Was hält Teilchen zusammen: Bindungen, Kräfte oder Wechselwirkungen? Wie differenziert sollen wir diese Phänomene im Unterricht betrachten und wie können wir dabei die Zahl der zu lernenden Begriffe möglichst gering halten, dabei aber fachlich korrekt arbeiten? Ist zu unterscheiden zwischen Phänomenen innerhalb von Teilchen und solchen zwischen verschiedenen Teilchen? Weil Lernende bei diesem Thema immer wieder stutzig werden, gehört es auf den Prüfstand. Diskutieren Sie mit über die vorgelegten Vorschläge zum Sprachgebrauch! 

1 Sprech- und Darstellungsweisen auf dem Prüfstand 

Sowohl in der (Schulbuch)-Literatur als auch im alltäglichen Sprachgebrauch unter Chemikern findet man für dasselbe Phänomen die Bezeichnungen »Zwischenmolekulare Kräfte«,»Zwischenmolekulare Wechselwirkungen« oder »Zwischenmolekulare Bindungen«, teilweise sogar innerhalb eines Werkes relativ undifferenziert nebeneinander. Es scheint also keine Unterschiede zwischen Kraft, Wechselwirkung und Bindung zu geben.
In den meisten Fällen werden diese zwischenmolekularen »Phänomene« dann unterteilt in van-der-Waals-..., Dipol- bzw. Dipol-Dipol-... und Wasserstoffbrücken(bindungen). Andere Lehrbücher verwenden die Bezeichnung van-der-Waals-Kräfte als überbegriff und differenzieren diese in Dispersions- und Di- pol-Dipol-Kräfte.

2 Verwirrungspotenzial obiger Sprech- und Darstellungsweisen

A) Es wird kaum unterschieden zwischen den (unterschiedlich starken) elektrostatischen Anziehungskräften als Ursache und den sich daraus ergebenden Wechselwirkungen als Folge. Auch eine Abgrenzung zur »echten« chemischen Bindung findet häufig nicht statt.

B) Der Begriff »zwischenmolekular« ist gleich in mehrfacher Weise irreführend. Insbesondere bei Makromolekülen treten gleichartige Wechselwirkungen (zur Vereinfachung verwenden wir ab hier nur noch die Bezeichnung »Wechselwirkung«, wenn keine Differenzierung notwendig ist) innerhalb eines einzigen Moleküls zwischen unterschiedlichen Molekülteilen auf und eben nicht nur zwischen benachbarten Molekülen. Auch benachbarte Atome untereinander (wie z. B. Edelgasatome) einerseits und Atome mit Molekülen andererseits, können in vergleichbarer Weise wechselwirken. Nicht zuletzt handelt es sich bei der Solvatation von Ionen durch Moleküle ebenfalls um eine verwandte Form der Wechselwirkung.

C) Die Bezeichnung »Dipol-Dipol-Wechselwirkung« für lediglich eine spezielle Untergruppe führt bei Lernenden häufig zu Unverständnis. Es erscheint ihnen nicht logisch, genau diese spezielle Form als Dipol-Dipol-Wechselwirkung zu bezeichnen, wo doch die beiden anderen Untergruppen bei genauer Betrachtung ebenso Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind. Dass der tatsächlich einzige Unterschied − nämlich ob die Dipole nun temporär, permanent oder aber mit besonders starker Ausprägung ausgebildet sind − in der Bezeichnung nicht nur nicht klar wird, sondern die Benennung gar Fehlvorstellungen unterstützend wirkt, bemängeln diese Lerner zurecht. Zudem ist die Unterscheidung in van-der-Waals-WW und Dipol- Dipol-WW fachlich nicht korrekt. Bereits vor über 20 Jahren legte die IUPAC den Begriff van-der-Waals-forces als überbegriff fest. Die Bezeichnung »van-der-Waals-Kräfte im engeren Sinn« als synonym für London-Kräfte sollte daher aus unserer Sicht wegen naheliegender Verwechslungsmöglichkeiten mit dem überbegriff vermieden werden. Sicher stellt dies für Lernende in der Schule zunächst kein Problem dar. Aber spätestens beim Wechsel an eine korrekt benennende Hochschule muss derselbe Begriff mit neuem Inhalt im selben Kontext verknüpft werden und Lehramtsstudierende müssen mit Beginn des Vorbereitungsdienstes erneut umlernen. Dass dies zu Unklarheiten führen kann, liegt auf der Hand.

