Lehrplan PLUS

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Chemie 12

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

C 12 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 selbständig naturwissenschaftliche Untersuchungen.
  • beurteilen die Validität von erhobenen oder recherchierten Daten, benennen mögliche Ursachen für Mess- und Verfahrensfehler 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 Prozesse Möglichkeiten und Grenzen der Beeinflussung chemischer Reaktionen durch Variation von Reaktionsbedingungen.
  • 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, Wechselwirkungen und räumlichen Anordnungen in komplexen organischen Molekülen (z. B. Proteinmoleküle), 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 und erklären Eigenschaften naturwissenschaftlichen Wissens, um es sinnvoll in Argumentationsprozesse der persönlichen und gesellschaftlichen Entscheidungsfindung einzubringen.
  • nutzen die Symbol- und Formelsprache zur Darstellung räumlicher Verhältnisse und zur Beschreibung von Polyreaktionen.
  • überführen Sachverhalte zur Bearbeitung chemischer Problemstellungen 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 selbständig beschaffte Quellen im Hinblick auf ihre Eignung ein und nutzen sie, um Sachverhalte zu bewerten.
  • entwerfen differenzierte Handlungsoptionen und beurteilen diese unter Nutzung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse und auf der Basis eines Wertesystems. Dabei sind sie sich der prinzipiellen Möglichkeit von Dilemma-Situationen bewusst.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Nachweisreaktionen und fachgemäße Arbeitstechniken: u. a. Nachweis von Proteinen, Elektrophorese, Titration
  • naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg (Fragestellung, Hypothese, Experiment planen und durchführen, Datenauswertung und –interpretation): u. a. Sicherheitsvorschriften, Ursachen für Mess- und Verfahrensfehler (z. B. Konzentrationseinstellung, pH-Wert, Indikatorwahl, Temperaturwahl)
  • Anfertigung und Auswertung verschiedener Darstellungsformen, Wechsel der Darstellungsform: u. a. logarithmische Auftragung, Näherungsformeln zur pH-Wert-Berechnung, grafische Bestimmung von Wendepunkten, Elektropherogramm; Sach-, Adressaten- und Situationsbezug (Perspektivwechsel, Vorteile von Darstellungsformen)
  • Möglichkeiten und Grenzen der Beeinflussung chemischer Reaktionen: u. a. Prinzip der Variablenkontrolle (z. B. Puffersysteme), Prinzip von Le Chatelier, Wahl der Reaktionsbedingungen (z. B. zur Steuerung von Polyreaktionen)
  • Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge: u. a. Näherungsformeln zur pH-Wert-Berechnung, Henderson-Hasselbalch-Gleichung
  • Eigenschaften, Aussagekraft, Grenzen und Erweiterung von materiellen und ideellen Modellen: u. a. Möglichkeiten zur 3D-Darstellung von Makromolekülen, Schlüssel-Schloss-Modell
  • Entwicklung und Eigenschaften naturwissenschaftlichen Wissens: u. a. Vorläufigkeit und Subjektivität naturwissenschaftlichen Wissens, Wandel von wissenschaftlichen Methoden als Ursache für moralische Konfliktfelder, Diskurs in der Gesellschaft
  • Reaktionsschema, Nomenklatur, Symbol- und Formelsprache: u. a. Fischer-Projektion, Haworth-Projektion, Repetiereinheit
  • Quelle: v. a. populär- und fachwissenschaftliche Literatur
  • Entscheidungsfindung als systematischer und begründeter Prozess: u. a. nachhaltige Entwicklung (Stoffkreisläufe, ggf. weitere Themen)

C 12 Lernbereich 2: Säure-Base-Gleichgewichte und Aminosäuren – Quantitative Analytik und deren Anwendung (ca. 23 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • wenden das Donator-Akzeptor-Konzept sowie das Gleichgewichtskonzept auf Protolysereaktionen an, um mithilfe des Massenwirkungsgesetzes die Stärke von Säuren und Basen zu vergleichen.
