Chemie: Willkommen im Fachportal

Die Unterrichtseinheit liefert einen Einblick in den Aufbau und die Funktion einer Farbstoffsolarzelle und ermöglicht es Schülerinnen und Schülern, mittels experimenteller Versuche die chemischen Abläufe innerhalb der Grätzelzelle zu verstehen. Optional kann ein Vergleich zur Photosynthese gezogen werden oder abschließend mittels einer methodischen Diskussion die Bedeutung der Farbstoffzelle als Alternative zu herkömmlichen Solarzellen diskutiert werden. Die Unterrichtseinheit kann für den Chemieunterricht in der in Sekundarstufe II eingesetzt werden und lässt sich in alle Rahmenlehrpläne der Bundesländer einbetten. Thematisch orientiert sie sich an einem Thema, das insbesondere in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt hat und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken ist – der nachhaltigen Erzeugung von Strom . Zu Beginn können sich die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Arbeitsblattes 1 den Bau sowie die Funktion einer Farbstoffsolarzelle erarbeiten. Dabei werden auch die chemischen Vorgänge in der Zelle thematisiert. In einer anschließenden praktischen Phase können sie eine Grätzelzelle selbstständig zusammenbauen und im weiteren Verlauf den Effekt der Variation der Farbstoffe auf die Leistung der Zelle untersuchen. Die verschiedenen Experimente können dabei entweder eigenständig geplant oder nach einer von der Lehrkraft vorgegebenen Vorgehensweise durchgeführt werden. Darüber hinaus liegt ein besonderer Fokus auf der Einschätzung möglicher Gefahrenquellen und der gezielten Übung des Verfassens eines Versuchsprotokolls. Abschließend werden die Ergebnisse gemeinsam besprochen und diskutiert. Zum Abschluss der Einheit kann in einer Vertiefungsstunde ein Vergleich der Farbstoffsolarzelle mit der Photosynthese erfolgen. Optional bietet sich die Möglichkeit, die Bedeutung organischer Farbstoffzellen als Alternative zu herkömmlichen Solarzellen zu behandeln. Dies im Rahmen einer methodischen Diskussion erfolgen, in die auch aktuelle Forschungsergebnisse und potenzielle zukünftige Einsatzmöglichkeiten einbezogen werden können. Dabei werden die Recherchefähigkeit sowie das selbständige Forschen und Experimentieren der Schülerinnen und Schüler gezielt gefördert. Zudem lernen sie, innerhalb einer Gruppe eigenverantwortlich zu arbeiten und Arbeitsprozesse zu organisieren. Das Forschungsgebiet der Solartechnik hat in den letzten Jahren im Zuge der intensiv geführten umweltpolitischen Debatten über Nachhaltigkeit und erneuerbare Energien enorm an Bedeutung gewonnen. Das vorliegende Material ist realitätsnah gestaltet und bietet an verschiedenen Stellen einen Lebensweltbezug, durch den die Lernenden zum kritischen Denken angeregt werden. Die Unterrichtseinheit eignet sich ideal für den Chemieunterricht der Sekundarstufe II. Thematisch stellt sie eine vertiefende Ergänzung zum Themenblock "Elektrochemie und Redoxgleichgewichte" dar, der in allen Lehrplänen enthalten ist. Da die Einheit biologische mit chemisch-physikalischen Themen verbindet, kann sie aber auch fächerübergreifend als Exkurs in den Fächern Biologie oder Physik genutzt werden. Das Themengebiet der Redoxchemie sollte bereits bekannt sein. Außerdem sollten die Schülerinnen und Schüler in der Lage sein, themenbezogen selbstständig in verschiedenen Quellen zu recherchieren und Informationen kritisch zu bewerten. Für die Versuchsdurchführung ist es erforderlich, vorab den sicheren Umgang mit Chemikalien sowie die Handhabung eines Multimeters zu besprechen. Die Versuchsvorschrift enthält alle wichtigen Informationen zur Durchführung. Mithilfe von Arbeitsblatt 1 können sich die Schülerinnen und Schüler die chemischen Grundlagen sowie den Aufbau und die Funktion einer Grätzelzelle selbst erarbeiten und damit optimal auf den Versuch vorbereiten. Das Experiment kann