Einen ausführlicheren Plan für einen Unterrichtsbesuch schreiben

Für die vorliegende Stunde ist der Löseprozess eines Salzes zentral. Beim Lösen eines Salzes in Wasser werden Ionen aus dem Ionengitter gelöst und von Wassermolekülen umgeben (Hydratation).

Dabei wirken zwei energetische Teilprozesse: Zum einen muss Energie aufgewendet werden, um die elektrostatischen Anziehungskräfte im Ionengitter zu überwinden (Gitterenergie), zum anderen wird Energie frei, wenn sich Wassermoleküle an die Ionen anlagern (Hydratationsenergie).

Ob sich eine Lösung beim Lösen eines Salzes erwärmt oder abkühlt, hängt davon ab, welcher Energiebetrag überwiegt. Übersteigt die Hydratationsenergie die Gitterenergie, verläuft der Prozess exotherm; im umgekehrten Fall endotherm.

Die Auswahl der verwendeten Salze für die Unterrichtssequenz orientiert sich an realen Anwendungen. Selbstkühlende Einweg-Kältekissen enthalten häufig phlegmatisierte Stickstoffsalze wie Ammoniumnitrat. In selbsterhitzenden Systemen wird hingegen häufig wasserfreies Calciumchlorid eingesetzt. Beide Beispiele eignen sich daher in besonderer Weise, um energetische Aspekte von Lösevorgängen im Kontext alltagsnaher Anwendungen zu thematisieren (Schütte, P. & von Borstel, G., 2014).

Im Unterricht wird dieser Zusammenhang daher bewusst anhand von Hotpots und Kühlpacks veranschaulicht, denn gleichzeitig eröffnen diese Kontext eine BNE-Perspektive, da die Nutzung solcher Einwegprodukte auch hinsichtlich Ressourcenverbrauch und entstehendem Verpackungsmüll kritisch reflektiert werden kann.

Beim Lösen eines Ionenkristalls in Wasser laufen zwei energetische Teilprozesse ab, deren Zusammenspiel die beobachtete Temperaturänderung bestimmt. Zunächst lösen einzelne Ionen aus dem Ionengitter. Dieser Schritt erfordert Energie, da die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Kationen und Anionen im Kristall überwunden werden müssen. Der damit verbundene Energieaufwand wird durch die Gitterenergie beschrieben.

Beim Lösen werden die Ionen von Wassermolekülen umgeben. Die polaren Wasserdipole richten sich dabei elektrostatisch zu den geladenen Ionen aus. Diese Hydratation ist mit einer Energieabgabe verbunden, die als Hydratationsenergie bezeichnet wird.

Eine zu beobachtende Temperaturänderung ergibt sich aus der Bilanz dieser beiden Energiebeiträge:

• Übersteigt die freiwerdende Hydratationsenergie den Energieaufwand zum Aufbrechen des Ionengitters, wird insgesamt Energie an die Umgebung abgegeben. Der Lösevorgang verläuft exotherm und die Lösung erwärmt sich.
• Ist dagegen der Energiebedarf für die Zerstörung des Ionengitters größer als die bei der Hydratation freiwerdende Energie, muss zusätzliche Energie aus der Umgebung aufgenommen werden. Der Lösevorgang ist dann endotherm, und die Lösung kühlt ab.

Für den Unterricht geeignete, wenig gefährliche und gut beobachtbare Beispiele sind der stark exothermen Lösevorgang Calciumchlorid und der stark endotherme Lösevorgang von Ammoniumnitrat (Wagner, 2021).

Genau diese Auswahl der verwendeten Salze ermöglicht zugleich einen Kontextbezug:

• Selbstkühlende Einweg-Kältekissen enthalten häufig phlegmatisierte Stickstoffsalze wie Ammoniumnitrat.
• In selbsterhitzenden Systemen wird hingegen häufig wasserfreies Calciumchlorid eingesetzt.

Die gewählten Salze eignen sich daher in besonderer Weise, um energetische Aspekte von Lösevorgängen im Kontext alltagsnaher Anwendungen zu thematisieren.

Diese kontextualen Anwendungen erfüllen keinen Selbstzweck. Zum einen lassen sich damit exotherme Anwendungen und endotherme Anwendungen gleichermaßen auf denselben grundlegenden energetischen Mechanismus des Lösevorgangs zurückführen und zum anderen eröffnen sich Beurteilungsmöglichkeiten (Schütte, P. & von Borstel, G., 2014).

Der Unterrichtsgegenstand führt somit zentrale Aspekte der Bindungslehre und eine energetischen Betrachtung des Lösevorgangs zusammen. Er bahnt die qualitative Betrachtung der Lösungsenthalpie in der Sekundarstufe II an und eignet sich in besonderer Weise für anwendungsbezogene und bewertende Fragestellungen.

