Empirische Untersuchung zur Erhebung von Schülervorstellungen zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle

Empirische Untersuchung zur Erhebung von Schülervorstellungen zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle

0. Einleitung

„Nur wenige Schüler kommen zufällig auf die falsche Fährte, wenn sie Chemie-Aufgaben bearbeiten, die meisten Fehler entstehen mit System.“ (Schmidt [17] Vorwort)

In den Naturwissenschaften haben wir es oft mit Phänomenen zu tun, die wir auf den ersten Blick nicht durchschauen können.
Nach dem Unterrichtsfach Physik gehört laut Umfragen bei den Schülern das Fach Chemie zu den unbeliebtesten Fächern. Vermutlich ist dafür mit ausschlaggebend, dass es sich um eine Wissenschaft handelt, die im gewöhnlichen Alltag nur sehr selten bewusst in Erscheinung tritt und deren Bereiche sich doch eher in dem der unsichtbaren und somit unvorstellbaren Welt befinden. Man ist gezwungen, die Phänomene der für uns unsichtbaren Welt anhand von Modellen greifbarer zu machen. Nehmen wir als Beispiel die Diskontinuumbetrachtung.1 Dass Stoffe aus kleinsten und für unser Auge unsichtbaren Teilchen bestehen, können wir nur anhand von Phänomenen vermuten, die wir auch aus dem Alltag kennen. So lässt sich beispielsweise die Änderung eines Aggregatzustandes erklären, indem wir den geänderten Stoff als Materie aus unvorstellbar vieler kleiner Teilchen betrachten, die durch gegenseitige Abstoßung in Bewegung sind und durch Energieeinfluss ihre Bewegungsintensität ändern. Um dieses den Schülern im Anfangsunterricht der C emie begreifbar zu machen, ist der Einsatz von Modellen unabdingbar. Es ist ratsam, zuerst einmal mit geeigneten Versuchen eine These aufzustellen und diese dann mit Modellen zu festigen. In diesem Beispiel könnte man den Mischversuch mit Alkohol und Wasser durchführen2 und danach mit einem Modell das Prinzip sichtbar machen.3
Ohne vorherige ausführliche Betrachtungen bestimmter naturwissenschaftlicher Phänomene haben Schüler meist Schwierigkeiten, diese zu deuten. Zurückliegende empirische Untersuchungen von Schülervorstellungen zu bestimmten naturwissenschaftlichen Phänomenen haben ergeben, dass es Schülern schwer fällt, gleich welcher Jahrgangsstufe und Schulform, sich in die Gedankenwelt der nicht direkt sichtbaren Bereiche einzudenken und somit logische Schlüsse zu ziehen. Für einen Lehrenden ist es wichtig, die Vorstellungen seiner Schüler zu Phänomenen in den Naturwissenschaften zu kennen um dann darauf reagieren und seinen Unterricht entsprechend abstimmen zu können.
Die Auffassungen zur Unterrichtsgestaltung bezüglich der Thematisierung der Schüler(fehl)vorstellungen ist sehr unterschiedlich. Manche Wissenschaftler und Lehrerkollegen vertreten die Meinung, lieber im Unterricht Fehlvorstellungen nicht zu thematisieren, um Schüler nicht „auf eine falsche Fährte“ zu führen und sie somit zu verwirren. Andere hingegen sind der Auffassung, gerade „das Problem an der Wurzel zu packen“, die bekannten und genannten Schülerfehlvorstellungen aufzugreifen und
sie im Unterricht zu widerlegen.
Egal für welches Verfahren sich der Lehrende entscheidet, ist es hilfreich, zu wissen, wie die Schüler denken und welche Vorstellungen sie in den verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften haben. Diesterweg (1835) empfiehlt: „Beginne den Unterricht

auf dem Standpunkt des Schülers. [...] Dieser ist [...] vor dem Unterricht zu
erforschen.“ ( Schmidt [17] S. 11)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Schülervorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen. Anhand einer empirischen Untersuchung sollte herausgefunden werden, ob Schüler verschiedener Jahrgangsstufen und Schularten das Massenerhaltungsgesetz bei chemischen Reaktionen kennen und wenn ja, dieses auch anwenden können, oder ob Schüler, denen das Gesetz der Erhaltung der Masse bisher unbekannt ist, durch logisches Denken zur richtigen Antwort kommen. Ferner sollte herausgefunden werden, welche Vorstellungen allgemeiner Art Schüler haben im Bezug auf chemische Reaktionen oder genauer, im Bezug auf Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen.
Die Fragestellung dieser Arbeit lässt sich also wie folgt zusammenfassen: Welche fehlerhaften Vorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen von Schülern kommen zu Tage und inwiefern beeinflussen fehlerhafte Vorstellungen der Schüler ihre Fähigkeit, naturwissenschaftliche Zusammenhänge zu erfassen und richtig zu deuten. Weiter sollte der Frage nachgegangen werden, ob und wie es möglich ist, diese Fehlvorstellungen im Unterricht aufzugreifen und zu thematisieren.

Die empirische Untersuchung wurde an acht Schulen mit 731 Schülern durchgeführt und ausgewertet. Lediglich auf diese empirischen Untersuchung und den daraus resultierenden Ergebnisse bzw. Interpretationen wird im Verlauf dieser Arbeit eingegangen.
Im ersten Kapitel wird ein kurzer historischer Abriss über verschiedene Theorien zum Aufbau der Materie im Laufe der Geschichte bis zur Erkenntnis der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen gegeben, jedoch ohne Anspruch auf Vollständigkeit, da dies den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde.
Danach folgen fachliche Hintergründe, die sich gezielt auf das nötige Wissen für das Verständnis der chemischen Reaktionen und der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen beschränken.
Nach der Durchführung der empirischen Untersuchung im 4. Kapitel und der Auswertung und Interpretation der Ergebnisse werden die Erkenntnisse für die Arbeit mit Schülern im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgegriffen und anhand von möglichen Versuchen und Unterrichtseinheiten im 5. Kapitel thematisiert.
Vielleicht machen die Ergebnisse der Umfrage und die Aufbereitung Mut, im Unterricht stärker die Denkweise der Schüler aufzugreifen und sie bei der methodischdidaktischen Aufbereitung zu berücksichtigen.

1. Historische Hintergründe auf dem Weg zur Erkenntnis der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen

Seit dem 6. Jahrhundert v. Chr. lösten sich die griechischen Philosophen von den Mythen der Entstehung der Welt4. Vielmehr ging es ihnen um logische Erklärungen und um wissenschaftlich überprüfbare Sachverhalte. Ihre Fragen gingen eher in die Richtung: Was ist die Welt, was ist das Sein? (vgl. Simon [20] S. 39)

1.1 Die Vier-Elementen-Lehre nach Empedokles

Im zweiten Drittel des 5. Jahrhunderts lebte Empedokles (ca.495-435 v.Chr., geboren in Sizilien). Empedokles stammte aus einem Adelsgeschlecht und genoss als Arzt, Politiker, Sühnepriester und Dichter hohes Ansehen und höchste Verehrung, die noch seine Nachwelt beflügelte. Er war der Vertreter der Vier-Elemente-Lehre, die sich in der Annahme von vier ewig existierenden Grundsubstanzen zeigte, nämlich Feuer, Wasser, Luft und Erde. Empedokles war der Auffassung, die Welt sei aus diesen vier Elementen zusammengesetzt. Die Vier-Elemente-Lehre wurde von der Naturwissenschaft schon vor langer Zeit abgelegt, lebt aber noch in weiten Kreisen der Esoterik weiter. (vgl. Strube [21] S. 46f)

1.2 Aristoteles Vorstellung zur Materie

Aristoteles (384-322 v. Chr.), bedeutendster Schüler Platons und bedeutender griechischer Philosoph, sprach zum ersten Mal von Element in dem Sinne, dass jeder Stoff seine eigenen Eigenschaften besitzt. Er stützte seine Aussagen ganz auf die sinnliche Erfahrung. Er wollte diese Erfahrung begreiflich machen. So betrachtete er Dinge und versuchte, sie zu analysieren. Aristoteles kam zu der Aussage, „es gäbe eine Gesamtheit von Eigenschaften, die etwas zu dem machen, was es ist.“ (Simon [20] S. 41) Aristoteles war der Überzeugung, dass jedes Ding seine eigenen Eigenschaften besitzt, die es zu diesem Ding machen.
Weiter war er der Auffassung, dass alle Stoffe der Natur aus mindestens zwei der vier Elemente Feuer, Wasser, Luft und Erde zusammengesetzt sind, wobei das Verbindungsverhältnis unterschiedlich ist. Ein Stoff wie Rost bzw. geröstetes Eisenerz (Eisen-III-oxid), das im Feuer zu Eisen geschmolzen werden konnte, aber an Luft und Wasser wieder rostete, war für Aristoteles eine „Mischung“ aus Feuer-, Erd-, Luftund
Wasserteilchen, ein Kontinuum, in der die kleinsten Teilchen ihre alten Eigenschaften aufgegeben haben, während wir heute ja wissen, dass im Eisenoxid Eisen- und Sauerstoffatome mit unveränderten Eigenschaften und in bestimmten, diskontinuierlichen Zahlenverhältnissen gebunden sind. Aristoteles war des weiteren der Überzeugung, dass sich alle Stoffe bis ins Unendliche teilen lassen.

Hingegen waren Leukippos (500-440 v.Chr.) und Demokrit (460-340 v.Chr.) der Meinung, die 4 Elemente Feuer, Wasser, Luft, Erde bestehen aus kleinsten, Kapitel 1 – Historische Hintergründe auf dem Weg zur Erkenntnis der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen unteilbaren „Splittern“ oder Teilchen von unterschiedlicher Größe und Gestalt, die sich zu anderen Stoffen kombinieren.
Nachdem allerdings Aristoteles ein paar Jahre später der griechischen Welt seine Auffassung der unendlichen Teilbarkeit der Materie unterbreitete, geriet die Atomtheorie5 für sehr lange Zeit in Vergessenheit. (vgl. Strube [21] S. 54ff)

1.3 Die Alchemie (auch Alchimie)

Die Alchemie ist ein alter Zweig der Naturphilosophie und wurde im 17./18. Jahrhundert nach und nach von der modernen Chemie abgelöst. Die Hauptepoche der Alchemie legt man in die Zeit vom 1.-14. Jahrhundert.
Unter Alchemie wird oft nichts anderes verstanden als eine Chemie mit dem Versuch, unedle Metalle in edle zu verwandeln, also quasi Gold und Silber zu erschaffen aus der Umwandlung anderer häufiger unedler Metalle. Des weiteren war das Ziel mancher Alchemisten, ein Elixier zu erfinden, das das Leben verlängern und somit ewige Jugend ermöglichen sollte.
Den Alchemisten tut man Unrecht, wenn man ihre Wissenschaft auf diese Ziele beschränkt. Allerdings ist vermutlich die lange Lebensdauer der Alchemie mit darauf zurück zu führen, dass es Gegner der Alchemie nicht leicht hatten, sich aufgrund dieser „Träumereien“ der Goldmacherei oder der ewigen Jugend entsprechend durchzusetzen.
Die wahren Alchemisten, deren experimentelle Arbeiten uns heute in der modernen Chemie eine Vielzahl von Kenntnissen und Verfahren wie u.a. das Filtrieren, Sublimieren, Destillieren übermittelt haben, waren Gelehrte wie Theologen und Juristen und besaßen eine gründliche wissenschaftliche Ausbildung. Ihnen ging es nicht um das Goldmachen, sondern um Erkenntnisse der Zusammenhänge im Stoffwandel. Die Alchemie war die erste selbstständige in Erscheinung tretende chemische Experimentierpraxis. So schrieb Justus von Liebig: „Eine jede Ansicht,
welche zum Arbeiten antreibt, den Scharfsinn weckt und die Beharrlichkeit erhält, ist für die Wissenschaft ein Gewinn; denn die Arbeit ist es, welche zu Entdeckungen führt. Die Alchemie ist niemals etwas anderes als die Chemie gewesen: ihre beständige Verwechslung mit der Goldmacherei des 16. und 17. Jahrhunderts ist die größte Ungerechtigkeit. Unter den Alchemisten befand sich stets ein Kern echter Naturforscher, die sich in ihren theoretischen Ansichten häufig selbst täuschten, während die fahrenden Goldköche sich und andere betrogen“ (Von Liebig [23] S. 36)
Die Alchemisten waren der Meinung, chemische Elemente könnten ineinander umgewandelt (transmutiert) werden.
Allerdings gab es schon in den ersten Jahrhunderten n.Chr. Gelehrte, die sich gegen die alchemistische Meinung aussprachen. Doch sie konnten sich nicht durchsetzen, zumal bis ins 18. Jahrhundert hinein die auf Aristoteles und Empedokles zurückzuführende Elementvorstellung herrschte, nach der die Umwandlung der Elemente möglich war.
Wir verdanken der falschen Auslegung der Alchemie unter anderem die (Wieder-)Erfindung des Porzellans und Schwarzpulvers in Europa. Berühmte Alchemisten waren z.B. Vincenzo Casciarolo aus Bologna, der 1604 erstmals einen Phosphoreszenz-Farbstoff herstellte oder der Hamburger Heinrich Hennig Brand. Er entdeckte 1669 die Chemilumineszenz des weißen Phosphors und damit die erste Chemilumineszenzreaktion überhaupt. (vgl. Strube [21] S. 62ff und Simon [20] S. 27f)

1.4 Der Glaube an die materielle Natur des Feuers

Das Feuer hat in der Entwicklung der menschlichen Kultur eine entscheidende Rolle gespielt. Aber woher kam das Feuer? Heute wissen wir, dass Verbrennungen stets chemische Reaktionen mit dem Element Sauerstoff oder (selten) anderen Oxidationsmitteln sind, bei denen die kleinsten Teilchen, aus denen Stoffe bestehen, eine neue Verbindung eingehen. Dass die Materie aus „kleinsten Teilchen oder Körperchen“ besteht, wurde zum ersten Mal im 18. Jahrhundert vermutet.
Im Altertum sah man das Feuer als etwas Materielles an. Je mehr Feuerstoff in einem Körper, desto besser brennt er, dachte man. Diese Auffassung hielt sich bis Ende des 18. Jahrhunderts und ist heute noch in unserem Sprachgebrauch, wenn wir z.B. davon sprechen, dass „Feuer verzehrt“.
Auch Robert Boyle (1627-1691), ein irischer Naturforscher, glaubte an eine materielle Natur des Feuers, und zwar aufgrund chemischer Versuche. Er hatte erkannt, dass Metalle beim Erhitzen schwerer werden. Er verbrannte nun Zinn in einem verschlossenen Kolben. Der Kolben wurde vor und nach dem Versuch gewogen. Aber vor dem zweiten Wiegen hatte Boyle den Kolben geöffnet. Er fand, dass das Gesamtgewicht größer geworden war. Daraus schloss er, dass Feuerstoff durch die Wand des Gefäßes gedrungen sein müsste und so die Gewichtszunahme beeinflusst habe.
Bei der Autorität von Boyle kontrollierte kein Chemiker den Versuch und keiner bemerkte den Fehler. Erst 60 Jahre später wiederholte ihn der russische Chemiker Lomonossow und fand den Fehler.
Auch der Zeitgenosse und Landsmann von Boyle, Mayow (1641-1679), beschäftigte sich mit der Verbrennung. Nach ihm besteht das Feuer aus salpetrigen Luftgeistteilchen, die durch schweflige Teilchen in heftige Bewegung gezogen werden. Wird eine polierte Metallplatte über eine Kerzenflamme gehalten, durchdringen sie die Feuerteilchen. Die schwefligen Teilchen bleiben an der Unterseite als Ruß hängen. (vgl. Simon [20] S. 52f)

1.5 Die Phlogistontheorie

Georg Ernst Stahl (1660-1734), deutscher Chemiker und Mediziner, war Hauptbegründer der Phlogistontheorie, die erst durch Antoine Lavoisier widerlegt wurde. Dieser Theorie zufolge war Phlogiston ein „Feuerprinzip“ und ein Bestandteil jeglicher brennbaren Materie, der bei Umwandlungen wie Verbrennung oder Verrostung entweicht, die Asche oder den Rost zurücklässt und keine oder eine negative Masse hat. Nach Stahl bestünden alle Körper aus einem verbrennbaren und einem unverbrennbaren Anteil. Den verbrennbaren Anteil nannte er Phlogiston (griech. verbrannt). Je mehr Phlogiston ein Körper enthält, desto besser brennt er. Entweichendes Phlogiston kann nicht selbstständig existieren. Es wird von der Luft aufgenommen.
Die chemische Reaktion eines Metalls mit Sauerstoff z.B. bei Verbrennungen wurde ähnlich interpretiert. Nach der Phlogistontheorie sollte ein Metall aus „Metallkalk“ und Phlogiston bestehen, das beim Erhitzen verloren geht.
Lavoisier stellte fest, dass ein Metall beim Verbrennen schwerer wird, was gegen ein Entweichen von Phlogiston sprechen würde. Daraufhin nahmen die Phlogistonbefürworter an, Phlogiston habe ein negatives Gewicht. Da Phlogiston leichter als Luft sei und in Luft gewogen würde, müsse die Waage beim Entweichen von Phlogiston mit einer Gewichtszunahme reagieren. Dazu ein Beispiel: Schwefel wird verbrannt, das Schwefeldioxid in Wasser geleitet und durch Luft wird die schweflige Säure zur Schwefelsäure oxidiert. In der Phlogistonsprache: der phlogistonreiche Schwefel verliert beim Verbrennen einen Teil seines Phlogistons, so erhält man die phlogistonarme schweflige Säure. Sie gibt den Rest ihres Phlogistons an die Luft ab und wird zur Schwefelsäure. (vgl. Häusler [8] S. 37f und Simon [20] S. 54)
Die Phlogistontheorie konnte einige Phänomene der Verbrennung recht gut erklären. Nach ihr brannte Holz, weil Bäume Phlogiston aus der Luft aufnahmen, und eine Kerze erlosch in einem abgeschlossenen Gefäß, weil Luft nur eine bestimmte Menge an Phlogiston aufnehmen konnte, das von der brennenden Kerze abgegeben wurde. So wurde auch die reaktionsfreudige Eigenschaft von Sauerstoff erklärt. Sauerstoff war phlogistonarme Luft, die somit Verbrennungen begünstigt, da sie mehr Phlogiston, das aus dem verbrannten Stoff entwich, aufnehmen konnte.
Nach der Entdeckung des Wasserstoffs (1766) und des Sauerstoffs (1774) stellte man fest, dass diese beiden Substanzen bei der Verbrennung zu Wasser wurden und kein Phlogiston freisetzten. Dieses versetzte der Theorie den ersten Schlag.

