Didaktische FWU-DVD. Elektrochemie

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. zurück führt zum jeweils übergeordneten Menü. Über Info ein / Info aus können Zusatzinformationen ein-/ausgeblendet werden. Mit den Buttons > und < können Sie zwischen den Bildern vor- / zurückblättern. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler lernen den Aufbau und die Funktionsweise einer galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell-Elements kennen; begreifen die in einer galvanischen Zelle und Elektrolysezelle ablaufenden elektrochemischen Vorgänge auf submikroskopischer Ebene; lernen den Unterschied zwischen Batterie und Akkumulator und können dies am Beispiel der Zink-Kohle- Batterie und des Bleiakkumulators erläutern; können die Vorgänge beim Entladen und Laden eines Bleiakkumulators sachlich und unter Verwendung von Fachwörtern beschreiben; verstehen das Prinzip der elektrolytischen Metall-Reinigung am Beispiel der Kupfer-Raffination; üben sich im Aufstellen von Reaktionsgleichungen; können die Informationen aus dem Film herausarbeiten, strukturieren und verknüpfen und üben sich dadurch in kognitiven Lernstrategien; beurteilen den Einsatz von in Alltag und Technik. 2

3 Zum Inhalt (Film 22 min) Täglich verwenden wir eine Vielzahl an Geräten, die elektrischen Strom benötigen. Während einige Geräte über ein Kabel mit dem Stromnetz verbunden werden, benötigen andere mobile Energiequellen in Form von Batterien und Akkumulatoren. Ausgehend von einer handelsüblichen 1,5-Volt-Batterie beschreibt der Film, wie chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dazu werden anhand des Daniell-Elements der Aufbau sowie die Funktionsweise einer galvanischen Zelle erklärt. Daran anschließend wird gezeigt, welche Vorgänge zum Aufbau des elektrochemischen Potenzials führen und warum ein Ladungsausleich zwischen den zwei Halbzellen notwendig ist. Zudem klärt der Film, wie man mithilfe der Standard-Wasserstoff-Elektrode die elektrochemischen Potenziale einzelner Halbzellen ermitteln kann und so die elektrochemische Spannungsreihe erhält. 3

4 Menü (Sequenzen) ist überall (Filmsequenz 1:00 min) Der animierte Hauptdarsteller Paul verschläft aufgrund der leeren Batterie in seinem Wecker. Aber nicht nur Pauls Wecker, sondern auch viele andere Geräte benötigen Batterien oder Akkumulatoren. Wie ist eine Batterie aufgebaut? (Filmsequenz 0:50 min) Diese Sequenz zeigt den Aufbau einer 1,5-Volt-Batterie. Den Minuspol der Batterie bildet ein Zinkbecher, den Pluspol ein Kohlestab, der von Braunstein umgeben ist. Zwischen Zink und Braunstein befindet sich eine Pappschicht, die mit einer Elektrolyt-Lösung getränkt ist. Das Daniell-Element (Filmsequenz 3:10 min) Im Jahr 1835 entwickelte der englische Chemiker John Daniell das Daniell-Element, welches aus einer Zink- und einer Kupfer-Halbzelle aufgebaut ist. Ausgehend vom Aufbau des Daniell-Elements zeigt die Sequenz, dass ein Elektronenübergang von Zink zu Kupfer erfolgt. Hierbei wird erklärt, dass die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, immer als Anode und die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, als Kathode bezeichnet wird. Die Elektronen fließen somit von der Anode zur Kathode. Anstatt einer Zink- und Kupfer-Halb zelle können auch andere Metall-Halbzellen zu einer galvanischen Zelle kombiniert werden. Dabei erfolgt der Elektronenfluss 4

