilchen der Salze finde ich die Mengenlehre hilfreich – schließlich ist die Stoffmenge ein zentrales Konzept in der Chemie. Die Stoffteilchen resp. Ionengruppen, die die kleinsten, erlaubten Teilmengen der großen Stoffmenge darstellen, müssen einfach die Elektroneutralitätsbedingung erfüllen. Ich vermute aber, dass die mögliche Willkürlichkeit bei der Bildung von Salzteilchen bzw. Ionengruppen eine Verständnishürde bildet, weil diese Willkür bei Molekülen nicht gegeben ist. Gute Analogien wären hier wünschenswert.
Bei der bildlichen Repräsentation der Stoffteilchen sollte man aber m.E. nicht ohne Not zu viel Information hineinstecken, die im Anfangsunterricht ggf. gar nicht benötigt wird (-> Salzteilchen aus mehreren, verschieden stark geladenen Ionen) und die dann zu unnötigen Fehlvorstellungen führt (→ warum haben Ionen die Form einer Krone?). Gleichfalls ist der Vorschlag mit der Darstellung verzweigter Alkane im einfachen Stoffteilchen nicht zielführend. Hier könnte ein Schüler vermuten, dass die „glatten“ n-Alkane viel besser aneinander vorbeigleiten als die „rauen“ verzweigten Alkane und schon ist eine neue Fehlvorstellung geboren.
Das Konzept „Element“ ist aus meiner Sicht auch ein mengen-mathematisches, wenn es als Bezeichnung einer Menge elementarer Stoffe verwendet wird, die alle aus Atomen mit einer best. Protonenzahl bestehen (vereinfacht: gleiche Atome). Vermutlich wird sich aber der „elementare Stoff“ in der Praxis gegenüber dem „Element“ nicht durchsetzen, weil die Allotropie eine untergeordnete Rolle spielt und die Ungleichheit von Element und elementarer Stoff dadurch an zu wenigen Stellen zu Tage tritt.
Eure Aussage „Ein C-Atom macht noch keinen Diamanten“ ist eine mögliche Antwort auf die Frage „Ab wie vielen C-Atomen liegt ein Diamant vor?“. Auf dem Weg vom Atom zum elementaren Stoff sollte auch die meso-Ebene der Nanopartikel eine Rolle spielen. Die Verdeutlichung der Allotropie gelingt dann auch, wenn die mögliche Strukturvielfalt thematisiert wird, die sich ergibt, wenn mehrere identische Atome miteinander kombiniert werden.
Mit dem Begriff „Atomteilchen“ für Protonen, Neutronen und Elektronen kann ich mich nicht anfreunden, weil hier für eine Teilchenebene (Atome) eine neue Teilchenebene (subatomare Teilchen) aufgemacht wird und nicht wie bei den Stoffteilchen eine Beziehung zwischen Stoff- und Teilchenebene vorliegt. Nach diesem Vorschlag müsste man auch Atome als „Molekülteilchen“ bezeichnen, was eher befremdlich anmutet.

Holger Fleischer
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