1.6 Ablösung durch die Oxidationstheorie und Feststellung des Prinzips der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen

Die Phlogistontheorie wurde Ende des 18. Jahrhunderts durch den französischen Chemiker Antoine Lavoisier (1743-1794) durch die Oxidationstheorie6 abgelöst.

1775 baute Lavoisier das schon 1774 von Jeseph Priestley (1733-1804) durchgeführte Experiment nach, der durch Reduktion von Quecksilberkalk mittels eines Brennspiegels eine „neue Luftart“7 erzeugt hatte. Er wollte aber nicht nur den Sauerstoff8 gewinnen, sondern er wollte sehen, ob diese „Luft“ diese war, die für das Verkalken bzw. Verbrennen verantwortlich war. Er isolierte also nicht nur den Sauerstoff vom Quecksilberkalk, er führte auch wieder Sauerstoff mit Quecksilber zusammen zu Quecksilberkalk. Gleichzeitig untersuchte er, wie sich die Gewichte der beteiligten Substanzen verhielten. Er stellte fest, dass die an der Reduktion und Oxidation beteiligten Stoffe ohne Gewichtsveränderungen geblieben waren. Lavoisier konnte somit den Verbrennungsprozess ohne Phlogiston alleine durch die Umsetzung der beteiligten Substanzen erklären.
Somit untersuchte Lavoisier die Gewichtsveränderung verschiedener Stoffe bei der Oxidation bzw. Reduktion und stellte fest, dass das gerade entdeckte Element Sauerstoff dabei die entscheidende Rolle spielt.
Er wies nach, dass
· beim Verbrennen mit Metallen oder Schwefel so viel Sauerstoff verbraucht wird, wie in den entstandenen Oxiden enthalten ist,
· sich dabei diese Elemente beim Verbrennen mit Sauerstoff vereinigen,
· man, um Metalle aus den Oxiden wiederzugewinnen, nicht Phlogiston hinzufügt, sondern den Sauerstoff entfernen muss. (vgl. [21], Häusler [14] S. 38 und Strube [20] S. 150)

1774 stellte Lavoisier das Prinzip der Massenerhaltung fest:
Nichts wird bei den Operationen künstlich oder natürlicher Art geschaffen, und es kann als Axiom angesehen werden, dass bei jeder Operation eine gleiche Quantität Materie vor und nach der Operation existiert. ([22])

2. Fachliche Hintergründe

2.1 Das Teilchenmodell (Diskontinuummodell)

Dass die Materie aus „kleinsten Teilchen“ besteht, wurde bereits von Chemikern des 18. Jahrhunderts angenommen. Lehrbücher aus dieser Zeit belegen dies. So schreibt z.B. Nicolai 1797 in den „Anfangsgründen der Experimental-Naturlehre“:

„Da jeder Körper ausgedehnt und porös ist, so lässt sich schon daraus schließen, dass die Körper aus Theilen bestehen müssen, die durch hinlängliche Kraft voneinander getrennt werden können, und dieses bestätigt auch die Erfahrung. Die Theilbarkeit ist also eine Eigenschaft, die allen Körpern zukommt. Wenn die Theilchen, die man erhält, unter sich als auch der ganzen Masse in Absicht ihrer Natur gleich sind, so nennt man die Masse gleichartig z.B. Quecksilber, reines Wasser. Sind hingegen die Theilchen so wohl unter sich, als auch der ganzen Masse unähnlich, so nennt man die Masse ungleichartig z.B. Granit. Dass man sich den Raum bis ins Unendliche mathematisch theilbar denken könne, ist wohl keinem Zweifel unterworfen. Ob aber auch die Materie selbst bis ins Unendliche physisch teilbar ist, oder ob man endlich bey Theilchen stehen bleiben müsse, die nicht weiter theilbar sind, und denen man den Namen Atomen giebt, überlassen wir den Untersuchungen der Philosophen und begnügen uns mit Erfahrung, dass so wohl die Natur, als auch die Kunst die Körper bis zum Erstaunen weit physisch theilen kann.“ (Häusler [8] S. 47)

„Im Endeffekt gehen alle "Vorstellungen" (Bilder, die man sich macht) von den Befunden Daltons aus, dass man bei der Analyse von Verbindungen stets und reproduzierbar ganzzahlige Massenverhältnisse der Elemente erhält. Dies führte zur Diskontinuumssicht der Materie. In Kontinuumssicht dürften sich ganzzahlige Verhältnisse nur zufällig ergeben und bei derselben Verbindung nicht reproduzierbar sein.“ (Prof. P. Morys [34])

Das Teilchenmodell ist das einfachste Modell für den Aufbau von Stoffen/Materie. Es betrachtet Körper/Stoffe als Ansammlung unvorstellbar vieler kleinster Teilchen. Es dient vor allem der Erklärung, nicht aber der Vorhersage einfacher physikalischer Phänomene, wie Aggregatszustand, Temperatur und Druck. Das Teilchenmodell soll den Aufbau der Stoffe veranschaulichen.

Das Teilchenmodell besagt:
o Alle Stoffe sind aus unzähligen, unsichtbar kleinen Teilchen aufgebaut, den kleinsten Teilchen
o Sie sind kugelförmig und unteilbar
o Jeder Reinstoff besitzt für ihn charakteristische Teilchen mit bestimmter Größe und Masse
o Die kleinsten Teilchen eines bestimmten Stoffes sind alle identisch zueinander, unterscheiden sich aber von den kleinsten Teilchen anderer Stoffe
o Die Teilchen sind mehr oder weniger stark in Bewegung; je höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto schneller bewegen sich seine Teilchen
o Zwischen den Teilchen können Anziehungskräfte herrschen

Das Teilchenmodell ist viel zu unspezifisch, um genaue Vorhersagen damit treffen zu können.

Im unserem Teilchenmodell sind die kleinsten Teilchen unspezifische, kugelförmige Teilchen. In Wirklichkeit handelt es sich dabei um Atome und Moleküle, die viel komplexer sind. Für das Teilchenmodell ist die tatsächliche Gestalt aber unerheblich, da es nur der Erklärung dient. (vgl. [13], [5] S. 42 und Kempfer/Fladt [11] S. 12ff)

2.2 Die Dalton-Atomtheorie

Schon vor etwa 2500 Jahren stellten die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit als erst die Theorie auf, dass die Materie aus unteilbaren Grundbausteinen aufgebaut sein könnte. Nach ihrer Theorie sind die Atome unteilbar und weisen bereits Eigenschaften der Materie auf, die aus ihnen aufgebaut ist. Glatte Gegenstände sollten also aus runden Atomen, raue eher aus eckigen Atomen aufgebaut sein. Ein zentraler Punkt des Atomismus von Leukipp und Demokrit war die Existenz des leeren Raumes (Vakuum), in dem sich die Atome bewegen sollten. Diese Theorie wurde von Aristoteles abgelehnt9 und von seiner Theorie verdrängt. (vgl. [35])
Die altgriechischen Theorien basierten auf rein abstrakter Überlegung, nicht auf Experimenten. Die Atomtheorie war über zweitausend Jahre lang reine Spekulation.

Erst der britische Chemiker und Physiker John Dalton (1766-1844) entwickelte in den Jahren 1803 bis 1808 eine Atomtheorie, deren quantitativen Aspekte er von den drei folgenden, beobachteten Gesetzmäßigkeiten bei chemischen Reaktionen ableitete:
· Gesetz der Erhaltung der Masse: Während einer chemischen Reaktion lässt sich keine Veränderung der Gesamtmasse beobachten. Die Summe der Masse aller miteinander reagierenden Substanzen ist gleich der Masse aller Produkte.
· Gesetz der Konstanten Proportionen: In einer Verbindung sind stets die gleichen Elemente im gleichen Massenverhältnis enthalten.
· Gesetz der multiplen Proportionen: Wenn zwei Elemente A und B mehr als eine Verbindung miteinander eingehen, dann stehen die Massen von A, die sich mit einer bestimmten Masse von B verbinden, in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander.

Die Theorie Daltons ist quantitativer Natur, den Atomen wurden relative Massen zugeordnet.
Die Hauptpostulate der Dalton-Theorie sind:
1. Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, den Atomen. Alle Atome eines Elements sind gleich, die Atome verschiedener Elemente verschieden.
2. Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander verbunden oder voneinander getrennt. Dabei werden nie Atome zerstört oder neu gebildet, und kein Atom eines Elements wird in das eines anderen Elements verwandelt.
3. Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung der Atome von zwei oder mehr Elementen. Eine gegebene Verbindung enthält immer die gleichen Atomsorten, die in einem festen Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.

Die Dalton-Theorie ist heute noch gültig, wenn auch sein erstes Postulat etwas modifiziert werden musste. Nach heutiger Kenntnis bestehen die Atome eines Elements aus verschiedenen Atomsorten, die sich in ihren Massen unterscheiden (Isotope). In ihren chemischen Eigenschaften sind aber Atome eines Elements nahezu identisch. (vgl. Mortimer [14] S. 16f , Holleman/Wiberg [10] S. 19 und Simon [20] S. 57)

2.3 Fachliche Hintergründe zum Gesetz von der Erhaltung der Masse

Bei chemischen Reaktionen können wir Gewichtsveränderungen beobachten. Nehmen wir z.B. einen Eisennagel, der lange an der Luft liegt. Nach gewisser Zeit fängt er an zu rosten. Würden wir ihn wiegen, wäre eine Gewichtszunahme beobachtbar.

Verbrennen wir aber Holz, bleibt Asche zurück, die weniger wiegt als das vorherige Holzstück. Nimmt also die Masse bei chemischen Reaktionen zu oder ab?

Heute wissen wir, dass beide Reaktionen in einem geschlossenen Gefäß keinerlei Gewichtsveränderung gezeigt hätten. Der Holznagel reagiert mit Sauerstoff aus der Luft. Um das Gewicht, um das der Nagel aufgrund seiner Verbindung mit Sauerstoff zunimmt, nimmt die Luft ab. Ein Holzstück, das verbrennt, reagiert auch mit Sauerstoff. Es entstehen Gase, die entweichen. Diese werden nicht mehr mitgewogen, das Gewicht der übrig bleibenden Materie nimmt ab.

Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Diese sind unteilbar und für jedes Element charakteristisch. Diese kleinsten Teilchen können sich verbinden mit anderen kleinsten Teilchen zu einem neuen Stoff. Eine chemische Reaktion ist also nur eine Umverteilung der Atome. Folglich kommt man zum Gesetz von der Erhaltung der Masse: Bei allen chemischen Vorgängen bleibt die Gesamtmasse der Reaktionsteilnehmer unverändert.

Das Gesetz von der Erhaltung der Masse wurde namentlich von dem französischen Chemiker Lavoisier erkannt (vgl. Kap. 1.6).

Die experimentelle Prüfung des Satzes von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen, bei der versucht wurde, alle möglichen Fehlerquellen auszuschließen, wurde 1908 von dem deutschen Physikochemiker Hans Landolt (1831-1910) durchgeführt. Er brachte in ein Glasgefäß mit zwei Schenkeln zwei verschiedene Lösungen. Nachdem er das Gefäß zugeschmolzen hatte, wog er das Gefäß sehr genau. Danach schüttete er beide Lösungen ineinander, somit wurden diese zur Reaktion gebracht. Danach wog er wieder. Er stellte fest, dass seine überaus genauen Messungen nicht ausreichten, um eine Massenveränderung festzustellen.

Nach unserem heutigen Wissen gilt dennoch der Satz von der Erhaltung der Masse im streng genommenen Sinn nicht vollständig. Bei fast allen chemischen Reaktionen wird nicht nur Materie umgesetzt, sondern auch Energie frei oder gebunden. Der deutsch-amerikanische Physiker Albert Einstein (1879-1955) entwickelte die sogenannte Relativitätstheorie. Ein Teil dieser Relativitätstheorie besagt, dass jeder Energiemenge E eine Masse m zukommt, die sich aus der „Einsteinschen Gleichung“ E = m× c² (m = Masse in kg, c = Lichtgeschwindigkeit in m/s, E = Energie in J) ergibt. Wird also bei einer chemischen Reaktion beispielsweise eine Wärmeenergie von 500000 J frei, so ist dies ein Massenverlust.

Dieses entspricht einem unglaublich kleinem Massenverlust, den man kaum messen kann. Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen ist dieser Massenverlust im Gegensatz zu Reaktionen mit Atomkernen mit unseren heutigen Messmethoden nicht messbar. Bei Reaktionen mit Atomkernen wird relativ viel Masse in Energie umgewandelt. Dort lässt sich die Gültigkeit der Einsteinschen Gleichung nachweisen. (vgl. Holleman/Wiberg [10] S. 19f und Mortimer [14] S. 48)

„Nur in solchen Fällen, in denen die bei Materie-Umsetzungen entwickelten oder aufgenommenen Energiemengen E im Hinblick auf die Gleichung klein sind, gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse praktisch genau. Dies trifft z.B. für alle normalen chemischen Reaktionen zu, da deren Reaktionsenthalpie10 zu klein ist, um sich in Form eines messbaren Massendefekts zu äußern. So beträgt beispielsweise die Reaktionsenthalpie der stark exothermen Verbrennung des Kohlenstoffs zu Kohlendioxid 394kJ je Mol Kohlendioxid. Das entspricht einem Massenverlust von 0,0000000044g je Mol Kohlendioxid (44g), d.h. von 10-8%.“ ([10] S. 1305)

3. Ergebnisse der empirischen Unterrichtsforschung in der Chemiedidaktik seit 1980

Schon seit einigen Jahren wird intensiv geforscht im Bereich der Schülervorstellungen und Strategiefindungen beim Lösen von Aufgaben im Chemieunterricht. Im folgenden werden einige wenige Fehlvorstellungen, die im Laufe von empirischen Untersuchungen bei Schülern festgestellt wurden, vorgestellt. Falschvorstellungen aus dem Bereich der Chemie hat man in vielen Ländern gefunden.

Fladt zum Beispie, ein deutscher Chemiker, beobachtete im Chemieunterricht ein für die vorliegende Arbeiten sehr interessante Fehlvorstellung. Die Schüler, denen das Gesetz von der Erhaltung der Masse bekannt war, erfanden „das Gesetz von der Erhaltung des Volumens“ und nahmen somit an, das Volumen von Edukten11 und Produkten bei einer Chemischen Reaktion sei gleich. (vgl. Fladt [7] S. 67)

Nach einer Untersuchung bei Realschülern der Jahrgänge acht bis zehn und an Hauptschülern des 9. Jahrgangs berichtet Barke, dass selbst wenn Schüler die Reaktionsgleichung hinschreiben können, sie oft von Vorstellungen ausgehen, „...die keinerlei Zusammenhang mit dem formulierten Reaktionssymbol haben“ (Barke [3) S. 131) Er kommt zu dem Schluss, dass die befragten Schüler die unterschiedliche Bedeutung von Massenverhältnis, Atommassenverhältnis und Atomzahlverhältnis nicht verstanden haben. (vgl. Barke [3] S. 4)

In England wiederum wurden Forschungen betrieben, die uns erfahren lassen, dass es Schüler bei chemischen Formeln oft nicht zwischen Gleichungskoeffizienten und Indizes unterscheiden können. Sie sehen beispielsweise in einer Reaktionsgleichung den Ausdruck 2 Ag2CO3 und wissen sie nicht, welche 2 welche Bedeutung hat.

Ein bedeutsamer Fehler liegt in der fehlenden Unterscheidung zwischen Massenverhältnis und Teilchenanzahlverhältnis. Dazu eine typische Antwort auf die Frage, wie viel Eisen man aus 800 kg Fe2O3 gewinnen kann: „Es ist ein Verhältnis von 2:3, also insgesamt 5 Teile. Man muss also die 800 kg durch 5 teilen und dieses dann mit 2 multiplizieren, um auf das Eisen zu kommen.“ (Schmidt [18] S. 13)

Nach dem Ergebnis einer kleineren Untersuchung an 25 Universitätsstudenten war die Fähigkeit zum formalen Denken Voraussetzung dafür, Chemieaufgaben erfolgreich zu lösen. Um bei komplexeren Aufgaben zum richtigen Ergebnis zu gelangen, mussten die Studenten eine ausreichend „geistige Auffassungsgabe“ besitzen.

