Progressions in reasoning about structure–property relationships

Abstract

In this essay, findings from research in science and chemistry education are used to describe and discuss progression in students' structure–property reasoning through schooling. This work provides insights into the challenges that students face to master this important component of chemical thinking. The analysis reveals that student reasoning is often guided by nonnormative implicit schemas that are little affected by traditional instruction. These schemas prioritize chemical composition over molecular structure, and centralized causality over emergence in the explanation and prediction of the properties of substances. The types of components that students invoke to make sense of properties and phenomena may change with schooling, but the underlying reasoning persists. In general, learners assume that observed properties and behaviors are directly related to the types of atoms present in a system and determined by these individual atoms' inherent characteristics.

Wie wirken elektronische Substituenteneffekte? – Entwicklung eines konzeptbasierten Zugangs durch Inventing with Contrasting Cases am Modellbeispiel der alkalischen Esterhydrolyse

“…DerZusammenhang vonStruktur-undReaktivitätals Te il des übergeordnetenS truktur-Eigenschafts-Konzeptss telltS tudierendevor besondereHerausforderungen.Studien zeigen,dass nureineMinderheit im Zuge desStudiumshierzufachgerechte Erklärungsstrategiena uf demN iveaud es strukturellenI nteraktionismus,entwickelt [12].Insbesondere dieelektronische Interaktion mehrerer Strukturmerkmale stellt siev or Schwierigkeiten, dendarausresultierendenEinflussauf dieReaktivitätv on Verbindungen zu erklären [13]. KonkreteErkenntnisse zumV erständnisd er Wirkungsweisee lektronischerS ubstituenteneffekte liegen ausS tudien zumU mgangm it Problemstellungen im Bereicho rganisch-chemischerS äure-Base-Re-aktionen vor.…”

“…Dabein utzens ie häufig isolierte Fakten, Regeln undK onzepte, anstatte inen multivaria-tenE rklärungsansatzz uv erfolgen [3,5]. Obwohlb isherk eine Erkenntnisse ausa nderen Fachkontexten vorliegen, istdavon auszugehen,dassviele Studierende kein strukturell-interaktionistisches Verständnis [ 12] potentiellenEnergie kçnnen daherInformationen zumReaktionsverlauf gewonnen werden.D iese Annahmen werden getroffen, indemstrukturelleMerkmaleder Entitätenunter Anwendungvon Konzeptenfragengeleitetanalysiert undinA ussagenz ur potentiellen Energie überführtw erden [ 8].A ls ge-eigneteR epräsentationend ienenh ierzuS trukturformeln und korrespondierendeE nergiediagramme [7]. Wissen übere lektronische Substituenteneffekte bleibt dabeie ng an denf achlichenK ontext gebunden,indem es erworben wurde [5].…”

How do electronic substituent effects work? – Additional contrasting cases for a differentiated inquiry illustrated by the example of alkaline ester hydrolysis

“…DieW irkung elektronischer Substituenteneffekte aufden Verlauf vonR eaktioneni st in ders ynthetischenO rganischen Chemie vonh erausragenderB edeutung.A uf derE bene der Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen übenS ubstituenten einen Einfluss aufR eaktionsgeschwindigkeiten, chemischeG leichgewichte undSelektivitätenaus,der spezifisch fürden jeweili-genreaktionsmechanistischenK ontext istu nd oftmalsaus der Interaktion verschiedenerEffekteund strukturellerGegebenheiten resultiert.U md iesenE influssf üru nterschiedlichste Reaktionen fachgerechtvorhersagen underklärenzukçnnen, sind einV erständnisvon OrganischerChemieauf demNiveau des strukturellenInteraktionismus 1 [1]sowie dieFähigkeitzur Entwicklungm echanistischer Begründungen [ 2,3,4] [ 6,7,8] undi nsbesondere beiv orliegendere lektronischerI nteraktion mehrerer Strukturmerkmale dend araus resultierenden Reaktionsverlauf nichtmehrfachgerechtvorhersagen konnten [9]. Entsprechend habenw ir in Orientierung am Inventing-with-Contrasting-Cases-Ansatz(ICC) [10,11]bereits eine Lerngele-genheitfürStudierende desgymnasialen Lehramts entwickelt, diee inen innovativenZ ugangz ur Wirkungsweisee lektroni-scherS ubstituenteneffektea mM odellbeispield er alkalischen Hydrolyses ubstituierterB enzoesäureethylestere rçffnet [ 12].…”

“…StrukturellerI nteraktionismus bezeichnet eine weit entwickelte, fachgerechte Vorstellung vonS truktur-Eigenschafts-Beziehungen, im Rahmen dererEigenschaftenvon Verbindungen alsKonsequenz dynamischerInteraktionen zwischen Strukturmerkmalenangesehen werden[1].…”

Connecting Structure–Property and Structure–Function Relationships across the Disciplines of Chemistry and Biology: Exploring Student Perceptions

“…, 2017 ), the functions to which they are referring are biological in nature or the researchers are studying the properties of molecular materials to facilitate a desired macroscopic function. As such, we would argue that, while an understanding of function can help contextualize examples in chemistry classrooms, it is the relationship between structure and properties that is foundational to chemistry ( Talanquer, 2017 ). Additionally, function can be applied in both natural and built systems (as noted in the Framework [ NRC, 2012 ]), but such uses have distinct implications about the system origins, as we will discuss further.…”