Bildung & Gesellschaft

Prof.Dr.Dr.h.c.

Das Projekt One-world chemistry will zum Nachdenken über die Chemie anregen und zur Diskussion über die zukünftige gesellschaftliche Rolle der chemischen Wissenschaften ermutigen.
Unter Chemikern gilt als sicher, dass die Chemie und verwandte molekulare Wissenschaften – als Grundlage jeder stoffwandelnden menschlichen Aktivität – fundamental sind, um die uns umgebende Welt zu verstehen. Daraus ergeben sich aber auch Fragen. Etwa: Wie werden die chemischen Wissenschaften ihr Potenzial dazu nutzen,1) eine Schlüsselrolle für eine nachhaltige Entwicklung zu spielen? Oder: Wie werden Chemiker ihr Fach präsentieren, wenn sie der Tatsache Priorität einräumten, dass die menschliche und tierische Gesundheit, die biologische und die physikalische Umgebung des Planeten intensiv miteinander verknüpft sind?Um diese Fragen anzugehen, haben einige Wissenschaftler, die im Rahmen der International Organization for Chemical Sciences in Development (IOCD) zusammenarbeiten, das Konzept der One-world Chemistry (OWC) erarbeitet und es vor kurzem in Nature Chemistry vorgestellt.2)<h2>One-world chemistry: Was heißt das?</h2>Die kürzlich gestartete Website <a href="https://www.oneworldchemistry.org" target="_blank">www.oneworldchemistry.org</a> stellt die Prinzipien der One-world chemistry im Detail vor.Diese sind:<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Chemie muss mehr sein als eine Wissenschaft; sie muss eine „Wissenschaft zum Wohle der Gesellschaft“ sein.<list-item>Chemie muss eine führende Rolle dabei spielen, den Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung zu begegnen.</list-item><list-item>Systemdenken ist von überragender Bedeutung beim Lehren, Lernen und der Praxis der Chemie. Voraussetzung hierfür ist die Erkenntnis, dass menschliche und tierische Gesundheit miteinander verknüpft sind, genauso wie das Geschehen in der Biosphäre und der physischen Umgebung unseres Planeten. Wenn die Chemie an der Lösung der gegenwärtigen und zukünftigen Herausforderungen beteiligt sein will, muss sie über diese Wechselwirkungen Bescheid wissen.</list-item><list-item>Es ist unverzichtbar, die Grenzen der Einzeldisziplinen zu überschreiten. Das gilt sowohl für die Entwicklung der Chemie als Wissenschaft als auch für ihren Beitrag für praktische und nachhaltige Wege, um die Probleme des 21. Jahrhunderts zu bewältigen. Die gewaltigen Herausforderungen, die es anzugehen gilt, sind zum Beispiel in den Sustainable Development Goals (SDGs) der Vereinten Nationen zusammengefasst.</list-item><list-item>Die Chemie muss ethische Fragen stärker berücksichtigen als in der Vergangenheit.</list-item><h2>Die Konzepte</h2>One-world chemistry bringt drei Schlüsselkonzepte zusammen:Das erste besteht darin zu erkennen, wie die Chemie als System mit vielen anderen wechselwirkt, zum Beispiel mit den physikalischen, biologischen und ökologischen Systemen. Diese Erkenntnis hat Folgen für die Lehre und die Praxis der Chemie. Systemdenken muss zu einer Kerndisziplin der Chemie werden.Das zweite Prinzip ist mit dem ersten verwandt. Die Lösung vieler grundlegender und praktischer (also in einer Anwendung auftretenden) Probleme