Lehrplan PLUS

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Chemie 11

Der angegebene Fachlehrplan wird derzeit überarbeitet; die überarbeitete Fassung wird nach Abschluss der Anpassung des LehrplanPLUS an das neunjährige Gymnasium veröffentlicht.

C 11 Lernbereich 1: Wie Chemiker denken und arbeiten
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • setzen Nachweisreaktionen und fachgemäße Arbeitstechniken bei der selbständigen, sicherheitsgerechten Durchführung qualitativer und quantitativer naturwissenschaftlicher Untersuchungen ein.
  • stellen theoriebasiert zu chemischen Fragestellungen Hypothesen auf und planen ausgehend von diesen überwiegend selbständig naturwissenschaftliche Untersuchungen.
  • beurteilen die Validität von erhobenen oder recherchierten Daten, benennen mögliche Ursachen für Messfehler und optimieren davon ausgehend das Untersuchungsdesign.
  • bereiten erhobene oder recherchierte Daten für die Auswertung auf, finden in diesen Daten Trends, Strukturen und Beziehungen und verifizieren bzw. falsifizieren die zugrunde liegende Hypothese.
  • beschreiben für Laborversuche und ausgewählte technische Anlagen Möglichkeiten und Grenzen der Beeinflussung chemischer Reaktionen durch Variation von Reaktionsbedingungen.
  • nutzen tabellierte Daten zur Vorhersage von Reaktivitäten chemischer Systeme im Hinblick auf stoffliche und energetische Änderungen.
  • beschreiben Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge auch mathematisch und treffen auf der Grundlage von mathematischen Gesetzmäßigkeiten Vorhersagen zum Ablauf chemischer Reaktionen.
  • verwenden Modelle zur Veranschaulichung von Bindungsverhältnissen in komplexen organischen Molekülen (z. B. Farbstoffmoleküle), um die Reaktivität der jeweiligen Teilchen und die zugehörigen Stoffeigenschaften zu erklären.
  • bewerten die Aussagekraft von Modellen und begründen die Auswahl eines Modells zur Erklärung des vorliegenden Sachverhalts.
  • erklären die Beeinflussung der Entwicklung naturwissenschaftlichen Wissens durch soziale, kulturelle und technologische Aspekte.
  • formulieren Reaktionsmechanismen, um den zeitlichen Verlauf chemischer Reaktionen darzustellen.
  • überführen zur Bearbeitung chemischer Problemstellungen Sachverhalte in eine sach-, adressaten- und situationsgerechte Darstellungsform und reflektieren die Verwendung dieser Darstellungsform.
  • reflektieren sozio-ökonomische und ökologische Auswirkungen chemisch-technischer Entwicklungen und bewerten diese im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung.
  • schätzen auch selbständig beschaffte Quellen im Hinblick auf ihre Eignung ein und nutzen sie, um Sachverhalte zu bewerten.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Nachweisreaktionen und fachgemäße Arbeitstechniken: u. a. Kalorimetrie, Spannungs- und Stromstärkemessung
  • naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg (Fragestellung, Hypothese, Experiment planen und durchführen, Datenauswertung und –interpretation): u. a. Sicherheitsvorschriften, Ursachen für Mess- und Verfahrensfehler (z. B. Ungenauigkeiten der Messgeräte, beim Ablesen oder durch den Versuchsaufbau)
  • Anfertigung und Auswertung verschiedener Darstellungsformen, Wechsel der Darstellungsform: u. a. Steigungsdreieck, Interpolation von Messwerten; Sach-, Adressaten- und Situationsbezug (Perspektivwechsel, Vorteile von Darstellungsformen)
  • Möglichkeiten und Grenzen der Beeinflussung chemischer Reaktionen: Prinzip der Variablenkontrolle (z. B. offenes oder geschlossenes System), Prinzip von Le Chatelier, Wahl der Reaktionsbedingungen (z. B. RGT-Regel)
  • tabellierte Daten: Bezugspunkte, Standardbedingungen
  • Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge: Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Massenwirkungsgesetz, Maxwell-Boltzmann-Verteilung
  • Eigenschaften, Aussagekraft, Grenzen und Erweiterung von materiellen und ideellen Modellen: u. a. mesomere Grenzstrukturformeln, Energiestufenschema, Elektronendichteverteilung, Elektronendichteoberfläche
  • Reaktionsschema, Nomenklatur, Symbol- und Formelsprache: u. a. Darstellung von Reaktionsmechanismen mit Elektronenpfeilen
  • Entwicklung und Eigenschaften naturwissenschaftlichen Wissens: u. a. Grundlagenforschung, angewandte Forschung, Verwendung von Produkten und Techniken, Diskurs in der Gesellschaft
  • Quelle: v. a. populär- und fachwissenschaftliche Literatur
  • Entscheidungsfindung als systematischer und begründeter Prozess: u. a. nachhaltige Entwicklung (zukünftige Energieversorgung, erneuerbare Energien, Effizienz bei der Rohstoff- und Energiebereitstellung, ggf. weitere Themen)

C 11 Lernbereich 2: Kohlenwasserstoffe – Energieträger und Reaktionspartner (ca. 25 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • bewerten die Bedeutung fossiler und nachwachsender Rohstoffe als Energieträger und Grundstoffe im Sinn einer nachhaltigen Entwicklung.
