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3. Kompetenzerwartungen im Fach Chemie in der Sekundarstufe I

Einleitung

Die im Folgenden beschriebenen Kompetenzen stellen verbindliche Standards für das Fach Chemie dar. Sie beschreiben die Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten, die sich im Unterricht bis zum Ende der Sekundarstufe I kumulativ entwickeln sollen. Sie dienen den Lehrerinnen und Lehrern als Zielorientierung. Gleichzeitig definieren sie, welche Voraussetzungen im nachfolgenden Fachunterricht der gymnasialen Oberstufe erwartet werden können.

Die formulierten Kompetenzen beschreiben erwartete Ergebnisse des Lernens und nicht Themen für den Unterricht. Der Unterricht ist thematisch und methodisch so anzulegen, dass alle Schülerinnen und Schüler im Laufe der Jahrgangsstufen 5 bis 9 geeignete Lerngelegenheiten erhalten, die genannten Kompetenzen nachhaltig zu erwerben. Daher ist es notwendig, in den einzelnen Inhaltsfeldern und Anwendungsbereichen Schwerpunkte auf den Erwerb bestimmter Kompetenzen zu setzen. Hierzu legen die Fachkonferenzen Grundsätze fest. In der Summe müssen alle Kompetenzen am Ende der Jahrgangsstufe 9 erreicht sein.

Die Kompetenzen sind nach den in Kapitel 2 dargestellten Kompetenzbereichen geordnet und eng miteinander vernetzt.

Die prozessbezogenen Kompetenzen (Kapitel 3.1) sind nach den in Kapitel 2 dargestellten Bereichen beschrieben. Wegen ihrer Bedeutsamkeit für die drei naturwissenschaftlichen Fächer und großer Überschneidungen ist eine Abstimmung zwischen den Fächern notwendig, um Synergieeffekte zu nutzen.

Die Basiskonzepte des Faches Chemie sind in Kapitel 3.2 dargestellt. Sie werden jeweils im Zusammenhang skizziert, bevor die zugehörigen konzeptbezogenen Kompetenzen dargestellt werden. Der Übersicht halber werden hier die Basiskonzepte aller drei Fächer aufgeführt.

  Basiskonzepte
Chemie  Chemische Reaktion Struktur der Materie Energie  
Physik  System Struktur der Materie Energie Wechselwirkung
Biologie  System Struktur und Funktion Entwicklung  

Die Fächer Chemie und Physik beschreiben wegen der Notwendigkeit der Verwendung einheitlicher Begriffe die Basiskonzepte „Struktur der Materie“ und „Energie“ gemeinsam. Die fachspezifisch konkretisierten Kompetenzerwartungen zu diesen Basiskonzepten werden allerdings in beiden Lehrplänen getrennt ausgewiesen.

Die konzeptbezogenen Kompetenzen für das Fach Chemie sind in Kapitel 3.3 dargestellt. Sie werden für eine Kompetenzniveaustufe I und eine Kompetenzniveaustufe II ausgewiesen, um die Lernprogression im Laufe der Sekundarstufe I zu verdeutlichen.

Wenn der Unterricht im Fach Chemie schon in der Jahrgangsstufe 6 einsetzt, beschließt die Fachkonferenz, welche der Kompetenzen aus Stufe I bereits in Klasse 6 erworben werden sollen.

3.1 Prozessbezogene Kompetenzen im Fach Chemie

Die prozessbezogenen Kompetenzen beschreiben die Handlungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern in Situationen, in denen naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen erforderlich sind. Sie werden auf dem für einen Kernlehrplan angemessenen Abstraktionsniveau formuliert. Auf die Darstellung einer Progression im Laufe der Sekundarstufe I wird verzichtet. Die Ausprägung der beschriebenen Schüleraktivitäten, die Komplexität der Anwendungssituationen und der Grad der Selbstständigkeit werden in den verschiedenen Altersstufen in einer Form erwartet, die dem jeweiligen altersgemäßen Entwicklungsstand der Schülerinnen und Schüler entspricht und geschlechtsspezifischen Unterschieden in der Lernausgangslage und Umgehensweise Rechnung trägt. Dabei werden Kooperation und Kommunikation auch als Elemente fachmethodischen Arbeitens verstanden.

Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
Schülerinnen und Schüler ...
  • beobachten und beschreiben chemische Phänomene und Vorgänge und unterscheiden dabei Beobachtung und Erklärung.
  • erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe chemischer und naturwissenschaftlicher Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind.
  • analysieren Ähnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen.
  • führen qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch und protokollieren diese.
  • recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten, Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus.
  • wählen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen, prüfen sie auf Relevanz und Plausibilität und verarbeiten diese adressaten- und situationsgerecht.
  • stellen Hypothesen auf, planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Überprüfung, führen sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Rückbezug auf die Hypothesen aus.
  • interpretieren Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen, erklären diese und ziehen geeignete Schlussfolgerungen.
  • stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her und grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab.
  • beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und mit Hilfe geeigneter Modelle und Darstellungen.
  •  zeigen exemplarisch Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und Erkenntnissen der Chemie auf.