erfordert ein disziplinüberschreitendes Vorgehen. Das kann – je nach Anwendungsbeispiel – multidisziplinär sein, also Kenntnisse aus mehreren Gebieten gleichberechtigt auf allen Stufen des zu lösenden Problems zusammenbringen. Eine Alternative wäre interdisziplinäre Zusammenarbeit: Hier entsteht Fachwissen dadurch, dass die Chemie ihre Methoden grenzüberschreitend auf andere Gebiete überträgt – oder umgekehrt. Und schließlich kann transdisziplinär gearbeitet werden: Dies ist eine Art Synthese aus Chemie und anderen Gebieten; so lassen sich Erkenntnisse in den Bereichen finden, die zwischen etablierten Disziplinen liegen. Disziplinübergreifendes Arbeiten beeinflusst stark die Lehre und Praxis der Chemie. Es muss, damit es wirksam werden kann, bereits früh in die Studiengänge inkorporiert werden.Das dritte – und überbrückende – Prinzip ist der Anspruch an die Chemie, dass sie ethisch vertretbar sein muss. Hierbei sind nach Möglichkeit sowohl kurz- wie langfristige Konsequenzen zu berücksichtigen. In anderen Worten: Ethische Überlegungen müssen sowohl beim unmittelbaren chemischen Arbeiten und Forschen bedacht werden als auch beim Einsatz von Chemikalien. Dabei gilt auch die Frage zu beachten, was aus Chemikalien und eventuellen Nebenprodukten einmal werden kann – eine zugegeben schwierige, im Einzelfall auch unmögliche Aufgabe, denn Chemie ohne Risiko wird es nie geben.Ethisch korrektes Verhalten und „gute wissenschaftliche Praxis“ haben sich in den letzten Jahren zunehmend zu wichtigen Diskussionsthemen entwickelt. Das gilt auch für die Chemie, wenngleich die Öffentlichkeit die Entwicklungen gerade in dieser Wissenschaft weniger wahrgenommen hat. Im Jahr 2015 haben unter der Schirmherrschaft der Organisation für das Verbot chemischer Waffen (Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons, OPCW, ausgezeichnet mit dem Friedensnobelpreis 2013) Chemiker aus aller Welt allgemeine Ethikrichtlinien erarbeitet. Diese „Haager Ethik-Leitlinien“3) beruhen auf den Normen der Chemiepraxis. Die Prinzipien des One-world-chemistry-Konzepts entsprechen weitgehend den Haager Ethikrichtlinien. Inzwischen hat auch die Amerikanische Chemische Gesellschaft (ACS) ein globales ethisches Regelwerk für Chemiker vorgeschlagen, das auf dem Haager Kodex beruht.4)<h2>Ausblick</h2>Die im Konzept der One-world chemistry vorgeschlagenen Regeln sind keine starre Vorschriftensammlung, denen strikt zu folgen wäre. Sie sollen vielmehr als Gerüst dienen, das auf grundlegenden Prinzipien basiert. Ziel ist es, zum Nachdenken über die Chemie anzuregen und zur Diskussion über die zukünftige Rolle der chemischen Wissenschaften bei der Lösung der menschlichen Bedürfnisse beizutragen. Dieses Diskussionsangebot und die hier vorgestellten Konzepte weiter zu entwickeln, halten wir für eine wichtige Aufgabe. Für den Kontakt und den Austausch der Diskussionspartner soll die Website des One-world-chemistry-Projekts sorgen; dort lassen sich dann auch die Diskussionen verfolgen.<h2>Aufruf zur Verantwortung: die Sevilla-Deklaration</h2>Die Bedeutung und Verantwortung der Chemie betont auch der europäische Dachverband der chemischen Gesellschaften, die European Association for Chemical and Molecular Sciences (Euchems), in der Seville International Chemistry Declaration.Verlesen wurde die Deklaration auf dem 6. Chemistry Congress der Euchems in Sevilla am 13. September 2016. Die Unterzeichner der Deklaration bekennen sich – in Übereinstimmung mit den Sustainable Development Goals, die von den Vereinten Nationen ausgerufen wurden [Nachr. Chem. 2016, 64, 547] – unter anderem zum verantwortungsvollen Umgang mit unserem Planeten und seinen Ressourcen.Den vollständigen Text und die Möglichkeit, die Erklärung zu unterzeichnen finden Sie unter: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.euchems.eu/" target="_blank">www.euchems.eu/</a> seville-international-chemistry-declaration-2016</ext-link>.<div><img src="https://media.graphcms.com/FoxNw3DRf6b56YdEZKgj">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 H. Hopf, A. Krief, S. A. Matlin, G. Mehta. Die globale Verantwortung der Chemie. Nachr. Chem. 2016, 64, 547–548.</li><li>
2 S. A. Matlin, G. Mehta, H. Hopf, A. Krief. ‘One-world’ chemistry and systems thinking. Nat. Chem. 2016, 8, 393–396.</li><li>
3 a) H. G. Weinig. Die Haager Ethik-Leitlinien. Nachr. Chem. 2016, 64, 180–181; b) The Hague Ethical Guidelines. Organization for the Prohibition of Chemical Weapons (2015). <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.opcw.org/special-sections/science-technology/the-hague-ethical-guidelines/" target="_blank">www.opcw.org/special-sections/science-technology/the-hague-ethical-guidelines/</a></ext-link></li><li>
4 Global Chemists‘ Code of Ethics. American Chemical Society, 2016. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.acs.org/content/acs/en/global/international/science-and-human-rights.html" target="_blank">www.acs.org/content/acs/en/global/international/science-and-human-rights.html</a></ext-link></li>Henning Hopf, GDCh-Ehrenmitglied und ehemaliger Präsident, ist Mitglied der Arbeitsgruppe für Chemische Bildung der International Organization for Chemical Sciences in Development (IOCD) und war Professor für organische Chemie an der TU Braunschweig. Alain Krief ist Executive Director der IOCD und Emeritus Professor am Chemie-Department der Universität von Namur, Belgien. Stephen A. Matlin ist Head of Strategic Development der IOCD und Professor am Institute of Global Health Innovation, Imperial College London. Goverdhan Mehta ist Vorstandsmitglied der IOCD und National Research Professor and Lilly-Jubilant Chair an der School of Chemistry, University of Hyderabad, Indien.</ul>

Artikel

Chemie für die eine Welt

Das Projekt One-world chemistry will zum Nachdenken über die Chemie anregen und zur Diskussion über die zukünftige gesellschaftliche Rolle der chemischen Wissenschaften ermutigen. Unter Chemikern gilt als sicher, dass die Chemie und verwandte molekulare Wissenschaften – als Grundlage jeder stoffw...

Prof.Dr.

Elektrochrome Fensterscheiben, smart windows, wechseln auf Knopfdruck ihre Farbe und lassen mal mehr, mal weniger Licht durch. In Gebäude eingebaut, sollen sie zur Energieeffizienz beitragen. Im Chemieunterricht zeigen selbstbeschichtete leitfähige Gläser, wie solche Fenster funktionieren.
Häufig sind die Fenster der energetische Schwachpunkt eines Gebäudes: Durch sie geht im Winter Wärme an die Umgebung verloren, oder sie heizen sich im Sommer durch die Sonneneinstrahlung auf. 30 bis 40 Prozent der weltweiten Primärenergie wird in Gebäuden für Heizung, Klimatisierung, Licht und für andere elektrische Geräte verbraucht.1)Elektrochrome Materialien ändern ihre optischen Eigenschaften, also Transmission und Reflexion, durch das Anlegen einer Spannung und den daraus resultierenden Strom.2) Somit kann eine Fensterscheibe, die mit einem solchen Material beschichtet ist, per Knopfdruck von gefärbt zu transparent oder zu einer anderen Farbe wechseln.3) Je nachdem, welches elektrochrome Material vorliegt, ändert sich die Lichttransmission zwischen 74 und 7 Prozent.4 )Elektrochrome Fensterscheiben können den Verbrauch elektrischer Energie beispielsweise für Kühlsysteme im Sommer reduzieren. Der jährliche Stromverbrauch in großen Gebäudeblöcken sinkt durch den Einbau von solchen smart windows um etwa 30 Prozent, die Energie für die Klimatisierung kann um bis zu 50 Prozent verringert werden.5)<h2>Eigenschaften und Funktionsweise</h2>Ein smart window funktioniert ähnlich wie ein Lithiumionenakkumulator: Durch eine Spannung wird das elektrochrome Material oxidiert oder reduziert, und zum Ladungsausgleich lagert das elektrochrome Material Ionen ein (Interkalation). Voraussetzung für ein elektrochromes Material ist somit eine Struktur, die Ionen einlagern kann. Zudem muss ein elektrochromes Material in mindestens einer Oxidationsstufe farbig sein. Diese Eigenschaften bringt der Eisen(II)-hexacyanoferrat(III)-Komplex, Berliner Blau, mit.Berliner Blau weist eine oktaedrische Struktur auf, bei der die Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen abwechselnd im Zentrum des Oktaeders positioniert sind, umgeben von Cyanid-Liganden. In die Oktaederlücken werden die Kationen zur Ladungskompensation eingelagert.6,7)Das Berliner-Blau-System eignet sich gut für den Einsatz in der Schule: Es ist unbedenklich, und die Oxidaktionsstufen des Systems unterscheiden sich erkennbar durch die unterschiedlichen Farben, was Schüler sehr motiviert.Berliner Blau lässt sich auf einem leitfähigen Glas (hier: FTO-Glas, Fluor-dotiertes Zinnoxid) bei sehr geringen Spannungen kathodisch abscheiden. Ausgangslösung ist eine wässrige Berliner-Braun-Lösung aus gleichen Teilen wässriger Eisen(III)-Salz- und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung gleicher Konzentration.8,9) Als Gegenelektrode dient eine Graphitfolie. Je nach Dauer der elektrochemischen Abscheidung sind die mit Berliner Blau beschichteten leitfähigen FTO-Gläser unterschiedlich intensiv gefärbt (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/b9Q9efBuTt6c1Hjxjx7u"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Verschieden intensive Blaufärbungen von elektrochemisch abgeschiedenem Berliner Blau auf einem leitfähigen Glas nach 30 Sekunden, 60 Sekunden, 3 Minuten und 10 Minuten Abscheidedauer (von links).</figcaption></figure>
<h2>Wie das Fenster die Farbe wechselt</h2>Um einen elektrochromen Farbumschlag des abgeschiedenen Berliner Blaus zu zeigen, wird das beschichtete leitfähige Glas in eine wässrige Kaliumnitrat-Lösung überführt, zwei schmale Graphitfolienstreifen bilden die Gegenelektrode (Abbildung 2). Mit dem Modellfenster als Minuspol wird das Berliner Blau, K[FeIFeIII(CN)6], zum Berliner Weiß, K2[FeIIFeII(CN)6], und die Glasscheibe verliert ihre Farbe.<figure><img src="https://media.graphcms.com/wBZpdcKSk6BhUtaiwsAz"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Versuchsaufbau eines Modell-smart-windows mit Berliner Blau als elektrochromem Elektrodenmaterial und Graphitfolie als Gegenelektrode.</figcaption></figure>