Die energetische Betrachtung des Lösevorgangs wird in der Unterrichtsstunde bewusst auf ein qualitatives Modell reduziert. Quantitative thermodynamische Daten oder exakte Enthalpiewerte werden bewusst nicht behandelt, obwohl entsprechende Messwerte (Wagner, 2021) grundsätzlich verfügbar wären, da diese erst im Rahmen der Löseenthalpie in der Sekundarstufe II betrachtet werden.

Ausgangspunkt der Modellierung bilden die zuvor experimentell untersuchten Salze, die exemplarisch die drei möglichen Beobachtungen beim Lösen eines Salzes abdecken: Erwärmung, nahezu keine Temperaturänderung und Abkühlung der Lösung. Auf dieser Grundlage entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein allgemeines Teilchenmodell mit Kationen und Anionen, das alle drei Phänomene erklären kann.

Da selbsterhitzende Getränkebecher (Schütte, P. & von Borstel, G., 2014) als Unterrichtsgegenstand heute nur noch schwer erhältlich sind, dienen in der Sequenz stattdessen leicht verfügbare selbstheizende Instant-Mahlzeiten, etwa asiatische Hot-Pot-Sets, die vielen Lernenden aus sozialen Medien bekannt sind, als ein Anschauungsobjekt. Dass in diesen Produkten die Wärme allerdings durch die Reaktion von Calciumoxid mit Wasser unter Bildung einer alkalischen Lösung erzeugt wird, wird erst in der Folgestunde bei der Bewertung thematisiert. Neben der exothermen Reaktion von Calciumoxid zu Calciumhydroxid trägt in diesen Hot-Pot-Sets zudem auch Reaktion von Aluminium unter Bildung von Wasserstoff und eines Aluminat-Komplexes [Al(OH)₄]^–, zur Wärmeentwicklung bei. Da die Reaktion deutlich über den in der Stunde betrachteten Lösevorgang hinausgeht und zusätzliche chemische Konzepte erfordern würden, wird sie im Sinne einer didaktischen Elementarisierung nicht erörtert. Die komplexeren Redoxprozesse dieser Reaktion lassen sich später in der Sekundarstufe II im Zusammenhang mit Aspekten der Korrosion wie Passivierung oder Opferanode aufgegreifen (Böhm, A. & von Borstel, G., 2014).

Die Lernenden müssen folgende (gedankliche) Schritte durchlaufen:

• Wir haben bereits einen Lösevorgang auf Teilchenebene beschrieben und in Experimenten konnten wir beobachten, dass sich Lösungen beim Lösen verschiedener Salze erwärmen, abkühlen oder kaum eine Temperaturänderung zeigen.
• Im Prozess des Lösevorgang wird Energie benötigt oder freigesetzt, aber was genau können wir zum jetzigen Zeitpunkt nicht korrekt benennen.
• Wir müssen ein allgemeines Teilchenmodell entwickeln, das den Prozess des Lösens mit Kationen und Anionen beschreibt und dieses um eine energetische Perspektive erweitern.
• Im Lösevorgang gibt es konkurrierende Teilprozesse – das Aufbrechen des Ionengitters und die Hydratation der Ionen durch Wasserdipole.
• Liefert oder benötigt ein Teilprozess mehr Energie als der andere, wird es warm oder kalt
• Mid dem Vergleich der Hydratations- und Gitterengie kann ich die Abläufe im Hotpot, in der Kältekompresse oder beim Lösen von Kochsalz erklären

Dies ist eindeutig eine konzeptbildende Unterrichtsstunde nach Oser (2001). Als zentrales Lernprodukt nach Leisen (2018) können die Lernenden den Lösevorgang modellhaft darstellen, die Konkurrenz von Gitterenergie und Hydratationsenergie durch entsprechende Energiepfeile verdeutlicht und ergänzend ein qualitatives Energiediagramm zuordnen, das den energetischen Verlauf des Lösevorgangs darstellt. Auf diese Weise werden Teilchenebene und symbolische Darstellung miteinander verknüpft.

Die Unterrichtsstunde orientiert sich am LNCU-Material „HOTPOT UND KÜHLPACKS: Polare Bindungen, Ionenbindung und energetische Betrachtung des Lösungsvorgangs“ (von Borstel & Böhm, 2017) wurde jedoch durch einen aktuellen Kontext (selbsterhitzender Hotpot/ Ramen) sowie durch die sprachsensible Methode der Filmleiste erweitert (vgl. Leisen, 2003). Die Filmleiste unterstützt die Lernenden dabei, den Lösevorgang schrittweise auf der Teilchenebene zu strukturieren und sprachlich zu beschreiben.

Der Stundenaufbau folgt dem Lehr-Lern-Modell nach Leisen (2018), das den Lernprozess in eine kompetenzorientierte Lernlinie gliedert.

