Unterrichtsmaterialien zum Thema "Elektrochemie"

Eine Flash-Animation veranschaulicht die chemischen Vorgänge, die in einer Zink-Kohle-Batterie bei einer Stromentnahme ablaufen.Das hier vorgestellte Flash-Programm bietet Schülerinnen und Schülern einen Einblick in den Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie und stellt in einer Animation die chemischen Vorgänge während der Stromentnahme stark vereinfacht dar. Die Flash-Folie lässt sich im Unterricht per Beamer-Projektion einsetzen, um den Aufbau und die Funktion einer Zink-Kohle-Batterie kennenzulernen, zu verstehen und die Teilreaktionen in Reaktionsgleichungen zu fassen. Am heimischen Rechner können Schülerinnen und Schüler das frei zugängliche Angebot nutzen, um den Unterrichtsstoff zu wiederholen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge der Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. (GDCh) ergänzt: Artikel aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema stellen den seit fast 100 Jahren in Autos eingesetzten Bleiakkumulator sowie die noch sehr junge Technologie der Lithium-Batterien und ihre Einsatzmöglichkeiten vor. Betrachtung der Teilvorgänge und Aufstellen der Teilgleichungen Das "Innenleben" einer handelsüblichen Batterie kann den Schülerinnen und Schülern an aufgesägten Batterien gezeigt werden. Welche chemischen Vorgänge laufen ab? Der Zinkbecher fungiert als Elektronendonator. Zink wird oxidiert. Das ist aus der äußeren Beschriftung mit dem Minus-Symbol ersichtlich. Doch welcher Stoff wird reduziert? Dies wird in der hier vorgestellten Animation veranschaulicht, indem zum einen die Bestandteile der Batterie mithilfe von Formeln benannt werden (Ausgangsstoffe) und zum anderen die chemischen Veränderungen vereinfacht szenisch dargestellt werden (Produkte). Dabei werden die Oxidation von Zink, die Leitung der Elektronen über einen elektrischen Leiter hin zum Verbraucher und die Reduktion von Mangandioxid zeitlich nacheinander animiert vorgestellt, um den Fokus der Schülerinnen und Schüler verstärkt auf die Teilvorgänge zu konzentrieren. Anhand dieser "zeitlichen Akzentuierung" lassen sich leicht Teilgleichungen zu den Redoxvorgängen aufstellen. Unterrichtsgespräch und selbstständige Schülerarbeit Wird die Animation im Unterrichtsgepräch als Arbeitsmittel eingesetzt, werden ein kontinuierliches und zeitgleiches Prozedere im gesamten Redoxsystem und der kontinuierliche Verbrauch der Ausgangsstoffe thematisiert. Daneben können Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktion der Zink-Kohle-Batterie in einer selbstständigen Schülerarbeit am Rechner erarbeiten. Steuerung und Inhalte der Flash-Animation Die Animation kann über den Cursor oder die Tastatur gesteuert werden. Die Teilschritte der Reaktion werden hier per Screenshot vorgestellt und kurz erläutert. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Bei der Behandlung des Themas bietet sich ein Blick auf weitere Batterietypen an: klassischer Bleiakkumulator und die junge Technologie der Lithium-Ionen-Batterie Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und die Organisation einer Zink-Kohle-Batterie beschreiben. anhand der Animation zur Zink-Kohle-Batterie erkennen, dass bei der Stromentnahme durch Anschluss eines Verbrauchers innerhalb der Batterie kontinuierlich stoffliche Veränderungen in den beiden Teilen eines Redoxsystems ablaufen. die dynamischen Teilchenmodellszenarien in Reaktionsgleichungen umsetzen. aus der Animation ableiten, dass durch die Kombination und räumlich Trennung geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel chemische Energie gespeichert und durch Anschluss eines Verbrauchers in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Flash-Animation kann mithilfe der Maus durch Anklicken der Buttons und des Schalters gesteuert werden. Alternativ kann dafür aber auch die Tastatur des Rechners genutzt