chemische Allgemeinbildung

allgemeinbildung-chemie.htm 19.12.2011

1. Arbeitsgebiet des Faches Chemie

Die Naturwissenschaft Chemie befasst sich mit Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen. Zur Zeit sind ca. 8-12 Millionen Stoffe bekannt. Es ergeben sich hieraus eine Reihe von Fragen, was für das Verständnis der Naturwissenschaft Chemie von Wichtigkeit ist.

Das Wesentliche für das Verständnis der Naturwissenschaft Chemie ist das wissenschaftliche Vorgehen bei der Suche nach Gesetzmäßigkeiten von Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen. Dabei werden Regelmäßigkeiten entdeckt und als "Naturgesetze" formuliert. Dabei bemüht man sich in der Wissenschaft Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie zu entwickeln, die die auftretenden Regelmäßigkeiten logisch und widerspruchsfrei erklären. Sollten bei der Erklärung Widerspüche auftreten oder Unerklärbares übrig bleiben, so ist man gezwungen, Präzisierungen oder Erweiterungen an der Modellvorstellungen vorzunehmen oder gar gänzlich neue Vorstellungen und Erklärungen zu finden.

Es ist hingegen aussichtslos, die Kenntnis von Stoffeigenschaften als Allgemeinbildung fordern zu wollen.

Es gibt nach den bisherigen Erkenntnissen nur Ansätze und noch längst kein logisch schlüssiges System von Naturgesetzen. Einen Ansatz bieten die Erhaltungssätze der Physik, doch lassen Entdeckungen wie "Bruch der Symmetrie", das Fehlen einer Umkehrung der Zeit und die fehlende Antischwerkraft vermuten, dass das Konzept noch nicht vollständig ist.
Das gilt naturgemäß auch für die Chemie, die mit ihrer Beschreibung die physikalischen Gesetzmäßigkeiten nutzt. Die Bildung und Reaktion von Stoffen lässt sich nur schwer vorherzusagen. Es gibt jedoch auf der Basis der Erhaltungssätze der Physik Möglichkeiten, chemische Reaktionen zu verstehen und vorherzusagen.  Diese beschreiben in einfacher Weise das anorganisch-chemische Gleichgewicht.

2. Chemie und Umwelt

Nun existiert auf der Erde eine noch eine Art chemisches Gleichgewicht, "Leben" genannt. Leben kann nur existieren, wenn es einen  fortwährenden Stoffaustausch und Energieaustausch mit der Umgebung gib. Das bedeutet, Leben braucht chemische Reaktionen. Da sich das Leben bis hin zu komplizierten Organismen auch ohne menschliche Kenntnis von Naturgesetzen entwickelt hat, ist die Naturerkenntnis des Menschen offensichtlich nicht unbedingt  für die Entwicklung von Leben notwendig. Gleiches gilt auch für die übrigen chemischen Reaktionen im ganzen Weltall.

Der Mensch hat über seine natürlichen körperlichen Fähigkeiten hinaus durch sein Denken, Forschen und Entwickeln technische Hilfsmittel entwickelt, seine Umwelt zu gestalten. Die Auswirkungen seines Handelns sind so weitreichend, das sie sich seinen wissenschaftlichen Möglichkeiten der Abschätzung entziehen. In der letzten Zeit mehren sich die Hinweise, daß diese weitgehende Beeinflussung der Umwelt durch den Menschen unbeabsichtigte, schädliche Folgen hat.

Es sind im wesentlichen physikalische Gesetze in verschiedensten Formen, die den Zustand der Natur als Gleichgewicht beschreiben. Ein wesentliches Merkmal dieses Gleichgewichtes ist es, auf von außen wirkende Einflüsse so zu reagieren, dass  es stabil bleibt. Bislang führte diese Anpassung des natürlichen Gleichgewichtes in der Evolution bis zur Entwicklung des Menschen, wobei die Bedingungen für die Existenz komplexerer Lebensformen enger ist als für primitivere. Es ist nicht sicher, dass die zu einer Anpassung an neue äußere Bedingungen notwendige Zeiträume zur Verfügung stehen. Die Grenzen der technische Entwicklung und die Nutzung durch immer mehr Menschen mit gleichen Rechten sind daher durch die vorhandenen natürlichen Gleichgewichte gegeben. Diese dürfen, wenn überhaupt, nur langsam geändert werden, will der Mensch als komplexestes Lebewesen mit dem engsten natürlichen Existenzbereich Bestandteil der Evolution bleiben.