Kompetenzbereich Kommunikation

Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
Schülerinnen und Schüler ...
  • argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig.
  • vertreten ihre Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und reflektieren Einwände selbstkritisch.
  • planen, strukturieren, kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit, auch als Team.
  • beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache, ggf. mit Hilfe von Modellen und Darstellungen.
  • dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachgerecht, situationsgerecht und adressatenbezogen, auch unter Nutzung elektronischer Medien, in Form von Texten, Skizzen, Zeichnungen, Tabellen oder Diagrammen.
  • veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen, mathematischen oder (und) bildlichen Gestaltungsmitteln.
  • beschreiben und erklären in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungsgehalt von fachsprachlichen bzw. alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien.
  • prüfen Darstellungen in Medien hinsichtlich ihrer fachlichen Richtigkeit.
  • protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von Untersuchungen und Diskussionen in angemessener Form.
  • recherchieren zu chemischen Sachverhalten in unterschiedlichen Quellen und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus.

Kompetenzbereich Bewertung

Fachliche Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen, beurteilen und bewerten

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
Schülerinnen und Schüler ...
  • beurteilen und bewerten an ausgewählten Beispielen Informationen kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten.
  • stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen chemische Kenntnisse bedeutsam sind.
  • nutzen chemisches und naturwissenschaftliches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewählten Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten und  im Alltag.
  • beurteilen an Beispielen Maßnahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit.
  • benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung chemischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen an ausgewählten Beispielen.
  • binden chemische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein, entwickeln Lösungsstrategien und wenden diese nach Möglichkeit an.
  • nutzen Modelle und Modellvorstellungen zur Bearbeitung, Erklärung und Beurteilung chemischer Fragestellungen und Zusammenhänge.
  • beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells.
  •  beschreiben und beurteilen an ausgewählten Beispielen die Auswirkungen menschlicher Eingriffe in die Umwelt.
  • erkennen Fragestellungen, die einen engen Bezug zu anderen Unterrichtsfächern aufweisen, und zeigen diese Bezüge auf.
  • nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse und Fertigkeiten, um lebenspraktisch bedeutsame Zusammenhänge zu erschließen.
  • entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestellungen, die unter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse der Chemie beantwortet werden können.
  • diskutieren und bewerten gesellschaftsrelevante Aussagen aus unterschiedlichen Perspektiven, auch unter dem Aspekt der nachhaltigen Entwicklung.

3.2 Basiskonzepte im Fach Chemie

Basiskonzept Chemische Reaktion

Vorgänge, bei denen neue Stoffe entstehen, werden als chemische Vorgänge oder chemische Reaktionen bezeichnet. Das Basiskonzept Chemische Reaktion beschreibt die Veränderungen von Stoffen aus makroskopischer und aus submikroskopischer Sicht. Makroskopisch lässt sich eine chemische Reaktion mithilfe einer Reihe von Kennzeichen charakterisieren, die sich auf die stoffliche Veränderung sowie auf den Energieumsatz bei dieser Veränderung beziehen. Submikroskopisch lassen sich chemische Reaktionen – u. a. auch zur genaueren Abgrenzung zu physikalischen Veränderungen – als Vorgänge definieren, bei denen Bindungen zwischen Atomen oder Ionen gelöst und neu geknüpft werden und diese dabei Veränderungen in ihrer Anordnung erfahren. Bedeutsame chemische Reaktionen lassen sich mit dem Akzeptor-Donator-Modell erfassen und aus den Perspektiven von Redox-Reaktionen und Säure-Base-Reaktionen beschreiben. Die Tiefe der Deutungsebene, insbesondere im Hinblick auf den Ablauf von chemischen Reaktionen, ist dabei durch das eingeführte Atommodell determiniert.

Die Schülerinnen und Schüler erfahren am Beispiel alltäglicher Vorgänge zunächst, dass chemische Reaktionen von physikalischen Veränderungen unterscheidbar sind. Ein Wechsel des Aggregatzustandes durch thermische Einwirkung ist ein physikalischer Vorgang, der reversibel ist. Verdampft z. B. eine Flüssigkeit bei Energiezufuhr und wird zu einem Gas, das durch Kondensation wieder zu einer Flüssigkeit wird, ist der Stoff mit seinen Eigenschaften erhalten geblieben. Diese physikalischen Veränderungen eines Stoffes werden auf der Basis eines einfachen Teilchenmodells auch auf submikroskopischer Ebene verstehbar.

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Temperatureinwirkungen aber auch zu chemischen Reaktionen führen können. Am Beispiel alltagsbekannter Prozesse erfahren sie, dass bei chemischen Umsetzungen neue Stoffe entstehen. Diese neuen Stoffe werden Reaktionsprodukte genannt. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von den Ausgangsstoffen (auch Edukte genannt), aus denen sie hervorgegangen sind. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Edukte zu den Produkten umsetzen, kann beeinflusst werden.