Zunächst kommen die Lernenden im Kontext an, indem Bilder von Hotpots und Kühlpacks präsentiert werden und Vorwissen über das Experiment aus der vorherigen Stunde aktiviert wird. In der anschließenden Gelenkstelle wird die Problemfrage der Stunde („Wie kann es beim Lösen von Salzen kalt oder warm werden?“) formuliert und damit der Fokus auf eine Erklärung auf Teilchenebene gelenkt. In der Erarbeitungsphase erstellen die Schülerinnen und Schüler mithilfe der Filmleiste und bereitgestellter Materialien (Whiteboard und Modelle der Ionen/ Moleküle) ein Lernprodukt, indem sie den Lösevorgang modellhaft darstellen und mit den Begriffen Gitter- und Hydratationsenergie erklären. In der Sicherungsphase präsentieren die Gruppen ihre Modelle auf Whiteboards, vergleichen diese im Plenum und diskutieren insbesondere die Darstellung des zweiten Bildes der Filmleiste. Auf dieser Grundlage wird die Problemfrage der Stunde mündlich beantwortet und die Modelle ggf. fachlich präzisiert. Die Sprinter-Aufgabe ermöglicht optional einen Transfer zum Kontext der Kühlpacks (vgl. Leisen, 2018).
Der abschließende Transfer besteht in einer ersten intuitiven Bewertung der Nutzung von Hotpots und Kühlkissen. Dabei wird das WAAGE(R)-Modell zur strukturierten Urteilsbildung aufgegriffen, wobei in dieser Stunde vor allem der Schritt des Wahrnehmens im Vordergrund steht (vgl. Langlet et al., 2022). Eine vertiefte Bewertung erfolgt in der folgenden Stunde.

Die Unterrichtstunde ist am Lehr-Lern-Modell nach Leisen orientiert und folgt dabei dem Prinzip einer konzeptbildenden Stunde nach Oser (2001). In dieser erfüllt das Bewusstmachen des Vorwissen (Oser) das Ankommen im Lernkontext sowie die Aktivierung des Vorwissens (Leisen). Der Einstieg der Stunde muss daher bewusst durch Bild und reale Gegenstände an die zuvor durchgeführten Experimente anknüpfen.

Aus dieser Rückbesinnung ergibt sich die leitende Problemfrage der Stunde: Wie können wir uns erklären, dass Lösungen warm oder kalt werden? 

In der folgenden Gelenkstelle (weder bei Oser noch bei Leisen explizit benannt) wird deutlich, dass noch wesentliche Fachbegriffe zur Erläuterung der energetischen Beobachtungen fehlen. Auf diese Weise wird Lernenden bewusst, dass die Durcharbeitung des Prototypens unter Nutzung der Fachbegriffe mit einer bekannten Methode nun notwendig ist. Damit werden zugleich Zieltransparenz und Prozesstransparenz  hergestellt. 

Mit der Erstellung des Lernproduktes (Leisen) können die Lernenden unter Verwendung von Informationstexten zur Gitterenergie und Hydratationsenergie den Prototypen durchlaufen.

Eine Anleitung unterstützt die Lernenden beim Aufbau der dreiteiligen Darstellung des Lösevorgangs. Die Aufgaben sind schrittweise aufgebaut und ermöglichen eine strukturierte Annäherung an das Modell; für schneller arbeitende Gruppen steht zusätzlich eine Sprinteraufgabe zur Verfügung, in der der energetische Ablauf beim Kühlpack erklärt werden kann.

Die Entscheidung für die Arbeit mit Filmleisten dient dazu, den Prozesscharakter des Lösevorgangs für die Schülerinnen und Schüler sichtbar und strukturierbar zu machen. Durch die Darstellung in mehreren aufeinanderfolgenden Bildern wird deutlich, dass es sich beim Lösen eines Salzes nicht um einen punktuellen Vorgang, sondern um einen Prozess handelt, der auf Teilchenebene schrittweise beschrieben werden kann. Insbesondere das mittlere Bild der Filmleiste ermöglicht es den Lernenden, den eigentlichen Übergangszustand des Lösevorgangs zu modellieren und dort konkurrierende energetische Beiträge sichtbar zu machen. Auf diese Weise wird die Aufmerksamkeit gezielt auf den zentralen Erklärungsschritt der Stunde gelenkt.
Zugleich unterstützt die Filmleiste den Wechsel zwischen den Betrachtungsebenen der Chemie. Während die Lernenden auf makroskopischer Ebene bereits Temperaturänderungen beobachtet haben, zwingt die Modellierung auf Teilchenebene dazu, die zugrunde liegenden Prozesse zwischen Ionen und Wasserdipolen darzustellen.

Im Zentrum der Präsentationsphase (Diskussion des Lernprodukts nach Leisen, Beschreiben der wichtigen Merkmale des neuen Konzepts und aktiver Umgang mit dem Konzept nach Oser) stehen das mittlere Bild der Filmleiste, da hier der energetische Kern des Modells sichtbar wird sowie drei Energiediagramme mit unterschiedlichen energetischen Verläufen mit Bezug auf die Kontexte.

Durch die ergänzende Zuordnung von Energiediagrammen wird zusätzlich eine symbolische Darstellungsebene einbezogen. Die Methode unterstützt somit die Verknüpfung makroskopischer Beobachtungen, submikroskopischer Modellvorstellungen und symbolischer Darstellungen und erleichtert den Lernenden den Aufbau eines zusammenhängenden Erklärungsmodells.

Hier fungiert die Filmleiste nun als sprachliches und fachliches Gerüst. Die Schülerinnen und Schüler nutzen gezielt neu eingeführte Fachbegriffe wie Gitterenergie, Hydratationsenergie und Ionen-Dipol-Wechselwirkung, um ihre Darstellung zu beschreiben und zu erläutern.

Die Sicherung (Leisen) kann durch die gemeinsame Zusammenführung der erarbeiteten Modelle erfolgen. Dabei kann das entwickelte Erklärungsmodell vernetzend auf unterschiedliche Fälle (Aktiver Umgang mit dem neuen Konzept nach Oser) angewendet werden, etwa auf Kühlpacks oder auf Natriumchlorid als Beispiel ohne deutliche Temperaturänderung. Auf diese Weise wird deutlich, dass sich alle drei beobachteten Phänomene mithilfe desselben energetischen Modells erklären lassen.

Eine weitere Vernetzung ist mit Blick auf eine Bewertung möglich. Die Schülerinnen und Schüler können abschließend erste spontane Einschätzungen zur Sinnhaftigkeit solcher Produkte zu formulieren, etwa im Spannungsfeld zwischen praktischer Anwendung und ökologischen Fragen wie Verpackungsaufwand oder Ressourcenverbrauch. Diese noch unsystematischen Positionierungen bilden den Ausgangspunkt für die kommende Stunde.

Zur Differenzierung werden mehrere Maßnahmen eingesetzt. Während der Gruppenarbeit unterstützen sich die Lernenden gegenseitig, zusätzlich stehen Hilfekarten zur Verfügung , die den Modellbildungsprozess strukturieren. Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können eine Sprinter-Aufgabe bearbeiten, in der sie ihr Wissen auf den Kontext der Kühlpacks übertragen. Diese Maßnahmen ermöglichen es, unterschiedliche Lernvoraussetzungen innerhalb der Lerngruppe zu berücksichtigen

Eine typische Schwierigkeit besteht darin, dass Schülerinnen und Schüler zwar eine Erwärmung der Lösung plausibel erklären können, jedoch Schwierigkeiten haben, eine Abkühlung des Systems angemessen zu deuten. Häufig wird angenommen, dass Energie beim Lösen grundsätzlich „entsteht“, während der Fall eines endothermen Lösevorgangs schwerer verständlich ist. Insbesondere die Vorstellung, dass für bestimmte Lösevorgänge mehr Energie benötigt wird, als durch die Hydratation frei wird und dass diese zusätzliche Energie aus der Umgebung aufgenommen wird, stellt für viele Lernende eine Herausforderung dar. Da weiterführende Konzepte wie Entropie in dieser Jahrgangsstufe noch nicht behandelt werden, bleibt die Erklärung bewusst auf eine qualitative energetische Betrachtung beschränkt.
Eine weitere mögliche Schwierigkeit besteht in der begrifflichen Unterscheidung zwischen exothermen und exergonischen Prozessen. Ohne gezielte Klärung können diese Begriffe von den Schülerinnen und Schülern vermischt werden, da beide mit Energieabgabe assoziiert werden. In der vorliegenden Stunde wird daher konsequent mit der Vorstellung von Energieaufnahme und Energieabgabe gearbeitet und auf eine präzise Verwendung der eingeführten Begriffe geachtet.
Die Diagnose des Lernstands erfolgt während der Arbeitsphase vor allem über die Analyse der erstellten Filmleisten. Besonders das zweite Bild liefert Hinweise darauf, ob die Lernenden die konkurrierenden energetischen Beiträge des Lösevorgangs verstanden haben. Auch die Zuordnung der bereitgestellten Energiediagramme zu den verschiedenen Fällen erlaubt Rückschlüsse auf das Verständnis der energetischen Zusammenhänge. In der anschließenden Präsentations- und Diskussionsphase werden diese Modelle gemeinsam betrachtet, miteinander verglichen und gegebenenfalls korrigiert, sodass Missverständnisse sichtbar werden und im Plenum aufgegriffen werden können.