Bildung + Gesellschaft

Wird Wasser mit handelsüblichen Ozongeneratoren behandelt, reichert es sich mit Nitrat an. Die Konzentrationen können Schüler:innen mit einem selbstgebauten Photometer leicht nachweisen.Mit Ozon bleicht die Textilindustrie Denimgewebe und erreicht so den Used-Look mit weniger Umweltschäden als mit chlorhaltigen Bleichmitteln.1) Ebenso dient Ozon in dieser Branche dazu, Farbstoffrückstände aus dem Abwasser zu entfernen.2,3) Analog werden Arzneimittelrückstände abgebaut.4)Durch seine chemischen Eigenschaften wirkt Ozon antimikrobiell. So wird Wasser in Schwimmbädern mit Ozon behandelt, um die Chlorkonzentration im Pool niedrig zu halten. Im Aquarium wirkt Ozon antimikrobiell und zersetzt organische Rückstände im Wasser.Die alternative Medizin setzt Ozon bei zum Teil umstrittenen Verfahren ein. Bei der Ozontherapie wird Blut mit Ozon behandelt, bevor es dem Patienten wieder injiziert wird.Sicherlich auch durch die Coronapandemie gefördert finden sich auf dem Markt immer mehr einfache und kostengünstige Geräte für den Privatgebrauch, die Ozon erzeugen. Diese Geräte sollen im Haushalt Lebensmittel wie Gemüse oder Gebrauchsgegenstände für Kleinkinder desinfizieren oder unerwünschte Gerüche in Räumen oder Fahrzeugen beseitigen. Die Gegenstände und Nahrungsmittel werden zu diesem Zweck direkt mit Luft aus den Ozonisatoren begast, die das Gerät mit Ozon anreichert. Videos im Netz propagieren sogar die direkte Behandlung von Trinkwasser mit Ozon. So sollen nicht nur Krankheitserreger abgetötet werden. Die alternative Medizin schreibt Ozon positive Effekte zu, die über die desinfizierende Wirkung hinausgehen. Die zu diesem Zweck angepriesenen Ozongeneratoren sind einfach aufgebaut und daher kostengünstig: Ihr Preis liegt deutlich unter 100 Euro. Sie liefern Ozonausbeuten von 600 bis 1000 Milligramm Ozon pro Stunde. Ein in der Aquaristik gängiger Ozongenerator liefert nur ungefähr 200 Milligramm pro Stunde.<h2 type="main">Ein vermeintlich sauberes Desinfektionsmittel</h2>Betrachtet man die direkten Reaktionen des Ozons, so scheinen dessen unmittelbare Produkte tatsächlich für ein sauberes Agens zu sprechen. Aus dem Ozon selbst entsteht Sauerstoff und je nach Umgebung Wasser und Hydroxid. Aus diesem Blickwinkel erscheint das Gefährdungspotenzial beim Ozoneinsatz auf die Toxizität des Ozons selbst beschränkt. Das trifft allerdings nicht zu.Die als Nebenprodukt in den Ozonisatoren entstehenden Stickoxide reichern ozonierte Wässer mit Nitrat an. Im Folgenden fokussieren wir uns nur auf diesen Effekt. Die Gewerbeaufsicht verfolgt inzwischen unsere Hinweise zu möglichen Gefahren durch diese Ozongeneratoren im Privatbereich, und es gibt bereits Einschränkungen des Handels mit den Geräten (Mitteilung der Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd in Rheinland-Pfalz, <a href="https://sgdsued.rlp.de" target="_blank">sgdsued.rlp.de</a>).<h2 type="main">Wo gehobelt wird, fallen Späne – Nebenprodukte</h2>In den Haushalts-Ozongeneratoren wird Ozon durch elektrische Entladungen mit dem Arbeitsgas Luft erzeugt.5) Dabei entstehen durch den Luftstickstoff auch Stickoxide. Aus diesen bilden sich beim Lösen in Wasser auch Nitrate. Werden wasserhaltige Lebensmittel oder Wasser direkt mit diesen Ozonisatoren begast, reichert sich Nitrat an.Bei der Entstehung von Stickoxiden und deren Einfluss auf die Ozonbildung laufen in Ozongeneratoren eine Reihe von Reaktionen ab:6) Nach der Bildung von Stickoxid aus Sauerstoff und Stickstoff reagiert Stickoxid mit Ozon und mit Sauerstoff (Kasten).Neben der Bildung von Nitraten finden weitere Reaktionen statt, die je nach Art der Rückstände in den behandelten Wässern zu zusätzlichen kritischen Substanzen führen können. Diese Effekte haben wir nicht verfolgt.