Bildung & Gesellschaft

<h2>Weniger Abiturienten, mehr Studierende ohne Abitur</h2><p>Im letzten Jahr haben 440 000 Schüler eine Studienzugangsberechtigung erworben, das sind 3 % weniger als im Vorjahr. Im Vergleich zum Jahr 2007 waren es 1 % mehr. 78 % erwarben die allgemeine Hochschulreife, 22 % die fachgebundene Hochschulreife. 53 % aller Absolventen waren weiblich.</p><p>Parallel dazu hat die Zahl der Studierenden ohne allgemeine oder fachbezogene Hochschulreife zugenommen: Im Wintersemester 2016/2017 waren 56 891 Studenten eingeschrieben, die aufgrund beruflicher Qualifikationen oder nach Zusatzprüfungen eine Hochschule besuchen dürfen, 11 % mehr als im vorangegangenen Studienjahr. Der Anteil der Nichtabiturienten unter den Studenten liegt nun bei 2 %.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.destatis.de" target="_blank">www.destatis.de</a></ext-link></p><h2>Gesucht: Fortschritte in den Biowissenschaften</h2><p>Der Forschungspreis des Pharmakonzerns Sanofi und des Institut Pasteur zeichnet zwei Wissenschaftler aus, die als leitende Forscher in Immunologie oder in Mikro- und Infektionsbiologie veröffentlicht haben. Die Auszeichnung ist mit 200 000 Euro dotiert, die Mid-Career-Auszeichnung für Forscher bis 52 Jahre mit 150 000 Euro. Die Bewerbungsfrist endet am 25. Juni.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.sanofi-institutpasteur-awards.com" target="_blank">www.sanofi-institutpasteur-awards.com</a></ext-link></p><h2>Börsengang von Springer Nature platzt</h2><p>Der Großverlag Springer Nature geht später an die Börse als geplant, wenn überhaupt. Die Eigentümer des Großverlags, der Finanzinvestor BC Partners und die Holtzbrinck Publishing Group, sagten den für Anfang Mai geplanten Börsengang ab, weil die Nachfrage nach den Aktien zu gering war. Der Börsengang sollte 1,2 Mrd. Euro einbringen.</p><h2>Neuer Masterstudiengang Materials Science and Engineering</h2><p>Mit der Physik und Chemie neuer Materialien befassen sich ab dem Wintersemester Studenten an der Fachhochschule Münster in einem neu eingerichteten, englischsprachigen Studiengang. Voraussetzung ist ein Bachelorabschluss in Chemie, Physik oder einem verwandten Fach.</p><p><ext-link ext-link-type="uri">www.fhms/materials-science</ext-link></p><h2>Preise für Wissenschaftlerinnen und ihre Unterstützer</h2><p>Die Zeitschrift Nature schreibt zwei Preise aus: den Inspiring Science Award und den Innovating Science Award.</p><p>Der Inspiring Science Award zeichnet eine Wissenschaftlerin aus, die ihre Doktorarbeit vor nicht länger als zehn Jahren abgeschlossen hat, Mutterschutzzeiten und sonstige Auszeiten nicht einberechnet. Die Preisträgerin erhält 10 000 US-Dollar sowie bis zu 5200 US-Dollar, um ihre Forschungsergebnisse open access zu veröffentlichen.</p><p>Der Innovating Science Award geht an eine Initiative, die bei Mädchen und jungen Frauen weltweit das Interesse an und den Zugang zu Naturwissenschaften und Technik fördert. Die Preisträger erhalten bis zu 5200 US-Dollar, um ihre Initiative bekannt zu machen.</p><p>Forschungsinstitutionen können noch bis zum 11. Juni Vorschläge einreichen. Um den Inspiring Science Award können sich Kandidaten auch selbst bewerben.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://nature.com/researchawards" target="_blank">nature.com/researchawards</a></ext-link></p><h2>Preis für Lehre</h2><p>Der Ars-legendi-Preis zeichnet in diesem Jahr Hochschullehrer aus, die sich durch gute Prüfungsdidaktik hervorheben oder der akademischen Prüfungspraxis Impulse verliehen haben. Noch bis zum 29. Juni können sich Wissenschaftler oder Dozententeams um den Preis bewerben oder Kollegen vorschlagen. Der Gewinner erhält 50 000 Euro von Stifterverband und Hochschulrektorenkonferenz.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ars-legendi-preis.de" target="_blank">www.ars-legendi-preis.de</a></ext-link></p><h2>Deutsche Studenten im Ausland</h2><p>137 700 Deutsche waren – nach einer 2017 veröffentlichten Erhebung des statistischen Bundesamts – im Jahr 2015 an Hochschulen im Ausland eingeschrieben, das waren etwas mehr als in den Vorjahren (Grafik). 14 504 von ihnen, knapp 11 %, studierten eine Naturwissenschaft oder Mathematik, im Inland lag der Anteil bei nahezu 19 %.</p><p>An erster Stelle der beliebtesten Zielländer der Auslandsstudenten steht Österreich; bei Naturwissenschaftlern kommt das Vereinigte Königreich an zweiter Stelle, wo 2640 Mathematiker und Naturwissenschaftler studierten (1112 weniger als in Österreich), gefolgt von der Schweiz mit 2400 Mathematik- und Naturwissenschaftsstudenten. Bei Ingenieuren steht die Schweiz an zweiter Stelle.</p><p><a href="https://www.destatis.de/DE/Publikationen/Thematisch/BildungForschungKultur/Hochschulen/StudierendeAusland.html" target="_blank">www.destatis.de/DE/Publikationen/Thematisch/BildungForschungKultur/Hochschulen/StudierendeAusland.html</a></p>