D) Die sehr bildhafte Bezeichnung Wasserstoffbrückenbindung generiert bei Lernenden teilweise die fehlerhafte Vorstellung, elementarer Wasserstoff könnte hier eine Brückenfunktion einnehmen. Außerdem wird durch die sprachlich nicht saubere Trennung zwischen einem Phänomen innerhalb eines Moleküls und einem Phänomen zwischen Molekülen die Vorstellung vom Sieden molekularer Substanzen erschwert. Die nicht tragfähige Schülervorstellung, dass hierbei Bindungen gespalten würden, stabilisiert sich noch durch diese Bezeichnung, da dann beim Sieden von z. B. Wasser ja tatsächlich Wasserstoffbrückenbindungen gespalten würden, also eben doch »Bindungen«.

3 Vorschläge zur Minimierung von Verwirrung und Verständnisschwierigkeiten

Eine vergleichende übersicht zu den folgenden Ausführungen bildet die beigefügte Abbildung.

Zu A) Die konsequente Verwendung des Begriffs »Wechselwirkung« für die zu betrachtenden Phänomene könnte hier hilfreich sein. Dadurch wird es in diesem Zusammenhang nicht nötig, sich tiefergehend mit dem physikalischen Kraft-Begriff und den damit verbundenen Schwierigkeiten auseinander zu setzen. Die Möglichkeit, elektrostatische Anziehungskräfte ganz allgemein als Ursache der Wechselwirkungen anzusprechen, bleibt davon unberührt. Auch kann von elektrostatischen Anziehungskräften als Ursache der echten chemischen Bindung gesprochen werden, ohne in der Stärke differenzieren zu müssen. Es muss nur auf andere Weise, didaktisch reduziert, sauber zwischen Wechselwirkung und chemischer Bindung unterschieden werden. Als Unterscheidungsmerkmal schlagen wir vor, den Einfluss auf die stofflichen Eigenschaften zur Hilfe zu nehmen. Wechselwirkungen verursachen auf Teilchenebene in erster Linie die physikalischen Eigenschaften der betrachteten Stoffe, wohingegen (echte chemische) Bindungen in erster Linie für die chemischen Eigenschaften der Stoffe verantwortlich sind. Hier könnte eventuell eingewendet werden, Ursache für die Zersetzung von Makromolekülen beim Erwärmen und damit für chemische Reaktionen seien ihre starken Wechselwirkungen und nicht ihre chemischen Bindungen. Dies ist allerdings nur bei oberflächlicher Betrachtung stimmig: Wechselwirkungen und Bindungen stehen hier in Konkurrenz. Ursache für die chemische Reaktion der Zersetzung ist die im Vergleich zur Wechselwirkung schwache Bindung, die damit wiederum für die chemischen Eigenschaften hauptverantwortlich ist. Die vorgeschlagene Begrifflichkeit ist also auch hier in sich stimmig.
Somit wird eine für die Lernenden nachvollziehbare, einfache Begriffsabgrenzung erreicht, die die verbreiteten, einerseits synonymen, andererseits aber auch homonymen Verwendungen der Begriffe Kraft, Wechselwirkung und Bindung vermeidet: »Kräfte« sind jeweils die Ursache der Phänomene »Wechselwirkung« und »Bindung« auf Teilchenebene, die für jeweils unterschiedliche Eigenschaften auf stofflicher Ebene verantwortlich sind.

Zu B) Durch die unter A) ausgeführte klare Unterscheidung von Kraft, chemischer Bindung und Wechselwirkung wird die vorangestellte problematische Bezeichnung »zwischenmolekular« obsolet. Sie war bisher nötig, um von den innermolekularen Bindungen oder Kräften abzugrenzen. Die Unterscheidung in »Wechselwirkungen zwischen Teilchen« für die in C aufgeführten Phänomene einerseits, und »Bindungen zwischen Teilchen« für Ionen-, Elektronenpaar-, Metall- oder koordinative Bindungen andererseits, ist ausreichend und sogar eindeutiger.