<h2 type="main">INFO: Reaktionen im Ozongenerator</h2>Durch die elektrischen Entladungen im Ozongenerator entstehen und reagieren atomare Spezies, es bilden sich Stickoxide:N + O → NONO + O3 → NO2 + O22 NO + O2 → 2 NO2NO2 + O3 → NO3 + O2NO3 + NO2 → N2O5N2O5 → 2 NO2 + ½ O2…<h2 type="main">Photometrie rot und weiß</h2>Um Nitrat nachzuweisen, haben wir eine gängige Farbreaktion genutzt. Zunächst wurde das gelöste Nitrat mit Zink im Alkalischen zu Nitrit reduziert. Die eigentliche Farbreaktion in Anlehnung an die Reaktion im Grieß-Reagenz wurde im Essigsauren durchgeführt. Dabei bildet sich durch Diazotierung und Azokupplung aus Sulfanilsäure, N-(1-Naphthyl)ethylendiamin und dem Nitrit aus dem vorhergehenden Reduktionsschritt ein roter Azofarbstoff. Dieser wurde kolorimetrisch vermessen, um Nitrat quantitativ zu bestimmen. Im Unterschied zum Grieß-Reagenz wurde aus Gründen der Arbeitssicherheit das α-Naphthylamin gegen das oben genannte Amin ersetzt.Die Nachweisreaktion ist auf eine möglichst einfache Durchführung optimiert und im Freiland möglich. Der Material- und Chemikalienaufwand ist gering, die Kosten liegen insgesamt unter zwanzig Euro, wenn man davon ausgeht, dass die Smartphones bereits vorhanden sind. Die Reduktion wurde in gut verschließbaren Zentrifugenröhrchen durchgeführt. Anschließend wurde filtriert, um eine reduktive Spaltung des Farbstoffs durch das Zink zu vermeiden. Durch die Filtration kann auf eine Zentrifuge verzichtet werden. Das Filtrat wurde direkt in den weißen Kunststoffschalen aufgefangen, in denen die Farbreaktion sowie die kolorimetrische Messung stattfand (<link href="#nadc20224131076-fig-0001">Abbildung 1).<figure xml:id="nadc20224131076-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/tper9L7Qab2I8qtCPZQR"><figcaption><label>Abb.1: </label>Nitratnachweis über eine Farbreaktion, angepasst an Freilandbedingungen: Nitrat wird in Kunststoffröhrchen reduziert (oben, jeweils mit der Nitratkonzentration in mg·L–1 für die Kalibriergerade, P: Probe), das Reduktionsmittel Zink wird abfiltriert (unten); die Farbreaktion, bei der sich ein roter Azofarbstoff bildet, findet direkt in Kunststoffschälchen statt.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Das Boxometer</h2>Das üblicherweise verwendete Spektralphotometer wurde durch einen Low-Cost-Aufbau ersetzt, Boxometer genannt (<link href="#nadc20224131076-fig-0002">Abbildung 2). Das Boxometer setzt sich aus den Alltagsmaterialien Karton, Haushaltsgummis, Ketchup- oder Mayobecher sowie zwei Smartphones zusammen. Ein Smartphone durchleuchtet die Probe mit dem Licht der grünen LED des Displays, das andere Telefon analysiert die RGB-Werte der Probelösung. Die Messung im Boxometer erfolgt immer mit Auflicht und nach Kanälen getrennt.<figure xml:id="nadc20224131076-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/WR9HhxNxRPS2U1ok7903"><figcaption><label>Abb.2: </label>Ein einfaches Photometer, von den Autoren Boxometer genannt, aus einem Pappkarton und zwei Smartphones – eines dient als Lichtquelle (mit der App „Screen Flashlight“), die Kamera des anderen als Detektor (mit der App „Color Grab“). Die Probelösung ist in der weißen Schale (links). Die Messung erfolgt bei Auflichtbeleuchtung.</figcaption></figure></figure>Wird also mit dem Licht der grünen LEDs beleuchtet, wird ausschließlich der G-Wert, also die Intensität des reflektierten grünen Lichts bestimmt. Analoges gilt für den Rot- und den Blau-Kanal. Der Vergleich mit Werten des Spektralphotometers zeigt eine erstaunliche Genauigkeit des Boxometers, dessen Werte unter zehn Prozent abweichen.Wegen der roten Probelösung basiert die Auswertung nur auf den Grün-Werten (<link href="#nadc20224131076-fig-0003">Abbildung 3). Aus diesen wurde analog zur Extinktion eine exponentielle Größe berechnet. Wir nannten sie „Analog-Absorbanz“ (dekadischer Logarithmus des Quotienten aus dem Leerwert und dem Grünwert der Probe).<figure xml:id="nadc20224131076-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/bo1oqUNPQWmnVIYLQlTy"><figcaption><label>Abb.3: </label>Die Konzentration des roten Azofarbstoffs, der Nitrat anzeigt, wird durch Messung des Grünkanals des RGB-Displays erfasst.</figcaption></figure></figure>Das Boxometer kann überall dort eingesetzt werden, wo kein Spektralphotometer vorhanden ist, etwa weil Lehreinrichtungen lückenhaft ausgestattet sind, oder in der Feldforschung, wenn kein tragbares Spektralphotometer verfügbar ist. Wegen seines einfachen Aufbaus macht es Photometrie greifbar und anschaulich.Die Arbeit mit diesem Low-Cost-Aufbau fördert die Experimentierkompetenz und motiviert Lehrende dazu, selbst kreativ zu werden und weitere Anwendungen zu entwickeln. Es hat dadurch Potenzial für die Lehre und für Citizen-Science-Projekte.