werden. Diese Möglichkeit unterstützt insbesondere die "mausfreie" Präsentation während des Unterrichtsgesprächs durch die Lehrperson oder im Rahmen eines Schülervortrags. Hier die verschiedenen Steuerungsfunktionen im Überblick: Buttons (Animation) Für Start und Stopp der Animation können die für diese Funktionen üblichen Icons in der Flash-Folie verwendet werden. Ein-und Ausschalter (Animation) Über die Betätigung des Ein- und Ausschalters neben der Glühlampe (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) startet man die Animation oder setzt sie zurück ("Reset"). Computer-Tastatur Alternativ zu den Buttons kann auch die Space-Taste der Tastatur zum Starten oder Stoppen der Animation genutzt werden. Mit den Pfeiltasten der Tastatur können Sie die Animation schrittweise vor oder auch zurücklaufen lassen. Die Animation beginnt mit der Bewegung zweier Elektronen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) über den elektrischen Leiter hin zum Verbraucher. Es ist sehr wichtig, dass die Lehrperson den Schülerinnen und Schülern hier klarmacht, dass diese beiden Elektronen in dem Modell nur exemplarisch dargestellt und bewegt werden. In Wirklichkeit fließen im gesamten Leiter Elektronen vom Minus- zum Pluspol. Die Elektronen entstehen bei der Oxidation von Zinkatomen des Zinkbechers. Daraus lässt sich die erste Teilgleichung (Oxidation von Zink) ableiten: Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2 e - Die Elektronen wandern über die Kohleelektrode in das leitfähige Gemisch aus Kohlenstoff und Braunstein (Abb. 2a). Dort wird Mangan(IV)dioxid reduziert. Unter Aufnahme eines Protons entsteht Mangan(III)oxidhydroxid (Abb. 2b): 2 MnO 2 (s) + 2 H 2 O (l) + 2e - → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH - (aq) Die Ammonium-Ionen geben jeweils ein Proton an Hydroxid-Ionen ab (Abb. 2c): 2 OH - (aq) + 2 NH 4 + (aq) → 2 H 2 O (l) + 2 NH 3 (g) Ammoniak diffundiert innerhalb in der Batterie und bildet mit den bei der Oxidation des Zinkbechers entstandenen Zink-Ionen Aminkomplexe (Abb. 2d): Zn 2+ (aq) + 2 NH 3 (g) → [Zn(NH 3 ) 2 ] 2+ (aq) Folgende Sekundärreaktionen führen zur Auflösung des Zinkbechers und somit zur Alterung der Batterie: Zn 2+ (aq) + 2 OH - → Zn(OH) 2 (s) Zn(OH) 2 (s) → ZnO (s) + H 2 O (l) Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Downloads zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Die Karriere des Bleiakkumulators Der klassische Bleiakkumulator wird seit fast 100 Jahren als einziger elektrischer Energiespeicher für den Starter in Kraftfahrzeugen eingesetzt und ist mitverantwortlich für den Erfolg des Automobils. Der Erfolg der Bleibatterie ist in erster Linie auf den im Vergleich zu anderen Batteriesystemen konkurrenzlos niedrigen Preis zurückzuführen, der durch niedrige Rohstoffkosten, eine einfache und weitgehend automatisierte Fertigungstechnik und einen etablierten effizienten Recyclingprozess erreicht wird. Funktionsweise Die Arbeitsweise des Bleiakkumulators wird ausführlich beschrieben. Neben den Entladereaktionen werden auch die "Nebenwirkungen" erläutert. Neben der Rolle des bei der Entladungsreaktion entstehenden und auf der Elektrode ausfallenden Bleisulfats (Reduzierung der Elektroden-Porosität und dadurch Behinderung der Transportvorgänge in den Elektroden und Korrosionseffekte) werden auch die Folgen von Nebenreaktionen dargestellt (Wasserverlust und Gasbildung durch Wasserzersetzung). Zudem werden die grundsätzlichen Unterschiede zwischen zwei Batterietypen aufgezeigt: Geschlossene Batterien (Vented/flooded batteries) Diese haben einen aufschraubbaren Zellstopfen für die Wassernachfüllung und Öffnungen im Deckel für das Entweichen von Gasen. Verschlossenen Batterien (Valve Regulated Lead Acid batteries) Dieser Batterietyp ist fest verschlossen und verfügt über ein Ventil, das sich bei Überdruck öffnet um die entstandenen Gase freizusetzen. Warum Lithium? Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe. Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen machen es zum idealen Anodenmaterial. Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien Der Artikel beschreibt Aufbau und Funktion primärer (nicht wiederaufladbarer) und sekundärer (wiederaufladbarer) Lithium-Batterien. Zudem wird die Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In diesem System können sowohl das Kathoden- als auch das Anodenmaterial Lithium reversibel einlagern. Die negative Elektrode enthält an Stelle metallischen Lithiums nun Kohlenstoff als Speichermedium, die positive ein Lithium-Übergangsmetalloxid. Beim Ladeprozess werden Lithium-Ionen aus dem Metalloxid ausgelagert, zur negativen Elektrode transportiert und dort in das Gitter des Kohlenstoffs eingelagert. Beim Entladeprozess verläuft der Prozess umgekehrt. Lithium-Polymer-Zelle Eine Variante der Lithium-Ionen-Zelle ist die Lithium-Polymer-Zelle. Elektrodenmaterialien und Zellchemie sind identisch. Es wird aber an Stelle des flüssigen Elektrolyten eine Polymermatrix verwendet, die den Flüssigelektrolyten vollständig aufsaugt und auslaufsicher fixiert. In Lithium-Polymerzellen mit (Fest-)Polymerelektrolyt wird als Elektrolyt wird ein Polymer mit einem darin gelösten Lithiumsalz eingesetzt, das keine flüssigen Lösungsmittel mehr enthält. Der Ionentransport erfolgt komplett über die Polymermatrix. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Lithium-Batterien sind, verglichen mit den konventionellen Systemen, eine sehr junge Technologie. Trotz ihrer erst relativ kurz zurückliegenden Markteinführung zeigen sie im Bereich der Gerätebatterien bereits das größte Marktwachstum und beginnen die etablierten Systeme zu verdrängen. Sie werden in Camcordern, Mobiltelefonen und tragbaren Computern eingesetzt. Zukünftige Fahrzeugkonzepte, wie zum Beispiel das Hybridauto, benötigen leistungsfähigere Batterien. Auch hier können Lithium-Batterien in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Neue Materialien, Nanokomposite und neue Zellkonzepte bieten Entwicklungspotenzial für weitere Verbesserungen und vielfältige Anwendungen.

Nach einer allgemeinen Internetrecherche zum Thema Biodiesel sollen die Schülerinnen und Schüler sich mit dem neuen Karlsruher bioliq®-Verfahren auseinandersetzen.Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst in Kleingruppen theoretisch mit den Eigenschaften von Biosprit. Sie sollen sich über Vor- und Nachteile informieren und herausfinden, welche Konsequenzen der Einsatz dieses Treibstoffs für die Umwelt haben kann. Im Anschluss befassen sie sich gezielt mit dem Karlsruher bioliq®-Verfahren und erarbeiten Vor- und Nachteile. Innerhalb der Gruppen sollen die Lernenden im Anschluss überlegen, ob sie den Einsatz dieses Treibstoffs befürworten oder ablehnen. Die Unterrichtseinheit mündet in einer "Talkshow", in der die einzelnen Gruppen ihre Positionen zum Einsatz des Treibstoffs begründen. Technische und fachliche Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien sind als Wordpress- Blog erstellt worden. Die so entwickelten Internet-Seiten können mit jedem gängigen Browser dargestellt werden. Der WebQuest zum Themenkomplex "Die Zukunft von Biosprit" ist für den Einsatz im späten Sekundarbereich I und in der Sekundarstufe II konzipiert und soll insbesondere den Kompetenzbereich "Bewerten" fördern. Thematische Einbettung Vor der Bearbeitung des WebQuests sollten im Unterricht bereits fossile Brennstoffe sowie ihre Entstehung thematisiert worden sein. Auch die Förderung, der Transport und die Aufarbeitung von Erdöl und Erdgas können im Unterricht vermittelt werden. Im Anschluss sollte auf die Endlichkeit von Ressourcen eingegangen werden, um die Schülerinnen und Schüler für diese Thematik zu sensibilisieren. Danach werden mögliche alternative Treibstoffe behandelt. In diesem Zusammenhang kann dann der WebQuest eingesetzt werden. Im Anschluss an die Durchführung des WebQuests bietet sich an, die Treibstoffnutzung unter energetischen Gesichtspunkten zu betrachten. In diesem Rahmen können kalorimetrische Bestimmungen und Enthalpieberechnung eingebunden werden. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Netz zum Treibstoff Biodiesel und setzen sich mit dessen Vor- und Nachteilen auseinander. Übergeordnetes Ziel der Einheit Die Unterrichtseinheit soll eine kritische Auseinandersetzung mit einem Teilbereich des Basiskonzepts "Energie" fördern. Im weiteren Verlauf wird den Schülerinnen und Schülern durch das Karlsruher bioliq®-Verfahren eine alternative Herstellungsmöglichkeit aufgezeigt, die sie ebenfalls kritisch hinterfragen sollen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit dem Basiskonzept Energie auseinandersetzen. die gesellschaftliche Relevanz von Biosprit erkennen. sich kritisch mit dem Energieträger Biosprit auseinandersetzen. wirtschaftliche Aspekte der Treibstoffnutzung hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden, indem sie wichtige Inhalte aus Online-Dokumenten erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. Darstellungen in den Medien kritisch hinterfragen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Vor- und Nachteile der Nutzung unterschiedlicher Treibstoffe arbeitsteilig recherchieren und die anderen Gruppenmitglieder über ihre Rechercheergebnisse informieren. auf Basis der Recherchen die Vor- und Nachteile von Biosprit in Kleingruppen diskutieren. die Diskussionsergebnisse gemeinsam in einem Plenum (Talkshow) präsentieren, diskutieren und reflektieren. die Vorstellungen und Meinungen der anderen Gruppen aufmerksam verfolgen und mit den eigenen vergleichen. Thema WebQuest "Die Zukunft des Biosprits" Autorin Julia Elsen Fach Chemie; Zusammenarbeit mit Politik/SoWi bietet sich an Zielgruppe späte Sekundarstufe I und Sekundarstufe II Zeitraum 6 Stunden Technische Voraussetzungen Ein Computer mit Internetanschluss pro Arbeitsgruppe von vier Personen Internetrecherche Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in Kleingruppen mit dem Treibstoff Biodiesel auseinander. Dabei soll jedes Gruppenmitglied zu bestimmten Themenbereichen recherchieren und die Resultate in der Gruppe vorstellen. Eine tabellarische Übersicht der Ergebnisse, die folgende Punkte berücksichtigt, wird dabei fixiert: Darstellung und Gewinnung Vorteile von Biosprit Nachteile von Biosprit Im Anschluss wird eine entsprechende Tabelle zum bioliq®-Verfahren erstellt. Präsentation Auf Basis der Einzelrecherchen sind die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, die Teilergebnisse vergleichend zu diskutieren. Auch die Zukunftsbedeutung des Treibstoffes wird hier thematisiert. Das Karlsruher bioliq®-Verfahren wird in der "Talkshow" debattiert, um eine Alternative aufzuzeigen. Entwicklung eines Ergebnisprotokolls in Einzelarbeit Als Hausaufgabe sollen die Jugendlichen eine Art Ergebnisprotokoll verfassen, in dem sie die wichtigsten Erkenntnisse der "Talkshow" festhalten. Zudem sollen sie hier auch ihren eigenen Standpunkt vertreten. Dies fordert von jeder Schülerin und jedem Schüler die Reflexion der Ergebnisse der Plenumsdiskussion und der Gruppenvorstellungen, um sich abschließend eine eigene Meinung zu bilden. Durch diese Aufgabe werden die Jugendlichen auch aufgefordert, sich erneut mit dem Thema Biodiesel auseinandersetzen. Eine eigene Meinung bilden Die Möglichkeiten zur eigenen Meinungsbildung werden im Rahmen von Gruppenarbeiten meist nicht ausgeschöpft. Den Schülerinnen und Schülern muss bei Vergabe der Hausaufgabe klar verdeutlicht werden, dass es sich nicht um eine reine Wiederholungsarbeit handelt, sondern dass ihre eigenen Gedanken gefragt sind. Gerade durch eine solche Arbeit wird der Kompetenzbereich "Bewerten" gefördert.