In vielen Untersuchungen ist deutlich geworden, dass Schüler sich beim Problemlösen auf algorithmische Verfahren zurückziehen, ohne sie zu verstehen. (vgl. Schmidt [17] S. 14-17)

Mit neueren Untersuchungen zu Schülervorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei Chemischen Reaktionen sowie zu Stationen und Problemfelder auf dem Weg ins Diskontinuum hat sich Tanja Weiß im Rahmen ihrer Examensarbeit an der Pädagogischen Hochschule Freiburg (vgl. Weiß [24]) und Janine Schneider (vgl. Schneider [19]) im Rahmen ihrer Examensarbeit an der Universität Oldenburg beschäftigt.

4. Empirische Untersuchung zur Erhebung von Schülervorstellungen zur Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen

Wenn im Folgenden von Schülern die Rede ist, sind immer Schülerinnen und Schüler gemeint. Außer es handelt sich bei einzeln aufgeführten Antworten explizit um eine Schülerin oder einen Schüler.

Die einzeln thematisierten Schülerzitate wurden wortgetreu übernommen und nicht verbessert oder gar umgeschrieben. Allerdings wurden Rechtschreibfehler verbessert, um vom Inhaltlichen nicht abzulenken.

4.1 Gegenstand der Umfrage

Schülerbefragungen im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen wurden schon mehrfach durchgeführt. Im Jahr 2005 beschäftigte sich Tanja Weiß mit Umfragen zur Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen, indem sie in einem geschlossenen Kolben Kresse wachsen ließ und die Schüler befragte, ob der verschlossene Kolben nach dem Wachstum der Kresse mehr, weniger oder genau so viel wiegen würde wie vor dem Wachstum der Kresse. (vgl. Weiß [24] S. 11–31] Hier liegt nahe, dass Aufgrund des Wachstums der Kresse im Kolben und somit Erhöhung des sichtbaren Volumens die Schülerantworten eher in Richtung der Massenzunahme erwartet worden wären. Überraschend war jedoch, dass nur 18% der befragten Schüler die Massenzunahme ankreuzten, wohingegen sich 22% für die Massenabnahme entschieden und stolze 59% eine Massenkonstanz angaben. Tanja Weiß vermutete als Grund für die doch recht häufig genannte Massenabnahme und die unerwartet geringe Antwort der Massenzunahme, dass „beim Kressewachstum mehrere Stoffe eine Rolle spielen und nicht wie beim Boyle-Versuch (Verbrennung von Kohlenstoff im geschlossenen Kolben, [siehe unten]) nur der Kohlenstoff und Sauerstoff.“ (Weiß [24] S. 16)

Des weiteren beschäftigte sich 2003 Janine Schneider im Rahmen ihrer Examensarbeit für das Lehramt an Gymnasien mit Schülervorstellungen bezüglich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen. Sie ließ in einem geschlossenen Kolben Aktivkohle verbrennen. Nach der Verbrennung, und somit der Reaktion des Kohlenstoffs mit Sauerstoff, ist nichts mehr sichtbar, da der Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid reagierte und sich nach der Verbrennung nur noch Gase im Kolben befinden. Die Schüler wurden wiederum befragt, ob sich die Masse geändert habe. Anders als beim obigen „Kresseversuch“ war hier zu erwarten, die Schüler würden sich großteils für eine Abnahme der Masse entscheiden. Die meisten Schüler, 65%, entschieden sich für die richtige Antwort der Massenkonstanz. 29% waren der Meinung, die Masse nehme ab, nur 6% entschieden sich für eine Massenzunahme. (vgl. Schneider [19] S. 85–96)

In der vorliegenden Untersuchung sollen Schülervorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei der Verbrennung von Eisenwolle in einem geschlossenen Rundkolben (Boyle-Versuch mit Eisenwolle) ermittelt werden. In einem geschlossenen Rundkolben wird Eisenwolle elektrisch gezündet. Es ist eine Verbrennungsreaktion zu beobachten. Vor und nach der Verbrennung wird der Kolben gewogen. Die Schüler sollten nun befragt werden, ob sich die Masse der Versuchsapparatur im Laufe der Verbrennung ändert. Der Versuch ähnelt dem Versuch der Verbrennung von Aktivkohle im geschlossenen Rundkolben. In beiden Versuchen findet eine Verbrennung statt, jeweils in einem geschlossenen System. Beim Versuch der Verbrennung von Aktivkohle wird die Kohle von außen entzündet, mit Hilfe des Bunsenbrenners. Dieses ist hier bei der Verbrennung von Eisenwolle nicht möglich, da die Energie nicht ausreicht, um von außen die Wolle zu zünden. Sie muss also elektrisch gezündet werden.

Auch ist die Wolle nach der Verbrennung noch sichtbar. Es hat sich nur ihre Form und Farbe verändert. Da der Versuch den Schülern nicht live gezeigt wurde, sondern nur beschrieben und als Skizze auf dem Arbeitsblatt, ist dieses zweitrangig. Die Schüler wissen, dass es sich um eine Verbrennung handelt. Da die Schüler Verbrennungen aus ihrem Alltag kennen und sie meist die Erfahrung haben, dass nach Verbrennungen weniger Materie vorhanden ist als vor der Verbrennung bzw. nur noch Gase zu sehen sind, war zu erwarten, die Schüler entscheiden sich großteils für die Antwort der „Massenabnahme“.

Da das Thema der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen in der Realschule üblicherweise in der 8. Klasse und in den Gymnasien in der 9. Klasse behandelt wird (im Lehrplan Baden-Württemberg bis 2004 dort verankert, im neuen Lehrplan 2004 bis Klasse 10 möglich) , liegt in höheren Klassen nahe, zu fragen, ob Schüler das Gelernte verstanden haben und auf andere Bereicht anwenden können.

Im Rahmen dieser empirischen Untersuchung zur Erhebung von Schülervorstellungen zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle wurden 731 Schüler der Klassenstufen 7 bis 13 an verschiedenen Hauptschulen, Realschulen und Gymnasien in Baden-Württemberg befragt. Um zufällig richtig angekreuzte Lösungen auszuschließen, sollte in der vorliegenden Untersuchung von jedem Befragten eine Begründung seiner Entscheidung angegeben werden. Dennoch konnte nicht verhindert werden, dass einige Schüler, die vermutlich keine Lust hatten, eine Begründung zu schreiben oder auch mit der Frage überfordert waren, nur ankreuzten und die Begründung weg ließen. Bei der Auswertung der Antworten sind diese Bögen unter der Rubrik „ nicht zuzuordnen, keine Begründung“ zu finden.

Zur Ermittlung der Vorkenntnisse der Schüler wurde zudem ein Fragebogen an die jeweiligen Lehrer (siehe Anhang) ausgeteilt. Dabei muss beachtet werden, dass Klassen evtl. bestimmte Themen schon behandelt haben bevor ein Lehrerwechsel erfolgte. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen in der Realschule in der Klasse 8 und am Gymnasium in der Klasse 9 im Chemieunterrichts behandelt wurde. Des weiteren kann in den Antworten der Lehrer nicht erkannt werden, ob ein Schüler eine Klassestufe wiederholte.

Sicherlich gab es auch in dieser Umfrage Schüler, die nicht ihre eigene Vorstellung wiedergaben, sondern bei Mitschülern abschrieben und somit das Umfrageergebnis leicht fälschen. Das ist nicht weiter tragisch, da es bei Untersuchungen der Schülervorstellungen nicht um exakte Zahlen geht, sondern vielmehr wichtig ist, ein Trend zu erkennen. Einer Lehrerperson genügt es, qualitativ über häufige Schülerfehlvorstellungen Bescheid zu wissen.

Für die Auswertung der Fragebögen wurden die Schülerantworten in Rubriken eingeteilt, um einen besseren Überblick über die Gedankengänge der Schüler zu bekommen. In der folgenden Auswertung werden immer wieder Zitate und Vorstellungen von Schülern wiedergegeben, die in den Tabellen der Umfrageergebnissen nicht zu finden sind. Schülerantworten, die keinen Sinn ergeben, nicht zuzuordnen sind oder ohne Begründung abgegeben wurden, wurden in den Tabellen zusammengefasst unter „nicht zuzuordnen, keine Begründung“. Vor allem in den Hauptschulklassen war es oft schwer, durch die Vielzahl verschiedener Antworten, Überpunkte zu finden.

4.2 Fachliche Hintergründe zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle

Der Boyle-Versuch ist auf den irischen Naturforscher Robert Boyle (1627-1691) zurückzuführen, der Zinn in einem verschlossenen Kolben verbrannte. Er glaubte an eine materielle Natur des Feuers aufgrund von Versuchen. Er hatte erkannt, dass Metalle beim Erhitzen schwerer werden. Boyle wog den Kolben vor und nach der Verbrennung. Vor dem zweiten Wiegen hatte er allerdings den Kolben geöffnet. Er stellte fest, dass das Gewicht größer geworden war. Daraus schloss er, dass Feuer durch die Wand des Gefäßes gedrungen sein müsste und so die Gewichtszunahme beeinflusst habe. Erst 60 Jahre später wiederholte der russische Chemiker Lomonossow den Versuch und entdeckte den Fehler. (vgl. Kap. 1.4)

Bei dem Boyle-Versuch mit Eisenwolle wird in einem verschlossenen Kolben mittels elektrischer Zündung Eisenwolle verbrannt. Auf dem Boden des Kolbens befindet sich Sand. Dieser ist nur zum Schutz der Glaswand zu betrachten, falls die brennende Eisenwolle herunter fällt. Vor der Verbrennung und nach der Reaktion wird die Apparatur gewogen. (vgl. Kap. 4.1)

Die richtige Antwort auf die Frage auf dem Fragebogen der Untersuchung, ob sich die Masse verändert habe, ist mit einer Verneinung zu beantworten. Die Masse bleibt erhalten, da in einem geschlossenen Gefäß keine Stoffe oder Teilchen entweichen oder dazu kommen können. Die Chemische Reaktion ist als eine Umgruppierung kleinster Teilchen der Materie zu deuten. Hier gilt das 1. Chemische Grundgesetz, das Gesetz von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen: Bei jeder chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe gleich. Es geht nichts verloren und es kommt nichts dazu. Masse der Edukte = Masse der Produkte. Wie schon bei den fachlichen Hintergründen zum Gesetz von der Erhaltung der Masse
(Kap. 2.3) erwähnt, kann nach der Einsteinschen Gleichung Masse in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Dennoch kann der Massenerhaltungssatz weiterhin Gültigkeit besitzen, weil es hier um chemische Reaktionen handelt, bei denen die Energie, die frei oder gewonnen wird, so klein ist, dass die dabei verlorene oder gewonnene Masse mit unseren heutigen Messmethoden nicht gemessen werden kann. Ein Schüler der Klassenstufe 11 brachte die Einsteinsche Gleichung zum Ausdruck. Wörtlich schrieb er:
„Da elektromagnetische Strahlung = Licht ausgesendet wird, wird nach Einsteins E = mc² auch Masse ausgesendet, da Energie Masse hat.“ (Schüler Klasse 11)

4.3 Auswertung und Ergebnisse der Umfrage

4.3.1 Überblick über die Ergebnisse

Von den 731 abgegebenen Fragebögen wurden 25% (185) mit „Zunahme der Masse“ beantwortet, 39% (283) mit „Abnahme der Masse“ und 36% (263) gaben als Antwort „Massenerhalt“ an.

Wie zu erwarten war, gaben weit mehr Schüler als Antwort „Abnahme der Masse“ an (39%), wobei nur 25% der Schüler mit „Zunahme der Masse“ antworteten. Den Schülern sind aus dem Alltag Verbrennungen bekannt. Vielleicht meist nicht bewusst als chemische Reaktion, aber dennoch als Veränderung der Materie. Sie kennen das Gefühl, am Lagerfeuer zu sitzen, immer wieder Holz nachlegen zu müssen, um am Ende doch feststellen zu müssen, dass von dem Holz, das zugegeben wurde, nur noch Asche übrig bleibt. So gaben 55% der Schüler, die die Antwort „Abnahme der Masse“ angegeben hatten, an, dass es sich um eine Verbrennung handle. Bei einer Verbrennung gehe ja etwas weg. Dass dabei auch Gase entstehen (Rauch), ist ihnen zwar bewusst, aber für viele der Schüler nicht als wägbare Masse erkennbar. Da Rauch aus ihrer Alltagserfahrung nach oben steigt, geben einige Schüler an, „es entstehen Gase, die leichter sind als Luft. Sie steigen im Kolben hoch und heben ihn an.“ (4%).

22% der Schüler, die angaben, die Masse werde weniger, begründeten dies mit dem Verbrauch von Sauerstoff bei der Verbrennung.
Von den 243 Schülern, die als Antwort „Massenerhalt“ ankreuzten, begründeten 49% die Antwort (teilweise) richtig, 51% beantworteten sie falsch.
Als (teilweise) richtig bewertet wurden Antworten, bei denen die Massenerhaltung erwähnt wurde, aber auch Antworten, die den Begriff „Massenerhaltung“ zwar nicht nannten, aber in eigenen Worten das umschrieben, was man nicht als falsch werten konnte. Also Antworten, die nicht die komplette Richtigkeit wiedergaben, aber die durch logisches Denken und sinnvolles Begründen richtige Vorstellungen der Schüler wiedergaben. Antworten wie „der gesamte Inhalt des Kolbens bleibt erhalten, es kann nichts verloren gehen, weil der Kolben verschlossen ist“, sind hier zu nennen. Manche Schüler gaben sogar den chemischen Vorgang an und begründeten, dass die Masse der Luft abnimmt, da Sauerstoff aus der Luft sich mit dem Eisen verbindet. Somit handle es sich um eine Umverteilung der Masse, diese bleibe aber im Kolben.

Bei den Antworten und bei der Begründung der Antworten waren deutliche Unterschiede in den verschiedenen Klassenstufen erkennbar. Wie man vermuten konnte, war die Anzahl der richtigen Antworten bei den höheren Klassen weit höher als bei niedrigen Klassenstufen. So antworteten 78% der Klassen 12/13 mit „Massenerhalt“, wohingegen nur 26% der 7. Klassen und nur 23% der 8. Klassen die richtige Antwort „Massenerhalt“ ankreuzten. Ähnliches war bei der Begründung zu beobachten. Bei den richtigen Begründungen zum Massenerhalt schnitten hier die 11. Klassen am besten ab (95% der angekreuzten Antworten „Massenerhalt“ (teilweise) richtig begründet). Hingegen zeigten sich hier die 7. Klassen mit nur 8% nicht sehr erfolgreich, was nicht verwunderlich scheint, wird doch der Massenerhalt bei chemischen Reaktionen meist noch nicht vor der Klassenstufe 8 behandelt. Bei den richtigen Antworten und richtigen Begründungen ist eine kontinuierliche Steigerung mit Erhöhung der Klassenstufe erkennbar.

Zwischen den Klassen der Hauptschule und der Realschule sind kleine Unterschiede der richtigen Beantwortung der Fragebögen zu Gunsten der Realschule zu verzeichnen. In den 7. Klassen der Realschule folgerten 2 Schüler durch logische Überlegung und gaben an, es könne nichts entweichen, da der Kolben verschlossen sei. In den 7. Klassen der Hauptschule beantwortete keiner der Schüler die Frage mit der richtigen Begründung. Wohl kreuzten einige die richtige Antwort an, die meisten davon aber ohne Begründung und die anderen ohne richtige Begründung. Einige schrieben auch direkt auf dem Feld der Begründung, sie hätten „keine Ahnung und nur geraten.“ In den 8. Klassen der Hauptschule gab wiederum niemand die (teilweise) richtige Antwort an, in den 8. Klassen der Realschule immerhin 46%. Auch in der Klassenstufe 9 der Realschule gaben mit 52% mehr Schüler die richtige Begründung für die Massenkonstanz an als 47% der Schüler der 9. Klasse der Hauptschule.

Weiter war zu beobachten, dass einige Hauptschüler, vor allem die der unteren
Klassen, Begründungen lieferten, die sehr „aus der Luft gegriffen“ scheinen, oft ohne
Zusammenhänge und ohne Logik. Es war schwer möglich, Überkategorien zu finden,
da die Häufigkeit und Unterschiedlichkeit der Antworten der Schüler der Hauptschule
doch sehr hoch war. Die meisten dieser Antworten wurden der Kategorie „nicht
zuzuordnen, keine Begründung“ zugeordnet.

Um die Hauptgedanken der Schüler besser aufgreifen zu können, werden im
Folgenden die Antworten getrennt aufgeführt nach „Zunahme der Masse“, „Abnahme
der Masse“ und „Massenkonstanz“.

4.3.2 Begründungen für eine Massenzunahme

Von allen abgegebenen Antworten gaben 25% der Schüler eine Zunahme der Masse an.