<h2 type="main">Die Versuche und ihre Ergebnisse</h2>In Vorversuchen waren Nitrate bei jeder Ozonung von Wasser mit diesen Generatoren nachweisbar. Nach einer Stunde Ozonung lag die Nitratkonzentration in einem Trinkglas Wasser über 12 mg·L–1. Ausgehend von den Videos, die zu den Ozonisatoren im Netz kursieren, haben wir entschieden, eine übliche Verzehrmenge von Wasser zu behandeln, also 200 Milliliter (<link href="#nadc20224131076-fig-0004">Abbildung 4). Dies entspricht dem Fassungsvermögen eines kleinen Trinkglases.<figure xml:id="nadc20224131076-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/2SsNBi6nS9CggfFZ84g0"><figcaption><label>Abb.4: </label>Das Ozon aus dem Generator wurde in jeweils 200 Milliliter deionisiertes Wasser geleitet. Dies entspricht dem Volumen eines Trinkglases.</figcaption></figure></figure>In einem ersten Versuch wurde dieses Volumen 60 Minuten ozoniert. Das ist das längste Zeitintervall, das mit dem Timer des Ozongenerators einstellbar ist. In einem zweiten Versuch wurde das kleinste mögliche Zeitintervall eingestellt, und zwar 5 Minuten.<h2 type="main">Erster Versuch: eine Stunde Ozonung</h2>Wasser eine Stunde zu behandeln ist zwar eine übertriebene, aber denkbare Ozonung einer Trinkportion von 200 mL. Die behandelte Wasserprobe wurde 1:10 verdünnt und auf Nitrat untersucht, und zwar parallel mit Boxometer und Spektralphotometer. Als Referenz haben Mitarbeiter im Analytik-Labor der TU Kaiserslautern die Probe mit Ionenchromatographie nach DIN EN ISO 10304–1 analysiert.Nach grafischer Auswertung der Kalibriergeraden ergab sich für die Messung mit dem Boxometer eine Nitratkonzentration von 13,3 mg·L–1. Die Auswertung der identischen Ansätze mit dem Spektralphotometer ergab für dieselbe Probe einen Wert von 13,4 mg·L–1. Die Ionenchromatographie ergab eine Nitratkonzentration von 13,1 mg·L–1.<h2 type="main">Zweiter Versuch: kurze Behandlung</h2>Im zweiten Versuch wurde eine Trinkportion nur kurz behandelt, die 200 mL Wasser wurden für 5 Minuten ozoniert. Die Wasserprobe wurde 1:3 verdünnt und Nitrat wie im ersten Versuch bestimmt.Mit dem Boxometer ergab sich eine Nitratkonzentration von 1,3 mg·L–1. Die photometrische Bestimmung lieferte dagegen einen Wert von 1,5 mg·L–1. Dem gegenüber steht die Referenzanalyse nach DIN-Vorschrift, die 2,5 mg·L–1 ergab.Die Analyseergebnisse des Boxometers liegen durchweg nah an den Werten der Messung mit dem Spektralphotometer. Die Unterschiede bei niedrigen Konzentrationen resultieren im Wesentlichen aus der grafischen Auswertung: Die Konzentration liegt im Grenzbereich der Bestimmungen dieser modifizierten Farbreaktion.Das Boxometer hat sich bei den Messungen als Alternative zum Spektralphotometer erwiesen. Die so gemessenen Nitratkonzentrationen waren bei längerer Ozonung verblüffend hoch und geben Anlass zu einer kritischen Diskussion.<h2 type="main">Benefit oder Belastung?</h2>Die untersuchten Wässer erreichten bei keinem der Versuche den Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser oder Tafelwasser. Dieser liegt nach Trinkwasserverordnung, EU-Trinkwasserrichtlinie und Mineral- und Tafelwasserverordnung bei 50 mg·L–1.7) Die Nitratbelastung bei der Ozonbehandlung kommt aber zur natürlichen Belastung des Trinkwassers und anderer Nahrungsmittel hinzu. Regional finden sich durchaus unterschiedliche Nitratkonzentrationen im Leitungswasser. Gerade in Gegenden mit intensiver Landwirtschaft weist das Trinkwasser bereits selbst höhere Nitratkonzentrationen auf. Wird dann noch ozoniert, führt dies zu einer überdenkenswerten zusätzlichen Nitrataufnahme. Gerade bei der Zubereitung von Babynahrung ist dies fragwürdig. Auch bei nur ganz kurzer Ozonung ist immer eine messbare zusätzliche Nitratanreicherung festzustellen.Bei Trinkwasser ohne bedenkliche Keimbelastung ist die Ozonung kaum zu rechtfertigen. Bei stark keimbelasteten Wässern ist die Zuverlässigkeit der Methode dagegen fraglich.Neben der Stickoxidbildung ist die Freisetzung von Ozon im Privatbereich kritisch zu hinterfragen. Die Geräte stehen nicht in einem Abzug und produzieren so viel Ozon, dass dessen Geruch im Betrieb immer deutlich wahrnehmbar ist. Zudem riechen selbst nur minimal der Ozonung unterzogene Wasserportionen unangenehm.Je nachdem, welche weiteren Stoffe im Trinkwasser gelöst sind, ist bei Ozonung von zusätzlichen Reaktionen auszugehen, die zu weiteren Belastungen im Wasser führen können.