Bildung & Gesellschaft

Prof.Dr.

Die Chemieausbildung in Deutschland hat sich international einen exzellenten Ruf erarbeitet, findet Peter Schreiner. Von Programmakkreditierung erwartet er keinen Zusatznutzen.
Die kollegiale Beratung zu den Inhalten der Chemiestudiengänge ist durch die Empfehlungen der GDCh-Studienkommission und den Austausch durch die Konferenz der Fachbereiche Chemie seit langem Praxis. Die inhaltliche Abstimmung der grundständigen Studienelemente über alle deutschen Chemiestandorte hinweg ist eine Errungenschaft im Sinne der Qualitätssicherung. Ob alle Universitäten diese selbst auferlegten Standards für den Bachelorabschluss Chemie erfüllen, hat das Centrum für Hochschulentwicklung gerade untersucht und veröffentlicht. Dabei fällt kein Fachbereich für Chemie grob aus dem Rahmen.Auch künftig sollten die Studierbarkeit und Balance der Inhalte sowie deren Lehrformen für alle Standorte diskutiert werden. Ob man aber über diese Qualitätssicherung hinaus eine privatwirtschaftlich organisierte und gesetzlich nicht legitimierte Akkreditierungsagentur benötigt – das Bundesverfassungsgericht nennt dies einen „schwerwiegenden Eingriff in die Wissenschaftsfreiheit” – muss man in Frage stellen. Denn die Überprüfung der Minimalanforderungen durch eine solche Agentur ist nicht mit einer Qualitätssteigerung der Studiengänge gleichzusetzen. „Akkreditieren“ bezeichnet den rechtlichen Vorgang, bei dem eine allgemein anerkannte Instanz einer anderen das Erfüllen einer Eigenschaft bescheinigt. Dies aber gilt für das aktuelle Geschäftsmodell nicht. Auch äußern sich die höchsten Richter eindeutig, nämlich dass „der/die Grundrechtsträger/innen der Wissenschaftsfreiheit die Professoren/innen sind“ und „ein quasistaatlicher Genehmigungsakt unangemessen ist.“Universitätsleitungen müssen den fachspezifischen Bedarf an Akademikern abwägen, um bestmöglich ausgebildete Fachkräfte heranzubilden. Dies ist äußerst schwierig, aber auch Teil der politisch gewünschten Profilbildung und Autonomie der Universitäten, die dem Prinzip der Qualitätssicherung durch Wettbewerb entsprechen. Programmakkreditierung verfolgt das genau entgegengesetzte Ziel: eine möglichst gleichförmige Abbildung des Studienangebots in einem bestimmten Fach, im Idealfall über alle europäischen Länder hinweg. Die an sich sinnvollen Ziele sind hier Qualität und internationale Vergleichbarkeit universitärer Abschlüsse, die Anerkennung von Studienleistungen, Studierendenmobilität. Aber lange nach Einführung der Bachelor- und Masterabschlüsse und der in Deutschland hierfür als Sonderweg geschaffenen Programmakkreditierung sind diese Ziele bestenfalls teilweise erreicht. Zwar werden Abschlüsse europaweit anerkannt, doch ihre Inhalte könnten nicht verschiedener sein. Man muss sich hierzu nur einmal den Anteil der Praktika und deren tatsächliche Durchführung ansehen und kommt schnell zu dem Schluss, dass es in den EU-Ländern sehr große Unterschiede gibt; diese zeigen sich beispielsweise öfters in den fehlenden Experimentierfähigkeiten von Erasmus-Studierenden.Der Weg zur Professur ist in Deutschland lang und steinig. Sollte man nicht davon ausgehen können, dass jeder, der ihn hinter sich gebracht hat, qualifiziert ist, Studiengänge professionell zu konzipieren und durchzuführen? Das Chemie-Department in Harvard verzichtet freiwillig auf eine Akkreditierung, weil die Universität einige Fächer in nicht ausreichendem Maß im Bereich der profilierenden Forschung anbietet. Dieses gesunde Selbstbewusstsein und das Vertrauen in sein Personal haben der Hochschule nicht geschadet. Sich Harvard zum Vorbild zu nehmen, ist nicht zu hoch gegriffen, denn die Chemieausbildung in Deutschland hat sich über Jahrzehnte international einen exzellenten Ruf erarbeitet. Und das alles ohne Programmakkreditierung. Welchen Zusatznutzen dürfen wir also von dieser Pflichtübung erwarten?Es ist höchste Zeit, die akademische Selbstbestimmung wieder in die eigene Hand zu nehmen und die Freiheiten eigenverantwortlich ohne Dekret von oben auszufüllen. BBPeter R. Schreiner promovierte in Deutschland sowie in den USA und habilitierte sich 1999 in Göttingen. Seit dem Jahr 2002 ist er Professor für organische Chemie in Gießen. Im Jahr 2013 wurde er in die Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften gewählt; seit 2015 ist er korrespondierendes Mitglied der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste. <a href="mailto:prs@uni-giessen.de">prs@uni-giessen.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/bWoS4METjW9eoeQUY24C">