Virtuelle Experimente mit realitätsnahem Design, inhaltlich untermauert mit Erklärungsmodellen aus dem Teilchenbereich und überprüfbar durch einfache reale Versuche, machen auch weniger spektakuläre Aspekte der Chemie interessant – wie zum Beispiel die Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit.Die Chemie-Didaktik der Chemiedidaktik der Bergischen Universität Wuppertal hat zu diesem Thema Unterrichtsmaterialien mit dem Qualitätsmerkmal ?interaktiv? entwickelt und im Internet veröffentlicht. Der technisch und grafisch gut aufbereitete Stoff ermöglicht den SchülerInnen eine weitgehend eigenständige Erarbeitung der Inhalte. Alle Darstellungen sind übersichtlich und ansprechend gestaltet. Ihre Funktionalität erschließt sich intuitiv. Die Teilchenmodelle sind durch entsprechende Bildlegenden eindeutig interpretierbar. Über das Themen-Menü kann man sich von den metallischen Leitern zu den leitenden Lösungen bewegen. Innerhalb der einzelnen Themen befinden sich rechts oben Buttons, mit deren Hilfe man von den jeweiligen Versuchen zu den entsprechenden Modelldarstellungen wechseln kann. Das Konzept hat drei Standbeine: Kurze Versuchsanweisungen in Textform Interaktive virtuelle Experimente (Flash-Animation) Deutungen der chemischen Vorgänge in Form altersgerechter Modelldarstellungen (Kugelteilchenmodelle). Interaktiver Versuch Das Versuchs-Modul zeigt ein dem realen Versuch nachempfundenes Szenario: Ein geschlossener Stromkreis aus Batterie, Amperemeter und Glühbirne enthält eine Drahtwendel. Das Messgerät zeigt bei aufleuchtender Glühbirne einen Stromfluss an. Durch den "Aufgabe-Button" lässt sich eine kurze Versuchsanleitung aufrufen. Im interaktiven Experiment wird ein Streichholz durch Anklicken mit der linken Maustaste entzündet. Beim Loslassen der Maustaste erlischt das Zündholz. Die Erwärmung der Wendel durch die Flamme führt zu einer Reduktion des Stromflusses und die Leuchtkraft der Glühbirne nimmt deutlich ab. Modelldarstellung Die Modelldarstellung zeigt das Schema eines Stromkreises mit einem elektrischen Leiter, dessen "Innenleben" als Kugelmodell mit schwingenden Atomrümpfen und frei beweglichen Elektronen dargestellt ist (stellvertretend für die Drahtwendel aus dem Versuch). Der "Strom-Button" schließt den Stromkreis und Elektronen wandern durch den Leiter - das Amperemeter zeigt einen Stromfluss an. Durch den Button "Wärmezufuhr" wird die Drahtwendel erhitzt: Die Atomrümpfe schwingen infolge der Energiezufuhr stärker und behindern deshalb den Elektronenfluss: Der elektrische Widerstand des Leiters steigt, der Stromfluss sinkt - ablesbar am Amperemeter. Mit Hilfe dieses Teilchenmodells können die SchülerInnen die Beobachtungen aus dem Versuch erklären. Interaktiver Versuch Das Modul zeigt wiederum ein dem realen Experiment nachempfundenes Szenario: einen geschlossener Stromkreis