Mathematical modelling in high school chemistry: Chemical kinetics

Abstract

Der Beobachtung, dass Schülerinnen und Schüler häufig nicht den Beitrag anderer Fächer wie der angewandten Mathematik oder Informatik zur Chemie sehen, kann man versuchen entgegenzuwirken, indem man geeignete mathematische Modellierungen im Chemieunterricht einführt. Dabei kann man sich auf solche Themen fokussieren, die üblicherweise bereits Bestandteil der Lehrpläne sind. Hier wird die Kinetik, ein zentrales Thema der Chemie, im Rahmen der Einführung der nukleophilen Substitution als Beispiel herangezogen. Dies erlaubt es, Bezüge zu Unterrichtsinhalten der Mathematik und Informatik herzustellen. Dazu wird die Kinetik durch quantitative Betrachtungen und Simulationen vertieft. Es werden die Zeitgesetze für die Kinetik erster und zweiter Ordnung mit mathematischen Methoden hergeleitet, die in den heutigen Mathematiklehrplänen typischerweise enthalten sind. Mit Hilfe von zwei quantitativ auswertbaren Modellversuchen können sowohl die Differenzialgleichungen als auch ihre Lösung spielerisch veranschaulicht werden. Diese Modellversuche lassen sich zudem in kompakte Computeralgorithmen umsetzen. Die Schülerinnen und Schüler lernen so die unterschiedlichen Methoden Experiment, Herleitung und Simulation zur Gewinnung chemischer Erkenntnisse kennen.