Inhalte des Einstiegs-Chemieunterrichts NRW

Fachdidaktiker:innen wie zum Beispiel Ingo Eilks, ist es wichtig, das Teilchenkonzept als einen in sich konsistenten, explizit ausformulierten Durchgang zu strukturieren – nicht als Abfolge historischer Modelle, die nacheinander gelernt und wieder verworfen werden ⁵.

Maßstab jeder Entscheidung ist die Anschlussfähigkeit: Einmal Gelerntes muss später erweitert werden können, ohne dass für die Lernenden „nicht nachvollziehbare Sprünge“ entstehen ⁶.

Das einfache Teilchenkonzept macht Aussagen ausschließlich über die Ebene der diskret vorkommenden Teilchen, zunächst ohne deren Veränderungen: Alle Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen; zwischen ihnen ist nichts; sie sind ständig in Bewegung, die mit der Temperatur zu- und abnimmt; zwischen ihnen wirken abstandsabhängige Kräfte [, die wir hier nicht erklären können, von Borstel]; gleiche Stoffe bestehen aus gleichen Teilchen, verschiedene unterscheiden sich „in Aufbau, Form und Größe“ ⁷.

Drei Aussagen verbietet Eilks dabei ausdrücklich, weil sie später revidiert werden müssten:

• jede Festlegung auf eine Kugelform, denn sie führt nachweislich zu Verständnisschwierigkeiten, da die Verwechslung mit dem späteren Atom nahezu zwangsläufig wird;
• die Behauptung, ein Reinstoff bestehe immer aus nur einer Sorte identischer Teilchen, denn sie trifft auf Salze nicht zu;
• die Rede vom „kleinsten Teilchen“, da die Teilchen einen inneren Aufbau aus Bausteinen – den Atomen und deren Bestandteilen – besitzen ⁸.

Daraus ergibt sich für Eilks die Reihenfolge: das erste einfache Teilchenkonzept dort einführen, wo ein Phänomen es verlangt – bei Aggregatzuständen, ihren Übergängen und dem Auflösungsprozess, und nur mit den dafür nötigen Grundaussagen; dann die chemische Reaktion als „vielleicht schwierigsten Schritt“; und erst danach Atome und ihr Aufbau, schließlich Bindungsarten und Struktur.

Hier ist Eilks präzise. Die zuerst eingeführten Teilchen sind nicht Repräsentanten für Atome, sondern für diskret vorkommende Teilchen, Moleküle eingeschlossen.

Eine chemische Reaktion ist demnach mit einer Veränderung dieser für die Ausgangsstoffe charakteristischen Teilchen verbunden, die zu anderen charakteristischen Teilchen und damit zu einem neuen Stoff führt ⁹.

Diese Definition ist anschlussfähig: Sie bleibt gültig, wenn man später auf der Atomebene erklärt (Elektronenübertragung, Bindungsumordnung).

Der zweite Weg, den zum Beispiel Kremer und Bee präferieren, legt das Teilchenmodell schon im Anfangsunterricht von Beginn an systemisch an: Nicht der einzelne Stoff und seine sinnlich erfassbaren Eigenschaften stehen am Anfang, sondern das Bauprinzip der Materie aus Grundbausteinen – Atomen und Ionen, die durch Bindung zu Molekülen oder Gittern verknüpft sind. So lässt sich die chemische Bindung „in systemischer Weise von Anfang an“ thematisieren ¹⁰.

Die Begründung ist ein Konsistenzargument. Lernt man zuerst, jeder Reinstoff bestehe aus genau einer Sorte kleiner Teilchen, und kurz darauf, jeder elementare Stoff bestehe aus Atomen, so verfestigt sich fast zwangsläufig die Fehlvorstellung, Elemente seien aus Atomen, Verbindungen aus kleinen Teilchen aufgebaut – auch wenn die Lehrkraft das nie ausgesprochen hat ¹¹. Weil dieses Wissen später vielfach verworfen werden muss – Wasserstoff und Sauerstoff bestehen aus Molekülen, nicht aus Atomen; Metalle und Salze bilden Gitter statt Moleküle –, bezeichnen Kremer und Bee es als „geradezu fatal“, wenn vermeintlich sicheres Wissen schon nach kurzer Zeit revidiert werden muss ¹².

Der Maßstab ist damit derselbe wie beim Stück-für-Stück-Weg – nichts lehren, was später widerrufen werden muss. Nur der Schluss ist umgekehrt: Konsistenz wird durch frühe Vollständigkeit gesichert.