aus Spannungsquelle, Amperemeter und Zinkiodid-Lösung. Nachdem das Spannungsgerät (links) eingeschaltet ist, zeigt das Amperemeter einen Stromfluss an. Nach dem Betätigen des Gashahns (rechts) erwärmt der Bunsenbrenner die Zinkiodid-Lösung. Die Temperatur der Lösung steigt dabei auf maximal 80 Grad Celsius, bevor sich der Brenner automatisch abschaltet. Bei der Erwärmung nimmt - bei konstanter Spannung - der Stromfluss zu. Während sich an der Kathode (links) durch die Reduktion der Zink-Ionen metallisches Zink abscheidet, färbt sich Lösung im Bereich der Anode infolge der Oxidation von Iodid-Teilchen zu Iod-Molekülen gelb-braun. Rechts unten befindet sich ein Button, mit dem die Ausgangssituation des Versuchs wieder hergestellt werden kann. Modelldarstellung I Das Modell folgt in seinem formalen Aufbau der Modelldarstellung zum Thema "Metallische Leiter". Der "Strom-Button" schließt den Stromkreis und per Kugelmodell werden die Reduktions- und Oxidationsreaktionen an Kathode und Anode visualisiert. Die Versuchsbeobachtungen - Bildung von elementarem Zink und Iod während des Stromflusses - können so erklärt werden. Die Aktivierung des "Wärmezufuhr-Buttons" beschleunigt die Wanderung der Ionen zu den Elektroden: Der elektrische Widerstand der Lösung sinkt, der Stromfluss steigt - ablesbar am Ausschlag des Amperemeters. Ein Diagramm, dass fakultativ angezeigt werden kann, zeigt zusätzlich die Zunahme des Stromflusses mit der Temperatur der Lösung. Modelldarstellung II Dieses Modell veranschaulicht, wie die Erwärmung der Lösung über eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit den Transport der hydratisierten Ladungsträger beschleunigt. Der elektrischen Widerstand wird dadurch reduziert. Unter "Fragen zur Animation" werden diese Zusammenhänge schülergerecht auf den Punkt gebracht. Klickt man die Kugelmodelle der Animation an, erscheinen die Lewisstrukturen der Iodid-Ionen und der Wassermoleküle. Bei gedrückter linker Maustaste werden zudem die Polarität der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen sowie die Partialladungen des Dipolmoleküls dargestellt. Um den Effekt des "Wärme-Buttons" in der Animation zu erkennen, muss man allerdings genau hinsehen.

... en oder als Grundlage für eine selbstständige Erarbeitung des Themas dienen.Das Programm zur Elektrochemie besteht aus zwei Teilen: Im ersten Abschnitt werden Aufbau und Funktion galvanischer Zellen am ...

... (siehe Links zum Thema ). Die Thematik bietet viele Anknüpfungspunkte an Lehrpläne (Redox- und Elektrochemie, Fähigkeit zur Beteiligung an gesellschaftlichen Diskursen über Naturwissenschaft und Technik) ...

... die Bereiche mobile Elektronik, Mode und ästhetische Architektur interessant. Bedeutung der Elektrochemie für die Energieversorgung der Zukunft Das erfolgreiche Prinzip der "technologischen Evolution" ...