Mithilfe einfacher Experimente lernen die Schülerinnen und Schüler, dass sich die Masse bei chemischen Reaktionen nicht verändert. Mit dieser Erkenntnis nimmt der Unterricht die quantitative Betrachtung chemischer Reaktionen auf. Ein einfaches Atommodell erlaubt es, das Gesetz von der Erhaltung der Masse zu erklären. Die Schülerinnen und Schüler lernen im weiteren Verlauf, dass die an chemische Reaktionen beteiligten Teilchen immer in definierten Verhältnissen miteinander reagieren.

Der Prozess der Reorganisation – bzw. allgemein des Umbaus von Teilchenanordnungen bei chemischen Reaktionen – wird zunächst in Form von Reaktionsschemata, später in Reaktionsgleichungen beschrieben.

Dabei lassen sich verschiedene Typen von Reaktionen im Unterricht unterscheiden. Zunächst werden Redox-Prozesse als Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff beschrieben, später dann als Elektronendonator- und -akzeptorreaktionen angewandt, z. B. bei der Bearbeitung technischer Metallgewinnungsprozesse und elektrochemischer Verfahren.

Die Schülerinnen und Schüler lernen Säuren als Stoffe kennen, deren wässrige Lösungen Wasserstoff-Ionen enthalten. Alkalische Lösungen sind Lösungen, die Hydroxid-Ionen enthalten. Später wird diese Vorstellung erweitert um die Definition von Säuren als Wasserstoffionendonatoren und Basen als Wasserstoffionenakzeptoren. Diese Vorstellungen finden Anwendung in der Erarbeitung einer Reihe alltagsrelevanter Phänomene sowie ebenfalls in der Behandlung technischer Verfahren.

Auf der Basis des eingeführten Atommodells und der Kenntnisse des Periodensystems erfahren die Schülerinnen und Schüler im fortgeschrittenen Unterricht, dass Atome bei einer chemischen Reaktion zwar erhalten bleiben, diese jedoch bei diesem Prozess Veränderungen in der Elektronenhülle erfahren. Sie lernen, dass verschiedene Bindungstypen existieren und dass zwischen Atomen ein anderer Bindungstyp vorliegt als zwischen Ionen. Die Tiefe der Deutungsebene ist dabei durch das eingeführte Atommodell bestimmt.

Aufgrund der Erkenntnis, dass Atome bei chemischen Reaktionen erhalten bleiben, kann sich darüber hinaus ein System aufeinander folgender Reaktionen ergeben, wobei eine Atomsorte in allen Folgereaktionen immanent ist und sich so ein Stoffkreislauf beschreiben lässt (z. B. sog. Kohlenstoffkreislauf oder sog. Stickstoffkreislauf). Der Kreislaufgedanke ist eng verknüpft mit dem Aspekt der Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen.

Die Erkenntnis, dass chemische Reaktionen umkehrbar sind und unvollständig verlaufen können, soll im fortgeschrittenen Unterricht angebahnt werden, um das Verständnis des dynamischen Gleichgewichts zu erleichtern, welches in der gymnasialen Oberstufe erarbeitet wird.

Basiskonzept Struktur der Materie

Modelle von der Struktur der Materie sind Grundlage für das Verständnis der modernen Physik und Chemie. Atomvorstellungen haben dabei eine wichtige Funktion. Da es hier zu Überschneidungen kommt, ist dieses Basiskonzept in beiden Lehrplänen Physik und Chemie aufgenommen worden, um die notwendigen Absprachen zwischen den Fachkonferenzen zu ermöglichen.

Die Eigenschaften, die Zusammensetzung, die Veränderungen und der Ursprung von Materie gehören zu den grundlegenden Fragestellungen der Physik und Chemie. Dabei führt die makroskopische Sicht auf Materie zur Charakterisierung und Klassifizierung von Stoffen und ihren Eigenschaften, die submikroskopische Sicht nutzt je nach darzustellendem Zusammenhang Modelle zur Beschreibung des Aufbaus der Materie. Die Untersuchung stofflicher Phänomene (Zustände und Prozesse) und deren Deutung mit Hilfe von Modellen der submikroskopischen Ebene sind grundlegendes Anliegen des Unterrichts in den Fächern Chemie und Physik. Das Basiskonzept Materie fasst die wesentlichen Phänomene, experimentellen Befunde, logischen Überlegungen und Modelle zusammen, die die Naturwissenschaften zu den heutigen Vorstellungen vom Aufbau der Materie sowie von den Wechselwirkungen zwischen den die Materie aufbauenden kleinen Teilchen geführt haben.

