Wie lassen sich die chemischen Bindungsarten lernwirksam unterrichten?

Ein vertieftes Verständnis des Zusammenhalts der kleinsten Teilchen in Materie stellt die Grundlage dar, um die meisten Konzepte der Chemie verstehen zu können. Eines der Hauptziele des gymnasialen Chemieunterrichts ist deshalb auch die Förderung eines nachhaltigen Verständnisses der drei Bindungsarten (kovalente, ionische und metallische Bindung) und der zwischenmolekularen Kräfte.

Was aber bereitet Schülerinnen und Schülern Schwierigkeiten, wenn Sie neue Inhalte über chemische Bindungsarten kennenlernen? Was sind typische Fehlvorstellungen, die einem vertieften Verständnis entgegenwirken? Welche Fehlvorstellungen sind auch noch nach der Vermittlung am Gymnasium präsent? Diese Fragestellungen stehen im Mittelpunkt von Adrian Zwyssigs Dissertation (Diagnosing and Promoting the Understanding of Chemical Bonding, Dissertation, ETH Zürich, 2023).

Seine Untersuchungen mit inzwischen über 3000 einsteigenden Studierenden der ETH Zürich (2019 – 2023) haben gezeigt, dass sogar bei dieser ausgewählten Gruppe noch ein grösserer Anteil Mühe hat, korrekt zwischen den Bindungsarten zu unterscheiden. Beispielsweise gaben 40% der befragten Studierenden an, dass Natriumchlorid-Kristalle aus NaCl-Molekülen bestehen. Wie aber lassen sich solche Fehlvorstellungen reduzieren und das Verständnis der chemischen Bindungsarten nachhaltig fördern?

Neue Unterrichtsansätze
In Zusammenarbeit mit dem MINT-Lernzentrum (Dr. Juraj Lipscher, Dr. Ralph Schumacher) hat Adrian Zwyssig eine Unterrichtseinheit entwickelt, die diesen Herausforderungen begegnet: Die Lernmaterialien rücken die Unterschiede der drei Bindungsarten in den Vordergrund, indem diese gleichzeitig eingeführt und während der gesamten Unterrichtszeit stärker kontrastiert und verglichen werden. In der 100-seitigen Unterrichtseinheit, die für ungefähr 24 Lektionen konzipiert ist, werden die wichtigsten Grundlagen der drei Bindungsarten sowie deren Unterschiede vermittelt.

Experimente zur Leitfähigkeit verschiedener Stoffe bilden dabei den roten Faden, der durch die Unterrichtseinheit führt und immer wieder die Notwendigkeit aufzeigt, weitere Bindungsarten kennenzulernen. Die Unterrichtseinheit wird durch die zwischenmolekularen Kräfte abgerundet.

In Zusammenarbeit mit Gymnasiallehrpersonen hat Adrian Zwyssig in einer empirischen Vergleichsstudie an Schweizer Gymnasien (N = 326, 10. Klassenstufe) die Lernwirksamkeit dieser Unterrichtsmaterialien untersucht. Dabei zeigte sich, dass im Vergleich zur herkömmlichen sequenziellen Behandlung der Bindungsarten das vermehrte Vergleichen und Kontrastieren die Schülerinnen und Schüler stärker beim Aufbau von konzeptuellem Verständnis unterstützt (d = 1.05, CI₉₅[0.78; 1.31]). Diese Vorteile blieben auch im Follow-up-Test nach drei Monaten erhalten.

Adrian Zwyssig wird seine Studien und Ergebnisse sowie Erkenntnisse daraus in dieser Weiterbildung präsentieren. Zudem werden die Hauptideen und ausgewählte Arbeitsblätter und Experimente genauer beleuchtet. Die Lehrpersonen erhalten die Materialien so, dass sie selber in der Lage sein werden, vergleichbare Lernerfolge zu erzielen.

Im Folgenden wird die Unterrichtseinheit kurz vorgestellt:

Auf den ersten Blick sind visuelle Ähnlichkeiten zu beobachten, wie die kristalline Form oder die Durchsichtigkeit der Stoffe. Betrachtet man aber die Schmelzpunkte, muss man sich die Frage stellen, woher diese grossen Unterschiede in den Anziehungskräften stammen.

Atome sind elektrisch neutral, da sie über gleich viele Elektronen wie Protonen verfügen. Dennoch muss es offenbar Mechanismen geben, die diese zusammenhalten. Auf der Grundlage des Konzepts der Anziehung positiver und negativer Ladung, dem Coulombgesetz, sowie der Elektronegativität werden die drei verschiedenen Bindungsmöglichkeiten vorgestellt: die ionische, die metallische und die kovalente Bindung.

Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit werden die drei Bindungsarten genauer beleuchtet und Vertreter der jeweiligen Stoffklasse mittels Experimenten genauer auf deren Eigenschaften untersucht. Den roten Faden bieten dabei Experimente zur elektrischen Leitfähigkeit, anhand derer die jeweiligen Bindungsarten eingeführt werden sowie die ganz oben dargestellte Übersichtsgrafik.