Meldung

Notizen aus Forschungs‐ und Bildungspolitik

Weniger Abiturienten, mehr Studierende ohne AbiturIm letzten Jahr haben 440 000 Schüler eine Studienzugangsberechtigung erworben, das sind 3 % weniger als im Vorjahr. Im Vergleich zum Jahr 2007 waren es 1 % mehr. 78 % erwarben die allgemeine Hochschulreife, 22 % die fachgebundene Hochschulreife....

Prof.Dr.

<p>Um Schülern zu zeigen, wie wasserlösliche Ionen unpolare Barrieren durchdringen, eignen sich Versuche mit Kronenethern. Sie dienen als Modelle für Transportermoleküle, die diese Funktion bei lebenden Zellen übernehmen.</p>
<p>In dem Beitrag „Zur Redoxchemie und Toxikologie von Chromverbindungen“ haben wir eine Unterrichtseinheit beschrieben, die die Thematik anhand des Spielfilms „Erin Brockovich“ behandelt.<sup>1,2)</sup></p><p>Der Film aus dem Jahr 2000 mit Julia Roberts in der Hauptrolle schildert einen der größten Umweltskandale in den USA der 1990er Jahre: In der kalifornischen Gemeinde Hinkley erkrankten auffällig viele Menschen an Krebs, was offensichtlich im Zusammenhang mit chromatverseuchtem Trinkwasser stand. Wie Recherchen schließlich ergaben, hatte das Unternehmen Pacific Gas &amp; Electric (PB&amp;E) jahrelang Chrom(VI)-Verbindungen ins Grundwasser geleitet.</p><p>Die Unterrichtseinheit wirft Leitfragen zur Toxizität von Chrom(VI)-Verbindungen auf, vergleicht sie mit der relativen Unbedenklichkeit von Cr(III)-Verbindungen und beantwortet sie experimentell. Dabei erarbeiten die Schüler, dass es in der Biomembran menschlicher Zellen offensichtlich einen Transportmechanismus geben muss, der das Chromation – wie das Sulfation – durch die Biomembran in das Zellinnere schleust.</p><p>Für den Unterricht wäre nun ein Modellexperiment hilfreich, das demonstriert, wie Ionen durch Biomembranen gelangen – das also die Permeation von Ionen durch eine unpolare Phase veranschaulicht. Kronenether bieten eine experimentell recht einfache und anschauliche Möglichkeit, den Transport von Ionen durch eine Biomembran nachzustellen.</p><h2>Entdeckung, Struktur und Eigenschaften von Kronenethern</h2><p>Kronenether (Coronanden) sind cyclische Polyether, deren Sauerstoffatome über Ethanbrücken verknüpft sind. Im Jahr 1967 entdeckte sie der Amerikaner Charles J. Pedersen per Zufall. Er erhielt hierfür im Jahr 1987 zusammen mit Donald J. Cram und Jean-Marie Lehn den Nobelpreis für Chemie.</p><p>Pedersen versuchte, Bis(2-chloroethyl)ether mit einem an einer OH-Gruppe geschützten Brenzcatechin, das mit ungeschütztem Brenzcatechin verunreinigt war, zum nichtcyclischen Benzolderivat Bis[2-(o-hydroxyphenoxy)ethyl]ether umzusetzen; dabei entstanden neben dem gewünschten Produkt 0,4 % des cyclischen Ethers (4) (Abbildung 1).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/8p8Jl9cfQ3iWIkqkZWns"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Synthese eines Kronenethers aus der Veröffentlichung von Charles Pedersen.<sup>3)</sup></figcaption></figure>
<p>Wie Pedersen feststellte, hat der cyclische Ether ungewöhnliche Eigenschaften: Er ist unlöslich in Methanol, löst sich allerdings nach Zugabe von Natrium- oder Kaliumsalzen. Mit einem Kronenether lassen sich Natrium- und Kaliumsalze in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzol oder Chloroform lösen. Pedersen erklärte dies dadurch, dass der Kronenether das Kation des Salzes komplexiert. Aus Elektroneutralitätsgründen muss das Anion dem solvatisierten Kation dann in die organische Phase folgen.<sup>4)</sup></p><p>Bereits vor Pedersens Experiment wurden Naturstoffe entdeckt, die in ihrem Molekülinneren Alkalimetallkationen aufnehmen und durch Biomembranen transportieren (Ionophor). Ein Beispiel ist das Makrolidantibiotikum Valinomycin, das im Jahr 1955 aus Stryptomyces fulvissimus isoliert wurde (Abbildung 2); der Transportmechanismus ist entscheidend für die antibiotische Wirkung.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/6Rp22k4HSTeruaYeSePP"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Strukturformel des Ionophors Valinomycin;<sup>5 )</sup> Valinomycin zählt zu den Macrolidantibiotika.</figcaption></figure>
