5. Licht – kompatibel mit den Basiskonzepten des Chemieunterrichts

Licht kann in jedes der fünf ländergemeinsamen Basiskonzepte des Chemieunterrichts phänomenologisch und konzeptionell eingebunden werden. Einige Hinweise dazu:

• Stoff-Teilchen-Konzept: Die Photonen (Lichtquanten) aus dem Licht nehmen analoge Funktion ein, wie die Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) in Stoffen. Salopp gesagt sind die Photonen im „Zoo“ der Quanten („Energiepäckchen“) aus dem Licht das, was die Atome, Ionen und Moleküle im „Zoo“ der Stoffe sind.
• Struktur-Eigenschaft-Konzept: Danach werden die Eigenschaften eines Stoffes durch die Art der Teilchen und die Struktur der Teilchenverbände bestimmt. Analog werden die Eigenschaften einer bestimmten Lichtsorte, z.B. die Farbe und die Wirkung auf Stoffe, durch Art und Anteile der darin enthaltenen Photonen gekennzeichnet.
• Das Energie-Konzept ist im Chemie,- Physik- und Biologieunterricht ein gemeinsames und essenzielles Basiskonzept. Es ist unbestreitbar, dass die Energetik von Photoprozessen den Querschnittscharakter von Licht für alle naturwissenschaftlichen Fächer unwiderlegbar offenbart.
• Gleichgewichte-Konzept: Ein chemisches (thermodynamisches) ist der Zustand in einem geschlossenen System, bei dem die Anteile aller Komponenten zeitlich konstant sind. Photostationarität oder photostationärer Zustand ist ebenfalls ein Zustand mit zeitlich konstanten Anteilen der Komponenten, wird aber nur durch Bestrahlung eines Systems mit Licht erzeugt und erhalten.
• Donator-Akzeptor-Konzept: wird im Chemieunterricht mit Teilchen und Stoffen, z. B. Elektronendonator-Elektronenakzeptor (Teilchenebene) bzw. Reduktionmittel-Oxidationsmittel (Stoffebene) vermittelt. Wenn es um die Interaktion von Photonen mit Atomen oder Molekülen geht (Teilchenebene) bzw. um die Wechselwirkung von Licht mit Stoffen (Stoffebene), gestalten sich die Paare Photonendonator/Photonenakzeptor (Teilchenebene) bzw. Lichtemitter/Lichtabsorber (Stoffebene) analog zu den oben genannten Paaren.

Diese fünf oben diskutierten Basiskonzepte sind in den im Jahr 2020 von der Kultusministerkonferenz KMK novellierten Bildungsstandards auf nur drei Basiskonzepte reduziert worden. Allerdings wurde diese durch einzelne Präzisierungen so erweitert, dass darin nicht nur alle Basiskonzepte aus der oberen Reihe (blaue Kacheln) der Garfik, sondern auch die weiteren angeführten Schlüsselkonzepte der Chemie (grüne Kacheln) darin enthalten sind. Dazu sind folgende Anmerkungen notwendig:

• Funktionalität: Klassen von Elementen (z.B. Elementfamilien) und von organischen Verbindungen (Aldehyde, Alkohole etc.) zeichnen sich durch gleiche oder ähnliche Funktionalitäten aus. Diese resultieren aus gemeinsamen Strukturelementen ihrer Teilchen. Bei Photoprozessen bestimmen ►elektronisch angeregte Zustände A* der Teilchen ihre Funktionalität
• Katalyse: Funktionalität wird oft erst in Zusammenhang mit Katalysatoren wirksam. Das gilt uneingeschränkt für biochemische Reaktionen in Organismen und für die meisten Reaktionen in der Technik. Katalyse ist daher seit ca. 200 Jahren eines der wichtigsten Forschungsfelder in der Chemie, und seit über 50 Jahren auch ein Pflichtinhalt im Chemieunterricht. Photokatalyse, ist Katalyse mit Lichtbeteiligung.
• Gegensatzpaare: Das Denken in Gegensatzpaaren macht Chemie „smart“, denn es hilft ganz entscheidend beim Strukturieren, Verstehen und Vermitteln chemischen Wissens. Es handelt sich also um ein Schlüsselkonzept, das sowohl das Donator-Akzeptor-Konzept, als auch viele andere Gegensatzpaare aus der Chemie ohne und mit Licht einschließt (Analyse/Synthese, Homolyse/Heterolyse, exergonisch/endergonisch, Absorption/Emission, etc.).
• Grundzustand vs. angeregter Zustand: Bei der Erklärung der Wechselwirkung von Licht mit Stoffen auf der Teilchenebene hat dieses Gegensatzpaar eine fundamentale Bedeutung, denn der elektronisch angeregte Zustand A* eines Moleküls A ist nach ►N. J. Turro nicht nur das „Herz“ aller Photoprozesse, sondern auch ein „elektronisches Isomer“ des Grundzustands und damit eine andere chemische Spezies als das Molekül A.
• Grüne Chemie, Nachhaltigkeit und Licht: Diese drei Schlüsselkonzepte sind in der Grafik anders als die übrigen angeordnet. Mit der Kante-an-Kante-Anordnung soll angedeutet werden, dass sie aus einer anderen Betrachtungsperspektive hervorgehen als die bisher diskutierten Konzepte. Dabei stehen nicht mehr in erster Linie die Strukturierung und das Verständnis chemischen Wissens im Blickpunkt, sondern die ethisch-moralischen Anforderungen an menschliche Tätigkeiten, die mit Chemie zu tun haben. Diese Tätigkeiten reichen von der chemischen Forschung über die industrielle Produktion und den alltäglichen Einsatz von Stoffen und chemischen Verfahren bis hin zur medialen Kommunikation an die Öffentlichkeit und Vermittlung von Chemie an die Schuljugend. Sie sind also insbesondere für den Unterricht im Fach Chemie und in den benachbarten MINT-Fächern von herausragender Bedeutung. Nachhaltigkeit und grüne Chemie lässt sich verwirklichen, wenn Licht in der Wissenschaft und Technik, aber auch im Schulunterricht und im Studium des Lehramts zu einem Schlüsselkonzept wird.