jedoch auch ohne die vorherige Bearbeitung des Arbeitsblattes durchgeführt werden. Das Thema lässt sich im Anschluss optional vertiefen, indem die Schülerinnen und Schüler den Elektrolyten oder den Farbstoff variieren und die verschiedenen Zellen miteinander vergleichen. Hierbei kann die Vorgehensweise je nach Zielsetzung variabel angepasst werden. Um die Titandioxidschicht optimal zu benetzen, sollten die Beeren zuvor mit einem Mörser zerkleinert werden. Durch die Zugabe kleiner Wassermengen lässt sich eine gleichmäßige Flüssigkeit erzeugen, durch die der Farbstoff gut verteilt werden kann. Je nach Gruppenstärke und Vorwissen kann dies durch selbstständiges Experimentieren oder durch Hilfestellung erarbeitet werden. Auch die Wahl der Herangehensweise kann im Anschluss gemeinsam reflektiert und diskutiert werden. Die Lehrkraft sollte vor der Durchführung der Versuchsreihe sicherstellen, dass alle benötigten Materialien und Chemikalien vorhanden sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen den Aufbau und die Funktionen einer Grätzelzelle kennen. beschreiben Reaktionen in der Grätzelzelle und vergleichen diese mit Reaktionen während der Photosynthese. bauen eine eigene Zelle und ermitteln experimentell den Einfluss verschiedener Materialien und Bedingungen auf die Leistung der Zelle. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfassen Inhalte aus verschiedenen Informationsquellen. können Medieninhalte analysieren und kritisch bewerten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken während der Gruppenarbeit ihre Kommunikations- und Teamfähigkeit. können ihr Wissen auf fächerübergreifende Fragestellungen anwenden. Ehrmann, A. and Błachowicz, T. (2020), Solarstrom aus Früchtetee . Phys. Unserer Zeit, 51: 196-200. https://doi.org/10.1002/piuz.202001578 Ungiftige, wiederverwendbare Farbstoffsolarzelle : https://www.hsbi.de/presse/pressemitteilungen/ungiftige-wiederverwendbare-farbstoffsolarzelle Strom aus Licht : https://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/kunststoffe/solarzelle_l.htm Strom aus Licht: Wir stellen eine organische Solarzelle her : https://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/kunststoffe/solarzelle_s1.htm Erweiterung für die Leistungsbestimmung : https://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/kunststoffe/solarzelle_s2.htm Letzter Abruf der Internetadressen: 14.02.2025

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die räumliche Anordnung von Molekülen kennen, erstellen selbst dreidimensionale, digitale Moleküle und können deren Struktur begründen. Der Einstieg in die Einheit erfolgt über den Contergan-Skandal der Firma Grünenthal. Der Wirkstoff von Contergan – Thalidomid – hat zu schweren Missbildungen vor allem bei ungeborenen Kindern geführt, deren Mütter das Medikament während der Schwangerschaft einnahmen. Die Ursache lag darin, dass Thalidomid in zwei unterschiedlichen räumlichen Anordnungen existiert, eine davon ruft Missbildungen hervor. In interaktiven Quiz-Formaten wiederholen die Schülerinnen und Schüler die Arten von chemischen Bindungen, damit sie die räumliche Anordnung von Molekülen später vorhersagen und begründen können. Mit einer Infografik vertiefen sie ihr Wissen zur Elektronenpaarbindung und Oktettregel. Sie erkennen den Einfluss der freien Elektronen auf die Struktur des Moleküls. Über die eigene Erstellung von 3D-Molekülen über die Website molview.org erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Moleküle dreidimensionale Gebilde sind, deren Atome sich nach bestimmten Regeln anordnen. Durch einen kurzen Trailer erkennen die Lernenden die Bedeutung der freien Elektronenpaare auf die Anordnung der Atome im Molekül. Auf der Suche nach einer Möglichkeit, die dreidimensionale Anordnung zweidimensional darzustellen, erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die