Damit die frühen Aussagen tragfähig bleiben, bauen Kremer und Bee das Begriffssystem um. Drei Werkzeuge:

Statt Element/Verbindung auf der Stoffebene: Einelementstoffe und Mehrelementstoffe. „Element“ bleibt allein der Atomsorte vorbehalten; das missverständliche Wort „Verbindung“ – das die „Bindung“ sprachlich nahelegt – verschwindet von der Stoffebene ¹³. Hintergrund ist die alte Frage von H.-J. Schmidt, ob das Periodensystem eine Tabelle der Elemente oder nicht vielmehr der Atomarten sei ¹⁴.
Das „Stoffteilchen“: Jeder Reinstoff wird durch genau eine Sorte Stoffteilchen repräsentiert – bei Molekülstoffen das Molekül, bei Salzen und Metallen ein „gedachtes“ Stoffteilchen, ein Gitterausschnitt analog zur Formel. Die übliche Formel NaCl „erzwingt“ so die Ionengruppe aus einem Na⁺ und einem Cl⁻ (nach einem Vorschlag von Barke) ¹⁵.
So bleibt der Satz „jeder Stoff besteht aus einer Sorte Teilchen“ auch für Salze und Metalle erhalten – genau der Satz, den der Stück-für-Stück-Weg bewusst fallen lässt, weil er auf die Salze nicht passt. An dieser Stelle gehen die beiden Wege am sichtbarsten auseinander.

Das Phänomen „Bindung“ wird früh eingeführt – aber zunächst ohne es in Metall-, Ionen- und Elektronenpaarbindung zu zerlegen, und begrifflich getrennt von den Wechselwirkungen zwischen Teilchen ¹⁶. Bereits im Anfangsunterricht werden Metallgitter und Ionengitter präsentiert; Atome erscheinen nicht als einzeln existierende Teilchen, sondern von vornherein als gebundene Grundbausteine ¹⁷. Werkzeuge dafür sind zwei didaktisch aufbereitete Periodensysteme – das PSE³ und das „Periodensystem der Grundbausteine und Kräfte“ –, deren Begriffsnetz durchgehend nach den drei Ebenen des Johnstone-Dreiecks geordnet ist ^{18 19}.

Der Preis dieses Weges: Bindung, Gitter und ein umgebautes Begriffssystem stehen am Anfang. Das ist der konsequente Gegenpol zur Selbstbeschränkung des Stück-für-Stück-Weges.

Der Kernlehrplan Chemie Sekundarstufe I Gymnasium NRW schreibt für die erste Stufe einen klar phänomenologischen Einstieg vor. Inhaltsfeld 1 „Stoffe und Stoffeigenschaften“ umfasst messbare und nicht-messbare Stoffeigenschaften, Gemische und Reinstoffe, Stofftrennverfahren und – ausdrücklich nur – eine „einfache Teilchenvorstellung“ ²⁰. Das Teilchenmodell dient hier allein der Deutung der Aggregatzustände; erst an dieser Stelle werden Bezüge zwischen Stoff- und Teilchenebene hergestellt ²¹. Das einfache Atommodell folgt curricular erst in Inhaltsfeld 3 (Verbrennung), zur Erklärung der Massenerhaltung ²². Bindung, Ionengitter und ein differenziertes Atommodell erscheinen verbindlich erst in der zweiten Stufe – in den Inhaltsfeldern 5, 6 und 8 ²³.

Hier stehen sich zwei Strukturlogiken gegenüber. Kremer und Bee denken deduktiv-systemisch: vom Bauprinzip (Grundbausteine, Bindung, Gitter) zum Stoff. Der NRW-Kernlehrplan verlangt das Umgekehrte, nämlich induktiv-phänomenologisch: vom Stoff und seinen messbaren Eigenschaften über die Stofftrennung zu einer bewusst einfachen Teilchenvorstellung, erst von dort zum Atom und – Jahre später – zur Bindung. Wer Kremer und Bee curricular ernst nähme, müsste Inhalte der zweiten Stufe (Bindung, Gitter, differenziertes Atommodell) in die erste vorziehen und verletzte damit die verbindliche Progression und die Obligatorik des Kernlehrplans.

Das erklärt sich aus der Herkunft des Ansatzes: Beide Autoren unterrichten und bilden in Baden-Württemberg aus ²⁴, und sie entwickeln ihre modifizierte Begriffsstruktur erklärtermaßen auf Basis des baden-württembergischen Bildungsplans 2016 und des zugehörigen Beispielcurriculums weiter, das das „Stoffteilchen“-Vokabular bereits trägt ^{25 26}. Der Ansatz ist damit auf einen Bildungsplan zugeschnitten, der ihm entgegenkommt – und im NRW-Rahmen, der die Teilchenebene zunächst allein für die Aggregatzustände vorsieht, strukturell schwer umzusetzen.