Der Großteil, nämlich 22% davon, begründeten dies mit der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff und dem daraus folgenden Entstehen eines schwereren neuen Stoffes. So antwortete beispielsweise ein Schüler der 8. Klasse:

„Die Wolle oxidiert mit dem Sauerstoff und wird schwarz, das Gewicht der Wolle nimmt dadurch zu. Sauerstoff kann nicht mehr entfliehen.“

Antworten dieser Art zeigen, dass vermutlich das Thema Chemische Reaktionen und speziell der Massenerhalt schon im Unterricht behandelt wurde. Und zwar am Beispiel des Balkenwaageversuchs mit Eisenwolle. Bei diesem Versuch wird, anders als hier in einem geschlossenen Kolben, Eisenwolle im offenen System auf einer Balkenwaage „verbrannt.“ Auf dem anderen Balken der Waage befindet sich die gleiche Meng der Eisenwolle. Diese wird nicht gezündet. Da auf der einen Seite der Waage eine Verbrennung, eine Reaktion mit Sauerstoff stattfindet, das Eisen also mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Eisenoxid reagiert, sinkt dieser Balken ab. Sauerstoff liegt also in gebundener Form vor und erhöht die Masse auf dem einen Balken der Waage. Einige Schüler hatten wohl noch diesen Versuch in Gedächtnis und schlossen daraus, die Masse müsse zunehmen.

Auffällig ist, dass im Vergleich zu den anderen Klassen der Sekundarstufe 1 relativ viele Schüler der Klassenstufe 8 dieser Auffassung waren. So gaben 25% der Schüler der Klassenstufe 8, die Massenzunahme angekreuzt hatten, die Begründung der Erhöhung der Masse durch Verbindung mit Sauerstoff und somit Entstehung eines schwereren Stoffes an. Das mag daran liegen, dass chemische Reaktionen und speziell die Massenerhaltung bisher im Lehrplan in der Klassenstufe 8 der Hauptschule und Realschule verankert war.

16% der Schüler begründete die Massenzunahme mit einer „Verklumpung“ der Eisenwolle. Oft bezeichneten sie die Wolle als „luftig“ vor der Verbrennung. Die Verklumpung entstehe durch ein Schmelzen der Wolle oder durch ein Zusammenziehen.

„Die Eisenwolle zieht sich beim Glühen zusammen, ist danach nicht mehr luftig.“ (Schüler Kl. 8)

„Die Wolle schmilzt, danach keine Hohlräume mehr in der Eisenwolle.“ (Schülerin Kl. 9)

Viele Schüler verwechseln hier offensichtlich Masse und Dichte. Aus ihrem Alltag kennen sie Stoffe, die zwar die gleiche Größe (Volumen) haben, aber unterschiedliche Dichte und daher unterschiedlich schwer sind. Oft liegt das daran, dass in den Stoffen sich Hohlräume, meist Luft befinden. Passend wäre dazu die Scherzfrage, die viele aus dem Effekt bestimmt falsch beantworten würden: Was wiegt mehr, ein kg Eisen oder ein kg Federn?

16% der Schüler begründeten die Zunahme der Masse durch das „Entstehen von Gasen, die schwerer als Luft sind.“ 16% entschieden sich für diese Begründung. Die meisten davon sind der Auffassung, es entstehen Gase, die sie als Abgase bezeichnen, vorwiegend bestehend aus Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff. Tatsächlich sind die Abgase eines Autos, die den meisten Schülern aus dem Alltag bekannt sind, bestehend vor allem aus Kohlenstoffdioxid und –monoxid, schwerer als Luft. (CO2: d=1,98g/l, CO: d=1,25g/l bei Normalbedingungen) (vgl. [27]) Zum einen ist hier den Schülern nicht klar, welche chemische Reaktion hier stattfindet (keine Entstehung von Gasen), zum anderen ist ihnen die Massenumlagerung nicht bewusst.

„Die Wolle verbrennt mit dem Sauerstoff und es entsteht das schwerere Kohlenstoffdioxid.“ (Schüler Kl. 10)

Eine Schülerin der Klassenstufe 10 schrieb:
„Bei der Verbrennung entsteht Stickstoff, und Stickstoff ist schwerer als Luft.“ Diese Antwort ist komplett falsch. Weder entsteht Stickstoff, noch ist Stickstoff schwerer als Luft (N: d=1,25g/l, Luft: d=1,29g/l bei Normalbedingungen).

Einigen Schülern war zudem nicht klar, dass Eisenwolle nichts anderes ist als elementares Eisen in anderer Form wie gewöhnlich. „Wenn die Eisenwolle verbrennt, bildet sich Eisen, und das ist schwerer als Eisenwolle.“ (Schüler Kl. 9)

8% der Schüler gingen davon aus, dass alleine das Erhitzen der Wolle eine Massenzunahme hervorruft, 4% vermuteten, die Wolle werde größer, blähe sich auf, 3% hatten wohl schon etwas von dem Begriff des Drucks gehört, konnten ihn aber nicht richtig zuordnen und waren daher der Meinung, das Gewicht erhöhe sich durch auftretenden Druck.

Ein großer Teil der Schüler, 33%, gaben keine Begründung ab bzw. gaben Antworten, die nicht zuzuordnen waren. „Es muss irgend etwas außergewöhnliches sein, und da kommt nur die erste Antwort in Frage.“ (Schülerin Kl. 7)

4.3.3 Begründungen für eine Massenabnahme

Von allen abgegebenen Antworten gaben die meisten Schüler, nämlich 39%, eine Abnahme der Masse an. Vor allem die Schüler der unteren Klassenstufen waren dieser Ansicht. So kreuzten immerhin 49% der Schüler der Klassenstufe 7 diese Antwort an, 40% der Schüler der 8. Klassen und 46% der Schüler der 9. Klassen. Auffällig ist, dass diese Ansicht bis zur 10. Klasse stark vertreten wird, dann jedoch innerhalb eines Jahrgangs rapide abnimmt. Kreuzten noch 44% der Schüler der 10. Klassen „Die Masse nimmt ab“ an, waren es in der 11. Klassenstufe nur noch 7% der Schüler und in den Klassen 12/13 16%. Das kann vielleicht daran liegen, dass ab der Klasse 11 nur Gymnasialklassen befragt wurden und das logische Denken der Schüler dort stärker ausgeprägt ist oder vielleicht auch an der stärkeren Motivation der Schüler bei der Beantwortung der Frage. Dass trotzdem bei der Befragung immerhin 20% der Schüler der 11. Klassen eine Massenzunahme ankreuzten, mag zwar verwunderlich erscheinen, bei der Betrachtung der Begründung aber verständlich klingen. So gaben 12 der 15 Schüler der 11. Klassen, die sich für eine Massenzunahme entschieden, die Reaktion von Sauerstoff mit Eisen und die Entstehung eines schwereren Stoffes als Grund dafür an.

55% der Schüler, also mehr als die Hälfte, begründeten ihre Antwort mit ihrer Beobachtung aus dem Alltag, wonach bei Verbrennungen doch „was weniger würde, also weg wäre.“ Beispiele wie Holz oder Papier wurden genannt. Nach der Verbrennung bliebe nur Asche übrig, und die wiege ja weniger. Antworten dieser Art erscheinen verständlich und wurden angenommen. Dieses Argument nähert sich der veralteten "Phlogistontheorie", wonach man meinte, bei Verbrennungen entweiche das brennbare Prinzip, das "Phlogiston". (siehe Kap. 1.5)

„Die Wolle verbrennt, danach ist nur noch Asche und etwas Rauch übrig. Und die wiegen weniger.“ (Schülerin Kl. 9)

„Wenn die Lampe die ganze Zeit glüht nimmt die Stärke auch ab.“ (Schülerin Kl. 8) 22% gaben an, Sauerstoff werde verbraucht. Hier sind die häufigsten Antworten mit 57% in der Klassenstufe 10 zu verzeichnen. Da chemische Reaktionen ab der Klasse 8 in der Hauptschule und Realschule im altem Bildungsplan angesiedelt waren, sind Verbrennungsreaktionen vielen Schülern ab der Klasse 8 nicht unbekannt, oder zumindest haben sie schon einmal davon gehört. Sobald also von einer Verbrennung im Chemieunterricht die Rede ist, denken viele der Schüler sofort an eine Reaktion mit Sauerstoff. Im Anfangsunterricht der Chemie und oft schon in der Grundschuld werden Versuche durchgeführt, wo es um Feuer geht. Dabei wird die Frage gestellt, welche Dinge von Nöten sind, damit eine Flamme unterhalten wird. Im Sprachgebrauch ist es üblich, zu sagen: Wenn Sauerstoff „verbraucht“ ist, geht die Flamme aus. Dass Gase eine Masse besitzen ist vielen Schüler ebenfalls bekannt. Ein Beispiel für eine Antwort:

„Sauerstoff ist nicht mehr da, da er bei der Verbrennung verbraucht wurde. Sauerstoff wiegt auch was.“ (Schülerin Kl. 10)

Einige Schüler (4%) begründeten ihre Antwort damit, dass Gase bei der Reaktion entstünden, die leichter als Luft wären, im Kolben hochsteigen und dadurch den Kolben anheben würden. Dabei gaben sie ganz unterschiedliche Gase an. Ein Schüler der Klasse 8 schrieb:

„Eisen und Sauerstoff werden zu Wasserstoff, und der ist leichter als Luft.“ Andere Schüler schrieben von Abgasen, die nach oben steigen. Anders als bei der Begründung für eine Massenzunahme, wo einige Schüler auch Abgase nannten, von denen sie der Meinung waren, sie wären schwerer als Luft, begründeten hier Schüler genau umgekehrt.

„Bei der Verbrennung entstehen Abgase, die nach oben steigen. Diese erleichtern die Apparatur.“ (Schüler Kl.9)

Interessant ist, dass bei einigen Schülern die Meinung herrschte, Eisenwolle bestehe nicht nur aus einem Stoff, sondern aus mehreren, was wohl durch die etwas ungewohnte Zustandsform von Eisen als Wolle erklärbar ist. Die Schüler sprachen von „einigen Stoffen der Eisenwolle“.

„Manche Stoffe der Eisenwolle verbrennen.“ (Schüler Kl. 9)

„Es verbrennt ein wichtiger Stoff von der Eisenwolle und durch diese Reaktion wird die Wolle leichter.“ (Schülerin Kl. 9)

Diese Aussage der Schülerin erinnert an Verbrennungstheorien früherer Zeiten, die von einer materiellen Form des Feuers sprachen. Durch das Entweichen des Feuers werde das Material leichter. (vgl. Kap. 1.4)

Ein Schüler sprach gar von einer Explosion:
„Es explodiert und ich denke dass da etwas weg fliegt.“ (Schüler Kl. 9) Der Sand im Versuchsaufbau war für manche der Schüler etwas verwirrend. Er hat nur eine Schutzfunktion für den Glaskolben bei eventuellem Herunterfallen der brennenden Wolle. Einige Schüler integrierten den Sand in ihre Begründung. So schrieb ein Schüler der 9. Klasse:

„Die Feuchtigkeit des Sandes entweicht mit dem Sauerstoff.“ Ein Schüler der Klasse 11 begründete seine Antwort mit Hilfe der Einsteinschen Gleichung. (siehe Kap. 2.3)

„Da elektromagnetische Strahlung = Licht ausgesendet wird, wird nach Einsteins E=mc² auch Masse ausgesendet, da Energie Masse hat.“

Eine Schülerin der Klasse 7 begründete ihre Annahme einer Massenabnahme mit dem Entstehen eines Unterdrucks. Tatsächlich tritt ein geringer Unterdruck auf, da ja der Sauerstoff der Luft mit der Eisenwolle reagiert und danach weniger Gasteilchen im Kolben zu finden sind, die durch Bewegung eine Kraft ausüben. Ob dies der Grund ihrer Aussage ist, kann bezweifelt werden. Eher liegt die Vermutung nahe, dass diese Schülerin bereits mit dem Begriff „Druck“ konfrontiert wurde und deshalb dadurch einen Zusammenhang mit einer Massenveränderung vermutete.

4% der Schüler, die sich für eine Massenabnahme entschieden, begründeten dies mit einem kleiner werden der Wolle durch Schmelzen/Zusammenziehen. 3% gaben an, es würden Gase aus dem Kolben entweichen, und 1% behaupteten, Eisenwolle werde zu Eisenoxid, dieses sei leichter als Eisenwolle. 10% der Schüler wiederum gaben keine Erklärung für ihre Vermutung.

4.3.4 Begründungen für eine Massenkonstanz

Von allen abgegebenen Antworten gaben 36% der Schüler Massenkonstanz an. 49% davon begründeten dies (teilweise) richtig, 51% falsch.

Bei der Begründung können wir eine kontinuierliche Steigung mit Höhe der Klassenstufen erkennen. Während nur 26% der Schüler der 7. Klassen mit Massenkonstanz antworteten, waren es 78% der 12. und 13. Klassen. Genauso verhielt es sich bei den (teilweise) richtigen Begründungen. Dort schnitten die 11. Klassen sehr gut ab (95%), wobei nur 8% der Schüler der Klasse 7 eine (teilweise) richtige Begründung abgaben.

34% der Schüler argumentierten mit richtigen logischer Begründung, unterließen es aber, Spezialbegriffen zu verwenden. Da der Kolben verschlossen sei, könne nichts entweichen und nichts dazu kommen.

„Es kann nichts entweichen. Alles bleibt im Kolben, da er verschlossen ist. Es kommt auch nichts dazu.“ (Schülerin Kl. 10)

Einige Schüler gaben sogar die richtigen Reaktionsvorgänge wieder. Vor allem in den höheren Klassen konnte man erkennen, dass schon diverse Vorkenntnisse vorhanden waren. So schrieb eine Schülerin einer 10. Klasse:

„Eisenwolle reagiert mit Sauerstoff. Bei der chemischen Reaktion wird die Eisenwolle schwerer, der Sauerstoff weniger, es ist ein neuer Stoff entstanden. Der hat aber die gleiche Masse.“

Eine Anzahl von Schülern argumentierte mit einer Umverteilung der Masse, gaben aber teils falsche Reaktionen wieder.

„Sauerstoff wird verbraucht, CO2 entsteht. Dieses wiegt genau so viel.“ (Schüler Kl. 9)

„Asche bleibt übrig. Diese wiegt genau so viel.“ (Schülerin Kl. 10) Vor allem in den höheren Klassen war zu erkennen, dass die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen vermutlich recht ausführlich behandelt wurde. In den unteren Klassen bis zur Klassenstufe 10 wurde wahrscheinlich die Massenerhaltung erwähnt, aber wohl nicht gründlich thematisiert. So gab bis zur 10 Klasse kein einziger der Schüler das Gesetz von der Erhaltung der Masse an. Ab Klasse 11 ist ein großer Sprung zu erkennen. Über die Hälfte der Schüler der Klasse 11 (55%) gaben den Massenerhalt als Begründung an. In den Klassenstufen 12 und 13 waren es noch 44%. 8% waren der Meinung, Eisen wäre nicht brennbar. Dies ist aus der Erfahrungswelt der Schüler zu begründen. Die wenigsten haben wohl brennendes Eisen gesehen.

„Eisen glüht höchstens, es brennt nicht. Deshalb keine Verbrennung oder Reaktion.“ (Schüler Kl. 9)

5% der Schüler, die die Massenerhaltung als Antwort angaben, waren der Auffassung, Gase würden nichts wiegen. So schrieb eine Schülerin einer Klasse 8:

„Es findet zwar eine Reaktion mit Sauerstoff statt. Aber trotzdem keine Massenveränderung, da Sauerstoff nichts wiegt.“

„Es entstehen zwar Gase. Aber Gase wiegen nichts, darum bleibt die Masse gleich.“ (Schülerin Kl. 7)

Ein Schüler der Klasse 8 war folgender Meinung:

„Die verbrannte Menge des Sauerstoffs ist zu gering, um die Masse zu verändern.“

Einige Schüler begründeten ihre Aussage mit dem Unterschied von Masse und Gewicht, z.B.

„Masse ist nicht gleich Gewicht.“ (Zwei Schülerinnen Kl. 11)
„Masse ist unabhängig vom Gewicht.“ (Schüler Kl. 13)

Diese Aussagen sind zwar physikalisch richtig, für die Begründung der Antwort jedoch irrelevant, weil bei der Versuchsdurchführung keine Ortsveränderung stattgefunden hat.

Der Sand im Kolben war für einige Schüler verwirrend: „Nur weil die Eisenwolle brennt wird sich der Sand wohl kaum ändern.“ (Schüler Kl. 9) 30% der Schüler, die die Massenerhaltung ankreuzten, gaben keine Begründungen an.

4.4 Vergleich der Ergebnisse der Boyleversuch-Umfrage mit Eisenwolle mit den Ergebnissen der Boyleversuch-Umfrage mit Aktivkohle

Im Jahr 2003 führte Janine Schneider im Rahmen ihrer schriftlichen Hausarbeit zur Prüfung für das Lehramt an Gymnasien eine empirische Untersuchung durch zu Schülervorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen. Den Versuch, zu dem sie die Schüler befragte, war der Boyle-Versuch mit Kohlenstoff (siehe Kap. 5.3.1). Beim besagten Versuch wird Aktivkohle in einem geschlossenen Kolben verbrannt, wobei zuvor und nach der Verbrennung die Masse der Versuchsapparatur gemessen wird. Schneider befragte 646 Schüler aus Gymnasien in Niedersachsen von der 8. bis zur 13. Klasse zur ihrer Vorstellung ob sich die Masse der Apparatur ändert mit Begründung. (vgl. Schneider [7] S. 85-96)

Im Folgenden sollen die Ergebnisse der Umfrage des Boyle-Versuchs mit Kohlenstoff mit den Ergebnissen der Umfrage des Boyle-Versuchs mit Eisenwolle verglichen werden.