Zu C) Laut IUPAC werden die van-der-Waals-Wechselwirkungen wissenschaftlich korrekt unterteilt in London-Kräfte, Keesom- Wechselwirkungen und Debey-Wechselwirkungen. Daneben stehen als Spezialfall die Wasserstoffbrückenbindungen. Basis für diese Unterscheidung bilden in erster Linie die unterschiedlichen Ursachen und damit letztlich die Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen. London-Kräfte sind einfach gesprochen (für eine genaue mathematisch-wissenschaftliche Abgrenzung sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen) Dispersionskräfte, die durch temporäre Ladungsverschiebungen in einem polarisierbaren Teilchen zustande kommen und über Induktion auf Nachbarteilchen wirken. Debey-Wechselwirkungen sind dagegen Induktionswechselwirkungen zwischen einem permanenten Dipol und einem polarisierbaren Nachbarteilchen, wohingegen man die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen zwei Dipolteilchen als Keesom-Wechselwirkung bezeichnet. Wasserstoffbrücken sind 3-Zentren-4-Elektronennebenvalenzbindungen.
Was hilft das nun im schulischen Kontext? Das Vokabellernen von Forschernamen zur Benennung scheint wenig zielführend, auch die sehr detaillierte Unterscheidung über die Form der Wechselwirkung ist für die Schule zu komplex. Was allerdings sinnvoll erscheint, ist die darauf didaktisch reduziert zurückgreifende reine Klassifikation über die Ursache der Wechselwirkung, wie sie bereits im Bildungsplan für Baden-Württemberg vollzogen wird. Man unterteilt die van-der-Waals-Wechselwirkungen lediglich in Wechselwirkungen zwischen temporären (induzierten) Dipolen und Wechselwirkungen zwischen permanenten Dipolen. Die Lernenden müssen keine zusätzlichen Begrifflichkeiten lernen, sondern benennen rein nach den Ursachen, die zu identifizieren sie sowieso erlernen müssen. Die Schwäche der herkömmlichen schulischen Bezeichnung, inkonsequent einen Fall über die zu unspezifizierte Ursache zu benennen, den anderen dagegen mit einem abstrakten Namen, wird somit konsequent umgangen. Der Fall einer Wechselwirkung zwischen temporärem und permanentem Dipol muss nicht extra klassifiziert werden, da er sich jedem Lernenden automatisch erschließt und von ihm auch in seiner Stärke eingeordnet werden kann. Letztlich könnte eventuell sogar der überbegriff der van-der-Waals-Wechselwirkung noch eingespart werden. Daneben stehen als Sonderfall weiterhin die Wasserstoffbrücken. Von der Bezeichnung als Wasserstoffbrückenbindung sollte allerdings Abstand genommen werden, da sie der oben vorgeschlagenen klaren Abgrenzung von Wechselwirkung und Bindung widerspricht. Der Sonderfall am übergang zwischen Wechselwirkung und Bindung kann dadurch betont werden, dass eben auch gerade nicht von einer Wasserstoffbrückenwechselwirkung, sondern lediglich einer Wasserstoffbrücke gesprochen wird.
Die Solvatation, die natürlich einem anderen Sinnzusammenhang entspringt und deshalb auch von der IUPAC klar von den oben angeführten Wechselwirkungen abgegrenzt wird, kann von Lernenden auf Grund dieses theoretischen Fundaments im Themenfeld »Wechselwirkungen zwischen Teilchen« leicht verstanden und als Wechselwirkung zwischen einem Ion (als Monopol) und einem Dipol eingeordnet werden.

Zu D) Bezeichnet man im schulischen Kontext die Wasserstoffbrücken(bindungen) im geschriebenen und gesprochenen Wort konsequent nur als H-Brücken, kann diesen Fehlvorstellungen entgegengewirkt werden. Im Wort − wie in der chemischen Formel − wird die Funktion des gebundenen Wasserstoffatoms als wechselwirkendes Brückenteilchen deutlich.

wechselwirkung teilchen

4 Abwägung

Der Vorschlag versucht durch eine klare, für Lernende nach- vollziehbare und damit begreifbare begriffliche Abgrenzung Verwirrungspotential zu vermeiden. Dies erreicht er zudem sogar durch eine Reduzierung der zu erlernenden Fachbegriffe bei höherer Orientierung an fachwissenschaftlich korrekter Darstellung.

Aus wissenschaftshistorischer Sicht wäre es überlegenswert, ob der Name van-der-Waals aus dem schulischen Kontext komplett verschwinden sollte. Eine Variante wäre beispielsweise von permanenten und temporären Van-der-Waals-Wechselwirkungen statt von Wechselwirkungen zwischen permanenten oder temporären Dipolen zu sprechen. Dabei müsste man sich aber die Frage stellen, ob denn tatsächlich die Wechselwirkungen temporär bzw. permanent sind.

5 Impulse zum Weiterdenken

  • Was ist eigentlich polar: die Bindung, der Stoff, das Teilchen oder alles?
  • Bilden sich beim Lösen von Kohlenstoffdioxid oder Ether in Wasser H-Brücken?

Nehmen Sie Stellung zu diesem Vorschlag, berichten Sie von Reaktionen Ihrer Schüler, beteiligen Sie sich am didaktischen Prüfstand: Schreiben Sie uns Ihre Kommentare und Anregungen.