<p>Ähnlich wie Valinomycin verfügen Kronenether über eine Hydrophilie-Lipophilie-Balance: Kronenether sind über entsprechende Konformationsänderungen in der Lage, sich sowohl in hydrophilen als auch in lipophilen Medien zu lösen. In hydrophilen Medien zeigen die polaren Sauerstoffenden der Kronenether nach außen, in lipophilen Medien ist die Polarität umgekehrt.</p><p>Bei einem Kronenether sind die Sauerstoffatome nach innen gerichtet, während die unpolaren CH<sub>2</sub>-Gruppen nach außen zeigen. Der Kronenether ist somit in lipophilen Medien wie Dichlormethan oder Chloroform löslich. Darüber hinaus entsteht ein hydrophiler, elektronenreicher Hohlraum, der spezifisch Kationen komplexiert.</p><p>Mit den Kronenethern stehen Transportvehikel zur Verfügung, mit denen sich im Unterricht der Transport von Ionen aus einer hydrophilen Phase durch eine unpolare in eine hydrophile, wässrige Phase experimentell veranschaulichen lässt.</p><h2>Modell für den Ionentransport durch eine Biomembran</h2><p>Ein Modellsystem macht den Transport von Stoffen durch Biomembranen sichtbar. Gleichzeitig zeigt es die Funktion von Biomembranen als Trennschicht zwischen verschiedenen wässrigen Bereichen einer lebenden Zelle oder auch zwischen dem Zellinneren und dem Zellaußenraum.</p><p>Die Lehrerdemonstrationsversuche zeigen, dass Kronenether Kationen aus einer wässrigen Phase durch eine unpolare Phase transportieren und in eine angrenzende wässrige Phase überführen. Die vollständigen Versuchsbeschreibungen gibt es zum Herunterladen unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a></ext-link>.</p><h2>Permeation von Kaliumpermanganat durch Dichlormethan</h2><p>Sämtliche Experimente werden in einem U-Rohr durchgeführt (Abbildung 3). In den rechten Schenkel des U-Rohrs gibt der Lehrer Wasser, in den linken Schenkel schichtet er die Kaliumpermanganatlösung auf die Dichlormethanphase. Anschließend gibt er die Kronenetherlösung ([18]-Krone-6-Ether)-Lösung) zu.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/KuX5nawCQFGEBGvF6mgs"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Versuchsaufbau zum Ionentransport (hier Kaliumpermanganat) durch Kronenether mit U-Rohr und Magnetrührer.</figcaption></figure>
<p>Bereits nach kurzer Zeit sind violett gefärbte Schlieren in der unpolaren Phase zu beobachten, und die Intensität der Farbe nimmt mit der Versuchsdauer zu (Abbildung 4).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/81oHYaNTbytVVRfg3nxw"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Transport von Permanganationen durch Dichlormethan nach Zugabe von [18]- Krone-6-Lösung. Die Bilder wurden (I) 1 Sekunde, (II) 1 Minute, (III) 5 Minuten und (IV) 20 Minuten nach Zugabe des Ethers aufgenommen.</figcaption></figure>
<p>Der Kronenether [18]-Krone-6 kann mit einem Hohlraumdurchmesser von 260 bis 320 pm genau ein Kaliumion (266 pm) einlagern und dient in diesem Experiment als Modellsubstanz für einen spezifisch wirkenden Ionentransporter in einer Biomembran. Die unsolvatisierten Permanganationen wandern als assoziierte Ionen mit, wodurch der Transport durch die unpolare Phase über die Farbe schön zu verfolgen ist.</p><p>Mit einer Modellbetrachtung lassen sich die Vorgänge auf submikroskopischer Ebene im Unterricht visualisieren (Abbildung 5).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/uUDAiheYTHiF95jfVvpN"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Modellbetrachtung der Permeation von Kaliumpermanganat durch Dichlormethan nach Zugabe von [18]-Krone-6-Lösung zu Beginn des Experiments (oben) und im weiteren Verlauf bis zirka 20 Minuten nach Zugabe des Ethers (unten).</figcaption></figure>
<h2>Permeation von Kaliumchromat durch Dichlormethan</h2><p>Ein Experiment mit Kaliumchromat wird genauso durchgeführt wie der Versuch mit Kaliumpermanganat. Statt der Kaliumpermanganatlösung wird eine Kaliumchromatlösung verwendet.</p><p>Zunächst bleibt die Farbe in der unpolaren Phase gleich. Säuert man die Lösung jedoch mit Schwefelsäure an, färbt sich die Lösung orange (Abbildung 6), und nach kurzer Zeit treten gelb gefärbte Schlieren in die unpolare Phase über. Die Farbintensität nimmt mit der Versuchsdauer zu; nach zirka 30 Minuten ist die gesamte Dichlormethanphase gelb gefärbt. Nach etwa einer Stunde färbt sich schließlich auch die wässrige Phase im rechten Schenkel des U-Rohrs gelb.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/WrKYFvgdTFqsofn16hha"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Transport von Kaliumchromat durch Dichlormethan nach Zugabe von [18]-Krone-6-Lösung und Schwefelsäure. Die Bilder wurden (I) 1 Sekunde, (II) 1 Minute, (III) 30 Minuten und (IV) 60 Minuten nach Zugabe des Ethers aufgenommen.</figcaption></figure>
