Das Orbitalmodell und die moderne Quantentheorie im gymnasialen Chemieunterricht

Nächster Termin: Dienstag, 18.06.2024
Kursleitung: Dr. Jurai Lipscher
Autor: Dr. Jurai Lipscher
Schulstufe: ab dem 10. Schuljahr, Gymnasium
Umfang: 8 Lektionen
Kosten: 600 CHF
Die Unterrichtseinheit wurde am MINT-Lernzentrum der ETH Zürich mit der Unterstützung und in Zusammenarbeit mit dem Nationalen Forschungsschwerpunkt QSIT (Quantum Science and Technology) entwickelt, an dem ETH Zürich als leitende Institution beteiligt ist.

Können die Geschwindigkeit und der Ort eines Elektrons genauso einfach bestimmt werden, wie es bei diesem (zu schnell) fahrenden Auto der Fall ist?

Diese Unterrichtseinheit bieten wir in zwei verschiedenen Versionen an. Eine einfachere Version für das Grundlagenfach Chemie (10. Schuljahr Gymnasium) und eine etwas anspruchsvollere und erweiterte Version für das Schwerpunktfach Chemie/Biologie und für das Ergänzungsfach Chemie (12. bis 13. Schuljahr). Beide Versionen bilden gleichermassen den Inhalt dieser Fortbildungsveranstaltung.

Die Auswahl des „richtigen“ Atommodells für den gymnasialen Chemieunterricht war seit geraumer Zeit und ist heute noch ein intensiv diskutiertes Thema. Die einfacher verständlichen Atommodelle sind oft nicht korrekt und ermöglichen keine ursächliche Erklärung der nachfolgenden Unterrichtsinhalte. Die abstrakteren und komplexeren Modelle scheinen die kognitiven Möglichkeiten unserer Schülerinnen und Schüler zu übersteigen. Das MINT-Lernzentrum der ETH Zürich stellt eine erprobte, auf den neuesten Erkenntnissen der Lernforschung beruhende Möglichkeit vor, ein korrektes Atommodell in stufengerechter Weise im Gymnasium zu unterrichten.

Die Unterrichtseinheiten bieten einen nicht-mathematischen Zugang zu diesem faszinierenden, aber auch als abstrakt und anspruchsvoll geltenden Gebiet. Möchte man den Aufbau der Elektronenhülle, die chemische Bindung und nicht zuletzt das Periodensystem der Elemente im Grundlagenfach Chemie ursächlich erklären, so muss man dem Orbitalmodell Platz einräumen.

Sorgfältige didaktische Bearbeitung, lernwirksame Unterrichtsmethoden, ausgesuchte und teilweise auch neu entwickelte Experimente machen es der Lehrperson möglich, diesen faszinierenden Lerninhalt stufengerecht und mit Erfolg zu behandeln.

(1) Was ist Licht? Welle-Teilchen-Dualismus

(2) Schalenstruktur der Elektronenhülle, Bohr’sches Atommodell

(3) Unzulänglichkeiten des Bohr’schen Atommodells, Unschärfebeziehung

(4) Elektron als Welle, Welle-Teilchen-Dualismus, diskretes Verhalten stehender Wellen

(5) Orbitalbegriff, Born’sche Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellengleichung

(6) Besetzung der Orbitale mit Elektronen, Energieprinzip, Pauli-Prinzip, Hund‘sche Regel, Elektronenkonfiguration der Elemente.

Themen der Unterrichtssequenzen für die Schwerpunktfachfachversion:

(1)-(6) Wie oben

(7) Licht und Materie (Entstehung des Lichts, Flammenfarben, Emissionsspektroskopie, Leuchterscheinungen mit Anwendungen– Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemilumineszenz und Biolumineszenz

(8) Philosophische Aussagen der Quantenmechanik: Doppelspaltversuch mit einzelnen Teilchen, Schrödinger’sche Katze, Natur der Wirklichkeit.