Das hier vorgestellte Flash-Programm zeigt den Aufbau einer galvanischen Zelle aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle. Die chemischen Abläufe bei einer Stromentnahme werden dynamisch dargestellt.Die Beamerprojektion der Animation unterstützt das Unterrichtsgespräch und soll genutzt werden, um die im vorhergehenden Experiment demonstrierte Erzeugung elektrischer Energie in einer Teilchenmodellanimation zu veranschaulichen. Dabei wird deutlich, durch welche chemischen Vorgänge der Strom erzeugt wird. Neben den an den Elektroden stattfindenden Reaktionen wird auch die Diffusion der Ionen durch das Diaphragma dargestellt. Dadurch wird der Ladungstransport von Halbzelle zu Halbzelle innerhalb der Lösungen gewährleistet. Mithilfe der projizierten Animation werden die Teilgleichungen sowie die Redoxgleichung für den Gesamtumsatz an der Tafel entwickelt. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt: Unfreiwillig trägt fast jeder Mensch eines oder mehrere galvanische Elemente im Mund. Was können Chemikerinnen und Chemiker für einen korrosionsarmen Zahnersatz tun?Am Präsentationsrechner können Lehrerinnen und Lehrer die Flash-Folie als Unterrichtsmedium im Unterrichtsgespräch einsetzen. Das Experiment verdeutlicht den Lernenden die technische Möglichkeit zur Gewinnung elektrischer Energie aus chemischen Reaktionen. Die Animation lässt sich ebenfalls in einer selbstständigen Computer-Schülerarbeit einsetzen, zum Beispiel als Analyseinstrument beim Schülerpraktikum. Die in den Schülergruppen am Rechner erarbeiteten Ergebnisse zur Funktion des galvanischen Elements lassen sich abschließend im Schülervortrag computergestützt präsentieren und erläutern. Hinweise zum Einsatz der Animation im Unterricht Screenshots veranschaulichen die Funktionen der interaktiven Flash-Animation. Während der Präsentation werden die Reaktionsgleichungen an der Tafel fixiert. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Unfreiwillig trägt fast jeder Mensch eines oder mehrere galvanische Elemente im Mund. Wie finden Chemikerinnen und Chemiker einen korrosionsarmen Zahnersatz? Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau einer galvanischen Zelle aus zwei Halbzellen mit verschiedenen Metallelektroden, die in entsprechende Metallsalzlösungen eintauchen, beschreiben. anhand der Animation zur galvanischen Zelle erkennen, dass beim Verbinden beider Halbzellen mittels eines elektrischen Leiters zeitgleich und kontinuierlich in der einen Halbzelle ein Oxidations- und in der anderen ein Reduktionsvorgang an den Metallelektroden abläuft. erkennen, dass der Elektronenübergang zwischen beiden Teilvorgängen durch den elektrischen Leiter vermittelt wird. die dynamischen Teilchenmodellszenarien an den Elektroden in Reaktionsgleichungen umsetzen. aus der Animation ableiten, dass die Kombination und räumliche Trennung geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel chemische Energie speichert und diese durch Anschluss eines Verbrauchers in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann. Thema Funktion einer galvanischen Zelle Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9/10, Jahrgangsstufe 12 (Wiederholung) Zeitraum 1 Stunde Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player (ab Version 8, kostenloser Download) Beschriftung der Zelle Die Animation beginnt die Präsentation mit einem Einblick in den Aufbau und die chemische Zusammensetzung eines galvanischen Elements. Ein Zinkblech taucht in eine Zinksulfatlösung und ein Kupferblech in eine Kupfersulfatlösung ein. Beide Systeme (Halbzellen) sind durch ein poröses Diaphragma voneinander getrennt (kombiniert). Die Beschriftung der Darstellung (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) lässt sich über das obere Icon in der Buttonleiste (rechts außen) ein- beziehungsweise ausblenden. Stromfluss Durch Anklicken des Schalters (rechts unten in Abb. 2) wird der Stromkreis geschlossen (alternativ über die Space-Taste). Durch ein erneutes Anklicken des Schalters wird der Stromkreis unterbrochen und die Teilchensymbole werden ausgeblendet. Bei geschlossenem Stromkreis stoppt die Space-Taste die Bewegung der Teilchensymbole beziehungsweise startet sie bei erneuter Betätigung. Die Animation zeigt die chemischen Vorgänge an den Metallblechen (Elektroden) und den dadurch entstehenden