Chemie
Im Fach Chemie werden Grundlagen für das Verständnis vom Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen vermittelt. Dieses Wissen ermöglicht, Prozesse vorherzusagen und Stoffe für gezielte Anwendungen, wie z. B. Medikamente, herzustellen.
Chemie beschäftigt sich mit den Eigenschaften, dem Aufbau und der Umwandlung von Stoffen. Alle drei Aspekte sind miteinander vernetzt. In der Chemie kann man z. B. an Hand des Aufbaus der Stoffteilchen, aus denen die Stoffe bestehen, die Eigenschaften eines Stoffes erklären. Ein Eisennagel besteht zum Beispiel aus Eisenatomen, die in Schichten angeordnet sind und in denen einige Elektronen nur gering gebunden sind. Sie bilden ein negativ geladenes Elektronengas rund um die positiv geladenen Atomrümpfe.
Mit diesem einfachen Modell kann die Chemie typische Eigenschaften dieses Eisennagels erklären, wie die Verformbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Eisennagels. Das negativ geladene Elektronengas wirkt wie Klebstoff. Durch Anziehungskräfte zwischen dem Elektronengas und den Atomrümpfen werden die letzteren zusammengehalten und können beliebig gegeneinander verschoben werden. Das Elektronengas erklärt auch die elektrische Leitfähigkeit. Legt man Spannung an, können die Elektronen im Elektronengas gemeinsam in eine bestimmte Richtung fliessen – es fliesst elektrischer Strom.
Bei einem Kupferdraht lassen sich ähnliche Eigenschaften beobachten wie beim Eisennagel. Es lässt sich daraus schlussfolgern, dass auch Kupfer einen ähnlichen stofflichen Aufbau aufweisen muss. Der Stoffaufbau von Kochsalz, wie wir es in der Küche verwenden, muss sich davon jedoch unterscheiden.
Wissen in der Chemie wird mittels Experimenten gewonnen und abgesichert. Auf dieser Basis lassen sich Vorhersagen über die Eigenschaften oder den Aufbau von Stoffen machen. Dieses Wissen kann genutzt werden, um Stoffe auf Grund von bestimmten Anwendungswünschen speziell zu designen. Zur Herstellung von neuen Stoffen müssen chemische Bindungen in chemischen Reaktionen zwischen den Atomen gebrochen und neu geknüpft werden. Nach diesem Prinzip werden z.B. Medikamente kreiert.
Schwerpunkt Biologie/Chemie
Wie funktioniert eine Solarzelle? Was hat sie mit der Fotosynthese in Grünpflanzen gemeinsam? Warum werden Sauerstoff-Moleküle in der Lunge vom Hämoglobin stärker gebunden als im Gewebe? Wie erklärt sich die Tatsache, dass der Farbstoff der Blue-Jeans erst beim Trocknen an der Luft seine blaue Farbe entwickelt? Im Schwerpunktfach Chemie, das Teil des Schwerpunktes Biologie/Chemie ist, eignen sich die Schülerinnen und Schüler das Wissen an, um solche und ähnliche Fragestellungen beantworten zu können. Dabei bildet die Orbitaltheorie aus dem Bereich der Quantenchemie die theoretische Grundlage für ein tieferes Verständnis für Errungenschaften wie Leuchtdioden, Laser oder Kernspintomographie, aber auch für Phänomene wie die Farbigkeit von Stoffen oder auch Polarlichter.