</div>„Pro und Contra“ wird von der GDCh-Sektion Seniorexperten Chemie betreut. Jörn Müller koordiniert die Beiträge.

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Contra Akkreditierung: „Akademische Selbstbestimmung wieder in die eigene Hand“

Die Chemieausbildung in Deutschland hat sich international einen exzellenten Ruf erarbeitet, findet Peter Schreiner. Von Programmakkreditierung erwartet er keinen Zusatznutzen. Die kollegiale Beratung zu den Inhalten der Chemiestudiengänge ist durch die Empfehlungen der GDCh-Studienkommission und...

Mit Metallelektroden, farbigen Elektrolyten und einer Kunststoffspritze aus der Medizintechnik lassen sich kostengünstige Hybrid-Redoxflussbatterien für den Chemieunterricht an Schulen einfach realisieren. Durch diesen Aufbau ist es möglich, Elektrolyte in wenigen Minuten zu laden und zu entladen und damit eine elektrochemische Reaktion über einen Farbwechsel sichtbar zu machen.
Redoxflussbatterien oder auch Redox-Flow-Batterien sind im Vergleich zu anderen Energiespeichern kostengünstig, daher eignen sie sich als Energiespeicher im Netzmaßstab. Sie sind damit auch ein Thema für den Chemieunterricht.Die redoxaktiven Substanzen in Redoxflussbatterien sind fließende Medien, die Energie wird also nicht wie in den meisten Energiespeichern in den Elektroden, sondern in den Elektrolyten, in Katholyt und Anolyt, gespeichert. Die Elektrolyte lassen sich aus dem Energiewandler in separate Tanks weiterleiten. Dadurch ist es möglich, Energie und Leistung unabhängig voneinander zu skalieren.1)Die am meisten erforschte Redoxflussbatterie ist die All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Dieser Akkumulator nutzt alle vier Oxidationsstufen des Vanadiums: Beim Ladevorgang werden die Elektrolyte aus Tanks im Energiewandler an den Elektroden entlang gepumpt. Dort werden die V3+-Ionen im Anolyten zu V2+ reduziert und die V4+-Ionen im Katholyten zu V5+ oxidiert.2) Diese Batterie hat den Vorteil, dass der Elektrolyt einfach aufzubereiten ist, doch sie hat auch Nachteile: Beispielsweise fällt oberhalb von 40 ºC V2O5 und unterhalb 10 ºC VO aus.3) Damit dies nicht passiert, ist eine Temperaturregelung der Batterie erforderlich. Zudem sind Vanadiumverbindungen giftig, daher umweltschädlich und für den Einsatz in der Schule kaum geeignet, außerdem ist das weltweite Vorkommen an Vanadium begrenzt.Da es nur wenige redoxaktive Stoffe in gelöster Form gibt, die ein negatives Standardelektrodenpotenzial aufweisen, gibt es auch Redoxflusszellen, bei denen nicht alle Stoffe gelöst vorliegen. Diese Akkumulatoren werden als die Hybrid-Redoxflussbatterien4) bezeichnet und lassen sich für den Chemieunterricht einfach realisieren.