5 immer vom unedleren Metall zum edleren Metall. Am Ende der Sequenz wird gezeigt, dass die gleichen Vorgänge auch in der Zink-Kohle-Batterie ablaufen. Elektrochemisches Potenzial (Filmsequenz 3:00 min) Diese Sequenz erklärt auf submikroskopischer Ebene, wie die Zellspannung in einer galvanischen Zelle zustande kommt. Dafür werden zunächst die Vorgänge ohne leitende Verbindung im Daniell-Element betrachtet. Durch die Oxidation von Zink-Atomen lädt sich die Zink-Elektrode negativ auf. Gleichzeitig kommt es durch die räumliche Trennung der Ladungen zur Bildung einer elektrochemischen Doppelschicht und einem spezifischen elektrochemischen Potenzial. Auch an der Kupfer-Elektrode lassen sich diese Vorgänge beobachten. Da im Vergleich zur Zink-Halbzelle hier weniger Ionen durch Oxidation gebildet werden, lädt sich die Kupfer-Elektrode weniger stark negativ auf. Abschließend wird gezeigt, dass bei einer leitenden Verbindung zwischen den beiden Halbzellen die Elektronen von der stark negativ geladenen Zink-Elektrode zur weniger stark negativ geladenen Kupfer-Elektrode fließen. Standardpotenzial (Filmsequenz 5:50 min) Das elektrochemische Potenzial einer Halbzelle kann nicht direkt gemessen werden. Daher wird die Standard-Wasserstoff-Elektrode als Referenz-Elektrode verwendet. Ihr wurde ein elektrochemisches Potenzial von 0,0 Volt zugeordnet. So kann über die Kombination der Standard-Wasserstoff-Halbzelle mit verschiedenen Halbzellen leicht deren elektrochemisches Potenzial ermittelt werden. In der Sequenz wird zunächst der Aufbau der Standard-Wasserstoff-Elektrode gezeigt. Anschließend werden die beiden Halbzellen des Daniell- Elements mit der Standard-Wasserstoff- Halbzelle kombiniert und die elektrochemischen Potenziale ermittelt. Hierbei wird deutlich, dass die Standard-Wasserstoff-Elektrode, je nach Kombination, sowohl als Anode als auch als Kathode wirken kann. Dies hat Einfluss auf das Vorzeichen des elektrochemischen Potenzials der kombinierten Halbzelle. Abschließend wird mit den ermittelten elektrochemischen Potenzialen die Zellspannung im Daniell-Element berechnet. Elektrochemische Spannungsreihe (Filmsequenz 2:30 min) Mithilfe der Standard-Wasserstoff-Elektrode können die Standardpotenziale für 5

6 alle Halbzellen gemessen werden. Vergleicht und ordnet man diese Werte anschließend, erhält man die elektrochemische Spannungsreihe. Die Sequenz verdeutlicht, wie die unterschiedlichen Vorzeichen der Standard-Potenziale zustande kommen und wie man mithilfe der Spannungsreihe voraussagen kann, in welche Richtung die Redoxreaktion einer galvanischen Zelle spontan abläuft. Ionenwanderung (Filmsequenz 4:20 min) Durch den Elektronenfluss in einer galvanischen Zelle werden die elektrochemischen Potenziale in beiden Halbzellen gestört. Um diese wieder herzustellen, müssen an der Anode weitere Metall-Atome oxidiert und an der Kathode Metall-Ionen reduziert werden. Die Animationen dieser Sequenz veranschaulichen dies und erklären, dass bei vollständiger Trennung der beiden Halbzellen der Elektronenfluss nach einiger Zeit stoppen würde. Anschließend wird erläutert, wie durch das Diaphragma ein Ladungsausgleich stattfinden kann, wodurch der Stromkreis geschlossen ist. Akkumulator (Film 11 min) Während die elektrochemischen Reaktionen in Batterien nicht umkehrbar sind, können Akkumulatoren durch Zufuhr von elektrischer Energie wieder aufgeladen werden. Anhand des Bleiakkumulators werden die Vorgänge beim Entladen und Aufladen eines Akkumulators gezeigt. Hierbei werden auch Zersetzungsspannung und Überspannung thematisiert. Abschließend mit einer Zusammenfassung zu Akkumulatoren geht der Film auf die Unterschiede zwischen einer galvanischen Zelle und einer Elektrolyse-Zelle ein. Menü Akkumulator (Sequenzen) Unterschied zwischen Akkumulatoren und Batterien (Filmsequenz 1:20 min) Während in Batterien die elektrochemischen Reaktionen nicht umkehrbar sind, können Akkumulatoren durch Zufuhr von elektrischer Energie wieder aufgeladen werden. Zu den bekanntesten Akkus gehört der Bleiakkumulator, der aus mehreren Blei- und Bleioxid-Platten, die in eine wässrige Schwefelsäure- Lösung tauchen, aufgebaut ist. Entladung des Bleiakkumulators (Filmsequenz 4:10 min) In dieser Sequenz werden die elektrochemischen Vorgänge beim Entladen des Bleiakkumulators auf Teilchenebene verdeutlicht und die entsprechenden Reak- 6