  • leiten angesichts der Abhängigkeit unserer Zivilisation von einigen wenigen, nur begrenzt zur Verfügung stehenden organischen Rohstoffen Maßnahmen zur Einsparung sowie zur Erschließung alternativer Rohstoff- und Energiequellen ab.
  • unterscheiden verschiedene Systeme, in denen chemische Reaktionen ablaufen, und beschreiben, dass die bei einer chemischen Reaktion im geschlossenen System (bei variablem Volumen) auftretende Energieänderung in Form von Wärme und Arbeit auftreten kann, um die Änderung der inneren Energie (Reaktionsenergie ΔEi) von der Änderung der Enthalpie (Reaktionsenthalpie ΔHR) abzugrenzen.
  • begründen die Unterschiede von experimentell bestimmten oder vorgegebenen Reaktionsenthalpien auf der Grundlage der Bindungsverhältnisse und stufen Stoffe als energiereich oder energiearm ein.
  • charakterisieren Reaktionen als exo- oder endotherm, indem sie die Formel zur Berechnung von Standard-Reaktionsenthalpien aus tabellierten Standard-Bildungsenthalpien anwenden.
  • erklären die Besonderheiten aromatischer Systeme durch die Erweiterung der Vorstellungen zur Elektronenpaarbindung um das Mesomeriemodell.
  • verwenden mesomere Grenzstrukturen, um die Elektronenverteilung in aromatischen Kohlenwasserstoffmolekülen darzustellen, und bewerten die Modellhaftigkeit dieser Darstellungsform.
  • identifizieren die wahrscheinlichsten Grenzstrukturformeln, indem sie den energetischen Zustand von hypothetischen Grenzstrukturen bewerten.
  • wenden induktive und mesomere Effekte an, um Acidität und Basizität ausgewählter Teilchen vergleichend zu begründen.
  • vergleichen typische Reaktionen von gesättigten, ungesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffmolekülen mit Halogenmolekülen, indem sie die Änderung der Bindungsverhältnisse während des Reaktionsverlaufs als Reaktionsmechanismus darstellen.
  • bewerten die Bedeutung aromatischer Verbindungen in Alltag und Industrie sowie die ggf. mit ihnen verbundene besondere Gesundheitsproblematik.