Im Rahmen des Schwerpunktfaches Biologie/Chemie werden Themen behandelt wie Farben – Farbstoffe, Analysemethoden zur Strukturaufklärung, Thermodynamik, Komplexchemie, Biochemie und Pharmakologie. Der Unterricht bietet Platz für kleinere und ausgedehntere praktische Auseinandersetzungen mit der Chemie. So gehört das Färben von baumwollenen Textilien mit Indigo, die Synthese von Azofarbstoffen, aber auch die Herstellung einer Solarzelle mit Pflanzenfarbstoffen zum Standardprogramm dieses Kurses. Das Schwerpunktfach Chemie zielt aber insbesondere auch darauf ab, Freude am abstrakten Denken und an Gedankengängen zu entwickeln. An bestimmten Stellen werden Themen mit medizinischem Kontext, wie zum Beispiel das Ruhemembran- und Aktionspotential bei der Reizweiterleitung in Nervenzellen, das Funktionsprinzip der Kernspintomographie (MRI = magnetic resonance imaging) oder auch die photodynamische Therapie mit sogenanntem Singulett-Sauerstoff in die Unterrichtseinheiten eingestreut.
Das Schwerpunktfach Biologie/Chemie richtet sich an Schülerinnen und Schüler, die Freude an der Natur und ihrer Beschreibung haben. Interesse an mathematisch-naturwissenschaftlichen Fragestellungen ist von Vorteil und erleichtert den Zugang für das Verständnis von Theorien aus dem Bereich der Naturwissenschaften.
Der Schwerpunkt Biologie/Chemie dient als gute Vorbereitung für einige Studiengänge wie: Biologie, Chemie, Naturwissenschaften, Umweltnaturwissenschaften, Geologie, Bewegungs- und Sportwissenschaften, Pharmazeutische Wissenschaften, Medizin, Lehrberufe in mathematisch-naturwissenschaftlicher Richtung auf Sekundarschulstufe oder Mittelschulstufe.
Aus dem Unterricht
In der Chemie wird versucht, die Eigenschaften der Stoffe des Alltags mit Hilfe von Molekülen zu erklären. Immer wieder zeigen wir Lehrpersonen darum im Unterricht Molekülmodelle oder lassen unsere Schülerinnen und Schüler Molekülmodelle selber bauen. Bei grossen Molekülen allerdings, wie z.B. Eiweissen, Kohlenhydraten und Fetten, wird das Bauen mit dem Baukasten zu aufwändig. In diesem Fall greifen wir auf Computeranimationen zurück, mit denen man diese Moleküle darstellen, drehen und in ihrer Grösse verändern kann.
In dieser Lektion geht es um die Struktur von kleinen Eiweissmolekülen, sogenannten Peptiden. Diese sind wie die Eiweisse aus einzelnen Aminosäuren aufgebaut, die wie Glieder einer Kette angeordnet sind.
Grau sind die Kohlenstoff-Atome (C), weiss die Wasserstoff-Atome (H), blau das Stickstoff-Atom (N) und rot die Sauerstoff-Atome (O). Beim Anklicken des Bilds kommt man auf eine Internetseite, wo verschiedene Aminosäuren dargestellt werden können.
Durch Anklicken eines dargestellten Moleküls kann es mit festgehaltener Maustaste gedreht und durch Bewegen des Mausrades kann das Molekül vergrössert bzw. verkleinert werden.
Der Text der Seite ist englisch, was unseren Schülerinnen und Schülern in der Regel keine Mühe bereitet und für die die zweisprachigen Klassen sowieso Teil des Unterrichts darstellt.
Um ein Peptid zu erhalten, werden Aminosäuren verknüpft. Dabei reagiert die COOH-Gruppe der einen Aminosäure mit der NH2-Gruppe der benachbarten Aminosäure zu einer Peptidbindung (-CO-NH-) wobei H2O abgespalten wird.
Hier ist ein Beispiel eines Tripeptides (mit 3 Aminosäuren) dargestellt. Es kann durch Anklicken wie oben beschrieben bewegt werden. (Um die Atome als Kugeln darstellen zu können, muss mit der rechten Maustaste unter «Style» «Ball and Stick» gewählt werden).
Im fortgeschrittenen Menü (rechte Maustaste) können die Abstände zwischen den Atomen gemessen und strukturelle Elemente wie z.B. die Peptidebene und die tatsächliche Oberfläche des Moleküls dargestellt und das Molekül in Stereo betrachtet werden (dazu ist eine einfache Rot/Grün-Brille nötig).