7 tionsgleichungen formuliert. An der Blei- Elektrode (Anode) werden Blei-Atome zu Blei-Ionen oxidiert. Die dabei frei werdenden Elektronen fließen zur Bleioxid-Elektrode (Kathode) und führen zur Reduktion der im Bleioxid enthaltenen Blei-Ionen. Dabei reagieren gleichzeitig Oxonium-Ionen zu Wasser-Molekülen. An beiden Elektroden bilden die entstandenen zweifach positiv geladenen Blei-Ionen mit Sulfat-Ionen schwerlösliches Bleisulfat, welches sich auf den Elektroden ablagert. Da so zwei gleichartige Elektroden entstanden sind, ist keine Spannung mehr feststellbar. Aufladen des Bleiakkumulators (Filmsequenz 3:00 min) Beim Aufladen des Bleiakkumulators laufen die gleichen elektrochemischen Reaktionen wie beim Entladen ab, allerdings in entgegengesetzter Richtung. Dafür müssen die Elektroden mit einer Spannungsquelle verbunden werden. In der Sequenz werden die Vorgänge beim Laden auf submikroskopischer Ebene dargestellt. Dabei wird auf die Zersetzungsspannung und die Überspannung eingegangen. Zusammenfassung Akkumulatoren (Filmsequenz 1:40 min) Während der Bleiakkumulator beim Entladen einer galvanischen Zelle entspricht, bildet er beim Aufladen eine Elektrolyse-Zelle. Die Sequenz zeigt deutlich die Unterschiede bezüglich Minus- und Pluspol und der Energieumwandlung. Abschließend wird erklärt, dass auch ein Akkumulator nur eine begrenzte Lebensdauer besitzt. Elektrolyse (Film 5 min) Die Elektrolyse dient nicht nur dem Laden eines Akkumulators, sondern auch der Gewinnung von Stoffen und Reinigung von Metallen. Der Film zeigt die Metall- Reinigung am Beispiel der Kupfer-Raffination. Hierbei wird aus Rohkupfer, welches mit Beimengungen verunreinigt ist, elektrolytisch Reinkupfer gewonnen. Grafiken Batterien (2 Grafiken) Auf diesen Grafiken werden der Aufbau und die Funktionsweise einer Zink-Kohle-Batterie dargestellt. 7

8 Akkus (3 Grafiken) Mithilfe dieser Grafiken werden der Aufbau einer Autobatterie sowie die Vorgänge während des Entladens und Aufladens dargestellt. Interaktion Redoxreaktion Mit der Interaktion lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Gleichungen für Redoxreaktionen aufzustellen. Anhand von 19 verschiedenen Reaktionen können die einzelnen Schritte beim Aufstellen dieser Gleichung geübt werden. Dabei unterstützt das Programm durch Rückmeldung und gezielte Hilfestellungen. Verwendung im Unterricht Die vorliegende Produktion ist für den Einsatz in den Sekundarstufen I und II konzipiert, da die Schülerinnen und Schüler das Donator-Akzeptor-Konzept bereits auf Redoxreaktionen anwenden können, sowie Redoxreaktionen als Elektronenübergänge verstanden haben sollten. Die Produktion behandelt folgende Themenschwerpunkte: Redoxreaktionen als Grundlage elektrochemischer Vorgänge Bau und Funktionsweise einer galvanischen Zelle Entstehung des elektrochemischen Potenzials und der Zellspannung Standard-Wasserstoff-Elektrode Funktionsweise eines Bleiakkumulators industrielle Bedeutung der Elektrolyse anhand der Kupfer-Raffination Die Produktion bietet eine Vielzahl an unterschiedlichen Medien (Filme, Sequenzen, Grafiken), die in verschiedenen Unterrichtseinheiten eingesetzt werden können. Es ist hilfreich, sich zunächst die Programmstruktur zur Hand zu nehmen, die einen Überblick über die vorhandenen Medien gibt. Ergänzend werden zahlreiche Arbeitsblätter angeboten sowie eine Interaktion, die eine motivierende, spielerische Erarbeitung und Vertiefung der Lerninhalte fördern. In der Online-Fassung können Interaktion und Arbeitsblätter direkt aus den Menüs aufgerufen werden. Die Datei unter der Rubrik Didaktische Hinweise gibt Hinweise zum Unterrichtseinsatz sowie detaillierte Beschreibungen der vorhandenen Materialien. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial stehen Ihnen didaktische Hinweise, eine Interaktion, Arbeitsblätter (mit Lösungen) und ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor. Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt, abgespeichert und ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungsvorschlägen) Interaktion Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der DVD im Unterricht 1) Zink-Kohle-Batterie 2) Daniell-Element 3) Elektrochemisches Potenzial 4) Standard-Wasserstoff-Elektrode 5) Elektrochemische Spannungsreihe 6) Ladungsausgleich 7) Bleiakkumulator 8) Batterien und Akkumulatoren 9) Galvanische Zelle und Elektrolysezelle Redoxreaktion Zink-Kohle-Batterie Die Reaktionen der Zink-Kohle Batterie Autobatterie (Bleiakkumulator) Bleiakkumulator aufladen Bleiakkumulator entladen Akkumulator Elektrolyse Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD 9