Stromfluss. Die leuchtende Glühlampe zeigt den Verbrauch elektrischer Energie an. Anhand der projizierten Animation lassen sich die Teilgleichungen sowie die Redoxgleichung für den Gesamtumsatz an der Tafel entwickeln. Um jeder Schülerin und jedem Schüler die Elektrodenvorgänge deutlich vor Augen zu führen, lässt sich die Animation nach dem Stoppen über die Space-Taste mithilfe der Pfeil-Tasten langsam vor- oder zurückspulen. So kann jeder Elektrodenvorgang in angemessenem Tempo visualisiert werden. Die Teilvorgänge werden parallel zu diesem Vorgehen an der Tafel fixiert. Anode: Zinkatome werden oxidiert In der Zinkhalbzelle werden Zinkatome oxidiert und gehen als Zink-Ionen in Lösung. Dabei werden zwei Elektronen über das Zinkblech zum Verbraucher abgeführt: Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2e - Kathode: Kupferionen werden reduziert In der Kupferhalbzelle werden dem Kupferblech zugeführte Elektronen auf die Kupferionen der Lösung übertragen. Durch die Reduktion dieser Kupferionen scheidet sich elementares Kupfer auf der Kathodenoberfläche ab: Cu 2+ (aq) + 2e - → 2 Cu (s) Darstellung des Ladungstransports Die Animation zeigt neben den Reaktionen an den Elektroden auch die Diffusion von Ionen durch das Diaphragma und damit den Ladungstransport in der Lösung, der die Aufrechterhaltung der Elektroneutralität in beiden Halbzellen gewährleistet. Die Erzeugung elektrischer Energie findet nur statt, wenn der Transport elektrischer Landungen im gesamten System (im gesamten Stromkreis) möglich ist: im metallischen Leiter und im Elektrolyten. Da positiv geladene Kupferionen an der Kupferelektrode entladen werden, wandern negativ geladene Sulfationen in die Zinkhalbzelle. Gleichzeitig wandern positiv geladene Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. "Alterung" des Galvanischen Elements Durch die Veränderungen an den Elektroden (die allerdings in der Animation nicht gezeigt werden) lässt sich die Alterung des apparativen Systems erläutern und die Stromabnahme prognostizieren. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Potentialdifferenz im Mund Metallische Werkstoffe höchst unterschiedlicher Art sind aus der modernen Zahnheilkunde nicht fortzudenken. Mit zunehmendem Lebensalter und einem immer breiter werdenden Angebot dieser Werkstoffe ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass im Mund Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung auftauchen. Sind sie hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens deutlich verschieden (also edler oder unedler), kann es bei direktem metallischen Kontakt zur Ausbildung eines Lokalelementes im Mund kommen - jeder unfreiwillige Biss auf ein Stück Aluminiumfolie mit einem Zahn, der eine metallische Krone oder ein Inlay aufweist, erinnert mit dem kribbelnden Gefühl im Mund an die auftretende Potentialdifferenz (elektrische Spannung). Der dann fließende Strom steht in direktem Zusammenhang mit der Korrosion und schließlich der Auflösung des unedleren Materials. Falls es bei der Einbringung von Zahnersatz zu ähnlichen Phänomenen kommt, ist wegen der lang andauernden Einwirkung und der oftmals biologisch bedenklichen Wirkung der freigesetzten Metalle die potentiell negative Auswirkung bedenklich. Durch sorgfältige Planung und Verarbeitung lassen sich derartige Fehler allerdings weitgehend vermeiden. Korrosion im Mund Galvanische Elemente bilden sich aber auch in anderer und kaum vermeidbarer Weise aus: Jeder metallische Werkstoff im Mund kann Bestandteil eines Belüftungselements werden. In ihm findet die korrosive Metallauflösung vor allem in für die Luft und den darin enthaltenen Sauerstoff schlecht zugänglichen Spalten statt, während die kathodische Sauerstoffreduktion an gut zugänglichen Oberflächen abläuft. Damit verbundene Phänomene wie Lochfraß oder Risskorrosion sind in der Technik wohlbekannt. Offenbar ist also jeder metallische Werkstoff im Mund - sofern er Kontakt mit Speichel hat - der Korrosion ausgesetzt. Dieses elektrochemische Phänomen kann mit elektrochemischen Methoden gut studiert werden. Die Artikel beschreibt (sehr detailliert), wie Chemikerinnen und Chemiker die Anfälligkeit verschiedener Legierungen untersuchen - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum korrosionsarmen Zahnersatz.

... ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher ...