Unterrichtsmaterialien zum Thema "Redoxreaktionen"

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Reaktionsgleichung für die NaCl-Synthese

Unterrichtseinheit

Mithilfe einer interaktiven Anwendung werden Modelldarstellungen zur Reaktion von Natrium mit Chlor dynamisch entwickelt.Das hier vorgestellte und methodisch vielseitig einsetzbare Programm dient als "Zeichenbrett", auf dem Reaktionsgleichungen mit Atom-, Ionen- und Molekülmodellen dargestellt werden können. Am Präsentationsrechner des Fachraums können einzelne Schülerinnen und Schüler (oder die Lehrkraft) damit Modelldarstellungen zur Reaktion von Natrium mit Chlor per Beamer vorstellen beziehungsweise im Rahmen des Unterrichtsgesprächs entwickeln. Alternativ dazu können die Lernenden im Computerraum in Partner- oder Kleingruppenarbeit eine Präsentation zur Aufstellung der Reaktionsgleichung erarbeiten und anschließend ihren Mitschülerinnen und Mitschülern vorstellen. Technische Möglichkeiten und Einsatz im Unterricht Die Funktionen der interaktiven Folien werden per Screenshot vorgestellt und ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten im Unterricht skizziert. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Aufstellen einer Reaktionsgleichung mit verschiedenen Modellen entwickeln (Kugelmodell, Schalenmodell). durch die Modellvielseitigkeit die Vorgänge bei der Reaktion von Natrium mit Chlor verstehen und gegebenenfalls ihren Mitschülern im Rahmen einer computergestützten Präsentation erläutern. Thema Reaktionsgleichung für die NaCl-Synthese Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9 (2. Jahr Chemieunterricht) Zeitraum 1 Stunde Technische Voraussetzungen Minimum: Präsentationsrechner mit Beamer Arbeitsfläche und Werkzeuge Die interaktive Folie startet mit einer leeren Arbeitsfläche und der Symbolpalette (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Diese enthält unter anderem chemische Buchstabensymbole ohne und mit Valenzelektronen (Lewis-Schreibweise), Kugelsymbole und Schalenmodelle für Atome und Ionen sowie ein Texteingabefeld. Darstellung im Kugelmodell Per Klick auf ein gewünschtes Symbol erscheint dieses am unteren Rand der Arbeitsfläche. Durch Mouse-over-Effekte erscheinen die Option "Bewegen" oder die Icons für die Vergrößerung und Verkleinerung der gewählten Bausteine. Abb. 2 zeigt die Arbeitsfläche mit Kugelmodell-Symbolen und einem Textfeld; über dem großen Chlorid-Ion werden das Icon für die Verkleinerung des Ions und seine aktuelle Größe in Prozent angezeigt. Ausführliche Hinweise zur Bedienung aller Programmfunktionen finden Sie in dem Info-PDF zu der Animation auf der Website "Chemie interaktiv" (siehe Internetadresse). Darstellung im Schalenmodell Alle Bausteine und Symbole können durch Ziehen in den Papierkorb (rechts unten) von der Zeichenfläche wieder entfernt werden. Neben der Verwendung der Zeichen und Symbole kann zur Veranschaulichung der Vorgänge im Schalenmodell auch eine kleine Animation auf die Arbeitsfläche geholt und abgespielt werden, die den Elektronenübergang und die Bildung der Ionen visualisiert (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Computergestützter Unterricht - ohne Computerraum Die Flash-Folie zur Aufstellung einer Reaktionsgleichung wurde für die Unterstützung des Unterrichtsgesprächs konzipiert. Ihr Einsatz zeigt einen Weg des computerunterstützten Unterrichts auf, der auch ohne den Gang in den Computerraum möglich ist. Erforderlich ist lediglich ein Präsentationsrechner mit Beamer, der in vielen Fachräumen zur Verfügung steht. Da die Animation auf der Website "Chemie interaktiv" auch zum Download bereit liegt, ist ein Internetanschluss nicht erforderlich. Partnerarbeit im Computerraum Alternativ zur Verwendung der interaktiven Folie als "digitale Tafel" können mit dem Computereinsatz vertraute Klassen die Aufgabe zur Erstellung der Reaktionsgleichung im Rechnerraum selbstständig und kooperativ in Partner- oder Kleingruppenarbeit bewältigen. Die Lehrerin oder der Lehrer tritt dabei in den Hintergrund und greift nur unterstützend beziehungsweise Impuls gebend ein. Die Ergebnisse werden dann per Ausdruck gesichert und von einzelnen Gruppen der Klasse per Beamer vorgestellt. Die Konzipierung und die Präsentation der Darstellungen beleben den Unterricht und fördern die Kreativität und das Verständnis der Schülerinnen und Schüler für chemische Abläufe. Hausarbeit Da die interaktive Folie online frei zugänglich ist, können die Lernenden auch am heimischen Rechner damit arbeiten und so zum Beispiel im Rahmen einer Hausarbeit eine Beamer-Präsentation für ihre Mitschülerinnen und Mitschüler vorbereiten, die der Wiederholung der Ergebnisse der letzten Stunde dient. Die Phasen der Präsentation können in Ausdrucken dokumentiert und im Arbeitsheft oder Lerntagebuch eingeklebt werden.

  • Chemie
  • Sekundarstufe I

Die Chemie der Zink-Kohle-Batterie

Unterrichtseinheit

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.

  • Chemie
  • Sekundarstufe II

WebQuest "Die Glimmspanprobe"