10 Programmstruktur Programmstruktur Akkumulator Akkumulator Elektrolyse Batterien Akkus Arbeitsmaterial Hauptmenü Film 22 min Sequenzen Film 11 min Sequenzen Film 4 min 2 Grafiken 3 Grafiken Untermenüs ist überall Wie ist eine Batterie aufgebaut? Das Daniell-Element Elektrochemisches Potenzial Standardpotenzial Elektrochemische Spannungsreihe Ionenwanderung Unterschied zwischen Akkumulator und Batterie Entladung des Bleiakkumulators Aufladen des Bleiakkumulators Zusammenfassung 1:00 min 1:00 min 3:20 min 3:00 min 5:50 min 2:30 min 4:30 min Akkumulator 1:20 min 4:10 min 3:00 min 1:40 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 9 Arbeitsblätter (mit Lösungen) Interaktion 5 Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2013 DVD-Konzept Michael Süß DVD-Authoring und Design TV Werk im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013 Grafiken Weglowinthedark. Bildnachweis Thinkstock istockphoto (Coverbild) Didaktische Fachberatung Ulrich Hammon Arbeitsmaterial Anna Meinel Begleitheft Anna Meinel Michael Süß Pädagogischer Referent im FWU Daniel Schaub Produktionsangaben zu den Filmen, Akkumulator und Elektrolyse Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013 Buch, Regie und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Sound Sven Lütgen Marko Bachmann Sprecher Pascal Finkenauer Redaktion Anne Köhler Daniel Schaub Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2013 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Elektrochemische Reaktionen laufen in einer galvanischen Zelle als Redoxreaktion ab. Die Produktion beschäftigt sich mit der elektrochemischen Spannungsreihe sowie mit Aufbau und Arbeitsweise der galvanischen Zellen. Darüber hinaus gibt sie mit Batterien, dem Bleiakku und der Reindarstellung von Metallen durch Elektrolyse einen umfassenden Ausblick auf Elektro chemie in Alltag und Technik. Erscheinungsjahr: 2013 Laufzeit: 38 min Filme: 3 Filmsequenzen: 11 Grafiken: 5 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Unterrichtsmaterialien 9 (PDFs zum Ausfüllen, mit Lösungen) Interaktion: 1 Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-13), Erwachsenenbildung Schlagwörter: Akku, Akkumulator, Anion, Anode, Autobatterie, Batterie, Bleiakkumulator, Daniell-Element, Elektrolyse, Elektron, Galvanische Zelle, Kathode, Kupfer, Metall, Oxidation, Raffination, Redox, Redoxgleichung, Redoxreaktion, Reduktion, Spannung, Zink-Kohle-Batterie Systematik: Chemie Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Anorganische Chemie Redoxreaktionen Angewandte Chemie Technische Chemie, Chemie in Alltag und Umwelt GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de