Materie begegnet Schülerinnen und Schülern zunächst in Objekten aus ihrem täglichen Erfahrungsbereich (die Physik nennt sie Körper) und den Stoffen, aus denen sie bestehen und die ihre Eigenschaften bestimmen. Sie lernen, Körper und Stoffe nach ihrem Aussehen, ihren Eigenschaften und ihren Nutzungsmöglichkeiten zu unterscheiden, zu charakterisieren und zu klassifizieren. Körper besitzen z. B. Oberfläche, Masse und Volumen. Körper und Stoffe können gasförmig, flüssig oder fest sein. Stoffe haben charakteristische physikalische Eigenschaften (z. B. Dichte, Schmelz- und Siedetemperatur, spezifische Leitfähigkeit) und chemische Eigenschaften (z.B. Brennbarkeit, Redoxverhalten und Säure-Base-Verhalten). Sie können ihren Aggregatzustand und damit ihre Erscheinungsform ändern.

Stoffe können als reine Stoffe oder als Stoffgemische vorliegen. Ein Gemisch entsteht durch physikalische Vorgänge (Mischen), wobei die Eigenschaften der reinen Stoffe (Elementsubstanzen, Verbindungen) erhalten bleiben. Ein Gemisch kann mit physikalischen Trennverfahren in seine Bestandteile (reine Stoffe) zerlegt werden.

Aus Elementsubstanzen (Stoffe aus einer Atomart) entstehen durch chemische Reaktionen chemische Verbindungen. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht aus den Eigenschaften der Elementsubstanzen ableiten. Chemische Reaktionen bewirken also mehr als nur die Neuordnung der beteiligten Teilchen. Chemische Verbindungen lassen sich nur durch chemische Reaktionen wieder in Elementsubstanzen zerlegen.

Neben einer Beschreibung stofflicher Phänomene sollen Schülerinnen und Schüler schon sehr früh einfache Modelle zum Aufbau der Materie kennen lernen. Viele makroskopisch zu beobachtende Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen lassen sich durch den Aufbau der Stoffe aus Atomen erklären, die unterschiedlich stark aneinander gebunden sein können. Aber schon einige elementare elektrische Erscheinungen wie elektrostatische Aufladungen sprechen dafür, dass die Atome wiederum aus positiven und negativen Bestandteilen bestehen müssen. Ein einfaches Kern-Hülle-Modell lässt also ein differenziertes Bild der Atome entstehen und erklärt entsprechende Beobachtungen.

Atomkerne sind aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Chemische Elemente unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Protonen. Ionen unterscheiden sich von den Atomen durch Überschuss oder Mangel an Elektronen. Radioaktive Isotope lassen sich später durch Elemente mit verschiedener Neutronenzahl charakterisieren, die den Atomkern instabil werden lassen. Während der Kern fast die gesamte Masse eines Atoms ausmacht, wird die räumliche Ausdehnung durch die Hülle aus Elektronen bestimmt.

Auf der Basis dieser Kenntnisse lernen Schülerinnen und Schüler im Chemieunterricht die Aufbauprinzipien des Periodensystems kennen. Sie nutzen es zunehmend für Vorhersagen der Eigenschaften und des Reaktionsverhaltens von Elementsubstanzen. Sie lernen, dass für die Eigenschaften eines Stoffes nicht nur die Atomsorten und das Atomanzahlverhältnis verantwortlich sind. Neben der atomaren Zusammensetzung sind vor allem die Art und Weise der Verknüpfung, der Wechselwirkung und des Zusammenhalts zwischen den Teilchen, d. h. die Struktur eines Stoffes, für seine Eigenschaften entscheidend. Das gilt sogar für Stoffe, die nur aus einer einzigen Atomsorte bestehen (z.B. Diamant und Graphit).

Über die Hüllenelektronen werden Wechselwirkungen mit anderen Atomen vermittelt, die darüber entscheiden, ob sich Atome zu Molekülen verbinden oder aber Ionen bilden, die sich anziehen. Auf der Basis dieser Erkenntnisse können Bindungstypen charakterisiert werden, Wechselwirkungen, Eigenschaften und Verwendbarkeit von Stoffen lassen sich so in Grenzen vorhersagen.
Eine besondere Rolle spielen in der Physik die festen Körper. Mit Hilfe des Schalenmodells lassen sich schon Bindungstypen in diesen Körpern und damit Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden.

Im Physikunterricht erfolgt eine vertiefte Behandlung der Radioaktivität und der Kernenergie. Die relativ einfachen Teilchenmodelle der Sekundarstufe I werden im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe weiter differenziert.

Basiskonzept Energie

Ausführungen zum Basiskonzept Energie werden in allen Fachlehrplänen Chemie, Biologie und Physik aufgenommen, weil eine gemeinsame Verständnisbasis der Fachlehrerinnen und Fachlehrer dieser Fächer unerlässlich ist, um eine kongruente Entwicklung des Energiekonzepts bei Schülerinnen und Schülern zu ermöglichen.