Unterrichtseinheit

Nach einer Internetrecherche zur Anwendung und Durchführung der Glimmspanprobe führen Schülerinnen und Schüler den Versuch selbst durch. Danach entwickeln sie selbstständig ein Experiment zum Nachweis der Freisetzung von Sauerstoff aus Oxi-Reinigern.Die Lernenden setzen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst theoretisch mit der Glimmspanprobe auseinander. Sie sollen sich über den Sinn und die Durchführung der Glimmspanprobe informieren und herausfinden, welche Bedeutung diese für Chemikerinnen und Chemiker hat. Danach erhalten sie einen kleinen Forschungsauftrag: Sie sollen überlegen, wie man die Freisetzung von Sauerstoff aus Oxi-Reinigern experimentell nachweisen kann. Die Lehrerin oder der Lehrer lässt die Durchführung der entwickelten Versuche unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften zu. Danach können die verschiedenen Ansätze mit der Klasse diskutiert werden. Technische und fachliche Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien sind als Blog bei "WordPress" erstellt worden. Die HTML-Seiten können mit jedem gängigen Browser dargestellt werden. Der WebQuest zur Glimmspanprobe ist für den Einsatz in Klasse 8 konzipiert und soll insbesondere den Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" fördern. Zuvor sollte das Thema "Bestandteile der Luft" behandelt worden sein. Davon ausgehend kann man dann auf den Luftbestandteil Sauerstoff näher eingehen und die Nachweisreaktion einführen. Fortführung des Themas Im Anschluss an die Unterrichtseinheit bietet es sich an, die Verbrennung verschiedener Stoffe in reinem Sauerstoff oder an der Luft zu behandeln, um damit Oxidationsvorgänge zu thematisieren. Es ist auch möglich, vertiefend Reaktionsbedingen, Zerteilungsgrad, Durchmischung und Konzentration (hier die Sauerstoffkonzentration im Vergleich Luft/reiner Sauerstoff) zu behandeln. Dazu lassen sich auch viele einfache Schülerversuche mit den Oxi-Reinigern durchführen (DVD "Chemie fürs Leben"). Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Lernenden recherchieren im Netz, um die Glimmspanprobe zu erklären. Außerdem sollen sie die Behauptung, Oxi-Reiniger setzten Sauerstoff frei, experimentell prüfen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Glimmspanprobe als Nachweismethode für Sauerstoff kennen lernen und ihre Bedeutung für Chemikerinnen und Chemiker erkennen. die Glimmspanprobe nach den Sicherheitsvorschriften durchführen und protokollieren können. unter Anwendung der Fachsprache die Glimmspanprobe deuten. die erworbenen Kenntnisse zur Planung und Durchführung eines Überprüfungsexperiments zur Sauerstofffreisetzung aus Oxi-Reinigern anwenden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden, indem sie wichtige Inhalte aus Online-Texte erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. eine Filmsequenz aus dem Internet zum Verständnis der experimentellen Durchführung einer Nachweisreaktion nutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen auf der Basis des angeeigneten Wissens ein Experiment gemeinsam planen und gegebenenfalls gemeinsam durchführen. sich gegenseitig bei der Diskussion verschiedener Versuchsvarianten zuhören und die Vorschläge vergleichend diskutieren. Prof. Dr. Julia Michaelis von der Didaktik der Chemie der Universität Oldenburg betreute Julia Elsen bei der Bachelorarbeit zur Glimmspanprobe. Ausgangspunkt des WebQuests ist das Mädchen Luisa, das im Fernsehen ein Experiment zur Glimmspanprobe gesehen, den Sachverhalt aber noch nicht ganz verstanden hat. Die Schülerinnen und Schüler sollen Luisa nun helfen, die Vorgänge zu verstehen. Dazu setzen sie sich zunächst theoretisch mit der Glimmspanprobe auseinander, indem sie selbstständig im Rahmen einer Internetrecherche herausfinden, was die Glimmspanprobe überhaupt ist, wie sie funktioniert und welche Bedeutung sie für Chemikerinnen und Chemiker hat. Nachdem die Schülerinnen und Schüler schriftlich festgehalten haben, wie der Versuch praktisch durchzuführen ist, dürfen sie die Nachweisreaktion in der folgenden Stunde selbst durchführen und protokollieren. Danach werden die Lernenden selber zu Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Max behauptet, dass auch sogenannte Oxi-Reiniger, die zum Waschen benutzt werden, Sauerstoff freisetzen sollen. Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe, Max Behauptung experimentell zu überprüfen. Sie sollen in Kleingruppen ein geeignetes Experiment planen. Dies bietet den einzelnen Lernenden die Möglichkeit, eigene Ideen und Vorstellungen einzubringen und unter Mitschülerinnen und Mitschülern zu diskutieren. Durch diese Transferaufgabe werden das zuvor erworbene theoretische Wissen angewendet und die experimentellen Fähigkeiten vertieft. Die Aufgabe ist offen gestellt, sodass die Schülerinnen und Schüler zu verschiedenen Lösungsansätzen kommen können. Die Lehrperson sollte die Durchführung der Versuche im Rahmen der Sicherheitsvorschriften zulassen und im Anschluss an den WebQuest vergleichend in der Klasse diskutieren. Wer ist auf welchem Wege zu einem Ergebnis gekommen? Welcher Lösungsweg ist besonders gut gelungen? Durch die Untersuchung der gebräuchlichen Reiniger wird ein Alltagsbezug hergestellt, der die lebensnahe Relevanz des Unterrichtsinhalts verdeutlicht.

  • Chemie
  • Sekundarstufe I

WebQuest "Die Zukunft des Biosprits"

Unterrichtseinheit

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.

  • Chemie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Galvanische Zellen - Ermittlung einer Spannungsreihe

Unterrichtseinheit

Die hier vorgestellte Flash-Lernumgebung kann das Unterrichtsgespräch unterstützen 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 Beispiel des Zink-Kupfer-Elements verdeutlicht. Im zweiten Teil können aus einer vorgegebenen Auswahl von Halbzellen beliebige galvanische Zellen zusammengestellt, deren Spannungen virtuell gemessen und gespeichert werden. Im Auswertungsteil der Lernumgebung können die Schülerinnen und Schüler daraus selbstständig eine Spannungsreihe entwickeln.Mit der interaktiven Simulation können Schülerinnen und Schüler in einer selbstständigen Arbeitsphase im Computerraum der Schule oder auch am heimischen Rechner arbeiten - entweder im Rahmen einer Hausaufgabe, zur Wiederholung des im Unterricht Gelernten oder zur Prüfungsvorbereitung. Alternativ zu diesen Einsatzmöglichkeiten können Lehrerinnen und Lehrer mit ihrer Lerngruppe auch im Unterrichtsgespräch eine Spannungsreihe virtuell entwickeln (Beamer-Präsentation im Fachraum). Inhalte und Funktionen Die Entwicklung einer Spannungsreihe mithilfe der Lernumgebung wird hier Schritt für Schritt erläutert und per Screenshot dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und die Funktion galvanischer Zellen erkunden. mithilfe virtueller Experimente eine Spannungsreihe aufstellen. Thema Galvanische Zellen - Ermittlung einer Spannungsreihe Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 1 Stunde Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer und/oder Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), Flash-Player (ab Version 8, kostenloser Download) Informationen zum Aufbau Im ersten Teil der Lernumgebung werden Aufbau und Funktion einer vorgegebenen galvanischen Zelle untersucht. Mit der Maus "entdeckt" man verschiedene Details. Beim Anklicken der verschiedenen sensitiven Flächen innerhalb der Apparatur wird jeweils ein kleines Informationsfenster eingeblendet (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Chemische Vorgänge Betätigt man im ersten Programmteil den Schalter (Ein/Aus), werden die chemischen Vorgänge an den Elektroden als Animation dargestellt (Abb. 2). Dazu muss das Multimeter zuvor auf "Strommessung" umgeschaltet werden. Die gemessene Stromstärke wird von dem Gerät angezeigt. Anhand der animierten Vorgänge an den Elektroden lassen sich die Begriffe Oxidation, Reduktion, Donator-Halbzelle, Akzeptor-Halbzelle und die Richtung des Stromflusses erläutern. Schaltet man das Multimeter auf die Spannungsmessung um, so werden an den Elektroden die Unterschiede im Lösungsbestreben beider Metalle in ihren Metallsalzlösungen und der daraus resultierende Elektronendruck veranschaulicht. Kombination der Halbzellen Der zweite Programmteil bietet eine virtuelle Experimentieroberfläche: Über den Button "Halbzellenauswahl" (Abb. 3) öffnet sich ein Fenster, in dem man vorgegebene Halbzellen auswählen kann (bitte Scrollbalken beachten). Durch die Bestätigung der Auswahl (OK-Button) werden die gewählten Halbzellen in der Apparatur dargestellt. Spannungsmessung Nach dem Betätigen des Schalters öffnet sich ein Ergebnisfenster (Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Neben der aktuellen Versuchsnummer werden darin die Halbzellen-Kombination und die messbare Spannung des galvanischen Elements angezeigt. Reaktionen im Trickfilm Auf der Basis der angezeigten Spannung (Abb. 4) müssen die Lernenden die Frage nach der Donator-Halbzelle (unten im Ergebnisfenster) beantworten. Als Hilfestellung können sich Schülerinnen und Schüler die elektrochemischen Vorgänge per Klick auf den Button "Trickfilm" auf der Teilchenebene zeigen lassen (Abb. 5). Speichern der Messwerte Nachdem die Frage zur Donator-Halbzelle per Kick in die jeweilige Klickbox beantwortet ist, betätigt man den "merken?"-Button. Dadurch werden die Werte der aktuellen Messung im Programm für die spätere Auswertung gespeichert. Über die Messwertanzeige (Klick auf Messdaten, oben rechts) kann jederzeit überprüft werden, welche Halbzellen-Kombinationen bereits erfasst sind (Abb. 6). Aufstellung der Spannungsreihe Nach der Aufnahme aller gewünschten Messwerte wird im Bereich Auswertung eine Redox- beziehungsweise Spannungsreihe entwickelt. Unter dem Messdaten-Fenster (Abb. 7) können Halbzellen-Symbole eingeblendet werden (Klick auf "Symbole"). Diese sollen per "drag and drop" verschoben und entsprechend den Spannungsdifferenzen in der linken Skala positioniert werden. Die Halbzelle, die gegenüber sämtlichen anderen Halbzellen als Donator-Halbzelle wirkt, wird dem Wert Null zugeordnet. Dieser Hinweis wird den Schülerinnen und Schülern über die einblendbare Aufgabe mitgeteilt. Freie Texteingabe Abb. 8 zeigt eine abgeschlossene Auswertung. Die Spannungsabstände liest man an der Skala ab. Die "Spannungslineale" wurden über die Toolbox erzeugt, skaliert und positioniert. Damit wird der Spannungsabstand jeweils zwischen zwei Halbzellen (die gemessene Spannung im Messwert-Fenster) auch optisch veranschaulicht. Im Textfenster kann eine Beschreibung zur Spannungsreihe erstellt werden. Abschließend drucken die Lernenden die Bildschirmseite als Protokoll aus.