<h2 type="main">In Schule und Hochschule</h2>In Hinblick auf Lehre und schulische Ausbildung ergibt sich aus den Messungen und der Bewertung der Ergebnisse eine Diskussion, die die Bewertungskompetenz von Schüler:innen und Student:innen fördert. Diese müssen die Messmethode zunächst verstehen und hinterfragen. Gerade weil die gemessenen Nitratkonzentrationen weit vom Grenzwert entfernt sind, bleibt die Diskussion um die Sinnhaftigkeit der Ozonanwendung spannend. Letztlich sind der nicht belegbare Nutzen der Ozonung der zusätzlichen Nitrataufnahme, der Belastung mit weiteren Reaktionsprodukten und den Gefahren durch den Kontakt mit dem Ozon gegenüberzustellen.Im Chemieunterricht der Sekundarstufe 2 kann die Farbreaktion und die Photometrie behandelt werden. Das Boxometer lässt umfangreiche Schülerexperimente zu, die zur Experimentierkompetenz beitragen. Da das Boxometer in gewissen Grenzen analytischen Ansprüchen genügt, bietet sich seine Anwendung bei anderen kolorimetrischen Analysen an. Auf diese Weise können gerade in Schulen, denen keine Spektralphotometer zur Verfügung stehen, trotzdem quantitative Bestimmungen durchgeführt werden. Im Fall des vorgestellten Nitratnachweises sollten alle benötigten Materialien in einer durchschnittlich ausgestatteten Sammlung zur Verfügung stehen.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Diesen Beitrag haben Lars Czubatinski (Foto oben), Harald Hemm und Gabriele Hornung verfasst. Czubatinski bildet seit dem Jahr 2005 als Fachleiter für Chemie Lehrkräfte im Studienseminar für Gymnasien in Kaiserslautern aus. Er ist zurzeit an die Abteilung Fachdidaktik der Chemie an die TU Kaiserslautern abgeordnet. Hemm ist seit 2015 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fachdidaktik Chemie der TU Kaiserslautern. Er hat in Lebensmittelchemie und Umwelttoxikologie promoviert. Hornung ist seit dem Jahr 2012 außerplanmäßige Professorin für Didaktik der Chemie an der TU Kaiserslautern.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/5EA3AgZTmZQ0gc3zqzWA"><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/8KZ5iTKVSe6leQiH95QJ"><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Ozon gilt als sauberes Desinfektionsmittel und wird zur Behandlung von Trinkwasser im Haushalt verkauft.Über eine Farbreaktion und ein einfaches Photometer aus Smartphones, einem Plastikschälchen und einer Pappschachtel lässt sich nachweisen, wie viel Nitrat Wasser nach der Ozonung enthält.Die Nitratgehalte liegen unter dem Grenzwert, geben aber Anstoß zu Diskussionen im Unterricht.<ul class="references" xml:id="nadc20224131076-bibl-0001" cited="no" style="numbered"><li xml:id="nadc20224131076-bib-0001">1 <a href="https://www.k-g-k.com/prana_ozonedenim_f20/" target="_blank">www.k-g-k.com/prana_ozonedenim_f20/</a></li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0002">2 T. Y. Chen, C. M. Kao, A. Hong b, C.E. Lin, S.H. Liang, Desalination, 2009, 249, 1238–1242</li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0003">3 <a href="https://www.researchgate.net/publication/312026866_Behandlung_von_farbstoffhaltigen_Abwassern_der_Textilveredlung" target="_blank">www.researchgate.net/publication/312026866_Behandlung_von_farbstoffhaltigen_Abwassern_der_Textilveredlung</a></li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0004">4 L. Yanga, L. E. Yua, M. B. Rayb, Water Res. 2008, 42, 3480–3488</li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0005">5 L. Czubatinski, G. Hornung, F. Weisenburger, C. Clausius, Nachr. Chem. 2022, 70(5), 22</li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0006">6 M. Hirth, Teilprozesse bei der Ozonerzeugung mittels stiller elektrischer Entladungen – Teil II: Die Ozon- und Stickoxydbildung im Ozonisator. Dissertation, Institut für Prozeßmeß- und Prozeßleittechnik der Universität Karlsruhe, 1980</li><li xml:id="nadc20224131076-bib-0007">7 Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 10. März 2016 (BGBl. I S. 459), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 22. September 2021 (BGBl. I S. 4343) geändert worden ist</li></ul>

Chemiedidaktik

Desinfektion oder Kontamination

Wird Wasser mit handelsüblichen Ozongeneratoren behandelt, reichert es sich mit Nitrat an. Die Konzentrationen können Schüler:innen mit einem selbstgebauten Photometer leicht nachweisen.Mit Ozon bleicht die Textilindustrie Denimgewebe und erreicht so den Used-Look mit weniger Umweltschäden als mi...

Die Beschreibungsweisen von Bindungen in Molekülen stammen aus dem 19. Jahrhundert und können auch heute noch zu Fehlvorstellungen bei Lernenden beitragen.In der Chemie gibt es zwei äquivalente Arten, den Zusammenhalt von Atomen in Molekülen zu beschreiben: Zum einen sind es mit Valenzstrichen gekennzeichnete Bindekräfte oder Bindefähigkeiten, zum anderen ebenfalls mit Strichen symbolisierte bindende oder freie Elektronenpaare. Im Märzheft 2022 der Nachrichten aus der Chemie kommen im chemiedidaktischen Beitrag „Vom Farbstoff zur Kopie“1) beide Modelle für ein und dieselbe Molekülstruktur vor. Uns als Experten fällt das nicht auf, weil wir beide Bindungsarten kennen (<link href="#nadc20224128023-fig-0001">Abbildung 1). Was stellen sich aber Lernende unter den einfachen Valenzstrichen im Vergleich mit den fünf Strichen an der Diazogruppe vor? Welche Fehlvorstellungen2) bilden sich, wenn beide Beschreibungsweisen vermischt werden?<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/4prYB0ERTCqHJzR6rsLG"><figcaption><label>Abb.1: </label>Diazotierung von 5-ASA und Bildung von 5-Diazosalicylsäure aus Lit.1), nur bei den Diazogruppen symbolisieren Striche freie Elektronenpaare.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Unterschiedliche Modelle, unterschiedliche Beschreibungsarten</h2>Sieht man alle Molekülsymbole des Märzhefts durch, findet man in 294 Fällen die angegebenen Strukturen durch das Bindekräftemodell gekennzeichnet, in nur 4 Fällen das Modell der Elektronenpaarformeln. Das weist auf ein Problem: Schüler und Schülerinnen lernen in der Klassenstufe neun die kovalente Bindung mit Elektronenpaaren und Oktettregel kennen. Im weiteren Unterricht werden sie meist gezwungen, konsequent die aufwendigen Molekülsymbole mit bindenden und freien Elektronenpaaren zu verwenden. Experten halten allerdings in den meisten Fällen das einfache Modell der Bindekräfte für ausreichend oder mischen beide Modelle in einem Molekülsymbol.Dass das Vermischen von Beschreibungsweisen zu Fehlvorstellungen führen kann, zeigt sich auch dann, wenn Lehrende Laborjargon verwenden und dabei nicht zwischen Teilchen- und Substanzebene unterscheiden.3)Die historische Betrachtung, wie Bindungsmodelle entstanden sind,4) zeigt, wie aus den Valenzstrichen in den Lehrbüchern Elektronenpaare wurden. Sie zeigt ebenfalls das Bemühen zu Beginn des 20. Jahrhunderts, Salzen sachgerecht den Ionenbegriff und die Ionenbindung zuzuordnen.<h2 type="main">Historisches Bindigkeitsmodell der Valenzen</h2>Das Messen erster Atom- und Molekülmassen zeigte Anfang des 19. Jahrhunderts immer deutlicher, dass ein Atom meist mit einer definierten Zahl anderer Atome verknüpft ist. Durch Kekulé5) und andere Wissenschaftler der Zeit kam um das Jahr 1860 mit dem Begriff der Valenz die Erkenntnis, dass das C-Atom vierwertig oder vierbindig in Bezug auf die Verknüpfung mit H-Atomen ist, also das vierwertige C-Atom vier H-Atome zum CH4-Molekül oder zwei O-Atome zum CO2-Molekül bindet.Als Kekulé auch die Fähigkeit der C-Atome fand, Ketten und Ringe zu bilden, begann die „fruchtbare Arbeit in der organischen Chemie“.6) Die Chemiker entwarfen erste zweidimensionale Formeln, diskutierten damit Probleme der Isomerie (<link href="#nadc20224128023-fig-0002">Abbildung 2, links), und Kekulé entwickelte Ideen für die Struktur des Benzolmoleküls5) (Abbildung 2, rechts).<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Goi4pvPCS2uSXgooh9fI"><figcaption><label>Abb.2: </label>Links: Isomerieprobleme aus dem 19. Jahrhundert mit CH2Cl2-Molekülen;6) rechts: August Kekulés Vorschlag für die Struktur des Benzols.7)</figcaption></figure></figure>Van ’t Hoff8) löste Isomerieprobleme, indem er sich das Methanmolekül räumlich als Tetraeder vorstellte; er schlug dreidimensionale Strukturformeln vor und entdeckte schließlich das asymmetrische C-Atom (<link href="#nadc20224128023-fig-0003">Abbildung 3). „Die Erkenntnisse über die Verbindungskräfte oder Valenzen der Atome wurden zu den grundlegenden Voraussetzungen für die Aufklärung der Struktur der wichtigsten Kohlenwasserstoffe.