3. Anpassung des Individuums an die Umwelt

Jeder einzelne Mensch lernt in seiner natürlichen Umgebung zu leben. Das geschieht sicher wie bei anderen Lebewesen durch Anpassung, Instinkt und Gewohnheiten, beim Menschen jedoch in starkem Maße durch Erfahrungen, Erziehung und zu einem gewissen Teil durch Ansichten und Einsicht.

Die Erziehung von Heranwachsenden muss diese Stadien der Entwicklung berücksichtigen. Während das Kleinkind bei seinen Handlungen von seinem spontanen Interesse ausgeht, kann man bei einen Schulkind schon auf bestimmte Erfahrungen zurückgreifen. Daher ist es wichtig, beim Lernangebot durch den Lehrer positive Lerneindrücke zu vermitteln. Das geht anfangs noch weitgehend über das Spielerische. Ohne das immer alles begründet werden muss, übernimmt das Schulkind Handlungen seines Vorbildes. Um so besser ist es, wenn für das richtige Handeln auch logische Gründe existieren.

Schon sehr früh entdeckt das Kleinkind die "Wirk - lichkeit". Ursache und Wirkung bilden eine Einheit, auf der sich kausales Denken aufbaut. Eine wichtige Entdeckung ist die Tatsache, dass alles, was nicht beeinflusst wird, sich in einem "ruhenden Gleichgewicht" befindet. Die Existenz von Gleichgewichten ist die Basis von der Ursache-Wirkung-Beziehung. Ein Kleinkind weiß schon sehr früh, dass Gegenstände liegen bleiben. Wenn man jedoch etwas anfasst, kann man es bewegen. Eine der frühen spielerischen "Entdeckungen" ist die Tatsache, dass alles was man loslässt nach unten fällt bis es wieder zur Ruhe kommt. So verschwindet ein "Schnuller" nicht, wenn man ihn außerhalb des Kinderwagens fallen lässt. Andererseits wird man ihn mit Sicherheit wieder finden, wenn man am Boden sucht. Von allein wird der Schnuller allerdings nicht wieder in die Hand zurückkehren. Auf diese Weise wird der Umgang mit festen Stoffen schnell zur Gewohnheit. Auch die speziellen Eigenschaften von Flüssigkeiten können spielerisch erlernt werden. Der Umgang mit Luft setzt jedoch schon eine gewisse Art "wissenschaftliches Denken" voraus. Da man Luft nicht  sehen, fühlen, schmecken oder gar anfassen kann, bleiben Gase lange Zeit unentdeckt. Hier kann mit dem spielerischen Entdecken einer wissenschaftlichen Arbeitsweise begonnen werden.

Für die Chemie ist die "Entdeckung" des Stofflichen von grundlegender Wichtigkeit. Alle Stoffe haben einen Platzbedarf, ein "Gewicht" und eine Temperatur (siehe dazu den Begriff   "Stoffbegriff bei der Entdeckung von Luft "). Sind erst einmal die grundlegenden Eigenschaften von Stoffen verstanden, kann mit der Umsetzung von Stoffen zu neuen Stoffen begonnen werden.

4. Umgang mit Stoffen

Auch ohne Kenntnis von Physik, Chemie oder Biologie erfährt jedes Lebewesen den sachgerechten Umgang mit natürlichen Stoffen. Würde das nicht der Fall, so würde diese spezielle Spezies aussterben.

Ganz anders verhält es sich mit Stoffen, die vom Menschen hergestellt werden, indem der Mensch mit Energie auf Stoffe einwirkt. (Über die Bedeutung des Energie-Erhaltungssatzes für ein Verständnis von Chemie).

Da selbst Chemiker nicht sicher die Eigenschaften und Wirkungen neuer Stoffe vollständig vorhersagen können, sind für den Umgang mit solchen Stoffen, im weiteren Chemikalien genannt, neue Umgangsregeln erforderlich.

Die allem Umgang zugrundeliegende Regel lautet: Mit allen unbekannten Stoffen muss umgegangen werden wie mit Gefahrstoffen, bis ihrer Ungefährlichkeit bewiesen ist.

Die Entwicklung der Chemie ist lange begleitet worden vom Fehlen solcher Umgangsregeln. Der Gebrauch von Chemikalien, der später erst zu Schädigungen der Umwelt führte und sich damit als Mißbrauch herausstellte, prägt die von Skepsis geprägte Einstellung der modernen Gesellschaft zur Chemie, genauer zur chemischen Industrie, die solche Stoffe herstellt.

Dass diese Einstellung nicht gänzlich unbegründet ist, zeigen immer neue, die Wissenschaft überraschende Beobachtungen der chemischen Abläufe in der Natur. Aber selbst beim Vorliegen eindeutiger Erkenntnisse von Störungen der Naturkreisläufe ist außerordentlich schwer, zu einer neuen Einstellung im Umgang mit Chemie und Chemikalien zu kommen.

Umweltbewusstsein

Wie schwer es, ist den Schutz der Umwelt in den Köpfen der Menschheit zu verankern, zeigt das Themenheft "Umweltschutz" eines namhaften deutsche Herstellers von Bioziden noch im Jahre 1988.
Einerseits analysiert der Vorstandsvorsitzende im Vorwort die Bedeutung der Chemie, aber auch die negative Haltung der Bevölkerung und was das Großunternehmen leistet, damit die Risiken der Anwendung technischer Chemie verringert werden. Außerdem stellt er besonders die Bringschuld der chemischen Industrie an Information für den Bürger heraus, wobei er allerdings behauptet, dass die Sorgen und Ängste der Bürger objektiv unberechtigt sind.
Andererseits ist allgemein bekannt, dass nicht alle Insektizide und Pestizide schnell rückstandslos abgebaut werden. Einer der Wirkstoffe ist das Atrazin, ein Herbizid, das hierzulande hauptsächlich beim Maisanbau verwendet wird. Es findet sich in manchen Gegenden mit intensiver Landwirtschaft bereits im Grundwasser.

Dennoch trat der gleiche deutsche Hersteller von Bioziden in diesem Themenheft mit der Behauptung an die Öffentlichkeit, Pflanzenschutzmittel seien "Schädlich nur für Schädlinge".

Diese Schrift ist auch an Schulen weit verbreitet und und es stimmt bedenklich, wenn die Information der chemischen Industrie für die, laut Vorwort "unaufgeklärte" Bevölkerung, in der Behauptung besteht,

"Regen und Bodenwasser wandeln chemische Verbindungen um, so daß im Grundwasser keine Pflanzenschutzmittel ankommen".

Darüber hinaus sind  so viele weitere  sinnentstellenden Behauptungen in dieser "Aufklärungsseite", dass man eine Satire vermuten muß, z.B. Lebewesen unter der Erde Regenwürmer, Bodenbakterien und -pilze "fressen" Pflanzenschutzmittel und decken damit unter anderem ihren Energiebedarf.

In Deutschland reagierte der Gesetzgeber mit der Einführung eines Chemikaliengesetzes, das den vielfältigen Umgang mit Chemikalien regelt. Der Umgang mit Gefahrstoffen wird in einer besonderen Verordnung geregelt, der Gefahrstoffverordnung. Beide Gesetze unterliegen einer stetigen Anpassung an neue Erkenntnisse, im allgemeinen handelt es sich um Einschränkungen der Umgangsbestimmungen.

Auch hier ist erst ein Lernprozess nötig, um nachhaltige Einstellungsänderung bei den Menschen zu erzeugen, die mit Chemikalien umgehen. So wurden in der ersten Fassung des Chemikaliengesetzes die Chemikalien unabhängig von der Stoffportion  in ihrer Gefährlichkeit eingestuft. Das führte zu Ungereimtheiten, die in der zweiten Fassung durch Einführung von "Verdünnungsregeln" teilweise korrigiert wurden. Weitere Mängel bleiben jedoch bestehen: es fehlt die Einstufung der Einwirkungszeit und die Hinzunahme des Substrat, auf das die Chemikalie einwirkt. Die Einwirkungszeit wird zu einem gewissen Teil schon durch den MAK-Wert berücksichtigt, der angibt, wie hoch eine Chemikalienkonzentration sein darf, um bei einem Arbeitnehmer, der dieser Konzentration während seines Berufslebens ausgesetzt wird, mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit keine gesundheitliche Beeinträchtigung zu bewirken. Es ist aber zu befürchten, dass, wenn alle Kriterien der Gefährdung beurteilt werden müssen, ein völlig überfrachtetes Regelwerk entsteht, daß in der Praxis nicht anwendbar ist. Hinzu kommt noch, dass neue Erkenntnisse eine ständige Anpassung notwendig werden lassen, die allenfalls den kleinen Teil der Menschheit in der modernen Industrie- und Kommunikationsgesellschaft via Internet erreicht.

Die zur Zeit noch mangelhafte Einstellung in der Beurteilung von Stoffen im Allgemeinen und Chemikalien im Besonderen wird ersichtlich durch das Fehlen eines "Gefahrensymbols: nachgewiesenermaßen ungefährlich". Solange dieses Zeichen fehlt, werden unbekannte Stoffe wie ungefährliche Stoffe bezeichnet, nämlich garnicht. Das Zusammenfassen der Stoffe, von denen man nichts weiß mit denen, die ungefährlich sind, spiegeln das noch immer falsche Verständnis von Gefährdung wider. Zur Zeit gilt immer noch unausgesprochen: Ein Stoff ist solange als ungefährlich anzusehen, bis seine Gefährdung bekannt wird.

5. Einhaltung natürlicher Gleichgewichte

Wesentliche für die Existenz der Natur ist die Existenz von natürlichen Gleichgewichten. Unter einem Gleichgewicht versteht man einen Zustand in der Natur, bei dem sich in dem betrachteten Zeitraum nichts ändert. Diese Art von Gleichgewichten nennt man statisch ("stehend"). Gleichgewichte müssen nicht statisch sein, sie können auch dynamisch ("bewegt") sein. Darunter versteht man Gleichgwichtszustände, die sich periodisch ("in regelmäßigen zeitliche Abständen wiederkehrend") wiederholen.

Ein Beispiel aus der Physik (Mechanik) ist die Pendelbewegung. Die kreis- bzw. ellipsenförmige Umlaufbahn des Mondes ist ein weiteres Bespiel. In der Chemie liegen ebenfalls dynamische Gleichgewichte vor. Das beginnt bereits beim Gasdruck. Viele kleinste Teilchen des Gases bewegen sich unregelmäßig und zufällig durch den Raum und treffen dabei aufeinander und auf die Wandung. Die Häufigkeit dieser Zusammenstöße erscheinen in Summe als gleichmäßige (statischer) Druck. Auch chemische Reaktionen enden in dynamischen Gleichgewichte. Sie bestehen anfangs nur aus einer Hin-Reaktion der Ausgangsstoffe mit einander. Dabei bilden sich die Reaktionsprodukte, die mit mit größer werdendem Anteil eine Rückreaktion zu den Ausgangsstoffen beginnen. Im Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten von Hin- und Rück-Reaktion gleich groß. Von außen betrachtet liegt ein dynamisches Gleicgewicht vor, bei dem sich scheinbar nichts ändert.

Die in den Naturwissenschaften beschriebenen dynamischen Gleichgewichte erlauben eine Anpassung an geänderte äußere Bedingungen. An dieser Stelle sollen nur Redensarten als Beispiele für Gleichgewichte im täglichen Leben angeführt werden.

emotional: "Gegensätze ziehen sich an.";"Gleich zu gleich gesellt sich gern.";
religiös: "Wer das Schwert zieht, wird durch das Schwert umkommen.";
philosophisch: "Was du nicht willst, daß man dir tu´, das füg´ auch keinem andern zu.";
realistisch: "Von Nichts kommt Nichts.", "Viel hilft viel.";
ökonomisch: "Konkurrenz belebt das Geschäft."
naturmedizinisch: "In einem gesunden Körper wohnt ein gesunder Geist".

Während die "Lebensweisheiten" sicher schon uralt sind, hat die Beschreibung der Natur durch die Gleichgewichte erst sehr spät eingesetzt.

mathematisch: Rechnen mit Gleichungen und Ungleichungen;
physikalisch: Erhaltungssätze für Energie, Impuls, Drehimpuls, elektrische Ladung, Leptonen, Baryonen;
chemisch: Prinzip von Le Chatelier, Nernstscher Verteilungssatz, Massenwirkungsgesetz;
biologisch: Stoffwechselcyclen; Räuber-Beute-Modelle

Es ist die Aufgabe des wissenschaftlichen Unterrichts, die "(Über-)Lebensweisheiten" logisch zu erschließen, um daraus Konsequenzen für unser zukünftiges Verhalten abzuleiten. Das ist nötig, weil sich die vom Menschen gestaltete Umwelt schneller ändert als die natürlichen Entwicklung eine Anpassung vornehmen kann.

Für den naturwissenschaftlicher Unterricht bedeutet das

1. bestehende Gleichgewichte der Natur sind aufzuspüren,
2. Gesetzmäßigkeiten sind aufzeigen, die den Gleichgewichten zugrunde liegen,
3. Folgerungen sind aus den Gesetzmäßigkeiten zu ziehen, die nachhaltiges Handeln im Einklang mit den bestehenden natürlichen Gleichgewichten ermöglicht.

Egal, wie groß der Anteil an "Wissenschaftlichkeit" in der Allgemeinbildung ist, Endresultat der Bemühungen müssen "(Über-)Lebensweisheiten" sein.

Sinn dieser Ausarbeitungen ist es zu zeigen, wie ein auf Experimenten gestützter, schülerorientierter Chemieunterricht den Umgang mit der stofflichen Aspekten der Natur erlernen lässt.