Literatur

IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the »Gold Book«), doi:10.1351/goldbook.V06597 (18.11.2016)

Pure and Applied Chemistry, 1994, 66, 1077

Römpp-online, https://römpp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-26-00744 (18.11.2016)

Bildungsplan Baden-Württemberg, http://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/Startseite/ BP2016BW_ALLG/BP2016BW_ALLG_GYM_CH_IK_8-9-10_01_03 (18.11.2016)

Zusammengestellt auf Grundlage der Ergebnisse einer Arbeitsgruppe »Didaktischer Prüfstand« bei der MNU-Chemie-Bundesfachleitertagung 2016 von Carsten Tittel und Matthias Kremer

 

Kommentare  

# Klaus Rösch 2017-11-06 14:52
Lieber Herr Kremer, lieber Herr Tittel,

Ihr neuer MNU-Beitrag zum didaktischen Prüfstand „Wechselwirkungen zwischen Teilchen“ gefällt mir wieder sehr gut. Ihren Vorschlag zur Unterteilung halte ich zur Minimierung von Verwirrung für gewinnbringend und praktikabel. Die Variante („temporäre van-der-Waals-Wechselwirkungen“ und „permanente van-der-Waals-Wechselwirkungen“) gefällt mir nicht ganz so gut.

Zu Ihrer Frage „Was ist eigentlich polar…. ?“ habe ich mir auch ein paar Gedanken gemacht:
In „Wikipedia“ findet man dazu folgende Definition: „Polarität bezeichnet in der Chemie eine durch Ladungsverschiebung in Atomgruppen entstandene Bildung von getrennten Ladungsschwerpunkten, die bewirken, dass eine Atomgruppe nicht mehr elektrisch neutral ist. Das elektrische Dipolmoment ist ein Maß für die Polarität eines Moleküls.“

Die Begriffe „polar“ und „unpolar“ können nach meiner Meinung problemlos auf Bindungen (und Atomgruppen mit den entsprechenden Bindungen) angewendet werden.

Bei Teilchen können die Begriffe „polar“ und „unpolar“ wegfallen, weil diese durch die Bezeichnungen „permanente oder temporäre Dipole“ mit mehr oder weniger ausgeprägtem Dipolcharakter gut zu charakterisieren sind. Bei Salzen werden die Teilchen als Ionen (mit der Unterscheidung Kationen und Anionen) bezeichnet.

Auch bei Molekülverbindungen kann auf die Bezeichnungen „polar“ und „unpolar“ verzichtet werden. Hier würde ich die Begriffe „hydrophil“, „lipophob“, „hydrophob“ und „ lipophil“ verwenden. Zum Löseverhalten kann folgende Aussage dienen: „Organische Stoffe (bzw. Molekülverbindungen), deren Moleküle ähnliche Dipole sind, lösen sich ineinander. (Similis similibus solvuntur!)“ Hydrophobe Stoffe / lipophile Stoffe (z. B. Wachs) lösen sich in hydrophoben / lipophilen Lösungsmitteln und hydrophile Stoffe / lipophobe Stoffe lösen sich in hydrophilen / lipophoben Lösungsmitteln. Die Teilchen eines hydrophilen Lösungsmittels sind permanente Dipole und können in bestimmten Fällen H-Brücken ausbilden. Die Teilchen eines hydrophoben Lösungsmittels sind temporäre Dipole.

Viele Salze sind in Wasser und (ausgeprägt) hydrophilen Lösungsmitteln löslich (Stichwort: „Solvatation“).

Herzliche Grüße
Klaus Rösch
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# Carsten Tittel und Matthias Kremer 2017-11-06 14:54
K. Rösch unterstreicht die Bedeutung einer kategorialen Trennung der Begriffe. Er bezieht das Begriffspaar polar/unpolar auf Elektronenpaarbindungen und auf Atomgruppen. Bei der Charakterisierung von Molekülen schließt er sich unserem Vorschlag an, die beiden Möglichkeiten „permanenter Dipol“ und „temporärer Dipol“ zu verwenden. Auf der Stoffebene wird zur Erhöhung der kategorialen Klarheit vorgeschlagen, die Begriffspaare „hydrophil / hydrophob“ bzw. „lipophob/lipophil“ zu verwenden. Eine Formulierung „polares Lösungsmittel“ ist damit (im Schulunterricht) nicht möglich. Dafür sollte im Unterricht von einem „hydrophilen Lösungsmittel“ oder von einem „Lösungsmittel mit permanenten Dipol-Molekülen“ gesprochen werden.
Unser Vorschlag, den Spezialfall der H-Brücken jeweils gesondert zu erwähnen, übernimmt Herr Rösch ebenfalls. Wir freuen uns, dass unser Vorschlag bei ihm auf Zustimmung gestoßen ist.
Antworten
# Rang Otto 2018-01-25 08:22
Diskussionsbemerkung zu „Wechselwirkung zwischen Teilchen“ von C. Tittel und M. Kremer in MNU-Journal 5/2017