  • Chemie
  • Sekundarstufe II

Animation chemischer Vorgänge - die Ionenbindung

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler erstellen zur Festigung und Anwendung der im Unterricht erworbenen Kenntnisse zum Thema Ionenbindung eine kleine Animation.Im Fach Chemie bietet der Einsatz von Animationen nicht nur eine willkommene Abwechslung zum herkömmlichen Unterricht - die zahlreichen Animationen chemischer Vorgänge, die im Internet angeboten werden, beleben die Stunden und fördern die Kreativität und das Verständnis der Schülerinnen und Schüler für chemische Abläufe. Dieser Artikel führt am Beispiel der Ionenbindung von Natriumchlorid in die Arbeit mit solchen Animationen ein und zeigt, wie Sie für den Einsatz im Unterricht oder mit Schülerinnen und Schülern gemeinsam kurze Trickfilm-Clips selbst erstellen können. Erforderlich sind lediglich ein Zeichenprogramm und ein GIF-Animator - beides kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen werden - oder das Präsentationsprogramm PowerPoint. Technische Möglichkeiten der Animation Allgemeine Informationen zu animierten GIF- und PowerPoint-Dateien, Flash-Filmen (SWF) und Java-Applets sowie den jeweils erforderlichen Plugins. Einsatzmöglichkeiten im Unterricht Allgemeine Informationen zu geeigneten Themenfeldern für den Einsatz von Trickfilmen und den didaktischen Varianten. Schülerinnen und Schüler erstellen eigene Animationen Die Herstellung einer eigenen Animation dient der Festigung und Anwendung erworbener Kenntnisse zum Thema Ionenbindung. Der hier beschriebene Unterrichtsverlauf hat sich als sinnvoll erweisen. Einsatz fertiger Animationen Hinweise zum Einsatz gebrauchsfertiger Animationen aus dem Netz am Beispiel der Untersuchung einer nucleophilen Addition (Animation und Arbeitsblatt). Die Schülerinnen und Schüler sollen erlangtes Wissen zur Ionenbindung von Natriumchlorid anwenden. eine Trickfilmsequenz im Team planen, ein "chemisches Drehbuch" entwerfen und am Computer umsetzen. das Donator-Akzeptor-Prinzip sowie das Struktur-Eigenschafts-Prinzip in einem Trickfilm kreativ und fachlich korrekt wiedergeben. Thema Ionenbindung von Natriumchlorid - Animation chemischer Vorgänge Autor Holger Schickor Fach Chemie Zielgruppe Klasse 10 (Ionenbindung), zur Vorbereitungsarbeit mit den Programmen und zur Wiederholung auch im An-fangsunterricht der Sek II Zeitraum 4 bis 6 Stunden technische Voraussetzungen Ein Rechner pro Arbeitsgruppe (ideal: 2 Lernende) Software Grafikprogramm (zum Beispiel GIMP, MS Paint), GIF-Animator, PowerPoint oder Macromedia Flash Animierte GIF(Graphics Interchange Format)- und PowerPoint-Dateien lassen sich relativ schnell mit Schülerinnen und Schülern im Unterricht erstellen. Hier reicht schon die Standardausrüstung von Windows-Rechnern aus. Ein Zeichenprogramm wie MS Paint (Windows-Zubehör) oder das Bildbearbeitungsprogramm GIMP leisten bei Erstellung von Trickfilmbildern gute Dienste. Die selbst erstellten GIF-Bilder werden - wie in einem Daumenkino - hintereinander gelegt und mit einem GIF-Animator in das AVI-Videoformat überführt. Zeigedauer und Abfolge der Bilder lassen sich einstellen. Die Dateien im AVI-Format können dann mit dem Windows Media Player mit den bekannten Funktionen eines Kassettenrecorders abgespielt werden (Play, Vor, Pause, ... ). Die Erstellung animierter PPT-Dateien verläuft analog zu der animierter GIFs, nur werden die fertigen Bilder in PowerPoint (Bestandteil des MS Office-Paketes) animiert. Die fertige PowerPoint-Animation lässt sich durch Pfeiltasten oder über die rechte Maustaste bedienen. Inhaltlich gleiche PowerPoint-Dateien sind wesentlich größer als entsprechende GIF-Dateien. PowerPoint im Betrieb Dieser Artikel im Bereich Berufsbildung von Lehrer-Online beschreibt die wichtigsten Funktionen des Programms. Zur Erstellung von Flash-Animationen im SWF-Format benötigen Sie die professionelle Software Macromedia Flash, die nicht ganz billig ist. ( Macromedia-Flash MX 2004 gibt es für knapp 695 €. Frühere Versionen, Flash 4 oder Flash 5, reichen jedoch völlig aus und sind bei ebay regelmäßig für weniger als 50 € zu ergattern.) Mit dieser Software stellen auch Profis Trickfilme für das Internet her. In Flash kann man so genannte Vektorgrafiken erstellen. Eine Vektorgrafik ist aus Linien, Kurven und Flächen aufgebaut, die mit Vektoren mathematisch genau beschrieben sind. Dies sorgt für kleine Dateigrößen und dafür, dass nachträgliche Änderungen an den Objekten problemlos möglich sind. Mit dem Programm lässt sich fast alles machen, sogar eine Vertonung der Clips ist möglich. In einem Flash-Clip lassen sich auch interaktive Buttons integrieren. Die Einarbeitung in Flash verlangt viel Arbeit und Geduld. Die Arbeitsschritte zur Erstellung von Trickfilmsequenzen beruhen auf dem Einordnen gezeichneter Bilder und dem Anlegen von auszuführenden Bewegungen von Objekten und Schriften - vereinfacht ausgedrückt eine Art "Folien-Zeige-Verdeck-Technik". Der Aufwand zur Erstellung von Flash-Animationen ist groß und sprengt den Rahmen des normalen Unterrichts. Ebenso dürfte das Erstellen von Java-Applets wegen der erforderlichen Kenntnisse in Javascript im Unterricht nur bedingt möglich sein. Mit kostenloser Software können virtuelle Moleküle gebastelt und unter Nutzung der Chemie-Programmiersprache RasMol und dem Browser-Plugin Chime zu interaktivem "Leben" erweckt werden - eine spannende Art und Weise, Moleküle zu erkunden und zu begreifen. Ausführliche Informationen dazu finden Sie in den folgenden Lehrer-Online-Artikeln: Interaktive 3D-Moleküle ? ChemSketch, Chime, RasMol Ein dreidimensionales Glycerinmolekül wird mit einfachen Mitteln am Computer erzeugt und zu virtuellem Leben erweckt (Sek II). Für den Einsatz der Animationen im Unterricht müssen die Zusatzprogramme, die für das Abspielen der Animationen erforderlich sind, auf den Rechnern verfügbar sein. Flash-Objekte benötigen einen kostenlosen Flash-Player. Beim Einsatz von Java- Applets muss Java im Internet-Browser aktiv und eine entsprechende kostenlose Java-Abspielumgebung vorhanden sein. Für die Betrachtung von PPT-Animationen benötigen Sie das Programm PowerPoint des MS Office-Paketes, das Abspielen von AVI-Videos erfordert den kostenlosen Windows Media-Player. Die Themenfelder für den sinnvollen Einsatz selbst produzierter oder bereits vorhandener Trickfilmsequenzen sind vielfältig. Vor allem dynamische Sachverhalte lassen sich sehr gut und anschaulich in Form von Animationen aufbereiten: Bindungsbildungen, zum Beispiel Ionenbildung Darstellung von Lösungsvorgängen, zum Beispiel Hydratation sämtliche chemische Reaktionen, insbesondere die Reaktionsmechanismen der organischen Chemie Kreisprozesse (erscheinen animiert zum Teil verständlicher und wirklichkeitsnäher), zum Beispiel Ozonauf - und abbauprozesse sowie deren Beeinflussung durch FCKWs elektrochemische Prozesse (Elektrolyse) biochemische Prozesse, zum Beispiel Transportvorgänge an Biomembranen, Enzymhemmungen, Fotosynthese Ablauf industrieller Verfahren, zum Beispiel die Ammoniaksynthese Wenn die Lehrkraft die Videoclips selbst produziert, kann der Leistungsstand der Klasse optimal berücksichtigt werden. Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Trickfilmen produzieren: Vollversion im Sinne einer Lösungsversion Sie ist didaktisch so aufbereitet, dass den Schülerinnen und Schülern alle wichtigen Informationen geboten werden. Die Einsatzmöglichkeiten im Unterricht sind Phasen der Wiederholung, der Festigung oder der Sachinformation bei schwierigen Sachverhalten. Arbeitsversion Hierin liegt die Stärke des Trickfilmeinsatzes! Die Arbeitsversion ist didaktisch so aufbereitet, dass sie der Lerngruppe nicht zu viel vorwegnimmt. Die Schülerinnen und Schüler müssen die modellhafte Darstellung erfassen, deuten und durch genaues Beobachten Zusammenhänge entdecken. Hier ist eine große Interaktion in Arbeitsgruppen möglich: Teilergebnisse werden festgehalten, Beobachtungen ausgetauscht, es wird gestritten, die Aufmerksamkeit auf Teilprobleme konzentriert, die Bilder werden beeinflusst - "vor" , "zurück", "Pause" , "Play" - mit der Animation kann also intensiv gearbeitet werden! Der hier beschriebene Unterrichtsverlauf hat sich als sinnvoll erweisen. Drehbuchentwurf Die Schülerinnen und Schüler entwerfen ein Drehbuch zur Ionenbildung. Dies soll in schriftlicher Form erfolgen, damit die Lehrkraft frühzeitig die fachliche Richtigkeit kontrollieren kann. Einführung in die Nutzung des Grafikprogramms Diese Phase gestaltet sich je nach Voraussetzungen der Schülerinnen und Schüler verschieden. In der Regel sind Vorkenntnisse vorhanden. Funktionen wie das Einsetzen von Zeichenelementen, Kopieren, Ausschneiden, Verschieben und Abspeichern sollten auf jeden Fall besprochen werden. Einführung in die Handhabung eines GIF-Animators oder von PowerPoint Hier muss klar werden, dass die Einzelbilder daumenkinoartig weiterverarbeitet werden. Da die Schülergruppen für die Erstellung der Einzelbilder unterschiedlich viel Zeit benötigen, bietet es sich an, die nacheinander fertig werdenden Gruppen einzeln in die Arbeit mit dem GIF-Animator beziehungsweise mit PowerPoint einzuweisen, zum Beispiel in Form einer kleinen Workshopecke "So wird ein Trickfilm zusammengesetzt". Bereits angelernte Gruppen können den nachfolgenden bei der Handhabung der Programme helfen. Reflexion Zum Abschluss der Unterrichtseinheit sollte die Leistungsfähigkeit der selbst erstellten Animation kritisch hinterfragt und die Eignung zum Wissenserwerb für andere Schülerinnen und Schüler durch Erstellung eines kleinen Kontrollfragebogens zur Ionenbindung reflektiert werden. Wenn Sie Trickfilme für Ihre Schülerinnen und Schüler selbst erstellen, hat dies den großen Vorteil, dass Sie die Animation optimal an die Vorraussetzungen Ihrer Lerngruppe anpassen können. Zusätze, Hinweise, Tipps oder ähnliches, lassen sich unkompliziert integrieren oder auch wieder entfernen. Die Clips können auch an spezielle Unterrichtsphasen angepasst werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen ausreichend Zeit bekommen, sich mit der Animation zu beschäftigen, sich in ihrem Team aktiv darüber auszutauschen und Problemstellungen gezielt bearbeiten zu können. Der folgende Link und das Arbeitsblatt zeigen, wie die Aufgabenstellung zu einer Animation (Flash) der nucleophilen Addition (Aldolreaktion) aussehen könnte. Nucleophile Addition: Aldol-Reaktion Die Aldol-Addition ist ein Beispiel von zahlreichen Animationen biologischer und chemischer Vorgänge auf der Website des Autors. Unter den hier zum Download angebotenen Materialen bilden die Angaben zur Erstellung der animierten GIFs den Schwerpunkt, weil diese Trickfilm-Variante im Unterricht mit den Schülerinnen und Schülern am leichtesten umzusetzen ist. Kennt man sich mit Flash jedoch (etwas) aus, möchte man mit nichts anderem mehr arbeiten! Deshalb wird in einer kurzen Anleitung zumindest angedeutet, wie das Programm Macromedia Flash am Beispiel der Elektronenbewegung vom Natrium- zum Chlor-Atom funktioniert. Vollständige Filme Zur Verdeutlichung der verschiedenen Techniken wird die Aufbereitung des Themas Ionenbindung am Beispiel von Natriumchlorid hier in verschiedenen Versionen zum Download angeboten. Teilsequenzen Die Trickfilmteilsequenz, deren Erstellung für einen ersten Eindruck der Arbeit mit Macromedia Flash beschrieben wurde (Elektronenbewegung vom Natrium-zum Chlor-Atom), können Sie hier herunterladen:

  • Chemie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler stellen mit einfachen Mitteln eine Farbstoffsolarzelle her und prüfen ihre Qualität. Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen die Funktionsweise der nach ihrem Erfinder benannten Grätzel-Zelle.Wenn im Unterricht aktuelle Beiträge der Chemie zur Lösung des Energieproblems thematisiert werden sollen, kommt man an der Solarzelle nach Grätzel (Grätzel-Zelle) nicht vorbei. Sie markiert den Beginn der Entwicklung einer ganzen Klasse von Farbstoffsolarzellen. In der hier vorgestellten Unterrichtseinheit werden ihre Funktionsweise und ihr Aufbau erarbeitet. Da das in der Grätzel-Zelle verwendete Titan(IV)-oxid eine Korngröße von etwa 100 Nanometern hat, ergibt sich dabei auch ein Bezug zur Nanotechnologie. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese stellen die technische Entwicklung der Farbstoffsolarzelle sowie ihre aktuelle und zukünftige Bedeutung im Alltag dar.Die Produktion herkömmlicher Solarzellen verursacht hohe energetische Kosten. Anfang der 1990er Jahre entwickelte Michael Grätzel an der technisch-naturwissenschaftlichen Universität in Lausanne (Schweiz) als Alternative die elektrochemische Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle). Diese verwendet zur Absorption von Licht kein Halbleitermaterial, sondern Titan(IV)-oxid und organische Pflanzenfarbstoffe. Bei dem Selbstbau einer solchen Zelle können die Schülerinnen und Schüler Ersatzmöglichkeiten für fast alle Komponenten der Grätzel-Zelle forschend untersuchen: Geeignetes Titan(IV)-oxid ist zum Beispiel in weißer Wandfarbe, Sonnenmilch und Zahnpasta zu finden. Bei der Wahl des Farbstoffs können die Lernenden mit Malventee und verschiedenen Beerensäften experimentieren. Dabei bietet sich ein Wettbewerb unter den Schülerinnen und Schülern an: Welche Gruppe entwickelt die stärkste Solarzelle? Bau und Funktion von Farbstoffsolarzellen Aufbau und Funktionsprinzip einer Farbstoffsolarzelle werden auf der Stoff- und der Teilchenebene dargestellt. Visualisierungen und Fazit zur Grätzel-Zelle Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen das Funktionsprinzip der Grätzel-Zelle. Vor- und Nachteile der Farbstoffsolarzelle werden besprochen. Selbstbau einer Grätzel-Zelle Ein Wettbewerb bringt "Spannung" in die Versuche: Auf der Suche nach der besten selbst gebauten Zelle kann mit verschiedenen Materialien experimentiert werden. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel verknüpft die Inhalte der Unterrichtseinheit mit der technischen Entwicklung, der aktuellen und zukünftigen Rolle der Farbstoffsolarzelle im Alltag. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktionsweise einer Farbstoffsolarzelle verstehen. einzelne Schritte der Energiegewinnung in Farbstoffsolarzellen mit denen der Fotosynthese vergleichen. eine Farbstoffsolarzelle selber bauen und dabei mit verschiedenen Materialien experimentieren. Thema Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle Autor Walter M. Wagner Fach Chemie Zielgruppe Klasse 5 bis Jahrgangsstufe 13 (je nach fachlicher Vertiefung) Zeitraum 2-3 Stunden, je nach Aufwand bei den Messungen Technische Voraussetzungen Neben der schulüblichen Chemielabor-Ausstattung werden benötigt: Multimeter, Kabel mit kleinen Krokodilklemmen, Lampe (100-150 Watt) Software Microsoft PowerPoint (für die Präsentation von Animationen zur Funktion der Grätzel-Zelle) Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Bis zum Jahr 1990 standen dafür nur Halbleitermaterialien, zum Beispiel Silizium, zur Verfügung. Diese Materialien haben jedoch eine Reihe von Nachteilen: Man benötigt sie elementar, das heißt, man muss sie aufwendig aus Verbindungen herstellen. Da sie extrem rein sein müssen, sind sie über mehrere Schritte aufzureinigen. Sie funktionieren nur mit bestimmten, genau dosierten Verunreinigungen (Dotierungen). Die Materialien sind spröde. Energierücklaufzeit und Lebensdauer Die ersten drei der oben genannten Punkte verursachen hohe energetische Kosten, die die Energiebilanz belasten: Solarzellen müssen in Süddeutschland im Schnitt etwa vier Jahre betrieben werden, um die Energie zu liefern, die zuvor in ihre Produktion investiert wurde (Energierücklaufzeit). Der spröde Charakter der Halbleitermaterialien bereitet beim technischen Einsatz Schwierigkeiten: Die Module benötigen einen stabilen Träger, der sie vor dem Verbiegen schützt. Sehr schwierig gestaltet sich der Schutz vor Vibrationen, wie sie zum Beispiel an einem Fahrzeug auftreten. Beides belastet die Haltbarkeit der Solarzellen. Angestrebt werden mindestens 15 bis 30 Jahre, damit sie der Lebensdauer der zugehörigen Geräte (Beispiel Kraftfahrzeug) und Einrichtungen (Beispiel Hausdach) entspricht. Lösung in Sicht? Diese Nachteile sollten Farbstoffsolarzellen nicht haben - so stellte man es sich bei ihrer Erfindung im Jahr 1991 vor (B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 353, Seite 737-739, 1991). Eine schöne historische Übersicht der technischen Entwicklung bis zum Jahr 2009 finden Sie auf der Webseite "Buch der Synergie". Buch der Synergie: Solarzellentypen Auf der Webseite von Achmed A. W. Khammas finden Sie unter anderem eine Datenbank der Neuen Energien. Man kann sich den Bau einer Grätzel-Farbstoffsolarzelle ungefähr wie den eines Hamburgers vorstellen (Abb. 1 und Abb. 2), der den meisten Schülerinnen und Schülern vertraut sein dürfte: Titandioxid und pflanzlich Farbstoffe - das Fleisch im Burger Am wichtigsten ist ein Material, das Lichtteilchen (Photonen) aufnehmen und dafür Elektronen abgeben kann (beim Hamburger ist es natürlich das Fleisch). Michael Grätzel verwendete dafür Titandioxid, ein weißes Pulver, das auch in Wandfarbe enthalten ist. Die Lichtaufnahme kann sehr stark verbessert werden, wenn die Titandioxid-Körnchen von Farbstoffen umgeben sind (Hackfleisch schmeckt mit Gewürzen auch besser). In unserer Selbstbau-Zelle ist dies der Farbstoff aus Malven- oder Hibiskusblüten. Iod-Lösung - der Saft im Fleisch Damit die abgegebenen Elektronen alle eingefangen werden können, sollte möglichst jedes Titandioxid-Körnchen von leitendem Material umgeben sein. In der Grätzel-Zelle ist dies eine Iod-Lösung, die als Flüssigkeit sehr gut in die Poren zwischen die Titandioxid-Körnchen eindringen kann (im Hamburger-Fleisch der Saft). Kunststofffolie als Träger - die Brötchenhälften Leider ist auch Titandioxid spröde und benötigt einen geeigneten Träger. Zunächst wurden, wie auch beim Selbstbau-Modell, dünne Glasplatten verwendet. Heute setzt man dafür flexible Kunststofffolien ein, sowohl als Basisträger, als auch zum Abdecken (im Hamburger: die beiden Brötchenhälften). Leitende Materialien - Soße und Salat Die Trägermaterialien Glas und Kunststoff leiten den elektrischen Strom nicht. Damit die Elektronen aus der Zelle heraus können und als elektrischer Strom zur Verfügung stehen, sind die Träger mit leitenden Materialien beschichtet (Abb. 1). In der Grätzel-Zelle ist es eine dünne, durchsichtige Schicht aus dem Material TCO (transparent conducting oxide), das am Plus-Pol des Selbstbau-Modells mit Grafit aus einem Bleistift verbessert werden kann (im Hamburger: die Soßen, auf einer Seite mit Salat). Der Einfachheit halber gehen wir von der Teilchennatur des Lichts und der Elektronen aus: Die Sonne schickt uns Photonen-Teilchen, deren Energie wir auf Elektronen-Teilchen übertragen wollen. Das Trägermaterial ist an den im Folgenden beschriebenen chemischen Reaktionen nicht beteiligt: Photonen regen Elektronen an Titan(IV)-oxid (Titandioxid) besitzt den richtigen energetischen Abstand zwischen mit Elektronen besetzten Energieniveaus und vielen unbesetzten Energieniveaus (etwa drei Elektronenvolt). Dieser Abstand kann von Elektronen überwunden werden, wenn sie von einem UV-Photon getroffen werden. Zusätzliche Farbstoffe nehmen Photonen aus einem breiteren Energiebereich des sichtbaren Spektrums auf, geben sie an das Titan(IV)-oxid weiter und erhöhen so die Ausbeute an energiereichen Elektronen. Ein Elektrolyt liefert Elektronen nach Ein Elektronenfluss kommt nur zustande, wenn die durch Photonen bewegten Elektronen sofort ersetzt werden können. Dafür sorgt der Elektrolyt. Es handelt sich um ein Redox-System aus Triiodid-Anionen, die Elektronen abgeben, und Iod-Molekülen, die Elektronen aufnehmen können. Triiodid-Anionen liefern Elektronen gemäß der Gleichung: 2 I 3 - → 3 I 2 + 2e - Rückfluss der Elektronen in den Elektrolyten Die leitfähige TCO-Schicht (transparent conducting oxide) besteht in vielen Fällen aus ITO (Indium Tin Oxide), einem halbleitenden Indium(III)-oxid, das mit 10 Prozent Zinn(IV)-oxid gezielt verunreinigt (dotiert) wurde. Nun leitet das ITO sehr gut, nimmt die Elektronen vom Titan(IV)-oxid (Anode) auf und gibt sie an den metallischen Leiter des Stromkreises, meistens einen Kupferdraht, weiter. Der Stromkreis ist erst geschlossen, wenn die Elektronen wieder in den Elektrolyten fließen können. Das geschieht am anderen Ende der Zelle wieder über eine ITO-Schicht, die mit leitendem Grafit (Kathode) belegt ist und die an den Elektrolyten grenzt. Die Materialien sind so gewählt, dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Der Stromkreis wird durch die folgende Reaktion geschlossen: 3 I 2 + 2e - → 2 I 3 - Animierte PowerPoint-Präsentationen, die die beschriebenen Vorgänge auf der Teilchenebene visualisieren, finden Sie auf der Webseite der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth. Abb. 3 (zur Vergrößerung bitte anklicken) zeigt einen Screenshot. Die Präsentationen können zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs verwendet und von den Schülerinnen und Schülern auch am heimischen Rechner genutzt werden. Beachten Sie beim Einsatz der Folien folgenden Hinweis zu den Elektroden: Die Bezeichnungen Anode und Kathode gelten für die Sicht aus dem Inneren der Zelle. Die Anode nimmt vom Elektrolyten Elektronen auf, die Kathode liefert ihm Elektronen. Von außen gesehen ist die Elektrode, die innen die Anode war, der Minus-Pol, jene, die die Kathode war, der Plus-Pol. Die Animationen und Erklärungen dazu können Sie unter "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit auch herunterladen (graetzel_zelle.zip): Gegenüber den oben bereits beschriebenen Nachteilen herkömmlicher Solarzellen bietet das Konzept der Farbstoffsolarzellen folgende Vorteile: Man benötigt kein Element mehr (zum Beispiel Silizium). Man kann sich also den energieaufwendigen Schritt seiner Reduktion aus Verbindungen sparen. Titan(IV)-oxid muss zwar rein, aber nicht hochrein sein. Damit hält sich der Aufwand bei der Herstellung in Grenzen. Titan(IV)-oxid muss nicht dotiert werden. Titan(IV)-oxid ist zwar - wie die Halbleitermaterialien - spröde. Das macht in seinem Fall aber nichts, weil es als Pulver aufgetragen und die leitende Funktion vom Elektrolyten (flüssig!) übernommen wird. Neue Probleme Man hat sich mit dem Konzept der Farbstoffsolarzelle allerdings einige neue Probleme eingehandelt, die zum Teil immer noch nicht gelöst werden konnten: Lebensdauer der Farbstoffe Die Farbstoffe werden durch Licht mit der Zeit zerstört. Man hat jedoch schon künstliche Farbstoffe entwickelt, die die Lebensdauer der natürlichen weit übertreffen. Verschluss der Zelle Der Elektrolyt sollte kein Wasser enthalten. Aber alle Lösemittel verdampfen recht leicht. Zudem ist Iod als Halogen ein sehr reaktives Element, dem die Materialien in der Zelle über viele Jahre standhalten müssen, besonders auch der Farbstoff. Aus beiden Gründen muss eine Grätzel-Zelle sehr effektiv verschlossen werden können. Dieses Problem ist bis heute (Februar 2010) nicht gelöst. Trägermaterial Ein Trägermaterial, das alle Anforderungen erfüllt (gasdicht, flexibel und UV-beständig über einen Zeitraum von 15 bis 30 Jahren), konnte bisher nicht entwickelt werden. Energieausbeute Was die Energieausbeute betrifft, nähern sich Farbstoffsolarzellen (Stand 2009: etwa 12 Prozent) den Silizium-Solarzellen (Stand 2008: etwa 20 Prozent) allmählich an; preislich gesehen sind sie deutlich günstiger. Seit wenigen Jahren werden Grätzel-Zellen und davon abgeleitete Varianten industriell hergestellt und finden Prototyp-Anwendungen als Ladegeräte für Akkus geringer und mittlerer Kapazität, wobei die Wirkungsgrade der Module mit zwei bis fünf Prozent aber deutlich hinter den Laborwerten zurückbleiben. Konarka Power Plastic 20 Series Die Firma Konarka bietet verschiedene Prototyp-Anwendungen von Farbstoffsolarzellen an. Auch "Solartaschen" können bestellt werden. Anleitungen im Internet Wie bereits erwähnt ergeben sich bei der praktischen Umsetzung des Konzepts noch eine Reihe von (lösbaren) Schwierigkeiten. Ausführliche Anleitungen für den Selbstbau für Lehrkräfte, für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I und eine Erweiterung für ältere Lernende finden Sie auf der Webseite der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth. Unter "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit können Sie diese Anleitungen auch in PDF-Form herunterladen (graetzel_zelle.zip): Strom aus Licht Informationen für Lehrkräfte Strom aus Licht Anleitung für Schülerinnen und Schüler Erweiterung für die Leistungsbestimmung Anleitung zur Feststellung der Leistung der selbst hergestellten Farbstoffsolarzelle Titan(IV)-oxid Das Material muss eine definierte, ziemlich kleine Korngröße haben (um 100 Nanometer). Zudem muss eine dünne, gleichzeitig poröse Schicht hergestellt werden. Dazu fertigt man eine Paste aus geeignetem Titan(IV)-oxid-Pulver und Isopropanol an, trägt sie gemäß der Anleitung dünn auf und brennt sie anschließend auf einer heißen Platte. Die Lösemittel verbrennen dabei und hinterlassen eine poröse, verbackene Titan(IV)-oxid-Schicht. Iod-Kaliumiodid-Lösung Wasserfreie Iod-Kaliumiodid-Lösung sollte man nicht selbst herstellen, sondern gebrauchsfertig kaufen. Trägermaterial Als Trägermaterial kommt bei selbst hergestellten Zellen nur Glas infrage. Leitfähig beschichtete Gläser in der richtigen Größe besorgt man sich am besten, wie das geeignete Titan(IV)-oxid-Pulver und den Elektrolyten, von einem Bausatz-Anbieter als Ergänzungs-Materialien: Im Rahmen des Unterrichts können beim Bau einer Grätzel-Zelle Ersatzstoffe für fast alle Komponenten der Farbstoffsolarzelle von den Schülerinnen und Schülern forschend untersucht werden (siehe auch Ehrl, Simon: Versuche zur Grätzel-Zelle als Modellversuch für die Photosynthese. Schriftliche Hausarbeit, Lehrstuhl für Didaktik der Biologie, Universität Bayreuth 2010): Titan(IV)-oxid und Farbstoffe Die Substanz findet sich in weißer Wandfarbe, Sonnenmilch und Zahnpasta. Diese Ersatzstoffe