“6)<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/K8FQ39akSvybjN5QWT8v"><figcaption><label>Abb.3: </label>Tetraedermodell zur Spiegelbildisomerie aus Henricus van ’t Hoffs Buch aus dem Jahr 1877.8)</figcaption></figure></figure>Alle diese Grundgedanken kamen ohne den Elektronenbegriff aus – dieser wurde erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts formuliert und bei der chemischen Bindung in den 1920er und 1930er Jahren konkretisiert. Noch die 21. Auflage des „Lehrbuchs der Anorganischen Chemie“ von Holleman (später Holleman-Wiberg) aus dem Jahr 19379) stellte nicht den heute bekannten Elektronenbegriff für die chemische Bindung in den Mittelpunkt, sondern blieb bei Valenzen der Atome. Deshalb wurden – wie noch im Jahr 1955 von Remy10) – Strukturformeln beispielsweise wichtiger Säuren mit Valenzen formuliert, das N-Atom durfte durchaus „fünfwertig“ sein (<link href="#nadc20224128023-fig-0004">Abbildung 4).<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/cIKwPk3ZQzWgiLfF7OCP"><figcaption><label>Abb.4: </label>Molekülstrukturen für Säuren in Lehrbüchern bis zum Jahr 1955.10)</figcaption></figure></figure>In der Holleman-Wiberg-Auflage aus dem Jahr 1943 ist im Vorwort zu lesen: „Die Valenzstrichformeln haben sich in der anorganischen Chemie als weitgehend unzulänglich, ja vielfach geradezu als falsch und irreführend erwiesen. Trotzdem bedienen sich weitaus die meisten anorganischen Lehrbücher nach wie vor dieses Hilfsmittels.“11) Die damaligen Autoren nahmen aus ihrer Tradition zu den damals neuartigen Ionenformeln irreführenderweise die mit Bindestrichen versehenen Molekülformeln hinzu (<link href="#nadc20224128023-fig-0005">Abbildung 5). Dabei ist es durch Laue und Bragg seit dem Jahr 1912 klar, dass der Molekülbegriff für Salze nicht zutrifft. Hier liegt ein anderer Sachverhalt vor, nämlich die Ionenbindung in einem Ionengitter.<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0005"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/9m9zcFZuTyOfk0YswfLg"><figcaption><label>Abb.5: </label>Ionensymbole versus Molekülformeln einiger Salze im „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“ von Holleman und Wiberg bis zum Jahr 1943.11)</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Die Rolle der Elektronen</h2>Physiker (nicht Chemiker) haben sich mit ihren Experimenten bemüht, immer mehr Einblicke in das Innere der Atome zu gewinnen. Ein erfolgreiches Modell erstellte Bohr im Jahr 1913. Das Entscheidende an diesem Modell war, dass sich den Elektronen im Atom unterschiedliche Energien zuordnen ließen, die sich beispielsweise durch verschiedene Spektren bemerkbar machen. Da die Bahnen des Bohr-Modells für den Physiker die Energieniveaus der Elektronen symbolisieren, lag es nahe, die äußeren, energiereichsten Elektronen für die Bindung von Atomen verantwortlich zu machen und ein stabiles Energieminimum des gesamten Elektronensystems zu fordern. Dieser Gedanke war der Ansatz zu energetischen Berechnungen aufgrund der Quantenmechanik.Heutzutage ist es für theoretische Physiker und Chemiker Standard, Bindungen und Molekülstrukturen zu berechnen. Energieminima bei dieser Berechnung symbolisieren in den einfachsten Fällen die vier Elektronenpaare. Chemiker haben dies als ordnendes Prinzip zur Beschreibung der homöopolaren Bindung willkommen geheißen und vereinfacht als Oktettregel ausgedrückt.Nach Einführung der chemischen Bindung aufgrund von Elektronenpaaren stellten Holleman und Wiberg fest:11) „Jedes gemeinsame Elektronenpaar, also jede Atombindung wird durch einen vom betrachteten Atom ausgehenden Valenzstrich gekennzeichnet. Vielfach ist es dabei zweckmäßig, auch die freien Elektronenpaare durch quergerichtete Striche wiederzugeben“ (<link href="#nadc20224128023-fig-0006">Abbildung 6). Später dehnten die Autoren diese Schreibweise unzulässig auch auf ionische Verbindungen wie Chlorate, Sulfate, Phosphate und Silikate aus (<link href="#nadc20224128023-fig-0007">Abbildung 7).<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0006"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Va4bCJoRStqpNLu0ucGh"><figcaption><label>Abb.6: </label>Erste Valenzstriche für bindende und freie Elektronenpaare im Holleman-Wiberg.11)</figcaption></figure></figure><figure xml:id="nadc20224128023-fig-0007"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/C5r3QmmJRPBKMnX8tJbQ"><figcaption><label>Abb.7: </label>Valenzstriche wurden von Lehrbuchautoren auch an Formeln der Ionengitter von Salzen gesetzt.11)</figcaption></figure></figure>In den Holleman-Wiberg-Auflagen von 1943 bis 2017 symbolisieren neu eingeführte Grenzformeln mit dem Mesomerie-Doppelpfeil bestimmte Strukturen11) – er bedeutet, dass die wahre Struktur zwischen diesen Grenzstrukturen liegt (<link href="#nadc20224128023-fig-0008">Abbildung 8). Dabei wird das N-Atom im Nitration und im Säuremolekül vierbindig gedacht, damit die Gültigkeit von Achterschale und Edelgasregel erfüllt ist (Abbildung 8). Damit die Oktettregel erfüllt ist, die nur für wenige Atomarten gilt (wenn auch dort hilfreich), mutet man Lernenden diese aufwendigen Grenzstrukturen zu.<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0008"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/joyqFtjISba1MOq0ql0F"><figcaption><label>Abb.8: </label>Grenzstrukturen im Holleman-Wiberg mit Mesomeriepfeil für Nitration und Salpetersäuremolekül.11)</figcaption></figure></figure>Die aus dem 19. Jahrhundert stammenden Valenzstriche werden also stillschweigend auch für Elektronenpaare verwendet und rufen damit die Konfusion etwa hinsichtlich des N-Atoms hervor. Noch im Jahr 1953 kämpfte Friedrich Klages in seinem „Lehrbuch der Organischen Chemie“12) bei der Diazostruktur (<link href="#nadc20224128023-fig-0009">Abbildung 9) mit den Symbolen für Valenzen und Elektronenpaare: „Lediglich die alte Wertigkeitsformel III von Thiele mit fünfwertigem Stickstoff musste auf Grund der Elektronentheorie durch eine Formel mit vierbindigem Stickstoff ersetzt werden, wofür insbesondere die beiden Formeln IV und V in Betracht kommen.“12)<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0009"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/wujBFdgzRgyACl82KMZB"><figcaption><label>Abb.9: </label>Strukturvorstellungen zur Diazogruppe aus einem Lehrbuch der organischen Chemie aus den 1950er Jahren.12)</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Bindungsmodelle für Lehre und Unterricht</h2>Nach Vorstellen von Eigenschaften und ersten Reaktionen verschiedener Substanzen ist in den Schulcurricula die Einführung des Atommodells nach Dalton vorgesehen, und es werden erste Atom- und Molekülsymbole eingeführt: H2, O2, H2O, CO2 und mehr. Da auch Salze und Salzlösungen frühzeitig vorgestellt werden, wäre sachgerecht der Ionenbegriff anzubieten – Chemielehrer und -lehrerinnen argumentieren allerdings, dass das erst mit Einführung des Kern-Hülle-Modells des Atoms möglich sei.Ein besonderes Periodensystem (<link href="#nadc20224128023-fig-0010">Abbildung 10), das sowohl Atome als auch zugehörige Ionen als Kugeln darstellt, soll Lernenden die Existenz von Ionen verdeutlichen und Fehlvorstellungen vermeiden.2) Mit der Definition von Ionen als elektrisch geladene Teilchen mit bestimmten Ionenladungen ist es möglich, auch bei den Salzen sachgerecht mit deren Aufbau aus Ionen zu argumentieren und die Ionenbindung einzuführen. Durch Kombination positiv und negativ geladener Ionen und bei Beachtung der Elektroneutralität sind viele Formeln von Salzen abzuleiten: Na+Cl–, Ca2+(Cl–)2, Al3+(F–)3 beziehungsweise NaCl, CaCl2 oder AlF3.13) Begleitend sollten Lernende zweidimensionale Modelle zeichnen und Kugelpackungsmodelle kennenlernen oder gar selbst bauen.13)<figure xml:id="nadc20224128023-fig-0010"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/MZgAofzNRWiGFIQT6Q9i"><figcaption><label>Abb.10: </label>Ein Periodensystem der Elemente mit Kugeln als Symbole für Atome und Ionen.14)</figcaption></figure></figure>Ähnlich werden Nichtmetallatome nach einfachen Regeln (mit Ausnahmen) kombiniert. Dazu stehen über dem Kugelsymbol Zahlen, die Normbindefähigkeiten eines Atoms angeben. Je nach Gruppenzugehörigkeit lauten sie vier für C-Atome, drei bis fünf für N-Atome, zwei für O-Atome und deren Homologe, eins für F-Atome und deren Homologe. So kombiniert man Struktursymbole für H2O-, CO2-, CH4- oder C2H5OH-Moleküle – ohne ein differenziertes Atommodell.Mit Zuordnung der Bindefähigkeit fünf für das N-Atom lässt sich für das HNO3-Molekül die Molekülstruktur skizzieren. Lernende können so andere im Unterricht übliche Strukturen ableiten, viele Substanzen der organischen Chemie mit Formeln beschreiben und sie mit Molekülmodellen zwei- oder dreidimensional visualisieren.13)Diese Vermittlung ist ohne differenziertes Atommodell gedacht, damit Schüler und Schülerinnen bereits im ersten Jahr ihres Chemieunterrichts Molekül- und Ionengitterstrukturen kennenlernen. Sobald in höheren Klassenstufen das Kern-Hülle-Modell des Atoms eingeführt und die kovalente Bindung erarbeitet wird, ist deutlich zu machen: Bindefähigkeiten und Elektronenpaare sind als äquivalente Modelle zur Beschreibung von Molekülstrukturen zu betrachten – keines der Modelle ist richtig oder falsch.Wer qualitativ über Strukturen informieren will, kann mit den Strichsymbolen Bindefähigkeiten ausdrücken, wer Energien berechnen will, muss Elektronenpaare heranziehen.<h2 type="main">Einfachere Darstellungen wählen</h2>Auch Universitäten und Hochschulen sollten den Studierenden Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider Bindungsmodelle deutlich machen und ihnen überlassen, zu welchem Sachverhalt sie das eine und wann sie das andere Modell wählen. Gerade den Anfängern in Schule und Universität sollte nicht abverlangt werden, die Darstellung der Molekülstrukturen mit bindenden und freien Elektronenpaaren – gar mit komplexen mesomeren Grenzstrukturen – konsequent zu verwenden, wenn es für solche Darstellungen viel einfacher ist, mit dem Bindigkeitsmodell zu arbeiten.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag haben Hans-Dieter Barke und Dieter Sauermann verfasst. Barke war bis zu seiner Pensionierung im Jahr 2013 Professor für Didaktik der Chemie an der Universität Münster und forschte vorrangig über Schülervorstellungen zur Struktur der Materie und deren Korrektur im Chemieunterricht. Sauermann war Professor an der Fachhochschule München und lehrte das Fach Chemie für Ingenieure. Beide veröffentlichen seit langer Zeit neue Ideen zur Verbesserung des Chemieunterrichts.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Die aus dem 19. Jahrhundert stammende Schreibweise mit Valenzstrichen nutzten Chemiker stillschweigend auch für Elektronenpaare.Lehrbücher zeigten selbst Salze mit Valenzstrich-Schreibweise anstatt fachlich angemessener Ionengitter.Bindefähigkeiten und Elektronenpaare sind zwei äquivalente Modelle, Molekülstrukturen zu beschreiben. Deren Unterschiede sollte Lernenden deutlich werden.<ul class="references" xml:id="nadc20224128023-bibl-0001" cited="no" style="numbered"><li xml:id="nadc20224128023-bib-0001">1 M. Ducci, Nachr. Chem. 2022, 70 (3), 15</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0002">2 H.-D. Barke, Diagnose und Korrektur von Schülervorstellunge, Springer, Heidelberg 2006</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0003">3 H.-D. Barke, Chemkon 2019, 26, 114</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0004">4 H.-D. Barke, Chemkon 2021, 28, 336</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0005">5 A. Kekulé, Lehrbuch der Organischen Chemie, Band 1 – 3. Erlangen 1860, 1866</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0006">6 W. Strube, Der historische Weg der Chemie. VEB Grundstoffindustrie, Leipzig 1976</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0007">7 G. Bugge, Das Buch der großen Chemiker Verlag Chemie, Weinheim 1955</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0008">8 J. H. van ’t Hoff, La chimie dans l‘espace, Übersetzung von F. Herrmann: Die Lagerung der Atome im Raume. Vieweg, Braunschweig 1877</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0009">9 A. F. Holleman, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, De Gruyter, Berlin 1937</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0010">10 H. Remy, Grundriss der Anorganischen Chemie, Geest und Portig, Leipzig 1955</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0011">11 A. F. Holleman, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, De Gruyter, Berlin, 1943 – 2017</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0012">12 F. Klages, Lehrbuch der Organischen Chemie I und II. De Gruyter, Berlin 1953</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0013">13 H.-D. Barke, R. Rölleke, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2017, 66 (2), 41</li><li xml:id="nadc20224128023-bib-0014">14 R. Rölleke, F. Seeberger, PSE der Atome und Ionen, 2020, <a href="https://www.educhem.eu" target="_blank">www.educhem.eu</a> (Stand 14.07.2022)</li></ul>

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