Energie ist eine der wichtigsten universellen Größen für die naturwissenschaftliche Beschreibung unserer Welt. Sie ist so etwas wie der „Treibstoff“ allen Lebens und jeder Veränderung, die sich naturwissenschaftlich beschreiben lässt. Energieumwandlungen treten bei allen Vorgängen in Natur und Technik auf und sie bestimmen entscheidend deren Ablauf. Ihre Nutzung verändert den Lebensraum Erde, ist Motor für technischen Fortschritt, erleichtert unser Leben und macht Mobilität erst möglich, um nur einige Aspekte zu nennen. Allerdings hat ihre extensive Verwendung auch nachteilige Folgen für unseren Lebensraum, wenn man etwa die globale Erwärmung betrachtet oder die begrenzten Ressourcen und das Problem der Umwandlungsprodukte in den Blick nimmt. Bedeutung und Auswirkungen der Energienutzung spielen in ökonomischen, gesellschaftlichen und damit auch in politischen Zusammenhängen eine besondere Rolle. Daher ist das konzeptuelle Verständnis von Energie wesentlicher Bestandteil naturwissenschaftlicher Grundbildung.

Energie kommt in unterschiedlichen Formen vor und kann auf unterschiedliche Weise in Körpern gespeichert sein. Sie ist z. B. verbunden mit der Bewegung, der Masse und der Verformung von Körpern, ist gespeichert in Atomkernen, in Atomen, in den chemischen Bindungen, in Feldern und als innere Energie in der thermischen Bewegung von Teilchen. Sie kann transportiert bzw. übertragen werden. Strahlung, Wärmeleitung, Kraftwirkung und elektrischer Strom sind typische Mechanismen des Energietransports bzw. der Übertragung. Alle Energieformen lassen sich durch Wechselwirkung in andere umwandeln. Dabei bleiben Energiemengen erhalten und können bilanziert werden (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Somit können quantitative Vorhersagen über die Ergebnisse von Prozessen getroffen werden, ohne diese im Detail zu betrachten. Es reicht aus, die Energien von Anfangs- und Endzuständen zu bilanzieren. Bei allen energetischen Vorgängen, an denen thermische Prozesse beteiligt sind, findet Entwertung statt. Hier wird ein Teil der aufgenommenen Energie als Wärme in die Umgebung abgegeben. Dieser Teil ist dann nicht mehr vollständig weiter verwendbar.
Mit dem Entropiebegriff, der allerdings wegen seiner Komplexität in der Sekundarstufe I nicht thematisiert wird, lässt sich u. a. der Entwertungsaspekt bei Energiewandlungen beschreiben (2. Hauptsatz der Thermodynamik).

Das Energiekonzept ist trotz einiger didaktischer Reduktionen (z. B. Entwertung statt Entropiezunahme) trag-, aussage- und entwicklungsfähig. Es muss sich bei Schülerinnen und Schülern allerdings Schritt für Schritt entwickeln. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, der schon in vorschulischen Erfahrungszusammenhängen beginnt, sich im Sachunterricht der Grundschule und in der Sekundarstufe I fortsetzt und ständig von außerschulischen Erfahrungen begleitet wird.

Kinder und Jugendliche erfahren Energie schon in ihrem alltäglichen Leben als eine Größe, die einen besonderen Wert besitzt. Energiekosten im Haushalt und bei Transportmitteln, aber auch Fragen der Ressourcenverknappung, z. B. beim Erdöl, und der globalen Erwärmung, begegnen ihnen in den Medien und auch in Gesprächen zu Hause. Dabei entstehen häufig Vorstellungen, die mit den fachlichen Sichtweisen nicht oder nur teilweise übereinstimmen und deshalb durch physikalische und chemische Konzepte behutsam erweitert oder ersetzt werden müssen.

Schülerinnen und Schüler erkennen schon im Anfangsunterricht an Beispielen wie der Nahrungsaufnahme und -umsetzung, der Nutzung von Geräten im Alltag und bei chemischen Reaktionen, dass gespeicherte oder bereitgestellte Energie transportiert und in ihren Erscheinungsformen umgewandelt werden kann. Und sie sehen, dass die Energie dabei nicht verloren geht, allerdings nach ihrer Nutzung teilweise bzw. sogar vollständig unbrauchbar ist, wenn sie als Wärme an die Umgebung abgegeben wurde. Energetische Betrachtungen ermöglichen es schon früh, komplexere Vorgänge zu beschreiben, ohne auf Wechselwirkungsprozesse im Detail eingehen zu müssen.

Auf unnötige begriffliche Differenzierungen und Spezialisierungen kann und soll dabei verzichtet werden. Zum ersten Verständnis reicht es völlig aus, wenn Schülerinnen und Schüler an Beispielen beschreiben, dass z. B. Energie durch Strahlung transportiert oder durch Kraftwirkung übertragen wird, dass thermische Energie durch Kontakt, elektrische Energie durch elektrischen Strom übertragen wird. Benennungen von Energieformen können zunächst unterbleiben. Aussagen wie „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in der Erwärmung (Abkühlung) des Körpers“, „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in Bewegungsänderungen“, „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in der Veränderung von Substanzen“ sind in einem ersten Zugriff durchaus tragfähig.

Auch Energieerhaltung und Energieentwertung begegnen Schülerinnen und Schülern schon im Anfangsunterricht. Dass z. B. mehr Einstrahlung zu einer größeren Temperaturerhöhung führt, dass das Abbremsen aus höherer Geschwindigkeit die Bremsen heißer macht, dass man durch zu viel Essen an Gewicht zunimmt, bietet naheliegende Zugänge zum Konzept der Erhaltung und Bilanzierung der Energie.