<h2>Didaktische Überlegungen zu Stoffen und Materialien</h2>Anolyten vollständig zu reduzieren und Katholyten vollständig zu oxidieren, erfordert Elektroden mit hohen spezifischen Oberflächen, da die umzusetzenden Ionen an die Elektroden diffundieren müssen. Mit normalen Elektroden aus der Schule sind Lade- und Entladezeiten in Redoxflussbatterien zu lang, um im Unterricht praktikabel zu sein. Jansen und Rosenberg schlagen Experimente für die Schule mit Umsetzungen organischer Stoffe vor.5)Unser Ziel ist es, Redoxflussbatterien mit unbedenklichen Stoffen zu entwickeln, die im oxidierten Zustand eine andere Farbe aufweisen als im reduzierten. So können die Lernenden den Ladezustand der Batterie anhand der Farbe des Katholyten abschätzen. Eisenlösungen eignen sich hier besonders gut, da Fe3+-Ionen anders als Fe2+-Ionen mit Thiocyanat-Ionen den roten Komplex [Fe(H2O)5SCN)]2+ bilden.<h2>Den Aufbau vereinfachen</h2>Eine weitere Schwierigkeit bei der Umsetzung einer Redoxflussbatterie für die Schule ist der komplexe Aufbau. Bei Hybrid-Redoxflussbatterien kann die Anode aus Metallelektroden bestehen, die bereits in der Schule verwendet werden.Utensilien aus der Medizintechnik wie Kunststoffspritzen oder Heidelberger Verlängerungen eignen sich gut dazu, eine Hybrid-Redoxflussbatterie für die Schule aufzubauen. In solchen Med-Tec-Materialien lassen sich Elektrolyten einfach mit einer Modellbaupumpe umwälzen, die so einen effizienten Elektrolytfluss (flow) erzeugt.Unsepariert würde die Reaktion in einer Zink-Fe3+-Hybrid-Redoxflussbatterie zwischen Fe3+- Ionen und elementarem Zink direkt ablaufen und die Batterie sich somit selbst entladen. Um Ladungsverluste durch eine direkte Reaktion zwischen Anode und Katholyt in Hybrid-Redoxflussbatterien zu verhindern, werden diese normalerweise durch eine Membran voneinander getrennt. Dies verkompliziert jedoch den Aufbau. Wir prüften daher, ob eine Membran verzichtbar ist. So lässt sich die Selbstentladung in unserem hybriden Ansatz durch Zinkelektroden mit geringer Oberfläche, zum Beispiel mit einem Zinkblech minimieren. Derartige membranlose Hybrid-Redoxflusssysteme werden auch für den kommerziellen Einsatz diskutiert und erforscht.<h2>Hybrid-Redoxflussbatterie im Schulexperiment</h2>Das Reaktionsgefäß ist eine Kunststoffspritze, in der ein Elektrolyt angetrieben von einer Modellbaupumpe durch ein Graphitfilz (SGL Carbon) zirkuliert (Abbildung 1, S. 672). Das Graphitfilz wird von außen mit einer Bleistiftmine elektrisch kontaktiert. Ein Zinkblech wird als Minuspol und die Bleistiftmine als Pluspol geschaltet. Als Elektrolyt dient eine leicht angesäuerte, 0,1-molare FeSO4-Lösung, versetzt mit Natriumthiocyanat und 0,1 M ZnSO4. Sobald das System geladen wird, färbt sich der Elektrolyt in minutenschnelle rot und entfärbt sich beim Entladeprozess ebenso rapide wieder (Abbildungen 2 und 3, S. 673).<figure><img src="https://media.graphcms.com/v9prhH0RkGDJHy3ZoO6b"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Aufbau der Freiburger Hybrid-Redoxflussbatterie.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/OfFh1ryxTD2tKLspJftE"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ladevorgang einer Hybrid-Redoxflussbatterie auf Basis von metallischem Zink und einer Fe3+-Lösung; links: vor dem Ladevorgang, Mitte: nach einer Minute, rechts: nach zwei Minuten.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/itzjDU6QxGiyp7R4FI8v"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Entladevorgang einer Hybrid-Redoxflussbatterie auf Basis von metallischem Zink und einer Fe3+-Lösung per Kurzschlussstrom; links: vor dem Entladevorgang, Mitte: nach drei Minuten, rechts: nach vier Minuten.</figcaption></figure>
Die Stromstärke der Batterie liegt beim Lade- und Entladevorgang bei zirka 140 mA und die Ruheklemmenspannung bei 1,28 V. Somit ist diese Batterie verglichen mit anderen Batterien im Schulunterricht, etwa mit der Zitronenbatterie oder dem Danielle-Element, extrem leistungsfähig. Vernachlässigt man den Ladungsverlust durch das Betreiben der Modellbaupumpe, liegt der Wirkungsgrad der Batterie trotz der Selbstentladung durch den direkten Kontakt zwischen Anode und Katholyt bei 99,2 Prozent.Beim Ladevorgang werden die Fe2+-Ionen in der Lösung zu Fe3+-Ionen oxidiert und die Zn2+-Ionen zu elementarem Zink reduziert (Abbildung 4). Die Prozesse des Entladevorganges laufen umgekehrt ab (Abbildung 5).6)<figure><img src="https://media.graphcms.com/PjicF9U0RCS8g0pYZpUQ"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Ladevorgang der Freiburger Hybrid-Redoxflussbatterie auf Basis von elementarem Zink und einer Fe3+-Lösung.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/MYVcywJwRKmPHv403LDY"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Entladevorgang der Freiburger Hybrid-Redoxflussbatterie auf Basis von elementarem Zink und einer Fe3+-Lösung.</figcaption></figure>
Bedingt durch den experimentellen Aufbau lässt sich die Batterie in wenigen Minuten laden und wieder entladen.<h2>Ausblick</h2>Mit dem Aufbau haben wir auch organische Systeme wie Anthrachinon-2-sulfonsäure-Natriumsalz, Brenzcatechin und Gallussäure getestet.5,7–10) Die Farbänderungen sowie erste elektrochemische Kenndaten stehen in Tabelle 1. Auch Redoxindikatoren wie Methylenblau oder Safranin haben im oxidierten Zustand eine andere Farbe als im reduzierten.<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Experimentelle Daten der organischen Systeme in der Freiburger Hybrid-Redoxflussbatterie. Eine umfangreichere Tabelle steht unter: <a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a>.</h2><img src="https://media.graphcms.com/rryDQBcR2GdAqjJhjBJm">

</table-wrap>Redoxindikatoren (Tabelle 2) sind für Redoxflussbatterien nicht nur aufgrund ihrer Farbe interessant, sondern auch weil Sauerstoff sie sehr einfach oxidiert. Unsere Idee ist es, diese Systeme durch Luftsauerstoff zu oxidieren, also in den geladenen Zustand zu überführen.<table-wrap>

<label>Table 2</label><h2>Experimentelle Daten der Redoxflusssysteme in der Freiburger Hybrid-Redoxflussbatterie. Mehr unter: <a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a>.</h2><img src="https://media.graphcms.com/ts2wqUrS8CHuQV69aslA">

</table-wrap>Weitere Arbeiten der Autoren haben eine hochleistungsfähige Full-Redox-Flow-Batterie zum Thema, eine hybride Redoxflussbatterie mit integrierter Membran sowie einen Aufbau mit separatem Tank. Bei diesem Aufbau soll die Weiterleitung des Katholyten in den separaten Tank den Schülern zeigen, dass sich Energie und Leistung bei Redoxflussbatterien unterschiedlich skalieren lassen.Weiterführende Informationen und Quellen, beispielsweise konkrete Versuchsbeschreibungen zu den ausgeführten und auch weiteren Experimenten, sind als Online-Ergänzung verfügbar unter:<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.Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, Die Forscher stellen dazu in den Nachrichten aus der Chemie Beispiele vor.<h2>Quergelesen</h2>Handelsübliche Vanadium-Redoxflussbatterien eignen sich nicht für die Schule, da Vanadium giftig und teuer ist. Dennoch lassen sich anorganische Redoxflussbatterien im Chemieunterricht nachbauen.Damit der Aufbau möglichst einfach ist, bieten sich Hybrid-Redoxflussbatterien an, bei denen eine redoxaktive Seite aus einem festen Metall besteht und nicht wie bei der Vanadiumzelle aus einer Salzlösung.Didaktisch günstig sind Elektrolyte, die während des Lade- und Entladevorgangs ihre Farbe wechseln.<h2>Vitakasten</h2>Marco Oetken studierte an der Universität Oldenburg Chemie und Biologie für das Lehramt an Gymnasien. Nach der Promotion 1997 im Arbeitskreis von Walter Jansen legte er im Jahr 2000 das 2. Staatsexamen ab und wurde Akademischer Rat für Didaktik der Chemie an der Universität Oldenburg. Im Jahr 2001 habilitierte er sich. Im Jahr 2004 erhielt er einen Ruf auf eine C3-Professur für Chemie und ihre Didaktik an die Pädagogische Hochschule Freiburg. Seit 2007 ist er dort W3-Professor für Didaktik der Chemie. <a href="mailto:Marco.Oetken@ph-freiburg.de">Marco.Oetken@ph-freiburg.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/xC2TgMBzTuW93wXz0VK3">

</div>Dominik Quarthal studierte von 2010 bis 2014 an der Pädagogischen Hochschule Freiburg Chemie, Mathematik und Physik für das Lehramt an Realschulen und legte das 1. Staatsexamen ab. Seit 2015 promoviert er im Arbeitskreis von Marco Oetken und erschließt Interkalationsspeicher, Superkondensatoren und Redoxflussbatterien für die Schule. <a href="mailto:dominik.quarthal@ph-freiburg.de">dominik.quarthal@ph-freiburg.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/LhdBsunWS3SM9mA1xIi7">

</div>Jana Novotny studierte von 2012 bis 2016 an der Pädagogischen Hochschule Freiburg Lehramt an Werkreal-, Haupt- und Realschulen in Mathematik, Chemie und Englisch sowie von 2015 bis 2016 das Erweiterungsfach Beratung und schloss beide Studiengänge mit dem 1. Staatsexamen ab. Seit Dezember 2016 promoviert sie im Arbeitskreis von Marco Oetken, konzipiert dafür das Freiburger Energielabor Energy-Lab und entwickelt experimentelle Bausteine für das Power-to-X-Konzept. <a href="mailto:Jana.Novotny@ph-freiburg.de">Jana.Novotny@ph-freiburg.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/i7DK8u5eSRQRegMGpZ1g">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 J. Noack, N. Roznyatovskaya, T. Herr, P. Fischer, Angew. Chem. 2015, 127, 9912–9947.</li><li>
2 X. Li, H. Zhang, Z. Mai, H. Zhang, I. Vankelecom, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1147.</li><li>
3 Z. Yang, J. Zhang, M. C. W. Kintner-Meyer, et al., Chem. Rev. 2011, 111, 3577–3613.</li><li>
4 P. K. Leung, C. Ponce de León, C. Low, F. C. Walsh, Electrochimica Acta 2011, 56, 2145–2153.</li><li>
5 W. Jansen, M. Busker, S. Pansegrau, D. Rosenberg, Nachr. Chem. 2017, 65, 167–171.</li><li>
6 A. F. Holleman, N. Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, 2007, 914.</li><li>
7 D. Rosenberg, A. Rehling, D. Ernst, M. Busker, W. Jansen, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2017, 66, 9–13.</li><li>
8 D. Rosenberg, A. Rehling, D. Ernst, M. Busker, W. Jansen, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2016, 65, 22–27.</li><li>
9 D. Rosenberg, M. Behnisch, S. Pansegrau, M. Busker, W. Jansen, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2016, 65, 36–42.</li><li>
10 D. Rosenberg, M. Wachholz, M. Busker, W. Jansen, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2016, 65, 14–19.</li></ul>

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