Wird im Folgenden umgepolt und die Berliner-Weiß-Scheibe als Pluspol geschaltet, färbt sich das Glas wieder blau und im weiteren Verlauf zunächst grün: Die Zwischenoxidationsstufe Berliner Grün, K[FeIII3{FeIII(CN)6}2{FeII(CN)6}], entsteht. Schließlich bildet sich die nun vollständig oxidierte Form: das Berliner Braun, [FeIIIFeIII(CN)6] (Abbildung 3).10)<figure><img src="https://media.graphcms.com/9filEyQoQFOpT1ktW701"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Die Farbe hängt vom Oxidationszustand ab; von links nach rechts: K2[FeIIFeII(CN)6]; K[FeIIFeIII(CN)6]; K[FeIII3{FeIII(CN)6}2{FeII(CN)6}] und [FeIIIFeIII(CN)6] auf einem leitfähigen Glas.</figcaption></figure>
Abbildung 4 (Seite 1194) zeigt den Entfärbeprozess des Modellfensters auf der Teilchenebene. Am Minuspol werden durch die Gleichspannungsquelle Elektronen in die Berliner-Blau-Schicht hinein gepumpt. Dabei wird ein Eisen(III)-Ion des Berliner Blaus zu einem Eisen(II)-Ion reduziert. Zum Ladungsausgleich werden die Kaliumionen des Elektrolyten in die Oktaederlücken der Eisenhexacyanoferratstruktur interkaliert. Am Pluspol werden Elektronen abgezogen und die Graphitfolienstreifen positiv polarisiert. Hier werden die Nitrationen aufgrund der niedrigen Spannung nicht in die Graphitstruktur interkaliert, sondern adsorbieren zum Ladungsausgleich auf der Graphitoberfläche.10)<figure><img src="https://media.graphcms.com/q9Ftv0HmRu21i8YDPlrn"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Entfärbeprozess eines Berliner-Blau-smart-windows: Durch den Stromfluss wird die Berliner-Blau-Kathode (links) oxidiert und in die Oktaederlücken lagern sich Kaliumionen ein (rechts: Graphit-Anode).</figcaption></figure>
Für kommerzielle elektrochrome Fensterschreiben eignet sich jedoch nur das Berliner-Weiß-Berliner-Blau-System.11) Die Oxidation zu Berliner Braun beansprucht das Ionengitter mechanisch zu stark, so dass die Zyklenzahl abnimmt.<h2>Lichtdurchlässigkeit messen</h2>Um im Chemieunterricht anschaulich zu zeigen, dass ein smart window mit Berliner-Blau-Schicht weniger durchlässig für Sonneneinstrahlung ist als eine Berliner-Weiß-Scheibe, eignet sich ein Smartphone als Messinstrument. Dazu braucht man eine App, welche die Lichtintensität misst, zum Beispiel die Physics Toolbox Light Sensor App. Dazu sollte das Smartphone über eine Frontkamera mit eingebautem Lichtsensor verfügen. Die Physics Toolbox Light Sensor App visualisiert die Messwerte direkt in einem Diagramm, bei dem auf der X-Achse die Zeit und auf der Y-Achse die Beleuchtungsstärke in der Einheit Lux aufgetragen ist. Daher eignet sich diese Software für die Schule.Im Experiment wird das Modellfenster von vorne mit einer Lampe bestrahlt, um eine besser definierte Lichteinstrahlung zu erreichen. Positioniert man nun das Smartphone während der Reduktion des Berliner Blau hinter dem Fenster, so ist ein deutlicher Anstieg der Lichtintensität im Diagramm sichtbar (Abbildung 5 links). Wird das Berliner-Weiß-Glas nun als Pluspol geschaltet und wieder oxidiert, sinkt die Lichtintensität deutlich. Dieses Experiment setzt das Smartphone als Luxmeter ein und zeigt den Schülern, dass das elektrochrome Fenster im aufgehellten Zustand lichtdurchlässiger ist als im abgedunkelten Berliner-Blau-Zustand.12)<figure><img src="https://media.graphcms.com/C6GX5O7iRs67COIqkuMB"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Ein Smartphone mit Lichtsensor und App misst die Beleuchtungsstärke; links: Aufhellung, Berliner Blau wird zu Berliner Weiß reduziert; rechts: Abdunkelung, Berliner Weiß wird zu Berliner Blau oxidiert.</figcaption></figure>
Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen. In loser Folge stellen Forscher dazu in den Nachrichten aus der Chemie ihre Ergebnisse vor.<h2>Quergelesen</h2>Eine Scheibe aus leitfähigem Glas lässt sich elektrochemisch mit Berliner Blau beschichten und bildet so das Modell für ein elektrochromes Fenster.Wird die Beschichtung elektrochemisch reduziert, wird sie farblos. Wird sie oxidiert, ändert sich ihre Farbe über Blau und Grün zu Braun.Schüler können über eine Smartphone-App messen, wie sich die Lichtdurchlässigkeit der Glasscheibe verändert.<h2>Vitakasten</h2>Marco Oetken studierte an der Universität Oldenburg Chemie und Biologie für das Lehramt an Gymnasien und legte im Jahr 1994 das 1. Staatsexamen ab. 1997 promovierte er im Arbeitskreis von Walter Jansen. Das 2. Staatsexamen legte er im Jahr 2000 ab. Im gleichen Jahr wurde er Akademischer Rat für Didaktik der Chemie an der Universität Oldenburg und habilitierte sich 2001. Nach Vertretungsdozenturen an der Pädagogischen Hochschule Weingarten und der Universität Wuppertal erhielt er 2004 einen Ruf auf eine C3-Professur für Chemie und ihre Didaktik an die Pädagogische Hochschule Freiburg. Seit 2007 ist er W3-Professor für Didaktik der Chemie an der Pädagogischen Hochschule Freiburg. <a href="mailto:Marco.Oetken@ph-freiburg.de">Marco.Oetken@ph-freiburg.de</a> Corina Wagner studierte von 2009 bis 2013 an der Pädagogischen Hochschule Freiburg für das Lehramt an Realschulen in den Fächern Chemie, Sport und Mathematik und schloss das Studium im Jahr 2013 mit dem 1. Staatsexamen ab. Seit Oktober 2013 promoviert sie im Arbeitskreis von Marco Oetken. Im Projekt „Erneuerbare Energien“ entwickelt sie Experimente für die Themen Elektrochromie und elektrochemische Speichersysteme. <a href="mailto:corina.wagner@ph.freiburg.de">corina.wagner@ph.freiburg.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/IRizhKoTXCZdZ33Wi3Bh">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 C. G. Granqvist, Thin Solid Films 2014, 564, 1–38.</li><li>
2 N. M. Rowley, R. J. Mortimer, Sci. Prog. 2002, 85, 243–262.</li><li>
3 R. J. Mortimer, Electrochim. Acta 1999, 44, 2971–2981.</li><li>
4 A. Azens, C. Granqvist, J Solid State Electrochem. 2003, 7, 64–68.</li><li>
5 S. Papaefthimiou, E. Syrrakou, P. Yianoulis, Thin Solid Films 2006, 502, 257–264.</li><li>
6 D. Ellis, M. Eckhoff, V. D. Neff, J. Phys. Chem. 1981, 85, 1225–1231.</li><li>
7 K. Itaya, I. Uchida, V. D. Neff, Acc. Chem. Res. 1986, 19, 162–168.</li><li>
8 P. R. Somani, S. Radhakrishnan, Mater. Chem. Phys. 2003, 77, 117–133.</li><li>
9 R. J. Mortimer, Chem. Soc. Rev. 1997, 26, 147–156.</li><li>
10 C. Wagner, M. Oetken, Chemkon 2016, 23, 11–119.</li><li>
11 D. R. Rosseinsky, R. J. Mortimer, Adv. Mater. 2001, 13, 783–793.</li><li>
12 C. Wagner, M. Oetken, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2014, 63, 33–41.</li>Weiterführende Informationen und Quellen, etwa für FTO-Gläser, sowie konkrete Versuchsbeschreibungen zu den aufgeführten Experimenten sind als Online-Ergänzung verfügbar: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/</a> downloads</ext-link>Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Fonds der Chemischen Industrie für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit.</ul>

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Chemie für die eine Welt

One-world chemistry: Was heißt das?

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