Im weiteren Verlauf der Sekundarstufe I nutzen Schülerinnen und Schüler die energetische Betrachtungsweise in verschiedenen Zusammenhängen. Sie erkennen z. B., dass der Ablauf chemischer Reaktionen mit Energieumsätzen verbunden ist. Sie beobachten und beschreiben Energieumwandlungen in der Natur, z. B. bei der Fotosynthese oder bei der Zellatmung, und in der Technik. Sie beschäftigen sich später detaillierter mit Umwandlungsmechanismen, die mit Kraftwirkungen verbunden sind (Arbeit) wie z. B. der Generierung elektrischer Spannung, und nutzen zunehmend auch formale Beschreibungen, um Energie zu bilanzieren. Sie betrachten komplexere Vorgänge in Natur und Technik, bei denen Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird, unter systemischen Aspekten. Schließlich erkennen sie, dass Energie auch beim Aufbau der Materie als Bindungsenergie eine wichtige Rolle spielt. Sie beobachten, beschreiben und analysieren Prozesse, bei denen die in Materie enthaltene Energie in chemischen und nuklearen Prozessen teilweise z. B. in elektrische Energie oder Wärme gewandelt und so der weiteren Nutzung zugeführt wird. Dabei nehmen sie auch großtechnische Energieumsetzungen in Kraftwerken in den Blick. Sie erkennen, dass bei thermischer Energie der nutzbare Anteil durch die Temperaturdifferenz zur Umgebung bestimmt wird.

Ein so weit entwickeltes konzeptuelles Verständnis versetzt Schülerinnen und Schüler auch in die Lage, Bedeutung und Nutzen ebenso wie Gefahren der extensiven Energienutzung durch den Menschen einzuschätzen und verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, -aufbereitung und -nutzung unter naturwissenschaftlich-technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten zu vergleichen und zu bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanz zu diskutieren.  

3.3 Konzeptbezogene Kompetenzen im Fach Chemie

Stufen der Lernprogression zum Basiskonzept „Chemische Reaktion"

Wird Chemie in der Jahrgangsstufe 6 unterrichtet, entscheiden die Fachkonferenzen, welche Kompetenzen in der Erprobungsstufe bereits erworben werden sollen. In diesem Fall sind auch Absprachen mit den Fächern Biologie und Physik notwendig, da es hier zu Überschneidungen kommen kann.

Bis zum Ende der Jahrgangsstufe 6 haben die Schülerinnen und Schüler im Biologieunterricht das Konzept der Stoffumwandlung so weit entwickelt, dass sie

  • Stoffumwandlungen beobachten und beschreiben (Atmung und Fotosynthese)
  • Kohlenstoffdioxid als Produkt einer Stoffumwandlung nachweisen.

Wird mit dem Chemieunterricht in der Jahrgangsstufe 7 begonnen, können diese genannten Kompetenzen vorausgesetzt werden.

 Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
 Stufe I Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept der Stoffumwandlung zum Konzept der chemischen Reaktion so weit entwickelt, dass sie … Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept der chemischen Reaktion so weit differenziert, dass sie ...
  • Stoffumwandlungen beobachten und beschreiben.
  • chemische Reaktionen an der Bildung von neuen Stoffen mit neuen Eigenschaften erkennen, und diese von der Herstellung bzw. Trennung von Gemischen unterscheiden.
  • chemische Reaktionen von Aggregatzustandsänderungen abgrenzen.
  • Stoff- und Energieumwandlungen als Veränderung in der Anordnung von Teilchen und als Umbau chemischer Bindungen erklären.
  • Stoffumwandlungen herbeiführen.
  • Stoffumwandlungen in Verbindung mit Energieumsätzen als chemische Reaktion deuten.
  • mit Hilfe eines angemessenen Atommodells und Kenntnissen des Periodensystems erklären, welche Bindungsarten bei chemischen Reaktionen gelöst werden und welche entstehen.
  • den Erhalt der Masse bei chemischen Reaktionen durch die konstante Atomanzahl erklären.
 