Da Janine Schneider ihre Umfrage in der 8. bis zur 13. Klasse durchführte, können auch nur diese Klassen verglichen werden, die 7. Klasse wird also ausgespart. Janine Schneider führte ihre Umfrage ausschließlich in Gymnasien durch. Die Erhebungen zu Schülervorstellungen zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle wurden vor allem in Hauptschulen und Realschulen durchgeführt. Daher können die Ergebnisse nicht eindeutig verglichen werden. Dies ist eher möglich in der gymnasialen Oberstufe.

Dass Schüler der Sekundarstufe 1 beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff bei weitem häufiger richtige Antworten gaben als beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle mag damit zusammen hängen.

Beide Versuche sind relativ ähnlich. Beide stellen eine Verbrennung in einem geschlossenen Gefäß dar. Bei beiden Versuchen findet somit eine Oxidation statt. In diesem Fall eine Reaktion mit Sauerstoff. Aber es gibt auch Unterschiede zwischen beiden Versuchen. Beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff Reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Dieses ist ein Gas und daher nach der Verbrennung nicht mehr eindeutig als Materie erkennbar. Beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle reagiert das Eisen mit Sauerstoff und bindet diesen. Es entsteht Eisenoxid, ein Feststoff. Die Materie ist also nach der Verbrennung noch sichtbar, hat sich äußerlich nur etwas verändert. Aufgrund dieser Erscheinungen könnte man vermuten, beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle tendieren die Schüler eher zur Massenabnahme als beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle. Dies war aber nicht Der Fall. Während bei dem Boyle-Versuch mit Eisenwolle 39% aller Schüler für eine Massenabnahme votierten, kreuzten bei dem Boyle-Versuch mit Kohlenstoff nur 29% der Schüler die Massenabnahme an. Nur in der Klassenstufe 11 waren beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff mehr Antworten bei der Massenabnahme zu verzeichnen. Es muss allerdings hier erwähnt werden, dass die Versuche in beiden Fällen in fast keiner Klasse vor der Umfrage durchgeführt wurden. Somit war vielen Schülern nicht klar, in welcher Form die Reaktionsprodukte nach der Verbrennung vorliegen.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen beiden Versuchen stellt der unterschiedliche Bezug zur Alltagserfahrung der Schüler dar. Beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff ist die Verbrennung von Kohlenstoff den Schülern bekannt (z.B. Holzkohle beim Grillen). So schrieb Schneider: „Mit diesem Experiment soll besonders auf vorhandene Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler eingegangen werden, denn die Verbrennung von Holzkohle ist vom Grillen o.ä. bekannt.“ ([7] S. 85)

Beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle hingegen kennen die meisten Schüler die Erfahrung von brennendem Eisen nicht. Dennoch wird auch hier häufig das Argument für die Massenabnahme damit begründet, dass bei Verbrennungen meist etwas verloren gehe.

Die Tatsache, dass die Masse der sichtbaren Substanz beim Boyle-Versuch durch das Binden von Sauerstoff zunimmt, ist vielen Schülern bewusst angesichts des häufiger im Unterricht vorgeführten Balkenwaageversuchs mit Eisenwolle. (siehe Kap. 4.3.2) Dadurch ist auch die im Vergleich zum Boyle-Versuch mit Kohlenstoff häufige Behauptung der Massenzunahme zu erklären. Während beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff 6% der Schüler der Meinung einer Massenzunahme waren, entschieden sich beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle 25% der Schüler für diese Antwort.

Erstaunlich mag die hohe und richtige Antwort einer Massenerhaltung beim Versuch mit Kohle erscheinen. Hier sprachen sich 65% der Schüler für diese Antwort aus. Während beim Versuch mit Eisenwolle im Vergleich dazu wenige Schüler diese Antwort angaben (36%). Gaben doch einige Schüler an, die Wolle brenne nicht, was bei der Kohle kein Argument war. Auch die hohe Anzahl der richtigen Begründungen beim Boyle-Versuch mit Kohlenstoff lässt aufhorchen (93% der Antworten Massenerhaltung).

4.5 Fazit

Die Umfrage hat ergeben, dass die meisten Schüler, selbst die der höheren Klassen, die im Unterricht das Thema der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen schon behandelt hatten, große Schwierigkeiten mit dem Erkennen von Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen haben. Dabei wurde von den Falschantworten am häufigsten die Massenabnahme angekreuzt, meist mit der Begründung einer Verbrennung. Bei den Antworten der Massenzunahme begründeten die meisten dies mit dem „Verbinden“ von Eisen mit Sauerstoff und dem Entstehen eines schwereren Stoffes. Auch wenn die meisten der befragten Schüler die richtige Antwort „Massenerhalt“ angaben, zeigt doch die hohe Anzahl der falschen Begründungen, dass viele das Wesentliche nicht begriffen haben.

Interessant ist zudem, dass die Schüler mit den als richtig gewertete Begründung selten Fachausdrücke verwendeten, geschweige denn das Gesetz von der Erhaltung der Masse formulierten, zumal die Umfrage meist im Chemieunterricht getätigt wurde. Nur in der Oberstufe fiel die Begründung der Massenerhaltung häufiger, in der Mittelstufe kein einziges Mal.

Es ist also wichtig, im Unterricht immer wieder die Alltagserfahrungen der Schüler mit dem chemischen Fachwissen zu verbinden, um so die Zusammenhänge deutlicher zu machen.

5. Thematisierungen von Schülerfehlvorstellungen zur Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen im Unterricht

In der zurückliegenden empirischen Untersuchung sollte erhoben werden, welche Vorstellungen Schüler im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen haben. Hier wurde dies am Beispiel des Boyle-Versuchs mit Eisenwolle untersucht. Ziel dieser empirischen Untersuchung war es, nicht nur aufschlussreiche und interessante Ergebnisse zu bekommen, sondern vielmehr eine Hilfe zu bieten für Lehrerinnen und Lehrer, die im täglichen Schulalltag mit Schülerfehlvorstellungen im naturwissenschaftlichen Unterricht zu kämpfen haben.

Im Folgenden sollen Thematisierungsvorschläge und Anregungen für den Unterricht in Form von passenden Versuchen und ausgearbeiteten Unterrichtseinheiten gemacht werden.

Grundlagen für das Verständnis der Verbrennungsreaktion und vieler anderer chemischer und physikalischer Phänomene ist das Bewusstsein der Schüler, dass Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen, wobei jedes Element für sich charakteristische Teilchen besitzt mit gleicher Größe und Masse (siehe Kap. 2.1). Häufig wurden bei der Untersuchung Antworten gegeben, die darauf schließen ließen, dass das Teilchenkonzept (Diskontinuumkonzept) entweder nicht verstanden oder als im Unterricht meist schon behandelt vergessen wurde. Daher ist es sinnvoll, noch einmal, z.B. Anhand eines Lernzirkels, die Teilchenvorstellung aufzufrischen. (siehe Kap. 5.1 und Kap. 5.1.4.1)

55% der Schüler, die sich für eine Massenabnahme entschieden hatten, begründeten dies damit, dass die Wolle verbrenne und wenn etwas verbrenne danach meist nicht mehr viel übrig wäre. Viele dieser Schüler nannten die Verbrennung von Holz als Beispiel. Nach der Verbrennung von Holz sei nur noch Asche übrig, und die wäre bekanntlich leichter. Die Tatsache dieser sehr häufig genannten Antwort könnte für die Lehrperson Anlass geben, anhand des Kohlenstoffkreislaufs am Beispiel von Holz eine Unterrichtseinheit zu gestalten.

22% der sich für eine Massenabnahme entschiedenen Schüler begründeten dies mit dem „Verbrauch von Sauerstoff“, 22% der sich für eine Massenzunahme entschiedenen Schüler gaben an, es entstünde durch die Reaktion von Sauerstoff und Eisen ein neuer, schwererer Stoff. Diese beiden Vorstellungen der Schüler sollen anhand einer aufgezeigten Unterrichtseinheit über den Massenerhalt bei chemischen Reaktionen thematisiert werden. (siehe Kap. 5.2)

Für andere Schülerfehlvorstellungen wie z.B. die von 4% der Schüler mit den Antworten der Massenkonstanz angegebenen Begründung, Gase wögen nichts, werden einige Versuchsideen (siehe Kap. 5.2) vorgeschlagen.

Bis zum Jahr 2004 war das Unterrichtsthema Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen in der 8. Klasse der Realschulen im Lehrplan angesiedelt. Da die zu unterrichtenden Inhalte im neuen Bildungsplan nicht mehr eindeutig formuliert sind, ist es prinzipiell möglich, das Thema Massenerhaltung schon in Klasse 5 zu behandeln.

Aufgrund der Umfrageergebnisse der Boyle-Versuch-Umfrage mit Eisenwolle ist es sinnvoll und wichtig, einige Punkte gezielt in den Unterrichtseinheiten aufzugreifen, aufzufrischen und zu berücksichtigen:

- Schüler sollten lernen Phänomene der Umwelt zu hinterfragen.
- Den Schülern muss klar gemacht werden, dass Stoffe nicht einfach verschwinden, sondern dass es sich um Verlagerung der Masse handelt.
- Die Schüler sollten verstehen, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen, und dass diese sich bei chemischen Reaktionen umgruppieren.
- Die Schüler sollten begreifen, dass selbst wenn Gase bei der Reaktion entstehen, andere Stoffe wie z.B. Sauerstoff dabei umgesetzt werden.
- Die Schüler sollten verstehen, dass Gase nicht „Nichts“ sind, sondernd auch Materie sind und somit eine Masse besitzen, die man messen kann.
- Es muss der Unterschied zwischen einem geschlossenen und offenen System den Schülern klar gemacht werden.

Das Thema chemische Reaktionen ist sehr komplex und umfangreich. Die Zeit im Chemieunterricht in der Mittelstufe reicht normalerweise nicht aus, alle wichtigen Komponenten aufzugreifen. Jeder Lehrer muss entscheiden, in wieweit es ihm wichtig ist und er dafür Zeit findet, in seinem Unterricht Dinge in unterschiedlicher Ausführlichkeit aufzugreifen und zu behandeln. Z.B. wäre es aufgrund von Schülerantworten sinnvoll, den Satz von Avogadro mit einzubauen. Wenn Schüler der Meinung sind, eine Reaktion mit Sauerstoff liegt vor und bei der Reaktion entstehen andere Gase, die nach außen drücken und dadurch einen Überdruck bewirken, ist ihnen nicht klar, dass die gleiche Anzahl von Gasteilchen (Molekülen) genau das gleiche Volumen besitzen.12

Wichtig ist aber, dass Schüler selbst forschen und selbst erkennen lernen. „Learning by doing“ ist im Chemieunterricht bzw. im neuen Fächerverbund NWA (Naturwissenschaftliches Arbeiten) grundlegend und auch im neuen Bildungsplan stark verankert. Erkenntnisse in den Naturwissenschaften und im Speziellen in der Naturwissenschaft Chemie ist ohne Experiment nicht denkbar. Dies gilt, auch wenn der Chemiker heute auf zahlreiche Daten zurückgreifen kann, die schon durch Versuchsreihen ermittelt wurden. So kann man im neuen Bildungsplan unter „Leitgedanken zum Kompetenzerwerb im Fächerverbund NWA“ lesen:

„Der Fächerverbund wurde bewusst „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ (NWA) genannt um zu verdeutlichen, dass Kenntnisse und Fähigkeiten durch eigenes Experimentieren, Rechergieren und Reflektieren erworben werden“ ([4] S. 96).

Die Schüler sollen also Phänomene aus ihrem Umfeld und der Natur hinterfragen und durch eigenes Forschen reflektieren und deuten. (vgl. Pfeifer/Lutz/Bader [15] S. 292)

5.1 Unterrichtseinheit: Die Teilchenvorstellung – Betrachtung anhand von Schülerversuchen

5.1.1 Sachanalyse

Das Teilchenmodell ist das einfachste Modell für den Aufbau von Stoffen/Materie. Es betrachtet Körper/Stoffe als Ansammlung unvorstellbar vieler kleinster Teilchen, die unteilbar sind. Jeder Reinstoff besitzt für ihn charakteristische Teilchen mit bestimmter Größe und Masse. Das Teilchenmodell dient vor allem der Erklärung, nicht aber der Vorhersage einfacher physikalischer Phänomene wie z.B. Aggregatzustand, Temperatur und Druck. Aber auch andere wichtige chemische Vorgänge lassen sich mit Hilfe des Teilchenmodells deuten. So ist die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen durch das Teilchenmodell besser deutbar. Mit dem Teilchenmodell lässt sich die chemische Reaktion als Umgruppierung der kleinsten Teilchen deuten.

Das Teilchenmodell soll also den Aufbau der Stoffe veranschaulichen.

Ein Modell gibt immer nur Teile der Wirklichkeit wieder. Trotzdem genügt dieses Modell, um eine ganze Serie von Eigenschaften der Stoffe auf eine einfache, logische Art und Weise zu erklären:

- Die Aggregatzustände: feste, flüssige und feste Stoffe
- Die Temperatur
- Die Brown´sche Molekularbewegung: Die völlig regellose Bewegung sehr kleiner bis mikroskopischer Teilchen, die in Gasen oder Flüssigkeiten suspendiert sind.
- Die Diffusion: Transportvorgang, in dessen Verlauf Teilchen infolge ihrer Brown´schen Bewegung auf unregelmäßige Bahnen von Orten höherer Konzentration zu Orten niedrigerer Konzentration gelangen, so dass allmählich ein Dichte- bzw. Konzentrationsausgleich stattfindet.
- Der Druck: Die kleinsten Teilchen stoßen sich gegenseitig ab und erzeugen dadurch eine Kraft.
- Die Wärmeleitung ...

Auch die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen lässt sich mit Hilfe des Teilchenmodells deuten.

Das Teilchenmodell ist viel zu unspezifisch, um genaue Vorhersagen damit treffen zu können. Um eine Grundlage zum Verstehen von chemischen Reaktionen auf unterster Ebene und insbesondere zum Verstehen von der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen genügt es. (vgl. [4], [36], [33], [6] S. 52 und 3.1)

5.1.2 Didaktische Überlegungen und Begründungen

5.1.2.1 Exemplarische Bedeutung

Das Teilchenkonzept (Diskontinuumkonzept) wird im Unterricht kaum hinterfragt. Oft stellt sich die Frage einer Notwendigkeit von Teilchen angesichts der Alltagserfahrung des Kontinuums der Schüler. Viele Phänomene, die wir zwar im Alltag beobachten können, werden von den Schülern in ihrem Alltag einfach so hingenommen. Dennoch muss man im naturwissenschaftlichen Unterricht auf diese Phänomene eingehen und versuchen, auch Alltagsphänomene zu deuten. U.a. können die in der Sachanalyse beschriebenen Phänomene am ehesten mit dem Diskontinuumkonzept gedeutet werden.

Der Zugang dazu kann unterschiedlich sein. Er kann geschichtlicher Natur sein, indem man eine historische Herleitung über die Geschichte der Atomvorstellung und – theorien durchführt. Er kann auch wissenschaftlicher Natur sein über eine Herleitung über Gasgesetze, Avogadro-Konstante, Faraday-Gesetze. Diese greift allerdings erst in der Oberstufe. Ein Philosophisch-erkenntnistheoretischer Zugang wäre ebenfalls denkbar, wobei Schüler über weite Strecken einfach „glauben“ müssen.

Eine problemhafte Darstellung der Diskontinuumsbetrachtung könnte so aussehen:
„Würde man eine Stoffportion sehr oft teilen, dann müssten bei der letzten Teilung aus einem sehr sehr kleinen „Körnchen“ zwei Nichts entstehen (philosophische und wissenschaftstheoretische Notwendigkeit). Die „Unmöglichkeit des Nichts aus etwas“ bzw. umgekehrt des „Etwas aus nichts“ muss auf dieser Ebene geglaubt werden.“ ([36])

„Als Schwierigkeit der Teilchenvorstellung kann man den theoretischen Charakter die Beschäftigung mit der submikroskopischen Betrachtungsebene den Modellcharakter und die Kollision mit Alltagstheorien ansehen.“ ([36])

Hier soll der Zugang zur Teilchenvorstellung auf Erfahrungen im Unterricht durch eigenes Experimentieren erfolgen, wobei die Lehrperson nach Beendigung der Experimente mit den Schülern noch einmal übergreifend auf die Versuche eingeht und in einem Schüler-Lehrer-Gespräch das Modell erläutert. Hier also wird der Zugang über teils bekannte Phänomene aus dem Alltag gewählt und somit ein Modell gesucht, das diese Phänomene erklären kann.