liefern alle ein positives Ergebnis. Als Farbstoffe kommen verschiedene Beerensäfte (Erdbeere, Johannisbeere, Himbeere) infrage. Elektrolyt Als Elektrolyt kann auch Lugolsche Lösung aus der Biologie-Sammlung genutzt werden. Trägermaterial und Aufbringen der TCO-Schicht Als Trägermaterial wird auch beim Selbstbau Glas verwendet. Gute Ergebnisse wurden mit (kaputten) Isolierglas-Fensterscheiben erreicht. Allerdings sollte ein freundlicher Glaser aus dem Verbund (Doppel- oder Dreifachverglasung) eine Scheibe lösen und Stücke in einer Größe von 2,5 mal 5 Zentimeter schneiden. Die TCO-Schicht auf Normalglas selbst aufbringen gelingt nicht, auch wenn Anleitungen dazu im Internet zu finden sind. Inertelektrode Statt Grafit ist auch Ruß als Inertelektrode verwendbar. Besonders bei Isolierglas ist die Fläche so glatt, dass nicht genügend Bleistiftabrieb zusammen kommt. Hier hilft mehrmaliges Durchziehen durch das obere Drittel einer Kerzenflamme. Starten Sie doch einen Schülerwettbewerb: Gewinnerin oder Gewinner ist, wer mit seiner Grätzel-Zelle die besten Werte erzielt! Ein schnell und einfach zu messendes Kennzeichen für die Qualität ist die erzielte Spannung U 0 : Gutes Ergebnis: ab U 0 = 350 mV Sehr gutes Ergebnis: ab U 0 = 400 mV Wirklich aussagekräftig für die Qualitätsbewertung der hergestellten Zellen ist aber erst der erreichte Strom I beziehungsweise die Leistung P = U*I. Zur Strommessung müsste man die Zelle über ein Potenziometer mit 1 k? linear belasten, bis U auf 80 Prozent von U 0 absinkt. Das Besondere an der Grätzel-Zelle ist, dass die beiden Prozesse Photoneneinfang und Ladungstransport getrennt voneinander ablaufen. Deshalb kann ihre Funktionsweise von Lernenden besser nachvollzogen werden. Gleichzeitig kann ihr Funktionsprinzip modellhaft mit dem der Photosynthese verglichen werden: Pigmente Den Chlorophyllen entspricht in der Grätzel-Zelle der Malven- oder Hibiskusblüten-Farbstoff. Er absorbiert Photonen, wobei bestimmte Elektronen im Molekül in einen höheren energetischen Zustand übergehen. Elektronentransportkette Der Redox-Transportkette der Photosynthese entspricht in der Solarzelle das System aus Titan(IV)-oxid, Grafit und der Stromkreis aus leitenden Oxiden und Kupferdraht: Hier werden Elektronen transportiert. Elektronenquelle Die eigentliche Quelle für Elektronen ist in der Photosynthese die Oxidation des im Wasser gebundenen Sauerstoffs. In der Grätzel-Zelle entspricht dies der Oxidation des Triiodid-Anions zu Iod. Die Übertragung der Energie der Elektronen auf einen chemischen Träger beziehungsweise der Aufbau eines Protonen-Gradienten fehlt in der Grätzel-Zelle. 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. Einige für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen 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. Kunststofffolien statt Glasplatten als Träger Die in der Unterrichtseinheit hergestellten Farbstoffsolarzellen basieren auf der Nutzung von TiO2-Nanopartikeln. Beim Aufbringen auf eine Elektrode müssen diese Partikel jedoch bei recht hoher Temperatur (etwa 450 Grad Celsius) zusammenwachsen, um den elektrischen Transport zu gewährleisten. Solch hohe Temperatur schließt eine Reihe von attraktiven Trägermaterialien aus, nämlich preiswerte, einfach zu bedruckende, leichte und flexible Kunststofffolien. In seinem Beitrag für die GDCh-Wochenschau beschreibt Prof. Dr. Derck Schlettwein vom Institut für Angewandte Physik der Justus-Liebig-Universität Gießen die Verwendung von ZnO, das gegenüber TiO2 einen bedeutenden Verarbeitungsvorteil aufweist: ZnO kann man auch chemisch oder elektrochemisch getrieben aus einer wässrigen Zinksalzlösung direkt auf eine Substratelektrode abscheiden. Fotoelektrochemische Solarzellen als Nischenprodukte Neben dem Herstellungsprozess skizziert der Artikel auch die Perspektiven der Dünnschichtsolarzelle als Produkt für den Massenmarkt: Die ersten systematischen Arbeiten zur Nutzung von ZnO begannen bereits in den 1970er Jahren. Prof. Schlettwein veranschlagt etwa den gleichen Zeitraum für eine erfolgreiche Umsetzung des Konzepts. Bevor die Technologie einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung leisten kann, wird sie sich in Nischenmärkten weiterentwickeln. Eigenschaften wie strukturelle und mechanische Flexibilität oder die wählbare Farbigkeit machen die Noch-Nischentechnologie dabei insbesondere für die Bereiche mobile Elektronik, Mode und ästhetische Architektur interessant. Bedeutung der Elektrochemie für die Energieversorgung der Zukunft Das erfolgreiche Prinzip der "technologischen Evolution" von Anwendungen im kleinen Maßstab bis hin zu immer größeren Bauteilen können wir bereits heute im Bereich der modernen Displays beobachten: Vor etwa 25 Jahren kamen die ersten Flüssigkristallanzeigen in kleinen Taschenrechnern auf, dann eroberten sie die Computerarbeitsplätze und heute sind bereits großflächige Fernseher auf dem Markt. Wenn die fotoelektrochemischen Dünnschichtsolarzellen in die Fußstapfen dieser Entwicklung treten, könnten sie in Zukunft einen bedeutenden Beitrag der Elektrochemie zur Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung leisten. Der Erfinder der Grätzel-Zelle, Prof. Dr. Michael Grätzel, betrachtet die fotoelektrochemischen Solarzellen im Rahmen eines "Wettkampfs" elektrochemischer Systeme mit der Halbleitertechnologie. Er beschreibt das Funktionsprinzip der fotoelektrochemischen Solarzellen und zeigt ihre Vorteile im Vergleich zur Standard-Solarzellen auf: Mit Silizium arbeitende Solarzellen haben erst nach etwa vier Betriebsjahren mehr Energie erzeugt, als bei ihrer Herstellung verbraucht wurde. Dünnschichtzellen mit weniger Materialaufwand haben hier einen klaren Vorteil. Die Dünnschichtzellen können im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen auch diffuses Licht gut nutzen. Ihr Wirkungsgrad ist bis 65 Grad Celsius praktisch temperaturunabhängig, während Silizium zwischen 25 und 60 Grad Celsius etwa 20 Prozent verliert. Gute Aussichten für die elektrochemische Solarzelle Amerikanische und japanische Entwicklungsingenieure erforschen die spezielle Adaptierbarkeit des Systems auf flexible, polymere Substrate, auf die der sensibilisierte Halbleiter als dünner Film aufgebracht wird. Außerdem ist man in Japan und in Australien dabei, großflächige Systeme zu erstellen und zu testen. Mit der fortschreitenden Expansion des Fotovoltaik-Marktes kann erwartet werden, dass die farbstoffsensibilisierte Solarzelle in Zukunft eine signifikante Rolle spielen wird. Im Wettbewerb mit konventionellen Systemen und anderen Innovationen, bei weiter steigenden Preisen für fossile Brennstoffe und auf Basis ökologischer Betrachtungen, kann und wird die DSC zum wirtschaftlichen Erfolg und umfassenden Einsatz der Fotovoltaik beitragen. B. O'Regan, M. Grätzel A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO 2 films, Nature 353, 737-739 (1991) Ehrl, Simon Versuche zur Grätzel-Zelle als Modellversuch für die Photosynthese. Schriftliche Hausarbeit, Lehrstuhl für Didaktik der Biologie, Universität Bayreuth 2010 Schlettwein, Derck Gekonnt abgeschiedene nanostrukturierte Filme zum Umwandeln von Licht in Elektrizität. High Chem hautnah, Aktuelles aus der Elektrochemie und zum Thema Energie, Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), Frankfurt am Main 2007

  • Chemie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Reaktion von Eisen mit Kupferionen

Unterrichtseinheit

Eine kleine Flash-Animation veranschaulicht die chemischen Vorgänge bei der Reaktion von Eisenatomen mit Kupferionen im Teilchenmodell.Was läuft chemisch an der Oberfläche eines Eisennagels ab, der in eine Kupfersulfat-Lösung eintaucht? Die hier vorgestellte kurze Flash-Animation wurde für die Präsentation per Beamer im Fach- oder Unterrichtsraum und den Einsatz im Unterrichtsgespräch konzipiert. Sie dient der Visualisierung der chemischen Vorgänge bei einer Redox-Reaktion und zugleich als Ausgangspunkt für die Entwicklung der Reaktionsgleichung.Die Animation dient im Unterrichtsgespräch als Funktionsmodell, mit dem das untersuchte Phänomen präsentiert und seine Analyse und Deutung unterstützt wird. Vor dem Einsatz der Animation haben die Schülerinnen und Schüler das entsprechende Experiment selbst durchgeführt. Ihre Beobachtungen über das Auflösen des Eisennagels beziehungsweise die Verfärbung der Kupfersulfatlösung deuten auf eine Reaktion zwischen dem Feststoff Eisen und dem gelösten Kupfersulfat hin. Die Animation visualisiert die chemischen Vorgänge: Kupferionen treffen auf die Eisenatome des Nagels. Es kommt zu Elektronenübergängen. Dabei bilden sich Eisenionen, die in Lösung gehen. Die entstehenden Kupferatome scheiden sich auf dem Eisennagel ab. Zudem zeigt die Animation die Verfärbung der Lösung während der Reaktion und das abgeschiedene Kupfer auf dem Eisennagel. Der entsprechend verfärbte Nagel kann am Ende des Films mit der Maus "angefasst" und aus der Lösung gezogen werden. Informationen zur Steuerung des Films finden Sie in dem Info-PDF zur Animation auf der Website "Chemie interaktiv".Die Schülerinnen und Schüler sollen die chemischen Vorgänge bei der Reaktion von Eisen in einer Kupfersulfatlösung verstehen. eine Reaktionsgleichung der Redox-Reaktion entwickeln (Teilgleichungen und Gesamtgleichung). Thema Reaktion von Eisen in Kupfersulfat-Lösung Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9 und 10 Zeitraum 1 Stunde, Einsatz der Animation: etwa 10 Minuten Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player (kostenloser Download)

  • Chemie
  • Sekundarstufe I