  • chemische Reaktionen als Umgruppierung von Atomen beschreiben.
  • Möglichkeiten der Steuerung chemischer Reaktionen durch Variation von Reaktionsbedingungen beschreiben.
  • chemische Reaktionen durch Reaktionsschemata in Wort- und evtl. in Symbolformulierungen unter Angabe des Atomanzahlenverhältnisses beschreiben und die Gesetzmäßigkeit der konstanten Atomanzahlverhältnisse erläutern.
  • Stoffe durch Formeln und Reaktionen durch Reaktionsgleichungen beschreiben und dabei in quantitativen Aussagen die Stoffmenge benutzen und einfache stöchiometrische Berechnungen durchführen.
  • chemische Reaktionen zum Nachweis chemischer Stoffe benutzen (Glimmspanprobe, Knallgasprobe, Kalkwasserprobe, Wassernachweis).
  • Verbrennungen als Reaktionen mit Sauerstoff (Oxidation) deuten, bei denen Energie freigesetzt wird.
  • Redoxreaktionen nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip als Reaktionen deuten, bei denen Sauerstoff abgegeben und vom Reaktionspartner aufgenommen wird.
  • elektrochemische Reaktionen (Elektrolyse und elektrochemische Spannungsquellen) nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip als Aufnahme und Abgabe von Elektronen deuten, bei denen Energie umgesetzt wird.
  • die Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen am Beispiel der Bildung und Zersetzung von Wasser beschreiben.
  • saure und alkalische Lösungen mit Hilfe von Indikatoren nachweisen.
  • Säuren als Stoffe einordnen, deren wässrige Lösungen Wasserstoff-Ionen enthalten. 
  • die alkalische Reaktion von Lösungen auf das Vorhandensein von Hydroxid-Ionen zurückführen.
  • den Austausch von Protonen als Donator-Akzeptor-Prinzip einordnen.
  • Das Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdioxid identifizieren und dessen Verbleib in der Natur diskutieren.
  • einen Stoffkreislauf als eine Abfolge verschiedener Reaktionen deuten.
  • Kenntnisse über Reaktionsabläufe nutzen, um die Gewinnung von Stoffen zu erklären (z. B. Verhüttungsprozesse).
  • wichtige technische Umsetzungen chemischer Reaktionen vom Prinzip her erläutern (z. B. Eisenherstellung, Säureherstellung, Kunststoffproduktion).
  • Prozesse zur Bereitstellung von Energie erläutern.
 
  • das Schema einer Veresterung zwischen Alkoholen und Carbonsäuren vereinfacht erklären.

Stufen der Lernprogression zum Basiskonzept „Struktur der Materie“

Wird Chemie in der Jahrgangsstufe 6 unterrichtet, entscheiden die Fachkonferenzen, welche Kompetenzen bereits in der Erprobungsstufe erworben werden sollen. In diesem Fall sind auch Absprachen mit den Fächern Biologie und Physik notwendig, da es hier zu Überschneidungen kommen kann.
Im Biologie- und Physikunterricht haben nämlich die Schülerinnen und Schüler bis zum Ende der Jahrgangsstufe 6 das Konzept zur Struktur der Materie soweit entwickelt, dass sie

  • einige bedeutsame Stoffe nennen und ihre Eigenschaften beschreiben, z. B. Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid,
  • an Beispielen beschreiben, dass sich bei verschiedenen Stoffen die Aggregatzustände in Abhängigkeit von der Temperatur verändern,
  • Aggregatzustände und Aggregatzustandsübergänge auf der Ebene einer einfachen Teilchenvorstellung beschreiben,
  • Teilchen zur Visualisierung modellhaft darstellen (z. B. Kugelteilchen oder andere Modelle).

Wird mit dem Chemieunterricht in der Jahrgangsstufe 7 begonnen, können diese genannten Kompetenzen vorausgesetzt werden.

 Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
 Stufe I Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept zur Struktur der Materie so weit entwickelt, dass sie … Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept zur Struktur der Materie so weit differenziert, dass sie ...
  • zwischen Gegenstand und Stoff unterscheiden.
  • Ordnungsprinzipien für Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften und Zusammensetzung nennen, beschreiben und begründen: Reinstoffe, Gemische; Elemente (z. B. Metalle, Nichtmetalle), Verbindungen (z. B. Oxide, Salze, organische Stoffe).
  • Aufbauprinzipien des Periodensystems der Elemente beschreiben und als Ordnungs- und Klassifikationsschema nutzen, Haupt- und Nebengruppen unterscheiden.
  • Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften identifizieren (z. B. Farbe, Geruch, Löslichkeit, elektrische Leitfähigkeit, Schmelz- und Siedetemperatur, Aggregatzustände, Brennbarkeit).
  • Stoffe aufgrund ihrer Zusammensetzung und Teilchenstruktur ordnen.
  • Atome als kleinste Teilchen von Stoffen benennen.
  • die Vielfalt der Stoffe und ihrer Eigenschaften auf der Basis unterschiedlicher Kombinationen und Anordnungen von Atomen mit Hilfe von Bindungsmodellen erklären (z. B. Ionenverbindungen, anorganische Molekülverbindungen, polare – unpolare Stoffe, Hydoxylgruppe als funktionelle Gruppe).
  • Stoffe aufgrund von Stoffeigenschaften (z. B. Löslichkeit, Dichte, Verhalten als Säure bzw. Lauge) bezüglich ihrer Verwendungsmöglichkeiten bewerten.
  • Stoffeigenschaften zur Trennung einfacher Stoffgemische nutzen.
  • Kenntnisse über Struktur und Stoffeigenschaften zur Trennung, Identifikation, Reindarstellung anwenden und zur Beschreibung großtechnischer Produktion von Stoffen nutzen.
  • die Teilchenstruktur ausgewählter Stoffe/Aggregate mithilfe einfacher Modelle beschreiben (Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Metalle, Oxide).
  • Zusammensetzung und Strukturen verschiedener Stoffe mit Hilfe von Formelschreibweisen darstellen (Summen-/ Strukturformeln, Isomere).
  • die Aggregatzustandsänderungen unter Hinzuziehung der Anziehung von Teilchen deuten.
  • Kräfte zwischen Molekülen und Ionen beschreiben und erklären.
  • Kräfte zwischen Molekülen als Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnen.
  • einfache Atommodelle zur Beschreibung chemischer Reaktionen nutzen.
  • einfache Modelle zur Beschreibung von Stoffeigenschaften nutzen.
  •  den Zusammenhang zwischen Stoffeigenschaften und Bindungsverhältnissen (Ionenbindung, Elektronenpaarbindung und Metallbindung) erklären.
  • Atome mithilfe eines einfachen Kern-Hülle-Modells darstellen und Protonen, Neutronen als Kernbausteine benennen sowie die Unterschiede zwischen Isotopen erklären.
  • Lösevorgänge und Stoffgemische auf der Ebene einer einfachen Teilchenvorstellung beschreiben.
  • chemische Bindungen (Ionenbindung, Elektronenpaarbindung) mithilfe geeigneter Modelle erklären und Atome mithilfe eines differenzierteren Kern-Hülle-Modells beschreiben.
  • mithilfe eines Elektronenpaarabstoßungsmodells die räumliche Struktur von Molekülen erklären.