5.1.2.2 Einordnung in den Bildungsplan 2004 und in den Verlauf der Unterrichtsplanung NWA

Im neuen Bildungsplan 2004 für Realschulen wurden die Fächer Chemie, Physik und Biologie zu einem Fächerverbund „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ (NWA) zusammengefasst. Im neuen Bildungsplan findet man nicht mehr für jede Klassenstufe spezielle Themen, die dort behandelt werden sollen, sondern nur noch Kompetenzen, die in den 6 Jahren des NWA-Unterrichts erreicht werden sollen. Im alten Bildungsplan war das Thema Chemische Reaktionen und somit auch Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen und das Teilchenmodell als Grundlagenthema in der Klassenstufe 8 der Realschule angesiedelt. In der Realschule begann der Chemieunterricht erst in Klasse 8. Da im neuen Bildungsplan nur noch festgelegt ist, welche Kompetenzen am Ende der Klassenstufe 10 bzw. der Klassenstufe 7 erreicht werden sollen, können die Themen auch schon früher zu gegebener Zeit im Unterricht durchgeführt werden. Es ist also der Lehrperson überlassen, in welcher Klassenstufe sie die chemischen Reaktionen einführt und ob sie direkt zuvor die Diskoninuumsvorstellung behandeln möchte.

Die Behandlung des Teilchenmodell mit Hilfe von Schülerversuchen lässt sich gut in die neuen Bildungsstandards einordnen. Unter dem Punkt „II. Kompetenzen und Inhalte“ werden folgende Lernziele formuliert:

„Die Schülerinnen und Schüler können
- Versuche durchführen.
- Ergebnisse dokumentieren und systematisieren.
- Auf Modellebene denken und eigene Modelle entwickeln.
- Mit Modellen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen.
- Ergebnisse reflektieren und diskutieren.“
- Gesetze, Modelle und Konzepte zur Erklärung heranziehen.“ (vgl. [4])

Teilweise sind diese Kompetenzerwerbe nicht bis zur 7., sondern erst bis zur 10. Klasse erforderlich. Es empfiehlt sich daher, die Themen Chemische Reaktionen und auch das Teilchenmodell erst in der 8. Klasse zu behandeln.

5.1.2.3 Weitere didaktische Ausblicke

Die Stunde über das Teilchenmodell eignet sich also für den Anfangsunterricht der spezielleren Chemie. Die Schüler haben, wenn die Stunde nicht als Wiederholung gedacht ist, als Grundlage für die Massenerhaltung, im Bezug auf das Teilchenmodell, keinerlei Vorwissen. Allerdings sollte der Begriff „Modell“, ausgehend von Alltagserfahrungen, schon bekannt sein. Auf dieses Wissen baut diese Stunde auf. Das Teilchenmodell ist ein relativ unspezifisches Modell und kann wegen des Mangels an Differenziertheit nur vorläufig sein. Es muss im Fortgang des Chemieunterrichts zwangsläufig durch andere Teilchen- bzw. Atommodelle ergänzt werden. Dennoch kommt dem Teilchenmodell im einführenden Unterricht insofern große Bedeutung zu, als hier die Grundlage sowohl für die Vorstellung vom Teilchenaufbau der Materie, wie auch zum Verständnis des Modellcharakters der Teilchen gelegt wird. Außerdem lassen sich in weiteren Stunden die Phänomene Aggregatzustand, Temperatur und Druck und andere Phänomene (siehe Sachanalyse) erklärt werden.

Interessant wäre auch, in fortlaufenden Stunden, nachdem die Schüler mit dem Teilchenmodell vertraut gemacht wurden, eine Umfrage von Seiten der Lehrer zur Massenerhaltung durchzuführen, um festzustellen, ob allein aus dem Wissen, dass Materie aus kleinsten Teilchen besteht, die Antwortergebnisse besser ausfallen würden.

Während der Stunde werden verschiedene Sachverhalte beobachtet und anschließend gedeutet. Dieser Vorgang ist ein wesentlicher Bestandteil des naturwissenschaftlichen Arbeitens im Fach Chemie, sowie im Fächerverbund NWA, also fächerübergreifend in Biologie und Physik. Zudem ist ein angemessenes Verstehen von Naturwissenschaften nur mit einem tieferen Verständnis für den Modellcharakter naturwissenschaftlicher Theorien möglich. (vgl. [16])

Zielsetzungen:

Der Unterricht ist durch entdeckendes Lernen gekennzeichnet. Ausgehend von eigenen Erfahrungen und Beobachtungen werden die Lernenden über Arbeitsanweisungen geleitet, Vorgänge zu beschreiben und zu deuten. Die bewusste und dauerhafte Unterscheidung von Erfahrungs- und Modellwelt, die Betonung des hypothetischen Charakters der Modelle sowie deren Konstruktion, und die Nutzung sowie kritische Bewertung von Modellierungen stellen die wichtigsten Zielsetzungen dieser Stunde dar.

Im Anschluss dieser Unterrichtseinheit lassen sich zunächst einmal die Phänomene behandeln, die mit dem Teilchenmodell erklärt werden können. In weiteren Stunden werden komplexere Modelle wie die Atommodelle behandelt.

Dabei ist es dem Lehrer freigestellt, mit der Behandlung von chemischen Reaktionen und somit auch der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen bis zum Abschluss der Behandlung komplexerer Atommodelle zu warten oder hier schon einmal diese Themen einzuflechten. Sinnvollerweise ist wohl das letztere, da die Grundlagen für die Massenerhaltung gelegt sind.

5.1.3 Lernziele und Absichten

Im Folgenden sollen noch einmal die Lernziele und Absichten dieser Unterrichtsstunde in Übersicht beschrieben werden:

Fachkompetenz:
Schüler sollen
o wissen: Stoffen bestehen aus kleinsten Teilchen
o lernen, wissenschaftlich und forschungsorientiert zu arbeiten
o lernen, fächerübergreifend zu arbeiten (z.B. Berechnungen der Größe, Masse (Mathematik), Textverarbeitung, -verständnis (Deutsch)...)
o lernen, Wirklichkeit in Modelle zu übertragen und umgekehrt
o lernen, Versuche zu interpretieren (Fehlerquellen)

Personale Kompetenz:
Schüler sollen
o lernen, Projekte bzw. Versuche zu Ende zu bringen
o lernen, selbständig zu arbeiten
o lernen, ordentlich, sauber, gewissenhaft zu arbeiten (aufräumen des Arbeitsplatzes)

Soziale Kompetenz:
o Gruppenverhalten muss trainiert werden
o Schüler sollen anderen Mitschülern zuhören können
o Schüler sollen akzeptieren, wenn andere Mitschüler an der Reihe sind (ausreden lassen)
o Wissenshierarchie (Experte, der sich besser auskennt)

Methodische Kompetenz:
o Schüler sollen den Umgang mit Geräten üben

5.1.4 Methodische Vorbereitung

Für das Unterrichtsthema „Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen“ sollte, wenn möglich, eine Doppelstunde eingeplant werden, da sich dieses Thema sehr gut dazu anbietet, mit den Schülern experimentell zu arbeiten, was im Chemieunterricht unabdingbar ist, und viel Zeit kostet.

Zu Beginn der Doppelstunde werden die Schüler mir mehreren Arbeitsaufträgen konfrontiert, die sie als Versuche in Gruppen lösen sollen. Die Schüler verteilen sich selbständig in 4er-Gruppen und ordnen sich jeweils einem Arbeitsauftag zu. Die „Stationen“ befinden sich verteilt im Chemiesaal, wobei jede „Station“ mit einer konkreten Arbeitsanweisung und den notwendigen Gerätschaften ausgestattet ist. Je nach Größe der Klasse kann die Größe der Gruppen variieren bzw. können auch mehrere Gruppen den gleichen Versuch durchführen.

Die Aufträge sind so formuliert, dass die Schüler in die Richtung des Unterrichtsthemas geführt werden.

Jeder Schüler bekommt zudem noch ein Arbeitsblatt, in dem er zu jedem Versuch seine Beobachtungen notieren muss. In sein Heft protokolliert er weitere grundlegende Dinge wie
o Versuchsbeschreibung
o Versuchsaufbau, Materialien
o Versuchsskizze
o Aufstellen einer Vermutung

Dabei geht der Lehrer davon aus, dass die Schüler chemische Grundkenntnisse bereits erworben haben und sich mit den hier benötigten Gerätschaften auskennen. (Becherglas, Pipette ...)

Nun haben die Gruppen 10 Minuten Zeit, um ihren Auftrag zu erfüllen, wobei der Lehrer stets begleitend von Gruppe zu Gruppe geht und Tipps bzw. Anregungen gibt und besonders darauf achtet, dass die Schüler sich nicht in die falsche Richtung orientieren.

Die Schüler sollen hierbei das Gruppenverhalten trainieren, lernen, sich gegenseitig zuzuhören und zu akzeptieren, wenn andere Mitschüler an der Reihe sind. Sie sollen lernen, Projekte bzw. Versuche zu Ende zu bringen, ordentlich, sauber, gewissenhaft und vor allem selbständig zu arbeiten.

Wichtig hierbei ist auch das wissenschaftliche und forschungsorientierte Arbeiten, das von Grund auf erlernt und trainiert werden muss. Genaues Beobachten und sauberes Protokollieren gehören zu wichtigen Grundkompetenzen im wissenschaftlichen Arbeiten.

Nun beginnt die Expertenrunde. Aus jeder Gruppe wird ein „Experte“ ernannt, der zur nächsten Gruppe wechselt und seinen Versuch dieser Gruppe erklärt. Anschließend geht dieser Experte wieder in seine ursprüngliche Gruppe zurück; ein anderer Experte wird in die nächste Gruppe geschickt, bis alle Gruppen alle Versuche gehört haben. Es soll gelernt werden, den anderen Mitschülern zuzuhören, die Wissenshierarchie zu beachten, Dinge vorzutragen und dabei sich sachlich auf das Wesentliche zu beschränken, dieses aber genau wieder zu geben.

Für diese Expertenrunde ist ein Zeitraum von 25 Minuten vorgesehen. Auch hierbei tritt der Lehrer stets begleitend in Erscheinung.

Nun ändern wir die Sozialform von Gruppenarbeit zu Frontalunterricht, um die Schüler zu erreichen, die noch keinen „Aha-Effekt“ hatten. Das wird erreicht, indem der Lehrer einmal anschaulich einen speziellen/klassischen Modellversuch (Erbsen-Senfkörner-Versuch) zum Thema „Teilchenmodell“ für die gesamte Klasse vorführt. Nun fragt der Lehrer nach auffälligen Parallelen zu den Schülerversuchen. Ein Ergebnis wird herausgefiltert und mit Hilfe der Schüler eine passende Überschrift gefunden:

„Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen“

Lernziele wie zuhören, beobachten und schlussfolgern sollen hier geübt werden.

Ein Arbeitsblatt mit fortlaufendem Text mit den wichtigsten Informationen und einem Kreuzworträtsel wird ausgeteilt. Der Text wird von mehreren Schülern vorgelesen. Die Schüler haben dabei die Aufgabe, die wichtigen Dinge farbig zu markieren. Fächerübergreifend soll dabei die Lesekompetenz gefördert und das Textverständnis geübt werden.

Eine selbständige Einzelarbeitsphase folgt, indem die Schüler das Kreuzworträtsel zum Thema lösen sollen. Das Lösungswort wird anschließend verglichen. Diejenigen Schüler, die das Kreuzworträtsel nicht lösen konnten, sollen es mit dem bekannten Lösungswort Zuhause noch einmal überarbeiten.

Hier wird selbständiges Arbeiten ohne Hilfe der Mitschüler geübt.

Als Pufferaufgabe bzw. Hausaufgabe werden noch zwei Aufgaben zum Thema gestellt.

Die Aufgaben- und Übungsblätter sind im Anhang dieser Arbeit zu finden. Der vorgeschlagene Verlauf dieser Stunde stellt nur einer von vielen Möglichkeiten zur Behandlung des Teilchenmodells im Unterricht dar. Eine sehr gute Möglichkeit ist die Bearbeitung in Form eines Lernzirkels. Im Folgenden eine kurze Betrachtung der Lernzirkelarbeit:

5.1.4.1 (Exkurs) Lernzirkelarbeit im Chemieunterricht

Der Lernzirkel ist eine Arbeitsform, bei der auch, wie bei der in dieser Unterrichtseinheit vorgestellten, die Schüler verschiedene Stationen zum Thema bearbeiten dürfen, wobei jeder Schüler so viele wie möglich durchlaufen sollte. Sinnvollerweise stellt der Lehrer einen Laufzettel zur Verfügung und erklärt vorher genau den Ablauf, um ein Chaos zu verhindern. Für die schnellen Schüler werden üblicherweise Pufferstationen eingebaut.

Hier sollen einige Vorteile des Lernzirkels genannt werden:
a) Während bei herkömmlichen Schülerversuchen alle Experimentiergruppen auf Anweisung des Lehrers das selbe tun, besteht beim Lernzirkel die motivierend wirkende Wahlmöglichkeit. Um diesen Effekt zu verstärken, können neben Pflicht-Stationen einige als nicht verpflichtende Wahl-Stationen angegeben werden.
b) Angesichts der Knappheit an Unterrichtszeit und Material bietet der Lernzirkel den Vorteil, dass ein Versuchsaufbau nur einmal an der jeweiligen Station installiert werden muss.
c) Während bei herkömmlichen Versuchen bisweilen Unruhe dadurch entsteht, dass einige Schüler oder Gruppen schneller als andere sind und dann infolge Untätigkeit störend agieren, bietet ein Lernzirkel die Möglichkeit des fließenden Wechsels, d.h. wenn eine Gruppe fertig ist, tauscht sie mit einer entsprechenden oder wechselt zu einer freien Station. Ist auch dies nicht möglich, arbeitet sie zur Überbrückung am Protokoll des zuerst durchgeführten Versuchs. (vgl. [34] S. 107)

5.1.5 Verlaufsplanung

1. Stunde

Phase	Lehreraktivität	Schüleraktivität	Sozialform	Medien
Einstieg, Hinführung	Arbeitsauftrag an S.: Zusammenfinden in 4er-Gruppen, Lösen der Arbeitsaufträge an jeweilige Stationen, Skizze, Versuchsbeschreibung ins Heft, Beobachtung auf Arbeitsblättern protokollieren. L. tritt begleitend den S. zur Seite, gibt Tipps und evtl. richtungsweisende Ratschläge	Lösen der Arbeitsaufträge mit Arbeitsblatt- und Hefteintrag	Gruppenarbeit	Arbeitsblätter, vorbereitete Stationen
Hinführung	L. gibt weiteren Arbeitsauftrag und steht mit Tipps richtungsorientiert begleitend zur Seite	In jeder Gruppe wird ein „Experte“ bestimmt, der in die nächste Gruppe tauscht, um seinen Versuch zu beschreiben. Jede Gruppe bekommt jeden Versuch somit beschrieben. S. machen sich Notizen, schreiben Beobachtungen der Mitschüler auf ihr Arbeitsblatt.	Gruppenarbeit	Arbeitsblätter

2. Stunde

Phase	Lehreraktivität	Schüleraktivität	Sozialform	Medien
Erarbeitung, Ergebnissicherung	L. demonstriert den Erbsen-Senfkorn-Versuch als klassischen Modellversuch, um S. nochmals übergreifend das Teilchenmodell näher zu bringen. L. erarbeitet mit S. die Problemstellung nochmals heraus. L. erfragt die passende Überschrift zum Thema.	S. arbeiten aktiv mit, beschreiben die Beobachtung, stellen Parallelen zu ihren Versuchen fest. S. sollen den Kern der Stunde erfasst haben und somit auf die Überschrift schließen können: „Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen“	Frontalunterricht Lehrer-Schüler-Aktivität	Versuchsaufbau von Erbsen-Senfkorn-Versuch
Lernphase neuer Infos zum Thema	L. teilt Arbeitsblätter mit Text und Kreuzworträtsel aus; gibt Arbeitsauftrag: S. sollen laut der Reihe nach abwechselnd den Text lesen und wichtige Dinge unterstreichen.	S. lesen abwechselnd laut den Text und unterstreichen.	Schüleraktivität in der Grossgruppe	Arbeitsblatt
Ergebnissicherung	L. gibt Arbeitsauftrag: Lösen des Rätsels und als Puffer zwei Zusatzfragen, sonst diese als Hausaufgabe	S. lösen selbständig das Kreuzworträtsel und ggf. die zwei Zusatzaufgaben	Einzelarbeit	Arbeitsblatt

5.2 Unterrichtseinheit: Thematisierung der Schülerfehlvorstellungen zur Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen anhand von Versuchen

5.2.1 Didaktische Überlegungen und Begründungen

Im folgenden Unterricht sollen Schüler mit ihren Fehlvorstellungen, die bei der empirischen Untersuchung über Schülervorstellungen beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle als Ergebnis vorliegen, direkt konfrontiert werden. Es werden nicht alle Fehler Fehler aufgegriffen. Häufige Fehlvorstellungen waren und werden hier zur Behandlung vorgeschlagen:

- Die Wolle verbrennt (z.B. wie bei Holz, nur noch Asche übrig, und die ist leichter). „Wenn etwas verbrennt wird es ja weniger.“
- Die Wolle schmilzt, zieht sich zusammen, wird kleiner. Dadurch Massenverlust oder Massenzunahme.
- Bei der Verbrennung wird Sauerstoff verbraucht, dadurch Abnahme der Masse.
- Sauerstoff und Eisen reagieren zusammen, ein schwererer neuer Stoff entsteht.

Überlegung dieser Stunde ist nun, direkt die Schüler mit ihren Ideen zu konfrontieren, diese aufzugreifen, zu hinterfragen und zu widerlegen. Wie schon in Kap. 0.1 beschrieben, sind einige Pädagogen der Ansicht, nicht mit Schülerfehlvorstellungen die Schüler zu verwirren, sondern diese ganz im Unterricht weg zu lassen. Hier soll die andere Methode eingesetzt werden. Gezielt die Fehlgedanken der Schüler in den Unterricht einzubeziehen.

In dieser Unterrichtseinheit wird wieder das Experimentieren im Vordergrund stehen. Die Schüler werden praktisch integriert, Lernen beim praktischen Umgang ist im naturwissenschaftlichen Unterricht immer die beste Methode. (siehe Kap. 5.2.1)
Es werden Thesen aufgestellt, die anhand von Versuchen überprüft und gegebenenfalls widerlegt werden. Wissenschaftliche Forschung beruht auf dem gleichen Prinzip. Erkenntnisgewinn ist in den Naturwissenschaften immer verbunden mit Experimenten. „Allgemein entscheiden erst die Ergebnisse von Experimenten darüber, inwieweit sich etwa eine Annahme bestätigt oder eine Theorie verworfen werden muss.“ ([15] S. 294)

Die Schüler werden somit an wissenschaftliche Arbeitsmethoden herangeführt und lernen das Vorgehen zum Erkenntnisgewinn in den Naturwissenschaften. Auf bereitgestellten Arbeitsblättern werden die Schüler ihre Ergebnisse darlegen. Immer wieder nach einer Versuchsreihe sollten die Ergebnisse im offenen Rahmen mit der Klasse überprüft, verglichen und Unstimmigkeiten diskutiert werden. Eine Versuchseinheit stellt ein Vergleich zwischen dem Boyle-Versuch mit Eisenwolle und dem Balkenwaagenversuch mit Eisenwolle dar. Beim sogenannten Balkenwaagenversuch mit Eisenwolle wird Eisenwolle auf dem einen Schenkel der Waage verbrannt, mit dem Ergebnis, dass diese Seite schwerer wird. Das ist damit zu erklären, dass wie beim Boyle-Versuch eine Reaktion des Eisens mit Sauerstoff stattfindet, nur dass es sich hier um ein „offenes System“ handelt. Der Sauerstoff aus der Luft liegt nun gebunden vor im Molekül Eisenoxid und wird daher mitgewogen, wo hingegen im Boyle-Versuch die Massenzunahme ausgeglichen wird durch in der Luft nicht mehr so häufig vorliegenden Sauerstoffmolekülen, also einer Massenabnahme der Luft.

Da einige Schüler den Balkenwaagenversuch bereits kennen und vermutlich daher diese These beim Boyle-Versuch formulierten, ist nun ein Vergleich nötig und löst einen „Aha-Effekt“ bei vielen Schülern aus.

Um weitere Schlüsse ziehen zu können, sollte am Ende der Versuchsreihen die Reaktionsgleichung (genügt Wortgleichung) zu der Verbrennung von Eisen formuliert werden. Nur so kann die Massenerhaltung an diesem Beispiel am deutlichsten gemacht werden.

Anhand eines Modells werden den Schülern nun die experimentellen Befunde klar gemacht und thematisiert. Es ist wichtig, dass Schüler nicht nur im Forschen und experimentellen Umgang dazu lernen, sondern vor allem auch die theoretischen Hintergründe begreifen.

5.2.1.1 Einordnung in den Bildungsplan

Die für die Unterrichtseinheit 1 (siehe Kap. 5.1.2.2) aufgeführten Beziehungen zum Bildungsplan sind für diese Unterrichtseinheit großteils auch gültig. Hier müssen aber zusätzlich und besonders treffend folgende im Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 unter „II. Kompetenzen und Inhalte im Fächerverbund NWA“ Kompetenzen beachtet werden:

Die Schülerinnen und Schüler können
· Ergebnisse reflektieren und diskutieren.
· analysieren und aus Fehlern lernen.

So können die Schüler sehen, wie aus falschen Vermutungen oft ganz andere Ergebnisse entstehen. Sie lernen, falsche Vermutungen zu reflektieren und daraus ihre Schlüsse zu ziehen.

5.2.2 Lernziele und Absichten

Fachkompetenz:
Schüler sollen
o dem Umgang in der Gruppe im Laufe einer Gruppenarbeit trainieren.
o das Massenerhaltungsgesetz bei chemischen Reaktionen kennen lernen.
o lernen, wissenschaftlich und forschungsorientiert zu arbeiten.
o lernen, Versuche zu interpretieren (Fehlerquellen).

Personale Kompetenz:
Schüler sollen
o lernen, Projekte bzw. Versuche zu Ende zu bringen.
o lernen, selbständig zu arbeiten.
o lernen, ordentlich, sauber, gewissenhaft zu arbeiten (aufräumen des Arbeitsplatzes).

Soziale Kompetenz:
o Gruppenverhalten muss trainiert werden.
o Schüler sollen anderen Mitschülern zuhören können.
o Schüler sollen akzeptieren, wenn andere Mitschüler an der Reihe sind (ausreden lassen).

Methodische Kompetenz:
o Schüler sollen den Umgang mit Geräten üben.

5.2.3 Methodische Vorbereitung

Für die vorliegende Unterrichteinheit sind wegen der Vielzahl der Versuche mindestens zwei Schulstunden einzuplanen. Außerdem braucht ein Unterricht, in dem Vorschläge der Schüler aufgenommen und diskutiert werden sollen, Zeit.

In dieser Unterrichtseinheit steht das Experimentieren im Fordergrund, wobei immer wieder neue Thesen aufgestellt werden, die überprüft oder widerlegt werden. Zum Beginn der Stunden werden die Schüler mit den Fehlvorstellungen konfrontiert, die aus der empirischen Untersuchung zum Boyle-Versuch mit Eisenwolle hervorgegangen sind. Das heißt, zunächst einmal werden sie gefragt, wie denn ihre Meinung und Vorstellung zu dem als Skizze gezeigten Versuch ist (Overhad- Projektor) ist. Nach einigen Antworten stellt der Lehrer noch häufig genannte Fehlvorstellungen aus der Untersuchung vor. Diese sind:

- Die Wolle verbrennt (z.B. wie bei Holz, nur noch Asche übrig, und die ist leichter). „Wenn etwas verbrennt wird es ja weniger.“
- Die Wolle schmilzt, zieht sich zusammen, wird kleiner. Dadurch Massenverlust oder Massenzunahme.
- Bei der Verbrennung wird Sauerstoff „verbraucht“, dadurch Abnahme der Masse.
- Sauerstoff und Eisen reagieren zusammen, ein schwererer neuer Stoff entsteht.
- Gase wiegen nichts, deshalb Massenkonstanz.

Diese sollen nun anhand von Versuchen überprüft werden.
Die erste Versuchsreihe stellt die Verbrennung verschiedener Stoffe im geschlossenen Reagenzglas dar. Das Reagenzglas mit den jeweiligen Substanzen wird vor der Verbrennung gewogen. Nach der Verbrennung wird noch einmal gewogen. Während des Versuchs ist von Seiten der Schüler genaueste Beobachtung erforderlich.
Teilweise lassen sich die Substanzen von außen mit Hilfe des Bunsenbrenners entzünden. Bei anderen wird ein Streichholz kurz in das Reagenzglas geworfen, das Glas mit dem Stopfen verschlossen und dann auf die Waage geachtet. Diese Versuche sollen in kleinen Gruppen durchgeführt werden. So kann die Arbeit geteilt werden, indem einige Schüler auf die Waage achtet, andere auf die verbrennende Substanz. Die Versuche sind auf Arbeitsblättern beschrieben. Auf diesen wird die Behauptung/These und die Versuchsbeobachtung festgehalten.

Folgende Versuche sollen durchgeführt werden:
Verbrennung bzw. Erhitzen im Reagenzglas von
Streichholz
Zucker
Alkohol
Watte
Papier
Kerzenwachs

Die Stopfen auf den Reagenzgläsern müssen gut mit Tesafilm zugeklebt werden. Nach der ersten Versuchseinheit werden die Beobachtungen in der Klasse mündlich zusammengefasst.

Weitere Schülerbehauptungen werden aufgenommen und mit Hilfe von Lehrerversuchen thematisiert. Dabei treten Schüler als Assistenten auf und geben Tipps und Anregungen.

Der Vorstellung, Sauerstoff werde „verbraucht“, dadurch nehme die Masse ab, kann mit Hilfe eines Versuchs, der normalerweise zur Luftanalyse im Unterricht durchgeführt wird, entgegengewirkt werden.

Die Apparatur wird nach Skizze aufgebaut. Im inneren Glasrohr befindet sich eine Kupferdrahtnetzrolle. Ein Kolbenprober wird mit 100ml Luft gefüllt, der andere ist leer. Nun wird die Kupferdrahtnetzrolle erhitzt, die Luft durch Bewegung der Kolbenprober darüber geleitet. Nach der Abkühlung kann man die enthaltene Gasmenge im zweiten Kolbenprober ablesen. Man stellt fest, dass Sauerstoff aus der Luft mit Kupfer reagierte und gebunden vorliegt. Vor der Verbrennungsreaktion sollte die Versuchsapparatur gewogen werden. Dies ist möglich, indem man ein Holzgestell so konzipiert, dass die Apparatur auf der Waage Platz findet. Nach der Oxidation wird die Apparatur erneut gewogen. Man kann nun mit den Schülern feststellen, dass trotz „Verbrauchs“ von Sauerstoff keine Massenveränderung sichtbar ist. (vgl. [9] S. 82f und siehe Kap. 6.2.5)

Die weitere Schülerbegründung, weshalb die Masse beim Boyle-Versuch mit Eisenwolle abnehme, Sauerstoff und Eisen reagiere zusammen, ein schwererer neuer Stoff entstehe, kann durch einen Vergleich des Balkenwaagenversuchs mit Eisenwolle mit dem Boyle-Versuchs mit Eisenwolle aufgenommen werden. Der Boyleversuch ist unter Kap. 6.2.2 zu finden. (Balkenwaagenversuch siehe 6.2.3). Nach der Durchführung beider Versuche haben die Schüler die Aufgabe, diese schriftlich auf dem Arbeitsblatt zu vergleichen. Vergleiche werden mündlich zusammengetragen und für beide Versuche die Reaktionsgleichungen (genügt Wortgleichung) formuliert. Der Lehrer zeigt den Schülern die einfachste Modellform zur chemischen Reaktion. Die Schüler können erkennen, dass man die chemische Reaktion als Umgruppierung der kleinsten Teilchen deuten kann.

Zuletzt wird noch das 1. Chemische Grundgesetz, das Gesetz von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen formuliert.

5.2.4 Verlaufsplanung

Es wurden im Verlaufsplan keine Zeiten angegeben. Jeder Lehrer sollte nach seinen Erfahrungen in der jeweiligen Klasse Zeiten einräumen. Es ist denkbar, dass die aufgeführten Inhalte nicht in zwei Stunden behandelt werden können.

1. Stunde

Phase	Lehreraktivität	Schüleraktivität	Sozialform	Medien
Einstieg, Hinführung	L. zeigt als Skizze Boyle-Versuch mit Eisenwolle und fragt, welche Antwort sie ankreuzen würden und warum. L. konfrontiert Sch. mit Ergebnissen der Umfrage über Schülefehlvorstellungen	Sch. beteiligen sich, geben Antwort.	Lehrer-Schüler-Gespräch	TLP, evtl. direkt Versuchsaufbau
Hinführung	L. steht beratend zur Seite	Sch. erarbeiten die erste Versuchsreihe. Sch. tragen Beobachtungen in Arbeitsblätter ein.	Gruppenarbeit	Arbeitsblätter, Versuchsmaterialien.
Zusammenfassung	L. moderiert.	Mündliche Zusammenfassung und Ergänzung auf Arbeitsblatt.	Schüler-Schüler-Gespräch	Arbeitsblätter

2. Stunde

Phase	Lehreraktivität	Schüleraktivität	Sozialform	Medien
Hinführung	Neue These wird erhoben. L. führt Versuch durch.	Sch. nehmen aktiv daran teil. Tragen Ergebnisse in Arbeitsblatt.	Frontal, Lehrer-Schüler-Gespräch	Versuchsaufbau Oxid. von Kupfer
Lernphase neuer Infos zum Thema	L. arbeitet mit Sch. Erklärung und Reaktionsgleichung aus.	Sch. beteiligen sich, machen aktiv mit.	Frontalunterricht, Lehrer-Schüler-Aktivität	Arbeitsblatt
Hinführung	Neue These wird gezeigt. L. führt Versuch durch.	Sch. beteiligen sich aktiv dabei.	Frontal, Lehrer- Schüler- Gespräch	Versuchaufbau Boyle- und Balkenwaagenversuch
	L. steht hilfreich zur Seite.	Sch. füllen selbstständig ihre Beobachtung, in das Arbeitsblatt	Einzelarbeit	Arbeitsblatt
Ergebnissicherung	L. arbeitet mit Sch. Reaktionsgleichung und Begründung aus.	Sch. beteiligen sich aktiv.	Frontalunterricht Lehrer-Schüler- Aktivität	Arbeitsblatt
Ergebnissicherung	Arbeitsblatt wird ausgeteilt. Wird noch einmal wiederholt, Gesetz von der Erhaltung der Masse wird formuliert.	Sch. beteiligen sich aktiv am Unterricht.	Frontal	Arbeitsblatt, evtl. TLP

5.3 Versuchsvorschläge zur Thematisierung der Massenerhaltung im Unterricht

5.3.1 Boyle-Versuch mit Aktivkohle (vgl. [19] S. 97)

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Waage, Rundkolben (1000ml oder größer), Korkring, Gummistopfen mit Loch, Glasrohr, Luftballon, Bunsenbrenner, Aktivkohle, Sauerstoffflasche.

Durchführung:
Die Versuchsapparatur wird wie in der Abbildung sichtbar aufgebaut. Damit der Luftballon während des Versuch durch die Ausdehnung der Luft nicht weggepresst wird, wird er mehrmals aufgeblasen, um ihn zu dehnen und ein leichtes Einströmen der Luft zu ermöglichen. Vor dem Versuch wird die gesamte Apparatur genau gewogen. Dann wird die Aktivkohle von Außen mit Hilfe des Bunsenbrenners entzündet. Dabei sollte der Kolben geschüttelt werden. Nach dem Brennvorgang und dem Abkühlen der Apparatur auf Raumtemperatur wird sie wieder genau gewogen.

Beobachtung und Auswertung:
Die Kohle verbrennt nach der Entzündung mit hellem Aufglühen vollständig. Im Kolben bleibt nur Gas zurück. Die Versuchapparatur wiegt nach dem Erkalten genauso viel wie vor der Verbrennung.

Folgende Reaktion läuft bei der Verbrennung ab:
Kohlenstoff und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid.
C + O2 -> C O2

5.3.2 Boyle-Versuch mit Eisenwolle

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Waage, Rundkolben (1000ml oder größer), Korkring, Gummistopfen mit Loch und verschließbarem Hahn, Spannungsquelle, Kabel, Metallspeichen (z.B. alte Fahrradspeichen), frische Eisenwolle, Sand, Sauerstoffflasche.

Durchführung:
Die Versuchsapparatur wird wie in der Abbildung sichtbar aufgebaut. Vor der Reaktion wird die Versuchsapparatur genau gewogen. Vor der elektrischen Entzündung der Eisenwolle ist es sinnvoll, Sauerstoff in den Kolben zu lassen, um die Verbrennungsreaktion zu begünstigen.

Nach der Verbrennung der Eisenwolle und dem Abkühlen der Apparatur wird die Versuchapparatur wiederum genau gewogen.

Beobachtung und Auswertung:
Ziel des Versuchs ist es, festzustellen, dass bei chemischen Reaktionen die Masse erhalten bleibt. Im Laufe der Verbrennung verändert sich Materie. Die sichtbare Wolle verändert ihre Farbe, sie wird dunkler, bräunlich.
Folgende Reaktion läuft bei der Verbrennung ab:
Eisen und Sauerstoff reagieren zu Eisenoxid.
4 Fe + 6 O2 -> 2 Fe2O3

Da es sich um ein geschlossenes System handelt, kann nichts entweichen oder dazu kommen. Während die Masse des Feststoffs zunimmt, da Sauerstoff aus der Luft gebunden wird, nimmt die Masse der Gase im Kolben ab.
Es entsteht ein geringer Unterdruck; zu erkennen, indem man den Hahn öffnet. Es wird Luft eingezogen.

5.3.3 Balkenwaagenversuch mit Eisenwolle (vgl. [9] S. 73)

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Balkenwaage, Bunsenbrenner, Eisenwolle .

Durchführung:
Eisenwolle wird in genau gleichen Mengen als lockeres Knäuel an jeden Balken gegeben bzw. gehängt (siehe Abbildung). Mit Hilfe des Bunsenbrenners wird eines dieser Knäuel gezündet.

Beobachtung und Auswertung:
Im Laufe der Verbrennung neigt sich der Balken mit der brennenden Eisenwolle. Trotz teilweise Versprühen kleiner Stückchen Wolle ist eine deutliche Gewichtszunahme erkennbar.

Folgende Reaktion läuft bei der Verbrennung ab:
Eisen und Sauerstoff reagieren zu Eisenoxid
4 Fe + 6 O2 -> 2 Fe2O3
Der Sauerstoff aus der Luft reagiert mit Eisen und liegt in gebundener Form vor. Er wird daher mitgewogen.