  • bewerten den Einsatz von Halogenkohlenwasserstoffen in Alltag und Technik, indem sie Auswirkungen auf Mensch und Umwelt bei deren Freisetzung abwägen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Erdöl, Erdgas und Kohle, nachwachsende Rohstoffe: Grundstofflieferanten und Energieträger, Treibhauseffekt
  • thermodynamische Systeme: offen, geschlossen, isoliert; Temperatur- und Volumenänderungen
  • qualitative Betrachtung der Energie- und Enthalpieänderung bei chemischen Reaktionen: Reaktionswärme bei konstantem Volumen (Reaktionsenergie ΔEi) und konstantem Druck (Reaktionsenthalpie ΔHR)
  • Prinzip der Kalorimetrie, Abschätzen des Zusammenhangs zwischen Molekülbau (Einfach- oder Mehrfachbindung, polare oder unpolare Atombindung) und Verbrennungswärme (Je-desto-Beziehungen, keine Berechnungen), Brennwert, Vergleich fossiler und nachwachsender Energieträger
  • Standard-Reaktionsenthalpien: GYM_C_Energie
  • Bindungsverhältnisse und Elektronenverteilung im Benzolmolekül: Mesomerieenergie, Grenzstrukturen, Elektronendichteoberfläche, Delokalisierung
  • induktive und mesomere Effekte: Vergleich der Acidität von aliphatischen Alkoholen, Phenol und Carbonsäuren und der Basizität von aliphatischen Aminen und Anilin; Aufstellen mesomerer Grenzstrukturen
  • Reaktivität bei Alkanen, Alkenen und Aromaten: Homolyse, Heterolyse, Radikal, Nukleophil, Elektrophil; Halogenierung durch radikalische Substitution, elektrophile Addition (u. a. als Nachweis von Doppelbindungen) und elektrophile aromatische Substitution (Übergangszustand und Zwischenprodukt); SSS- und KKK-Regel
  • Bedeutung, Umwelt- und Gesundheitsaspekte wichtiger aromatischer Verbindungen: u. a. Benzol, Benzoesäure, Styrol
  • Halogenkohlenwasserstoffe in Alltag und Technik: Persistenz, Verwendung früher und heute, Umwelt- und Gesundheitsaspekte

C 11 Lernbereich 3: Farbstoffe – Molekülstruktur und Farbigkeit (ca. 12 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • unterscheiden zwischen der Emission und der Absorption verschiedener Wellenlängen des Lichts, um die Ursachen von Farbigkeit zu beschreiben.
  • erklären die Absorption von Licht bestimmter Wellenlängen als Anregung von delokalisierten Elektronen und begründen die Farbigkeit von Stoffen mithilfe des Energiestufenschemas.
  • erklären die Farbigkeit von Stoffen anhand des Zusammenhangs zwischen den Wellenlängen des absorbierten und des reflektierten Lichts.
  • wenden das Donator-Akzeptor-Konzept auf Farbstoffmoleküle an, um den Einfluss funktioneller Gruppen auf die Farbigkeit zu erklären.
  • werten Absorptionsspektren von Farbstoffen aus, um die Absorptionseigenschaften von Farbstoffmolekülen zu beschreiben.
  • stellen die Synthese von Azofarbstoffen in Teilschritten dar und wenden dabei den Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution auf konkrete Beispiele an.
  • erklären das Prinzip der Küpenfärbung und führen ggf. eine Küpenfärbung durch.
  • beschreiben die Auswirkung von Veränderungen eines delokalisierten Elektronensystems durch eine Säure-Base- oder Redoxreaktion, um die Funktionsweise von Indikatoren zu erklären.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Farbigkeit: additive und subtraktive Farbmischung
  • Energiestufenschema: vereinfachtes MO-Schema für das Wasserstoffmolekül (bindendes und antibindendes Molekülorbital, konstant bleibende Anzahl der Orbitale bei der Bildung von Molekülorbitalen), Verringerung der Energielücke zwischen bindenden und antibindenden Molekülorbitalen mit zunehmender Anzahl konjugierter Doppelbindungen
  • absorbierte Wellenlänge: Energiedifferenz zwischen der höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Energiestufe
  • Molekülbau und Absorption: Güte der Delokalisierung, Größe des mesomeren Systems, Chromophor
  • Einfluss von Substituenten: auxochrome Gruppe, antiauxochrome Gruppe
  • Absorptionsspektren: u. a. ausgewählter Azofarbstoffe und Triphenylmethanfarbstoffe
  • Azofarbstoffe: Synthese in zwei Schritten (Diazotierung und Azokupplung; keine dirigierenden Effekte)
  • Küpenfärbung: Redoxreaktion, Löslichkeit, Färbung mit Indigo
  • Funktionsprinzip von Indikatoren: Säure-Base-, Redox-Indikatoren

C 11 Lernbereich 4: Reaktionsgeschwindigkeit – Ermittlung und Deutung auf Teilchenebene (ca. 8 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben die Reaktionsgeschwindigkeit als Änderung der Stoffmenge pro Zeiteinheit und bestimmen mittlere und momentane Reaktionsgeschwindigkeiten aus Diagrammen (z. B. Zeit-Volumen-Diagramm).