  • beschreiben den amphoteren Charakter des Wassermoleküls mithilfe der Autoprotolysereaktion, um das Ionenprodukt des Wassers zu erklären.
  • vergleichen die Zusammenhänge zwischen Säurestärke/Basenstärke und Oxonium-Ionen-/Hydroxid-Ionenkonzentration einer wässrigen Lösung bei starken und schwachen Säuren/Basen und führen pH-Wert-Berechnungen mithilfe von Näherungsformeln durch.
  • erklären die unterschiedliche Säure- und Basenstärke ausgewählter einfacher organischer Verbindungen mithilfe induktiver und mesomerer Effekte und wenden dabei das Struktur-Eigenschafts-Konzept an.
  • benennen einfache α-Aminocarbonsäuren nach IUPAC.
  • erklären das amphotere Verhalten von Aminosäuremolekülen bei Zugabe von sauren und basischen Lösungen zu einer wässrigen Aminosäurelösung, indem sie das Donator-Akzeptor-Konzept anwenden.
  • teilen die Aminosäuren anhand der Funktionalität der Reste ihrer Moleküle in verschiedene Gruppen ein und erklären die experimentell beobachtbaren Eigenschaften von Aminosäuren als Folge der unterschiedlichen Reste.
  • planen die Durchführung einer elektrophoretischen Trennung von Aminosäuren und werten die Versuchsergebnisse von Elektrophoresen aus.
  • planen eine Säure-Base-Titration, führen diese durch und dokumentieren sie, um die Konzentration von unbekannten Lösungen starker Säuren und Basen zu ermitteln.
  • interpretieren Titrationskurven und führen Berechnungen zu wesentlichen Punkten einer Titrationskurve durch, um Informationen zum untersuchten Stoff und zu geeigneten Indikatoren abzuleiten.
  • erläutern das Prinzip der Halbtitration und bestimmen den pKS/pKB-Wert einer unbekannten Säure/Base durch Halbtitration.
  • erklären die Wirkung von Säure-Base-Puffern und wählen geeignete Puffersysteme zur Einstellung von pH-Werten wässriger Lösungen aus, um deren Einsatzmöglichkeit in Medizin, Umwelt und Technik zu bewerten.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • korrespondierende Säure-Base-Paare, Autoprotolyse und Ionenprodukt des Wassers, pH-Wert, pOH-Wert
  • Konstanten KS und pKS sowie KB und pKB als Maß für die Säure- und Basenstärke, Reaktion von unedlen Metallen mit sauren Lösungen, starke Säuren und Basen, schwache Säuren und Basen; Bedeutung bei Alltagsprodukten (z. B. Nahrungsmittel, Entkalker, Reinigungsmittel)
  • Näherungsformeln zur Berechnung des pH-Wertes wässriger Lösungen starker und schwacher Säuren und Basen
  • Mesomerie der Carboxygruppe, induktive Effekte (u. a. von Alkylresten, Halogenatomen, Hydroxy- und Aminogruppen), mesomerer Effekt des Phenylrests (Phenol, Anilin)
  • α-Aminocarbonsäuren: Ampholyt, Zwitterion, Einteilung anhand der Reste, isoelektrischer Punkt, Verhalten bei Zugabe von sauren oder basischen Lösungen, Löslichkeit, Schmelztemperatur, Elektrophorese
  • quantitative Interpretation von Titrationskurven wässriger Lösungen einprotoniger Säuren und Basen, wesentliche Punkte (Startpunkt, Halbtitrationspunkt, Äquivalenzpunkt), Konzentration, Säurestärke, pKS-Wert, Basenstärke, pKB-Wert, Auswahl geeigneter Indikatoren für eine Titration
  • Halbtitration
  • Henderson-Hasselbalch-Gleichung: Anwendung auf einfache Beispiele; Puffersäure, Pufferbase, Pufferkapazität
  • Anwendung und Vorkommen von Puffersystemen (z. B. Carbonat-, Phosphat-, Acetat-, Aminosäurepuffer)

C 12 3.1 Natürliche Makromoleküle – Proteine und Kohlenhydrate (ca. 25 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erkennen in Molekülen asymmetrische Kohlenstoffatome, um chirale von achiralen Molekülen zu unterscheiden und Moleküle den Isomerietypen Enantiomerie und Anomerie zuzuordnen.
  • stellen aus den IUPAC-Benennungen Fischer-Projektionsformeln der Aminocarbonsäure-Moleküle auf.
  • beschreiben die Peptidbindung als Verknüpfungsprinzip innerhalb der Primärstruktur eines Polypeptids und erklären den räumlichen Bau sowie die Stabilität dieser Bindung, indem sie das Konzept der Mesomerie anwenden.
  • führen Nachweisreaktionen für Peptide durch, um Proteine u. a. in Lebensmitteln nachzuweisen.
  • erklären die Sekundärstruktur als Folge der zwischenmolekularen Wechselwirkung zwischen den Peptidgruppen und unterscheiden davon die Tertiärstruktur als Folge der Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten.
  • beschreiben den Bau von Proteinen über gemeinsame Strukturprinzipien, um über das Struktur-Eigenschafts-Konzept wichtige Eigenschaften ausgewählter Proteine (globuläre Proteine, Faserproteine, Enzymproteine) zu erklären.
  • erklären die Löslichkeit sowie die Denaturierung von Proteinen unter verschiedenen Reaktionsbedingungen und leiten daraus Folgen für die Wirksamkeit von Enzymen (im Stoffwechsel, bei Waschmitteln, ggf. weitere Beispiele) ab.
  • stellen die Enzymwirkung modellhaft dar, um ihre Bedeutung im Stoffwechsel zu beschreiben.
  • beschreiben den Einfluss von Außenfaktoren auf die Geschwindigkeit von Enzymreaktionen.
  • beschreiben die Ring-Ketten-Umlagerung bei D-Glucose-Molekülen in wässriger Lösung als reversiblen nukleophilen Angriff der Hydroxygruppe am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe und verwenden für die Darstellung Projektionsformeln.
  • vergleichen die Art der glykosidischen Bindung bei Maltose und Cellobiose, begründen die daraus resultierenden Polysaccharidstrukturen und erklären Eigenschaften von Amylose, Amylopektin und Cellulose mithilfe des Struktur-Eigenschafts-Konzeptes.
  • bewerten die Verwendung von Kohlenhydraten und Proteinen als Nahrungsmittel, Energieträger und Rohstoff für die Biotechnologie unter ökologischen, ökonomischen und ethischen Gesichtspunkten auch im Kontext der Nachhaltigkeit.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Stereochemie am Beispiel der Aminosäuren: asymmetrisches Kohlenstoffatom, Enantiomere, Fischer-Projektion, D- und L-Formen
  • Kondensation von L-α-Aminocarbonsäuren zu Peptiden, räumlicher Bau und Mesomerie der Peptidbindung
  • Nachweisreaktionen für Peptide: Xanthoprotein-Reaktion, ggf. weitere
  • Strukturprinzipien der Proteine: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur
  • Eigenschaften der Proteine: u. a. Löslichkeit, Denaturierung durch saure und basische Lösungen, Hitze und Schwermetall-Ionen
  • Enzyme: Substrat- und Wirkungsspezifität, Schlüssel-Schloss-Prinzip, Einfluss von Enzym- und Substratkonzentration, Temperatur, pH-Wert, Schwermetallionen auf die Enzymaktivität; kompetitive und nicht-kompetitive Hemmung
  • Kohlenhydrate als Polyhydroxycarbonylverbindungen: Glucose, Maltose, Cellobiose, Stärke, Cellulose
  • Stereochemie am Beispiel der D-Glucose: Polyhydroxycarbonylverbindung (Fehling-Probe, Silberspiegel-Probe, GOD-Test), offenkettige Form, Fischer-Projektion; Anomere, α- und β-Form, Haworth-Projektion, Pyranose-Form, Gleichgewicht der Ring-Ketten-Umlagerung
  • Maltose- und Cellobiose-Moleküle als Bausteine von Amylose- und Cellulose-Molekülen, räumlicher Bau von Amylose-, Amylopektin- und Cellulose-Molekülen (1,4- und 1,6-glykosidische Bindung)
  • Struktur-Eigenschafts-Konzept bei Stärke und Cellulose: Verdaubarkeit, Löslichkeit, Fasereigenschaft
  • Proteine: biologische Bedeutung (Baustoffe, Enzyme, ggf. weitere)
  • Stärke und Cellulose: energetische Nutzung (Nahrungsmittel, Verbrennung, Biokraftstoff), stoffliche Nutzung (biotechnologische Umsetzung u. a. zu Glucose, Milchsäure, Polyhydroxybutansäure, Ethanol; Weiterverarbeitung u. a. zu Ethen)

C 12 3.2 Synthetische Makromoleküle – Werkstoffe nach Maß (ca. 15 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • vergleichen die Abläufe bei der Verwertung von Kunststoffabfall, um diese hinsichtlich ihrer ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung zu bewerten.
  • beschreiben ausgewählte Rohstoffe der Kunststoffproduktion, um sie im Kontext der Rohstoffverknappung einzuordnen.
  • unterscheiden Kunststoffe hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens und erklären dieses aufgrund des räumlichen Baus der Makromoleküle sowie deren zwischenmolekularer Wechselwirkungen.
  • ordnen Kunststoffe den Gruppen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste zu und bewerten aufgrund dieser Einteilung die Eignung ausgewählter Kunststoffe für verschiedene Einsatzgebiete.
  • formulieren den Reaktionsmechanismus für die radikalische Polymerisation und wenden diesen auf die Synthese verschiedener Polymere an.
  • wenden das Konzept der Nukleophil-Elektrophil-Reaktion auf die Polykondensation und Polyaddition an, um den Aufbau entsprechender Polymere abzuleiten und die Reaktionsgleichungen aufzustellen.
  • erläutern, dass durch die Kombinationsmöglichkeiten von Monomeren eine große Vielfalt an im Alltag und in der Technik verwendeten Produkten mit unterschiedlichsten speziellen Verwendungseigenschaften möglich ist, und erkennen die Bedeutung von Makromolekülen sowie der Kunststoffproduktion für die Gesellschaft.
  • beschreiben die Herstellung von Silikonen und den Bau von Silikonmolekülen, um die Eigenschaften der Silikone mit denen der Kunststoffe zu vergleichen.
  • beschreiben den Bau von elektrisch leitenden Polymeren als ausgedehntes konjugiertes Elektronensystem, um die Verwendung dieser Polymere als elektrische Leiter zu erklären und Vorteile und Nachteile gegenüber metallischen Leitern zu beurteilen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • rohstoffliche, werkstoffliche und thermische Verwertung von Kunststoffabfall; biologisch abbaubare Kunststoffe; Abfallvermeidung
  • fossile und nachwachsende Rohstoffe für die Kunststoffherstellung
  • Struktur und Eigenschaften der Kunststoffe (Thermoplast, Duroplast, Elastomer): Schmelzverhalten, Zersetzung, Härte, Elastizität
  • Bauprinzip von Kunststoffen: Monomer, Polymer, Makromoleküle, Copolymerisate, Vernetzung
  • Synthese von Kunststoffen durch: radikalische Polymerisation (mit Reaktionsmechanismus: Startreaktion, Kettenreaktion, Kettenabbruch), Polykondensation (Polyester, Polyamid; bi- und trifunktionelle Monomere), Polyaddition (Polyurethan)
  • Verwendung von Polymeren in Alltag und Technik: Natur- und Kunstfasern (u. a. Wolle, Seide, Baumwolle, Nylon, Polyethylenterephthalat), Ersatz von klassischen Werkstoffen, Spezialkunststoffe (z. B. Klebstoffe, Carbonfasern, Kunststoffe in der Nanotechnologie), Silikone als Beispiele für anorganische Polymere
  • Funktionsprinzip einer OLED: Kombination von Farbstoffen und elektrisch leitenden Polymeren, Energiestufenschema