Stufen der Lernprogression zum Basiskonzept „Energie“

Wird Chemie in der Jahrgangsstufe 6 unterrichtet, entscheiden die Fachkonferenzen, welche Kompetenzen bereits in der Erprobungsstufe erworben werden sollen. In diesem Fall sind auch Absprachen mit den Fächern Biologie und Physik notwendig, da es hier zu Überschneidungen kommen kann.
Im Biologie- und Physikunterricht haben die Schülerinnen und Schüler bis zum Ende der Jahrgangsstufe 6 das Konzept zur Energie soweit entwickelt, dass sie

  • an Vorgängen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung, Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen,
  • in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energieerhaltung zugrunde legen,
  • an Beispielen (Heizen, Bremsen, Abkühlen) zeigen, dass Energie als Wärme in die Umgebung abgegeben wird, nicht weiter genutzt werden kann und damit vollständig entwertet ist.

Wird mit dem Chemieunterricht in der Jahrgangsstufe 7 begonnen, können diese genannten Kompetenzen vorausgesetzt werden.

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9
  Stufe I  Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept der Energie so weit entwickelt, dass sie … Die Schülerinnen und Schüler haben das Konzept der Energie so weit differenziert, dass sie ...
  • chemische Reaktionen energetisch differenziert beschreiben, z. B. mit Hilfe eines Energiediagramms.
  • die bei chemischen Reaktionen umgesetzte Energie quantitativ einordnen.
  • Energie gezielt einsetzen, um den Übergang von Aggregatzuständen herbeizuführen (z. B. im Zusammenhang mit der Trennung von Stoffgemischen).
  • Siede- und Schmelzvorgänge energetisch beschreiben.
 
  • erläutern, dass bei einer chemischen Reaktion immer Energie aufgenommen oder abgegeben wird.
  • erläutern, dass Veränderungen von Elektronenzuständen mit Energieumsätzen verbunden sind.
  • energetische Erscheinungen bei exothermen chemischen Reaktionen auf die Umwandlung eines Teils der in Stoffen gespeicherten Energie in Wärmeenergie zurückführen, bei endothermen Reaktionen den umgekehrten Vorgang erkennen.
  • konkrete Beispiele von Oxidationen (Reaktionen mit Sauerstoff) und Reduktionen als wichtige chemische Reaktionen benennen sowie deren Energiebilanz qualitativ darstellen.
  • die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt von elektrischer in chemische Energie bei elektrochemischen Phänomenen beschreiben und erklären.
  • erläutern, dass zur Auslösung einiger chemischer Reaktionen Aktivierungsenergie nötig ist, und die Funktion eines Katalysators deuten.
  • den Einsatz von Katalysatoren in technischen oder biochemischen Prozessen beschreiben und begründen.
  • das Prinzip der Gewinnung nutzbarer Energie durch Verbrennung erläutern.
  • vergleichende Betrachtungen zum Energieumsatz durchführen.
  • das Funktionsprinzip verschiedener chemischer Energiequellen mit angemessenen Modellen beschreiben und erklären (z. B. einfache Batterie, Brennstoffzelle).
  • beschreiben, dass die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung einhergeht mit der Entstehung von Luftschadstoffen und damit verbundenen negativen Umwelteinflüssen (z. B. Treibhauseffekt, Wintersmog).
  • die Nutzung verschiedener Energieträger (Atomenergie, Oxidation fossiler Brennstoffe, elektrochemische Vorgänge, erneuerbare Energien) aufgrund ihrer jeweiligen Vor- und Nachteile kritisch beurteilen.