Keilstrichprojektion. Im weiteren Verlauf recherchieren sie Teile des VSEPR-Modells, mit dessen Hilfe man die 3D-Struktur von Molekülen vorhersagen kann. Durch weitere Aktivitäten auf molview.org steigern sie das Verständnis der dreidimensionalen Struktur. Als Gesamtzusammenfassung lösen die Lernenden ein H5P-Quiz . Beim Einstieg muss die Lehrkraft entscheiden, welche Inhalte der Website zum Contergan-Skandal relevant sind. Interessant sind die Daten und Fakten. Mit einem kurzen Vortrag kann die Lehrkraft unterstützen, den Skandal grob zu verstehen. Mithilfe der Präsentation erklärt die Lehrkraft den Spezialfall von Thalidomid, das aus zwei Enantiomeren besteht, die sich nur geringfügig in der Anordnung der Atome im Molekül unterscheiden. Sie verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül mitentscheidend für die Eigenschaften ist. Als Vorwissen sollten die Schülerinnen und Schüler wissen, was Atombindungen sind und wie diese entstehen. Ebenfalls sollten sie mit der Valenzstrichschreibweise vertraut sein. Zur Wiederholung und Auffrischung dienen der Lückentext zu chemischen Bindungen sowie die Infografik zu Molekülen beziehungsweise der Oktettregel. Beim Erstumgang mit der Website molview.org sollte die Lehrkraft mithilfe der Präsentation kurz erklären, welche Eingaben auf der Internetseite vorgenommen werden müssen, damit man die 3D-Struktur betrachten kann. Die Schülerinnen und Schüler sollen direkt über die Suche arbeiten, Moleküle also nicht aus Atomen erstellen. Wichtig ist hierbei, dass auf molview.org keine freien Elektronenpaare dargestellt werden. Beim Skizzieren der Molekülstrukturen durch die Schülerinnen und Schüler, zum Beispiel bei der Keilstrichprojektion, sollten die freien Elektronenpaare dargestellt werden. Bei der Überleitung zum VSEPR durch den Vergleich von Ammoniak und Methan kann bei geübten Schülerinnen und Schülern auf das Zeigen des kurzen Filmes verzichtet werden. Wenn die Schülerinnen und Schüler die Strukturen der beiden Moleküle vergleichen, könnten sie selbst darauf kommen, dass Ammoniak nach ihrem jetzigen Wissensstand anders aussehen müsste (H-Atome gleichmäßig um das N-Atom angeordnet). Die Inhalte des VSEPRs sollten grob besprochen werden. Hierbei ist es wichtig, den Molekültyp, zum Beispiel AB 3 E zu besprechen. Beim Punkt "VSEPR in der Praxis" können gerne zusätzliche Moleküle vorgegeben und durch die Schülerinnen und Schüler selbst bestimmt werden. Je nach Leistungsbereitschaft der Schülerinnen und Schüler kann hier differenziert werden. Das selbstgesteuerte Bestimmen von Strukturen ist für mathematisch-naturwissenschaftliche Klassen geeignet. Als Pufferlernziel kann kurz auf die Modellkritik eingegangen werden. Den Schülerinnen und Schülern sollte klar sein, dass Modelle lediglich ein Abbild der Realität sind, aber eben nicht der Realität entsprechen. Beim Rückbezug auf den Einstieg sollte nochmal betont werden, welchen Einfluss die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül haben kann und wie die Eigenschaften dadurch verändert werden können. Die Gesamtzusammenfassung durch das Quiz sichert die wichtigsten Informationen und stellt eine weitere Einübung des VSEPRs dar. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler zählen chemische Bindungen auf. können die Entstehung von Molekülen begründen. können die Oktettregel erklären. stellen ausgewählte Moleküle in Keilstrichprojektion dar. beschreiben das VSEPR-Modell. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren Informationen und verarbeiten sie. bearbeiten ein Online-Quiz. geben Moleküle auf einer Website ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Informationen mit Informationen von Mitlernenden. stellen Informationen anderen Schülerinnen und Schülern vor.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler anhand von abwechslungsreichen und interaktiven Aufgaben, wie die Luft zusammengesetzt ist. Mithilfe eines interaktiven Versuchsvideos des Kolbenproberversuchs zur Bestimmung des Sauerstoffanteils der Luft können die Schülerinnen und Schüler selbstständig den Versuch durchlaufen. Sie erkennen, dass Sauerstoff durch die Verbrennung mit Eisen reagiert und dadurch in der Luft nicht mehr vorhanden ist. Die Schülerinnen und Schüler fixieren ihre Beobachtungen und Ergebnisse auf einem Arbeitsblatt. Anschließend wird durch ein digitales "Drag the words"-Quiz die Zusammensetzung der Luft erarbeitet. Es folgt eine Gruppenarbeit mit vorgefertigten Informationstexten über die Stoffe, die in der Luft enthalten sind. Jede Gruppe bearbeitet einen Steckbrief per Arbeitsblatt über den zugewiesenen Stoff und stellt diesen im Anschluss der Klasse vor. Die Mitschülerinnen und Mitschüler fixieren die Stoffe auf dem Arbeitsblatt. Als Transfer beziehungsweise Vertiefung kann das Video des Schwimmkerzenversuchs gezeigt werden. Hier vermutet man das gleiche Prinzip, warum die Kerze mit dem Wasser nach oben steigt. Tatsächlich ist es jedoch vor allem die Abkühlung der Luft und der damit entstehende Unterdruck, der die Wassersäule im Glas ansteigen lässt. Die Schülerinnen und Schüler sehen, dass ähnliche Phänomene unterschiedliche Erklärungen haben können. Zur Gesamtzusammenfassung lösen die Schülerinnen und Schüler selbstständig ein Quiz . Nach dem Bearbeiten des interaktiven Videos kann die Lehrkraft die Schülerinnen und Schüler dazu auffordern, den Versuch in eigenen Worten wiederzugeben. Dadurch werden die Fachsprache und das freie Formulieren geübt. Im Kreisdiagramm auf dem Arbeitsblatt sind die Spurenstoffe in der Luft nicht dargestellt. Diese sind auf dem Arbeitsblatt unter dem Diagramm zu notieren. Je nach Gruppenarbeitserfahrung der Klasse sollte hier mehr oder weniger Zeit eingeplant werden. Die Gruppen erhalten durch das Ausfüllen des Steckbriefes einen konkreten Auftrag und sollten dadurch relativ zügig sein. Am einfachsten stellt die Lehrkraft den Gruppen jeweils den zugeteilten Text zur Verfügung. Falls möglich, können die Gruppen den ausgefüllten Steckbrief während der eigenen Präsentation zeigen, z. B. per Dokucam. Die Notizen durch die Klasse können bereits während oder nach dem Präsentieren angefertigt werden. Als Transfer/Vertiefung kann der Schwimmkerzenversuch als Video gezeigt werden. Die Schülerinnen und Schüler könnten diesen auch selbst ansehen. Hier könnte man vermuten, ähnlich wie beim Kolbenproberversuch, dass allein der Verbrauch des Sauerstoffs durch die Verbrennung für das Ansteigen des Wassers im Glas verantwortlich ist. Da aber ebenfalls Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung entsteht, ist dieser Effekt kaum wahrnehmbar. Der Hauptgrund für das Ansteigen des Wassers ist die Abkühlung der Luft und der dadurch entstehende Platz, da sich warme Luft ausdehnt. Der Unterdruck lässt das Wasser im Glas steigen. Die Einheit ist so gestaltet, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst viel selbstständig und eigenverantwortlich erarbeiten. Die Einheit könnte mit einigen Hinweisen auch als Arbeitsauftrag für eine Lerngruppe durchgeführt werden. Sollte die Lerngruppe noch nicht in Berührung mit H5P-Formaten gekommen sein, so müsste die Lehrkraft hier eventuell unterstützen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erklären den Kolbenproberversuch. beschreiben die Zusammensetzung der Luft. zählen die Eigenschaften der Stoffe, die in der Luft enthalten sind auf. erklären den Schwimmkerzenversuch. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verarbeiten Informationen. bearbeiten ein digitales Quiz. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Informationen mit Informationen von Mitlernenden. sammeln und verarbeiten in einer Gruppe Informationen. präsentieren Informationen vor der Klasse.