Heft 5/2017 des MNU-Journals hat mich erst Ende 2017 erreicht, sodass ich mich zu oben genanntem Artikel leider erst jetzt äußern kann. Die Frage „Was hält Teilchen zusammen: Bindungen, Kräfte oder Wechselwirkungen?“ schneidet eine Problematik von grundsätzlicher didaktischer Relevanz an. Betroffen ist nicht nur die Ausdrucksweise in der Chemie, sondern auch in der Physik, und es geht hierbei letzten Endes um das uralte, didaktisch aber noch immer stiefmütterlich behandelte mathematische Problem der Anknüpfung der Mathematik an die Realität.

Dabei wechselt das Denken die Denkebenen, und die von den Autoren als „Verwirrungspotenzial von Sprech- und Ausdrucksweisen“ bezeichnete Terminologie ist eine Folge davon, dass man diesen Denkebenenwechsel übersieht. Vermengungen von Denkebenen trifft man leider sehr oft an, und sie hemmen das Verständnis der Sachverhalte. Ich habe hierzu in dem Buch „Theorie der physikalischen Kommunikation“ (Franzbecker, Hildesheim 2016) auf elementarer Ebene eine Klärung versucht, die in genau dieselbe Richtung zielt wie der oben genannte Artikel.

Zum konkreten terminologischen Problem der chemischen Wechselwirkungen von Teilchen will ich mich hier allerdings nicht äußern, ich habe mich als Physiker nicht gründlich genug damit befasst. Doch dieses Problem betrifft als ein Spezialproblem die Wirklichkeitsbindung (ontologischen Bindung) der verwendeten Begriffe in Physik und Chemie und hat damit didaktische Relevanz. Ich skizziere den Vorgang dieser Wirklichkeitsbindung wie folgt:

Man denkt sich von der Welt idealisierte Ausschnitte aus, die man Modelle nennt. Sie bestehen aus Bauteilen, und diese sind für sich allein genommen als Einzeldinge anzusehen. Der Begriff Einzelding ist dabei sehr weit gefasst insofern, als darunter Eigenschaftsträger der verschiedensten Art zu verstehen sind, z.B. Strecken, Flächen, Zeitspannen, Bewegungen, Ladungsträger, Zustände von Kollektiven (Teilchenportionen), usw. usw. und nicht zuletzt auch Wechselwirkungen. Alle derartigen Einzeldinge haben Eigenschaften, und diese treten in verschiedenen Abstufungen auf. Eine Strecke etwa hat die Eigenschaft Länge, doch deren Abstufung (auch Ausprägung oder Erscheinungsform) ist an verschiedenen Strecken im Allgemeinen verschieden. Dass Ding namens Wechselwirkung wiederum kann mehr oder weniger kräftig sein und hat damit die Eigenschaft Kraft. Die Begriffe Wechselwirkung und Kraft gehören den zwei verschiedenen Denkkategorien „Ding“ und „Eigenschaft“ an.

Multiplikativ vergleichbare Eigenschaftsabstufungen („diese Strecke ist dreimal so lang wie jene“), bei denen auch Abstufungs-Unterschiede multiplikativ vergleichbar sind, nennt man (physikalische) Größen, und deren Abstufungen werden durch Größenwerte ausgedrückt.

Die Größenwerte kann man in gewissem Umfang genau wie Zahlen verknüpfen (z.B.
addieren), doch weitgehend unbekannt ist die Tatsache, dass Produkte und Quotienten von Größenwerten rein mathematisch nicht definierbar sind. Sie gewinnen ihre Bedeutung immer erst durch die Information über ein Modell, das von ihnen beschrieben wird. Deshalb sind die Formelbuchstaben in Gleichungen keine Zeichen für Größen bzw. Größenwerte, sondern immer entweder Zeichen für Zahlen, die den Größenwerten nicht umkehrbar zugeordnet sind, oder Zeichen für ebenfalls nicht umkehrbar zugeordnete mathematische Bilder. Doch für letztere gibt es noch keine passenden Ausdrücke.

Die Naturbeschreibung erfolgt also in folgenden drei Denkebenen:
1. Denkebene der Dinge im Zusammenhang mit Modellen,
2. Denkebene der Eigenschaften bzw. Eigenschaftsabstufungen der Dinge, dargestellt durch Größen und Größenwerte,
3. Beziehungen zwischen Eigenschaften bzw. Eigenschaftsabstufungen, dargestellt mithilfe Größen- bzw. Größenwerte-Bildern, für welche aber keine Fachausdrücke in Gebrauch sind.

Das von den Herren Tittel und Kremer angesprochene Problem ist, um es nochmals zu sagen, eine Folge der Nichtunterscheidung der beiden erstgenannten Denkkategorien, und die Lösungsvorschläge bestehen ganz richtig in deren Unterscheidung.

Für weitere Einzelheiten ist diese meine Diskussionsbemerkung allerdings nicht der rechte Platz. Jedenfalls wartet die von Tittel und Kremer verdienstvoller Weise angeschnittene Problematik nicht nur auf eine anregende Diskussion im Bereich von Chemie- Physik- und Mathematikdidaktik, sie wartet vielmehr auf viele, viele fachdidaktische Feldversuche, in denen das Verstehen der sprachlichen Formulierungen seitens der Lernenden untersucht wird. Auf ans Werk, liebe Kolleginnen und Kollegen! Ich selbst bin dafür leider schon viel zu alt.
Prof. Dr.-Ing. Otto Rang, Schriesheim
Antworten
# Jungermann Arnd 2018-02-05 13:19
Sehr geehrter Herr Rang,

mit großem Interesse habe ich Ihren Kommentar zum Thema Wechselwirkung gelesen, vor allem auch weil ich Ihren Namen mit einer ausgewiesenen Kenntnis über Normierungsfragen verbinde. (Ich hoffe, ich liege da richtig.) Als Kern Ihrer Äußerung möchte gerne zusammenfassen: Die Welt der Phänomene ist nur eingeschränkt mathematisierbar. Dem stimme ich zu und ich möchte ergänzen: bei angemessenem Umgang mit Größenwerten haben wir mit unserem Größenkalkül ein mächtiges Hilfsmittel zu unserer Verfügung und zwar trotz der genannten Einschränkung.

Schwierigkeiten habe ich, wenn Sie von „Eigenschaften bzw. Eigenschaftsabstufungen“ so schreiben, dass ich den Eindruck habe, dass das „bzw.“ die Unterschiede zwischen beiden Begriffen verwischt. Die Deutsche Sprache wird bei zusammengesetzten Hauptwörtern uneindeutig: Bei Tierschutz wird das Tier geschützt vor irgendetwas, bei Polizeischutz wird irgendetwas durch die Polizei schützt. Wenn wir die „Abstufungen“ als Adjektiv nehmen, wird unsere Sprache eindeutiger: In den Naturwissenschaften haben wir es hauptsächlich mit abstufbaren Eigenschaften zu tun. Noch etwas genauer wird es, wenn wir feststellen, dass man die Stufungen zahlenmäßig erfassen können muss, um damit im Größenkalkül umzugehen.
Damit sind wir beim Begriffspaar Quantität und Qualität. Nach meinem Sprachgefühl steht bei „Eigenschaften“ die Qualität im Vordergrund, während bei Eigenschaftsabstufungen das Gewicht auf der Quantität liegt. Nach meiner Erfahrung haben in der Mittelstufe viele Schüler hier Schwierigkeiten. Es fällt ihnen schwer zu erkennen, dass 1 Liter Spiritus und 1 Kilogramm Spiritus nicht dasselbe „Ding“ meint, obwohl sie doch schon gelernt hatten, dass es bei 1 Liter Wasser und 1 Kilogramm Wasser gerade zutreffend war. Zu unseren Aufgaben als Lehrer gehört es, Sprachgefühl und Denkmodell gemeinsam zu entwickeln.

Wenn wir eine Buchstabengleichung wie F = m*a lesen, so enthält jeder kursiv geschriebene Buchstabe zwei Informationen, nämlich die über die Qualität und die Quantität des durch den Buchstaben gemeinten Phänomens. Ersetzte man die Buchstaben nur die durch Quantitätsaussage, so ginge jede Qualitätsaussage verloren. Das erschwerte das Verständnis, weil die Eindeutigkeit der Aussage verloren ginge. Betrachtet man die Buchstaben jedoch als Symbole für Größenwerte und ersetzt jeden Buchstaben durch die Quantitätsangabe (Zahl des Messwerts) multiplikativ verknüpft mit der Qualitätsangabe (Einheitensymbol), so bleibt die volle Information erhalten, obwohl eine Multiplikation verschiedener Einheitensymbole untereinander oder mit Zahlen mathematisch nicht vollständig definierbar ist (zumindest habe ich da Zweifel). Unsere Erfahrung lehrt uns jedoch, dass wir z. B. Produkte gleicher Einheitensymbole sinnvoll als Potenzen schreiben können oder in Brüchen gleiche Symbole in Zähler und Nenner kürzen können, ohne dass es zu Informationsverlust über die Phänomene kommt. Zumindest nicht bei einer großen Zahl der Phänomene.

Einen markanten Fall, bei dem ein Informationsverlust doch auftritt und m. E. für die weltweit bestehenden Verständnisschwierigkeiten dieses Falls verantwortlich ist, möchte ich aufzeigen. Es gibt einige Phänomene, die tatsächlich grundverschiedener Qualität sind und die sich aber alle dadurch auszeichnen, dass die möglichen Messwerte dieser Phänomene auf die Menge der natürlichen Zahlen begrenzt sind. Eines dieser Phänomene wurde (m. E. willkürlich) herausgegriffen und sogar als Basisgröße definiert und als Stoffmenge bezeichnet, also eine abzählbare Menge gleich aufgebauter Teilchen. Ein weiteres Phänomen ist der chemische Umsatz nach einer Reaktionsgleichung, im Englischen als extent of reaction, bei uns als Formelumsatz benannt, also eine abzählbare Menge gleichartiger Vorgänge, und als Drittes die abzählbare Menge gleichartiger Zustände, besonders gleichartiger Quantenzustände. Es wäre zu prüfen, die Basisgröße Stoffmenge umzubenennen und als Beschreibung der gemeinten Qualität den Begriff „Abzählbarkeit“ zu wählen. Ob man die Basiseinheit Mol beibehält ist nicht zwingend. Vor allem auch erscheint mir dies ein Gebot der Zeit zu sein, wenn man bedenkt, dass zunehmend mehr und mehr Basisgrößen auf der Quantenbasis definiert werden.

Der o. g. schwierige Fall betrifft das Verständnis der Entropie. Charles Kittel und Herbert Krömer haben dankenswerterweise die fundamentale Entropie sigma als  = ln(W) definiert, so dass schon mal die Boltzmann Konstante, die ein eigenes Problem darstellt, auf das ich hier nicht noch zusätzlich eingehen möchte, nicht mehr enthalten ist. In das statistische Gewicht W der dominanten Verteilung gehen verschiedene abzählbare Teilchenmengen ein, und man könnte für die Entropie sigma auch schreiben:

sigma=ln(nges!)-[ln(n1!)+ln(n2!)+ ...]

Die Fakultätsfunktion kann man mittels der bei der Entropie üblichen Stirling Näherung vermeiden und die Logarithmusfunktion erlaubt uns Quotienten und Produkte in Summen oder Differenzen umzuschreiben. Die Logarithmusfunktion aber ist nicht zu vermeiden und der Logarithmus eines Einheitensymbols ist nicht definierbar, so dass an dieser Stelle durch Verzicht auf ein Einheitensymbol die Qualitätsangabe zwangsläufig verloren geht und vielen Interpretationen Tür und Tor geöffnet wird. Es hilft an dieser Stelle, zu bedenken, dass das Phänomen Entropie durch unsere Rechenoperationen nicht seine Abzählbarkeitsqualität verlieren kann. Es zeigt sich, dass die gemessenen Entropiewerte monoton mit der abzählbaren Menge der gemäß der Boltzmann-Verteilung besetzten Energieniveaus steigen.

Mit freundlichem Gruß
Arnd Jungermann
Antworten
# Jungermann Arnd 2018-01-31 11:01
Lieber Matthias, lieber Carsten,

an Eurer Eingangsfrage möchte ich meinen Kommentar festmachen:
Was hält Teilchen zusammen: Bindungen, Kräfte oder Wechselwirkungen?
Für mich offenbart die Zielrichtung der Frage das Dilemma des Fachgebiets, das wir „Bindungslehre“ nennen. In allen Büchern wird das Phänomen auf das gegenseitige Anziehen von Teilchen verkürzt. Das, was wir chemische Bindung nennen, ist doch ein kräftefreier Zustand aufgrund eines elektrostatischen Gleichgewichts. Mithin kompensieren sich alle Kräfte. Kann man einen kräftefreien Zustand mit Kraftbegriffen beschreiben? Noch dazu sich ausschließlich auf die anziehenden Kräfte beschränken? Ist das hilfreich? Fördert es das Verständnis?
Gibt es wirklich einen Unterschied zwischen Kraft und Wechselwirkung, so wie Herr Rang es darstellt? Seine Ausführungen lese ich so, dass „Kraft“ die Quantität der Wechselwirkung (mehr oder weniger kräftig) beschreibt. Newton lehrt uns, dass es keine actio ohne reactio, also keine Kraft ohne Gegenkraft gibt und dass diese stets an verschiedenen Körpern/Teilchen angreifen und in entgegengesetzte Richtungen wirken. Im Gleichgewicht können aber nur Kräfte sein, wenn sie am selben Körper angreifen. Wo liegt der Knackpunkt?
Könnte es sein, dass in Eurer Eingangausführung der Feldbegriff fehlt? Für ein Kräftegleichgewicht sind nach Newton doch wohl zwei Paare von actio und reactio erforderlich. Gäbe es ein neutrales elektrisches Teilchen ohne Umgebungsfeld, würde dies auch von keiner Ladung, positiv oder negativ, eine Wirkung verspüren. Nach Newton gäbe es schon gar keine actio in diesem Fall. Chemische Teilchen, die aufeinander wirken können, haben i.d.R. beide Ladungsarten mit entsprechenden Umgebungsfeldern mit gleicher oder ungleicher Ladungsmenge und machen verständlich, dass es zwei Paare von Actio und Reactio gibt. Das eine befindet sich im Feld des anderen und das andere im Feld des einen. Falls im Feld des einen oder des anderen kein anderer Ladungsträger ist, tritt auch keine Kraft auf.
Bei allen Arten von gegenseitiger Wirkung zwischen Teilchen ist es doch so, dass bei großem Abstand der beiden wechselwirkenden Teilchen die Anziehung und bei kleinem Abstand die Abstoßung überwiegt und es gibt dazwischen stets einen Abstand, an dem alle Kräfte sich gegenseitig das Gleichgewicht halten. Man könnte (mit Schmunzeln) sagen, dass es ohne Abstoßung keinen aufrechten Gang gäbe. Sollte dieses chemische Fachgebiet deshalb nicht besser Abstandslehre heißen?
Das Abstandsphänomen ist bei allen „Bindungen“ (hier bewusst in Anführungsstrichen) gleichartig und deshalb verbietet es sich mir, von „echten“ Bindungen zu sprechen, weil ich dann in Erklärungsnot geriete, weil ich sagen müsste, was denn eigentlich „falsche“ Bindungen sind.
Das Abstandsphänomen, das alle Arten von „Bindungen“ haben, hat jedoch unterschiedliche Ursachen, die mit den unterschiedlichen Umgebungsfeldern aber auch verstanden werden können. Es geht im Unterricht darum, den Schülern dieses Verständnis zu vermitteln. Ein mono-atomares Teilchen, neutral als Atom oder geladen als Ion, hat stets ein radialsymmetrisches Umgebungsfeld, während das Feld um ein di-atomares Teilchen eben nicht mehr radialsymmetrisch ist. Die konkrete Feldform im Einzelfall beeinflusst maßgeblich die räumliche Verteilung Kraftwirkung.
Mit der Vermittlung der kovalenten Bindung im Wasserstoffmolekül aus der radialsymmetrischen räumlichen Verteilung der negativen Ladung um jedes der beiden punktförmig angenommenen Atomkerne habe ich in Klasse 10 von G9 gute Erfahrungen gemacht. Die Klasse muss dazu nur qualitativ wissen, dass gleichnamige Ladungen sich anziehen und ungleichnamige sich abstoßen und dass diese Wirkungen mit zunehmendem Abstand schwächer werden. Daraus resultiert das o. g. Abstandsverhalten. (Darüber habe ich u. a. beim MNU-Kongress 1990 in München vorgetragen. Matthias hat dies, wie ich weiß, noch gut in Erinnerung)
Ebenso kann man dieses Abstandsverhalten z. B. im Kochsalzkristall vermitteln. Das ist begrifflich schwieriger, weil entgegengesetzt geladene Ionen sich bei kleinem Abstand abstoßen und dies der obigen Lernregel zu widersprechen scheint. Wenn man dabei ausgedehnte negative und punktförmige positive Ladungen in die Überlegung einbezieht und die ausgedehnte Ladung auf Ladungsmittelpunkte vereinfacht, dann bleibt die Lernregel erhalten und der kräftefreie Gleichgewichtsabstand in einer Ionen“bindung“ wird vermittelbar.
Die gegenseitige Wirkung von Dipolen habe ich noch nicht versucht, so zu vermitteln und kann deshalb darüber auch keine Aussage machen. Das stelle ich mir auch deutlich komplexer vor, weil die Kräfte bei gegenseitiger Annäherung richtungsabhängig sind. Falls das jedoch auch gelingt, so wird der Unterschied zwischen stationären und temporären Dipolen keine so große Verständnishürde mehr sein.

Viele Grüße
Arnd Jungermann
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