<p>Die zunächst nicht zu beobachtende Gelbfärbung der unpolaren Phase (kein Durchtritt von Chromationen) ist mit der unterschiedlichen Ladung der Ionen zu erklären: Das Permanganation ist einfach negativ geladen, das Chromation liegt hingegen zweifach negativ geladen vor. Der Transport eines zweifach negativ geladenen, unsolvatisierten Ions durch eine unpolare Phase ist energieaufwendig und findet unter diesen Bedingungen daher nicht statt. Durch das Ansäuern entstehen Hydrogenchromationen, die mit Dichromationen im Gleichgewicht stehen. Das gemäß der Gleichung</p><p>CrO<sub>4</sub><sup>2–</sup> + H<sup>+</sup> N HCrO<sub>4</sub><sup>–</sup></p><p>entstehende Hydrogenchromation spaltet in wässriger Lösung Wasser ab, sodass folgendes Gleichgewicht vorliegt:</p><p>2 HCrO<sub>4</sub><sup>– </sup>a H<sub>2</sub>O + Cr<sub>2</sub>O<sub>7</sub><sup>2–</sup></p><p>In Gegenwart der Hydrogenchromationen übernimmt der Kronenether im Modellexperiment erneut die Funktion eines Carriers, lagert ein Kaliumion ein und schleust assoziierte unsolvatisierte Hydrogenchromationen durch die unpolare Phase.</p><h2>Kaliumiodid als Modellsubstanz</h2><p>Die Permeation von Ionen durch eine unpolare Phase und der Eintritt in eine polare Phase lässt sich modellhaft wie im Versuch mit Permanganat auch mit Kaliumiodid zeigen.</p><p>Im linken Schenkel des U-Rohrs befindet sich die KI-Lösung, im rechten Schenkel wird die wässrige Phase mit einigen Tropfen Silbernitratlösung versetzt. Nach zirka zwei Minuten zeigt sich im rechten Schenkel an der Phasengrenzfläche eine gelblich-weiße Trübung, die sich im weiteren Verlauf des Versuchs verstärkt (Abbildung 7, S. 624).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/LmYJQswgQgGGA3R8axFU"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Transport von Kaliumiodid durch Dichlormethan nach Zugabe von [18]-Krone-6-Lösung. Die Bilder wurden 1 Sekunde (links), und 30 Minuten (rechts) nach Zugabe des Ethers aufgenommen.</figcaption></figure>
<p>Ganz offensichtlich transportiert auch hier der Kronenether die Kaliumionen und unsolvatisierte Iodidionen durch die unpolare Dichlormethanphase. An der Grenzfläche Dichlormethan/Wassser im rechten Schenkel sind die Iodidionen durch Silbernitrat als Silberiodid nachweisbar.</p><h2>Fazit</h2><p>Der besondere Reiz der Experimente liegt in der Farbigkeit des Ionentransports. Dadurch können Schüler den Transport durch die unpolare Phase gut verfolgen.</p><p>Gleichwohl sollten Lehrer neben der Phänomenebene auch immer die Teilchenebene in den Unterricht integrieren, damit die Schüler den Verlauf des Ionentransports durch den Kronenether nachvollziehen.</p><p>Will man klären, wie bestimmte Giftstoffe ins Zellinnere gelangen, hat man ein Modellexperiment zur Verfügung, das den Eintritt von Cr(VI)-Verbindungen durch ein unpolare Phase (Biomembran) in eine wässrige Phase (Zellinnere) zeigt. Damit lassen sich neben den rein chemischen Aspekten wie Redoxchemie, Phasentransferkatalyse oder Polaritäten Themen aus Biologie oder Biochemie erarbeiten, etwa Membranaufbau, Stofftransport oder Redoxchemie mit biologisch relevanten Reduktionsmitteln.</p><p>Weiterführende Informationen zu den Versuchen einschließlich Versuchsaufbau stehen unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/downloads</a></ext-link>.</p><p>Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, In den Nachrichten aus der Chemie stellen Wissenschaftler dazu ihre Ergebnisse vor.</p><h2>Quergelesen</h2><p>Kronenether komplexieren Alkalikationen und machen Salze so in unpolaren Medien löslich.</p><p>Mit farbigen Stoffen wie Kaliumpermanganat oder Kaliumdichromat lässt sich der Transport von Ionen mit Kronenethern durch unpolare Lösungsmittel direkt beobachten.</p><p>Ähnlich wie Kronenether funktionieren natürliche Transportermoleküle, die Stoffe durch die lipophile Zellmembran bringen.</p><h2>Vitakasten</h2><p>Jens Friedrich studierte an der Universität Oldenburg Chemie und Biologie für das Lehramt an Gymnasien und promovierte dort. Nach dem 2. Staatsexamen im Jahr 1999 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften, IPN, in Kiel, bis er im Jahr 2000 als Studienrat an das Lothar-Meyer-Gymnasium in Varel wechselte und parallel dazu an der Universität Oldenburg als Lehrbeauftragter arbeitete. Seit 2004 ist er Professor für Chemie und Chemiedidaktik an der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Friedrich leitet die Arbeitsgruppe Experimentalunterricht der Fachgruppe Chemieunterricht.</p><div><img src="https://media.graphcms.com/CgiuD3aRQl25zvYLbuzK">