  • beeinflussen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen durch Wahl der Reaktionsbedingungen, planen hierzu hypothesengeleitet Experimente und führen diese durch.
  • begründen mithilfe der Stoßtheorie die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktionsbedingungen auf Teilchenebene.
  • erläutern den Einfluss eines Katalysators auf eine chemische Reaktion auf Stoff- und Teilchenebene und bewerten den Katalysatoreinsatz in technischen Prozessen aus ökologischer Sicht.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • zeitlicher Verlauf chemischer Reaktionen, Ermittlung z. B. über Volumen-, Massen- oder Konzentrationsänderung; mittlere und momentane Reaktionsgeschwindigkeit
  • Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktionsbedingungen: Einfluss von Konzentration, Druck, Temperatur (RGT-Regel), Zerteilungsgrad, Katalysator
  • Stoßtheorie: Orientierung, Geschwindigkeit und Anzahl der Teilchen, Maxwell-Boltzmann-Verteilung, Mindestenergie, Aktivierungsenergie
  • Katalyse: Einfluss auf Mindestenergie und Aktivierungsenergie, heterogene und homogene Katalyse; Autoabgaskatalysator, Verminderung von Emissionen

C 11 Lernbereich 5: Chemisches Gleichgewicht – Reversible Reaktion und dynamisches Gleichgewicht (ca. 14 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • charakterisieren auch mithilfe von Modellen chemische Gleichgewichte auf Stoff- und Teilchenebene, um den statischen Zustand auf Stoffebene vom dynamischen Zustand auf Teilchenebene abzugrenzen.
  • leiten Möglichkeiten zur Erhöhung bzw. Erniedrigung der Produktkonzentrationen durch Außenfaktoren ab, indem sie das Prinzip von Le Chatelier auf ausgewählte technische Prozesse und chemische Gleichgewichte im Alltag anwenden.
  • wenden das Massenwirkungsgesetz auf homogene Gleichgewichte an und nutzen die Gleichgewichtskonstante, um Aussagen bezüglich der Lage des Gleichgewichtes zu treffen.
  • begründen durch einfache mathematische Berechnungen die Lage eines Gleichgewichts und den Einfluss von Außenfaktoren auf die Lage eines Gleichgewichts, um Optimierungsmöglichkeiten für technische Prozesse abzuleiten.
  • erläutern die technische, ökonomische und ökologische Bedeutung chemischer Gleichgewichte an gesellschaftlich relevanten Beispielen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Modelle zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts: z. B. Computersimulationen
  • reversible Reaktion, chemisches Gleichgewicht als dynamisches Gleichgewicht: geschlossenes System, Reaktionsgeschwindigkeit v = 0, Reaktionsraten der Hin- und Rückreaktion gleich
  • Störung und Neueinstellung von dynamischen Gleichgewichten: Prinzip von Le Chatelier, Beeinflussung von Gleichgewichtslage und Ausbeute durch Temperatur-, Druck- und Konzentrationsänderung; Katalysatoren
  • Massenwirkungsgesetz: Massenwirkungsquotient Q, Gleichgewichtskonstante Kc; einfache Rechenbeispiele für homogene Systeme
  • Beispiele für die Anwendung: Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren), Einfluss der Ozeane auf den Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre, ggf. weitere

C 11 Lernbereich 6: Redoxgleichgewichte – Energetik und technische Anwendung (ca. 25 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • wenden das Energiekonzept auf Donator-Akzeptor-Reaktionen an und führen dazu thermometrische Messungen durch.
  • erklären die räumliche Trennung von Oxidation und Reduktion in galvanischen Zellen als Voraussetzung für die Nutzung der Reaktionsenthalpie als elektrische Energie und ermitteln die von galvanischen Zellen leistbare elektrische Arbeit, indem sie Spannungs- und Stromstärkemessungen durchführen.
  • wenden das Prinzip von Le Chatelier zur Optimierung galvanischer Zellen an und begründen die Auswirkungen der gewählten Veränderungen auf Teilchenebene.
  • treffen Vorhersagen über den Verlauf von Redoxreaktionen und ermitteln die Leerlaufspannung galvanischer Zellen mithilfe der elektrochemischen Spannungsreihe und der Nernst-Gleichung.
  • übertragen das Bau- und Funktionsprinzip galvanischer Zellen auf im Alltag und in der Technik verwendete Primärzellen und bewerten Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batterietypen.
  • beschreiben die Unmöglichkeit, Wärme vollständig in Arbeit umzuwandeln, um Alltagsbegriffe wie Energieverbrauch und Energieverlust zu erklären.
  • vergleichen und bewerten die Energieumwandlung in Brennstoffzellen und Verbrennungskraftwerken.
  • schätzen die Entropieänderung bei ausgewählten chemischen Reaktionen ab, indem sie die Verteilung von Energie und Teilchen als Maß für die Entropie verwenden.
  • wenden die Gibbs-Helmholtz-Gleichung an, um den Einfluss von Enthalpie- und Entropieänderungen auf die Richtung chemischer Reaktionen zu erklären.
  • treffen Vorhersagen zur Freiwilligkeit des Ablaufs chemischer Reaktionen sowie zur Möglichkeit der Gleichgewichtseinstellung, indem sie die Gibbs-Helmholtz-Gleichung anwenden.
  • erklären, warum zum Durchführen einer endergonen Reaktion die Kopplung mit einer exergonen Reaktion nötig ist, und interpretieren die dabei auftretenden Energieunterschiede als Entropieerzeugung.
  • begründen die Reihenfolge der Ionenentladung bei technisch bedeutsamen Elektrolysen mithilfe der Überspannung.
  • beschreiben das Bauprinzip und erläutern die Funktionsweise sowie die Energetik von im Alltag verwendeten Sekundärzellen und bewerten deren Einsatzmöglichkeiten.
  • bewerten Elektromobilität hinsichtlich ihrer Effizienz aus energetischer und ökologischer Sicht.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Energieumsätze bei der Reaktion von Metallen mit Salzlösungen: Elektronenübergänge bei der Reaktion von Metall-Atomen mit Metall-Kationen, korrespondierende Redoxpaare, Reaktionsenthalpie, elektrische Arbeit
  • galvanische Zellen: Halbzellen, Leerlaufspannung als Potentialdifferenz, Stromstärke, Optimierung (Elektrodenoberfläche, Elektrodenmaterial, Konzentration, Kombination von Halbzellen)
  • Standardwasserstoffhalbzelle, Standardpotential, elektrochemische Spannungsreihe
  • Konzentrationsabhängigkeit des Redoxpotentials: Konzentrationszelle, Nernst-Gleichung
  • Primärzellen aus Alltag und Technik: Zink-Luft-Batterie, Silberoxid-Zink-Batterie, Lithium-Batterie, ggf. weitere
  • Wertigkeit von Energieformen, Energieumwandlung bei Brennstoffzelle und Verbrennungskraftwerk
  • gebundene Energie (TΔS) als Differenz zwischen Reaktionsenthalpie und nutzbarer Arbeit, Entropie als Maß für die Verteilung von Energie und Teilchen
  • Gibbs-Helmholtz-Gleichung: Triebkraft chemischer Reaktionen (Enthalpieminimierung, Entropiemaximierung), exergone und endergone Reaktionen, Bedeutung von ΔG = 0
  • Elektrolyse als endergone Reaktion, „Energieverlust“ durch Entropieerzeugung
  • Zersetzungsspannung und Überpotential in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial, technische Anwendungsbeispiele (Chlor-Alkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren, ggf. weitere)
  • Sekundärzellen: Laden und Entladen als endergone und exergone Prozesse, Anwendungsbeispiele (u. a. Lithium-Ionen-Akkumulator, Blei-Akkumulator)
  • Energiebereitstellung für Elektromobilität, Umweltaspekte