5.3.4 Balkenwaagenversuch mit Aktivkohle

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Balkenwaage, Bunsenbrenner, Aktivkohle.

Durchführung:
Aktivkohle wird in genau gleichen Mengen auf jeden Balken der Waage gegeben (siehe Abbildung). Mit Hilfe des Bunsenbrenners wird an einem Balken die Kohle gezündet.

Beobachtung und Auswertung:
Im Laufe der Verbrennung neigt sich der Balken mit der nicht brennenden Aktivkohle.

Folgende Reaktion läuft bei der Verbrennung ab:
Kohlenstoff und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid.
C + O2 -> C O2
Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, dieses vermischt sich mit den Gasen der Luft und entweicht. Die Masse auf dieser Seite der Balkenwaage nimmt also ab.

5.3.5 Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff im geschlossenen System (vgl. [9] S. 82f)

Materialien (Geräte und Chemikalien):
2 Kolbenprober 100ml, Quarzrohr, 2 Silikonschläuche, Stativmaterial, Bunsenbrenner, Kupfer (aus drahtförmigem Kupferoxid mit Wasserstoff reduziert), Glaswolle, mehrere Waagen.

Durchführung:
Der Versuchsapparatur wird wie in der Abbildung sichtbar aufgebaut. Im Quarzrohr befindet sich Kupfer. Anstelle des Quarzrohrs kann man auch ein normales, auch breiteres Glasrohr nehmen (wie in Abbildung dargestellt), muss aber vorsichtiger mit dem Brenner hantieren, da sonst das Rohr zerspringt. Vor Versuchsbeginn sollte man darauf achten, dass die Apparatur dicht ist und dass die Kolbenprober sich gut bewegen lassen. Bevor das Kupfer erhitzt wird und die Kolbenprober verschoben werden, sollte der eine Kolbenprober auf 0, der andere auf 100ml eingestellt sein. Vor und nach der Reaktion wird die Versuchsapparatur auf den Waagen gewogen (vorzugsmäßig drei Waagen, die Anzeigen können addiert werden).

Beobachtung und Auswertung:
Das Kupfer verfärbt sich dunkel. In den beiden Kolbenprober ist weniger als 100ml Luft vorhanden.

Folgende Reaktion läuft ab:
Kupfer und Sauerstoff reagieren zu Kupferoxid.
2 Cu + O2 -> 2 CuO
Obwohl das Volumen der Luft abgenommen hat, wiegt die Versuchsapparatur vor und nach der Reaktion gleich viel. Sauerstoff aus der Luft liegt gebunden vor.

5.3.6 Feststellung der Masse von Luft

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Schnellwaage (-/+10mg), Zweihahnkugel (1000ml), Wasserstrahlpumpe, Sicherheits-(Woulffsche) Flasche.

Durchführung:
In der Zweihahnkugel wird mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe ein gutes Vakuum erzeugt. Vorher wird sie mit Aceton gereinigt und durch längeres Durchsaugen von Luft mit der Wasserstrahlpumpe getrocknet.
Vor und nach der Erzeugung des Vakuums wird die Kugel gewogen.
Die evakuierte Kugel muss vorsichtig behandelt werden, insbesondere ist sie gegen Stoß und Herunterfallen zu sichern. Sonst droht sie zu implodieren.

Beobachtung und Auswertung:
Die Kugel wiegt nach der Erzeugung des Vakuums weniger. Es ist zwar kein großer Unterschied, aber durchaus messbar.
Dieser Versuch ist auch geeignet zur Dichtebestimmung von Luft.

5.3.7 Verbrennung bzw. Erhitzen von Streichholz, Watte, Alkohol, Papier, Kerzenwachs, Zucker im Reagenzglas (vgl. [35] S. 67f)

Materialien (Geräte und Chemikalien):
Waage, Reagensgläser, Gummistopfen, Tesafilm, evtl. Luftballons, Bunsenbrenner, Sauerstoffflasche, Streichhölzer, Watte, Alkohol, Papier, Kerzenwachs, Zucker.

Durchführung:
In ein Reagenzglas gibt man ein wenig von jeder Substanz. Die Reagenzgläser mit dem Streichholz, dem Kerzenwachs und dem Zucker werden gut mit einem Gummistopfen verschlossen. Evtl. sichert man ihm mit ein paar Streifen Tesafilm.
Dies ist aber nicht unbedingt notwendig, wenn man den Stopfen wirklich gut in das Reagenzglas presst. Um die Reaktion bei der Verbrennung zu begünstigen, kann man Sauerstoff in die Gläser lassen. Die Reagenzgläser werden vor der Erwärmung gewogen. Dann werden von außen in Höhe der Substanz die Gläser mit Hilfe des Bunsenbrenners stark erhitzt und nach dem Abkühlen erneut gewogen.
In die Reagenzgläser mit der Watte, dem Alkohol und dem Papier gibt man ein brennendes Streichholz, verschließt rasch die Gläser gut mit einem Gummistopfen und legt sie auf die Waage. Dann beobachtet man die Gewichtsveränderung.

Beobachtung und Auswertung:
Das Streichholz beginnt zu brennen, die Watte und das Papier ebenfalls. Es bleibt nach der Verbrennung nur noch wenig sichtbare Asche übrig. Der Alkohol brennt auch. Zuerst entstehen Gase, die Reaktionsprodukte kondensieren teilweise aber rasch zu Flüssigkeiten. Das Kerzenwachst schmilzt, der Zucker auch, er verändert seine Farbe, karamellisiert.

Folgende chemische Vorgänge treten auf:
Das Streichholz, die Watte und das Papier bestehen großteils aus (C6H10O5)n-Cellulose. Durch die Verbrennung entstehen CO, CO2, H2O, H2, etc., übrig bleibt schließlich das Kohlenstoffgerüst. Die entstehenden Gase verbrennen in der Flamme, H2O ist ein wesentlicher Bestandteil des „Rauches“.

Alkohol (Ethanol C2H5OH) reagiert mit Sauerstoff zu CO2 und H2O: C2H5OH + O2 2 -> C O2 + 3 H2O

Bei der Verbrennung von einem Mol Alkohol entstehen drei Mol Wasser. Würde man also ca. 59ml Alkohol einsetzen, würden bei vollständiger Verbrennung theoretisch ca. 54ml Wasser entstehen. Das Wasser im Reagenzglas ist nach der Abkühlung natürlich noch sichtbar, setzt sich aber teilweise als Wassertröpfchen an den Glasrand des Reagenzglases. Die Menge erscheint daher geringer.

Das Kerzenwachs wird nur geschmolzen, nicht verbrannt. Es finden keine chemischen Veränderungen statt. Lediglich erscheint die Menge durch das Schmelzen etwas weniger als zuvor.

Diese Versuche zeigen eine Veränderung, teils durch Verbrennung, von verschiedenen Stoffen in einem geschlossenen System, teils tritt eine Veränderung durch Verbrennung auf, teils durch ein Schmelzen der jeweiligen Materie. In allen Fällen bleibt die Masse erhalten.

Der Versuch von beispielsweise Wachsschmelzung im Reagenzglas wäre geeignet für eine Thematisierung der Fehlvorstellung, die Masse nehme bei dem Boyle-Versuch mit Eisenwolle ab, die Wolle schmilzt, zieht sich.

Veränderung vom Gummibärchen im Reagenzglas

Einen Versuch im geschlossenen Reagenzglas könnte man auch mit Gummibärchen machen. Man gibt einfach in ein Reagenzglas etwas Wasser und ein Gummibärchen, verschließt es mit einem Gummistopfen und wiegt das Glas. Nach einiger Zeit ist das Gummibärchen um ein vielfaches größer, das Reagenzglas mit Inhalt wiegt aber immer noch gleich viel.

6. Zusammenfassung und Ausblick

6.1 Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Schüler(fehl)vorstellungen im Bereich der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen. Sie gibt einen Überblick darüber, wie viele Schüler denken und wie ihre Vorstellung über Phänomene der Naturwissenschaften, die sie meist aus ihrem Alltag kennen, sind. Die Arbeit möchte nicht nur diese Vorstellungen der Schüler aufzeigen, sondern vor allem Hilfe und Anregung sein für Lehrkräfte, die sich mit dieser Thematik im Unterricht auseinander setzen müssen.

Zunächst einmal wird ein geschichtlicher Einblick gegeben von dem Weg zur Erkenntnis des Gesetzes der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen. Die aufgezeigte empirische Untersuchung zur Erhebung von Schülervorstellungen gibt Einblicke in die Gedankenwelt der Schüler. Sie zeigt Schwierigkeiten der Schüler auf, sich in naturwissenschaftliche Phänomene einzudenken.

Anhand von vorgeschlagenen Schulversuchen und aufgezeigten Unterrichtseinheiten zur Thematisierung im Unterricht sollen Beispiele gegeben werden, wie die Schülerfehlvorstellungen in diesem Bereich im Unterricht aufgegriffen werden können.

6.2 Ausblick

Nach der Erhebung der Schülervorstellungen und den Vorschlägen einer Thematisierung im Unterricht käme nun die praktische Umsetzung. Dabei muss sich erweisen, ob die Vorschläge umsetzbar und auch Schülern eine Hilfe sind, um chemische Reaktionen besser zu verstehe, als Umlagerung kleinster Teilchen. Im Anschluss an die Behandlung im Unterricht könnte der nächste Schritt eine empirische Untersuchung zur Veränderung der Schülervorstellungen sein.

Arbeitsmaterial

Boyle-Versuch mit Eisenwolle

Literaturverzeichnis

Bücher, Verfasserschriften

[1] ASIMOV, ISAAC: Kleine Geschichte der Chemie – Vom Feuerstein bis zur Kernspaltung. Wilhelm Goldmann Verlag München, 1965
[2] BARKE, HANS-DIETER: Probleme bei der Verwendung von Symbolen im Chemieunterricht, Naturwissenschaft im Unterricht (Physik/Chemie), 1982
[3] BARKE, HANS-DIETER: Schülerversuche mit Strukturmodellen, Der Chemieunterricht 13/4, 1982
[4] Bildungsplan für die Realschule Baden-Württemberg, Lehrplanheft 3/2004 Ausgabe C, Neckar-Verlag Januar 2004
[5] BLUME, RÜDIGER; GEIGER, WERNER; HAUPT, PETER; KLOPPERT, ROLF; KUNZE, WOLFGANG; OBST, HEINZ; ROSSA, EBERHARD; SCHÖNEMANN, HEINRICH: Chemie für Realschulen Klasse 8. Baden-Württemberg. 1. Auflage. Cornelsen Verlag, Berlin 1995
[6] EISNER, WERNER; GIETZ, PAUL; JUSTUS, AXEL; LAITENBERGER, KLAUS; SCHIERLE, WERNER: Elemente Chemie I, Unterrichtswerk für Gymnasien Baden-Württember, Ernst Klett Verlag Stuttgart 1996
[7] FLADT, RÜDIGER: Ehrenwerte Irrtümer von Schülern – und was wir daraus lernen können!, der Chemieunterricht 12, 1981
[8] HÄUSLER, KARL: Highlights aus der Chemie. Aulis Verlag Deubner & Co KG, 1995
[9] HÄUSLER, KARL; RAMPF, HERIBERT; REICHELT, ROLAND: Experimente für den Chemieunterricht. 2. Auflage. Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, München 1995
[10] HOLLEMAN, ARNOLD F.; WIBERG, EGON; WIBERG, NILS: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Begr. von A. F. Holleman. Fortgef. von Egon Wiberg. 91.-100. verb. u. stark erw. Auflage/ von Nils Wiberg. Walter de Gruyter Berlin, New York 1985
[11] KEMPER, ALFRED; FLADT, RÜDIGER: Chemie. 1. Auflage. Ernst Klett Verlag Stuttgart 1976
[12] LIEBIG, JUSTUS VON: Chemische Briefe. Leipzig und Heidelberg 1865
[13] MENG, TOBIAS: Handout Lernzirkel zu „Stationen auf dem Weg ins Diskontinuum“. Referat Did. Hauptseminar Chemie an der Pädagogischen Hochschule Freiburg, 2005
[14] MORTIMER, CHARLES E.: Chemie: Das Basiswissen der Chemie; 127 Tabellen. Übers. und bearb. von Ulrich Müller. 7. korr. Auflage. George Thieme Verlag Stuttgart, New York 2001
[15] PFEIFER, PETER; LUTZ, BERND; BADER, HANS JOACHIM: Konkrete Fachdidaktik Chemie. 3. Auflage. Oldenbourg Schulbuchverlag, München 2002
[16] RAAF, HERMANN: Energie Stoff Leben. Herder-Verlag Freiburg, 1980
[17] SCHMIDT, HANS-JÜRGEN: Harte Nüsse im Chemieunterricht. 1. Auflage. Frankfurt am Main: Diesterweg; Aarau; Frankfurt am Main; Salzburg: Sauerländer, 1992
[18] SCHMIDT, HANS-JÜRGEN: Stolpersteine im Chemieuntericht. 1. Auflage. Frankfurt am Main: Diesterweg; Aarau; Frankfurt am Main; Salzburg: Sauerländer, 1990
[19] SCHNEIDER, JANINE: Stationen und Problemfelder auf dem Weg ins Diskontinuum unter Berücksichtigung von Schülervorstellungen im Chemieanfangsunterricht, Schriftliche Hausarbeit zur Prüfung für das Lehramt an Gymnasien. Universität Oldenburg, 2003
[20] SIMON, GÜNTHER: Kleine Geschichte der Chemie, Oldenburg. Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln 1980
[21] STRUBE, WILHELM: Der Historische Weg der Chemie – Von der Urzeit bis zur industriellen Revolution. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1980
[22] STRUBE, WILHELM: Der Historische Weg der Chemie – Von der Urzeit bis zur wissenschaftlichtechnischen Revolution. Aulis Verlag Deubner Co KG, Köln 1989
[23] VON LIEBIG, JUSTUS: Chemische Briefe. Leipzig und Heidelberg 1865
[24] WEIß, TANJA: Empirische Untersuchung und Entwicklung einer Unterrichtseinheit zum Thema Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen, Wissenschaftliche Hausarbeit zur Prüfung für das Lehramt an Realschulen. Pädagogische Hochschule Freiburg, 2005

Internet
[25] http://www.dhg-westmark.de/mytholog.html
[26] http://de.wikipedia.org/wiki/Empedokles
[27] http://de.wikipedia.org/wiki/Aristoteles
[28] http://de.wikipedia.org/wiki/Phlogiston
[29] http://de.wikipedia.org/wiki/Antoine_Laurent_de_Lavoisier
[30] http://www.unibayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/fa_paare/diskontinuum.htm
[31] http://www.quantenwelt.de/atomphysik/modelle/demokrit.html
[32] http://de.wikipedia.org/wiki/Avogadrosches_Gesetz
[33] http://de.wikipedia.org/wiki/Teilchenmodell
[34] http://www.unibayreuth.de/departments/didaktikchemie/experimente/04_luft_analyse2.htm
[35] Prof. Blumes Medienangebot: http://dc2.unibielefeld.de/dc2/auto/abgzusre.htm
[36] Seminar zur Didaktik der Chemie I WS 2003/04 Universität Bayreuthhttp://www.unibayreuth.de/departments/didaktikchemie/s_didaktik/03_ergebnisse_stud.htm
[37] http://www.chf.de/benzolring/abb4/al-0405/alchemie.jpg
[38] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/nl/thumb/5/59/Robert.jpg/180px-Robert_Boyle.jpg
[39] http://www.uni-giessen.de/~ge1016/publikation/geuther/luft/bilder/Stahl.jpg
[40] http://www.acienciasgalilei.com/fotos/dalton.jpg
[41] http://www.leybold-didactic.de/phk/images/37907.jpg

Fußnoten:
1 Lat. continuum: „Das Lückenlose, Zusammenhängende“
2 Durch die unterschiedliche Größe der Wasser- und der Alkoholteilchen ergibt das Wasser-Alkohol-Gemisch ein geringeres Volumen als die Ausgangsvolumina von Alkohol und Wasser.
3 Mögliches Modell: Ein Gemisch aus Erbsen und Senfkörnern ergänzt sich durch die unterschiedliche Größe zu einem geringeren Volumen als die Einzelvolumina.
4 Griechische Mythologie, also eine Überlieferung der Götter- und Heldengeschichte aus der Vorzeit, auch die mythische Lehre von der Entstehung der Welt, die Erschaffung der Welt durch die Götter (vgl. [25]).
5 Griech. atomos: „unteilbar“
6 Der Begriff „Oxidation“ wurde von Lavoisier geprägt, der damit die Vereinigung von Elementen und Chemischen Verbindungen mit dem Element Sauerstoff (giech. Oxygenium) beschreiben wollte.
7 Dephlogistierte Luft, also Sauerstoff.
8 Von Lavoiseir so benannt, „Säureerzeuger“, da er fälschlicherweise überzeugt davon war, dass Sauerstoff ein notwendiger Bestandteil sämtlicher Säuren wäre.
9 Der Hauptgrund war, dass er die Existenz des „nicht seienden“, also des leeren Raumes, für unvorstellbar hielt
10 Die Enthalpie ist ein Maß für die Energie eines Systems.
11 Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion.
12 Satz von Avogadro, nach welchem in gleichen Volumen alle Gase eine gleiche Anzahl von Molekülen enthalten ([32])