</div><p></p><p>Marco Oetken, Jahrgang 1967, hat seit dem Jahr 2006 an der PH Freiburg einen Lehrstuhl für Chemie und ihre Didaktik inne. Seine Forschungsschwerpunkte sind die experimentelle und konzeptionelle Erschließung neuer Themenfelder für praxisorientierten Chemieunterricht, zum Beispiel Perspektiven nachhaltiger Energieversorgung. <a href="mailto:marco.oetken@ph-freiburg.de">marco.oetken@ph-freiburg.de</a></p><div><img src="https://media.graphcms.com/sLvLUCoYQQWP70zfvvyB">

</div><p></p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>The Cognition and Technology Group at Vanderbilt, The Jasper Projekt: Lessons in Curriculum, Instruction, Assessment and Professionals Development. Lawrence Erlbaum Associates, New York 1997</li><li>
<sup>2 </sup>J. Friedrich, M. Oetken, „Redoxchemie und Toxikologie von Chromverbindungen Eine experimentelle und fachübergreifende Unterrichtseinheit zur Redoxchemie und zur Toxikologie von Chromverbindungen im Rahmen des ChemCi-Projekts – inszeniert und illustriert mit Szenen aus dem Spielfilm „Erin Brockovich““, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2012, 61 (8), 34–43.</li><li>
<sup>3 </sup>F. Vögtle, Supramolekulare Chemie, Teubner-Verlag, Stuttgart 1992 .</li><li>
<sup>4 </sup>C. J. Pederson, „Die Entdeckung der Kronenether (Nobel-Vortrag)“, Angew. Chem. 1988, 100, S. 1053–1059.</li><li>
<sup>5 </sup><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_DE_CB7199194.htm" target="_blank">www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_DE_CB7199194.htm</a></ext-link>(Stand: 09.11.2017)</li></ul>


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