Unterrichtsvorhaben Grundkurs Q1 und Q2 Kontext: Von der Wasserelektrolyse zur Brennstoffzelle Inhaltsfeld: Elektrochemie

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1 Unterrichtsvorhaben Grundkurs Q1 und Q2 Kontext: Von der Wasserelektrolyse zur Brennstoffzelle Inhaltsfeld: Elektrochemie Unterrichtsvorhaben Unterrichtsvorhaben I oder II: Elektrochemie Kontext: Strom für Mobiltelefon und Tablet Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF1 Wiedergabe E2 Wahrnehmung und Messung E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung K1 Dokumentation K2 Recherche Inhaltsfeld: Elektrochemie Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler schließen auf die möglichen Redoxreaktionen (UF3) stellen Oxidationen und Reduktionen als Teilreaktionen und die Redoxreaktion als Gesamtreaktion übersichtlich dar und beschreiben und erläutern die Reaktion fachsprachlich korrekt (K3) erweitern die Vorstellung von Redoxreaktionen, indem sie Oxidation/Reduktion auf der Teilchenebene als Elektronen-Donator-Akzeptor-Reaktionen interpretieren (E6/7) Konkrete Unterrichtssequenzen/ Inhalte (obligatorisch) Einstieg: z.b. Wie reinigt man Münzen? Redoxreaktion (inhaltliche Wiederholung Jahrgangsstufe: Einführungsphase); Metallbindungen; Spannungsreihe (Sek I, Wiederholung); chemisches Gleichgewicht Mögliche Methoden/ Medien/ Anknüpfung (obligatorisch oder fakultativ) Lehrwerk: Elemente Chemie Oberstufe; Kapitel 7: Elektrochemie Inhaltliche Schwerpunkte: Mobile Energiequellen Zeitbedarf: ca. 22 Stunden á 45 min. entwickeln Hypothesen zum Auftreten von Redoxreaktionen zwischen Metallatomen und Metallionen (E3) erklären den Aufbau und die Funktionsweise einer galvanischen Zelle (u.a. Daniell- Element) (UF 1/3) beschreiben den Aufbau einer Standard- Wasserstoff-Halbzelle (UF1) erklären Aufbau und Funktion elektrochemischer Spannungsquellen aus Alltag und Technik (Batterie) unter Zuhilfenahme grundlegender Aspekte Galvanische Zellen (Zuordnung der Pole; Elektrochemische Redoxreaktion, Trennung der Halbzellen) (UF4) Wie funktioniert eine Batterie? Galvanische Zelle; u.a. Daniell- Element, elektrochemische Energieumwandlung, Standardelektrodenpotential, Standard Wasserstoffhalbzelle, Stromstärke, Spannung, Elektrolytlösung, Umwandlung chemische Energie in elektrische Energie; Entwicklung (historisch); Vorteile-Nachteile Batterien im Vergleich (Aufbau, Funktionsweise) Bagdadbatterie; LeClanche Element; Nernst-Gleichung berechnen Potentialdifferenzen unter Nutzung der Standardelektrodenpotentiale und

2 schließen auf die möglichen Redoxreaktionen (UF2,3) planen Experimente zum Aufbau Galvanischer Zellen, ziehen Schlussfolgerungen aus den Messergebnissen und leiten daraus eine Spannungsreihe ab (E1,2,4,5) erläutern die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie (E6) analysieren und vergleichen galvanische Zellen unter Energetischen und stofflichen Aspekten (E1, 5) dokumentieren Versuche zum Aufbau von galvanischen Zellen übersichtlich und nachvollziehbar (K1) Unterrichtsvorhaben Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Konkrete Unterrichtssequenzen/ Inhalte (obligatorisch) Mögliche Methoden/ Medien/ Anknüpfung (obligatorisch oder fakultativ) Unterrichtsvorhaben II oder I: Kontext: Von der Elektrolyse und dem galvanischen Element zum Akkumulator Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF2 Auswahl UF3 Systematisierung E1 Probleme und Fragestellungen B1 Kriterien erklären Aufbau und Funktion elektrochemischer Spannungsquellen aus Alltag und Technik (Akkumulator, Brennstoffzelle) unter Zuhilfenahme grundlegender Aspekte galvanischer Zellen (u.a. Zuordnung der Pole, elektrochemischer Redoxreaktionen, Trennung der Halbzellen) (UF 4) beschreiben und erklären Vorgänge bei einer Elektrolyse (u.a. von Elektrolyten in wässrigen Lösungen) (UF1,3) Wie lässt sich ein Metallgegenstand (z.b. ein Schlüssel) verkupfern? Elektrolyse, Faraday-Gesetze, Umkehrbarkeit von Redoxreaktionen, technische Anwendungen (bspw. Chlor-Alkali-Elektrolyse; Aluminiumherstellung) Zersetzungsspannung, Überspannung, Gelichgewichtsspannung, Wasserzersetzung (Brennstoffzelle) Weitere Anwendungsbereiche: z.b. Eloxal-Verfahren Inhaltsfeld: Elektrochemie Inhaltliche Schwerpunkte: Elektrochemische Gewinnung von Stoffen deuten die Reaktion einer Elektrolyse als Umkehr der Reaktionen eines galvanischen Elements (UF4) Zeitbedarf:

3 erläutern die bei der Elektrolyse notwendige Zersetzungsspannung unter Berücksichtigung des Phänomens der Überspannung (UF2) erläutern und berechnen mit den Faraday- Gesetzen Stoff- und Energieumsetze bei Elektrochemischen Prozessen (UF2) erläutern die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie (E6) analysieren und vergleichen Elektrolysen unter energetischen und stofflichen Aspekten (E1, 5) dokumentieren Versuche zum Aufbau von Elektrolysezellen übersichtlich und nachvollziehbar (K1) recherchieren Informationen zum Aufbau mobiler Energiequellen und präsentieren mithilfe adressatengerechter Skizzen die Funktion wesentlicher Teile sowie Lade und Entlade Vorgänge (K2,3) argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig über Vorzüge und Nachteile unterschiedlicher mobiler Energiequellen und wählen dazu gezielt Informationen aus (K4) Bewertung erläutern und beurteilen die elektrolytische Gewinnung eines Stoffes aus ökonomischer und ökologischer Perspektive (B1,3) vergleichen und bewerten innovative und herkömmliche Elektrochemische Energiequellen (u.a. Wasserstoff- Brennstoffzellen) (B1) diskutieren gesellschaftliche Relevanz der Gewinnung Speicherung und Nutzung elektrischer Energie in der Chemie (B4)

4 Unterrichtvorhaben III Kontext: Korrosion und Korrosionsschutz Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF1 Wiedergabe UF3 Systematisierung B2 Entscheidungen erläutern elektrochemische Korrosionsvorgänge (UF1,3) Bewertung diskutieren Folgen von Korrosionsvorgängen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten (B2) Wie schütze ich mein (Fahrrad, Auto, Motorrad) vor Korrosion? Wie kann Korrosion verhindert werden? Sauerstoffkorrosion, Säurekorrosion, Korrosionsschutz, Opferanode, Oxidschicht, Rost, Lokalelement Eloxalverfahren Inhaltsfeld: Elektrochemie Inhaltlicher Schwerpunkt: Korrosion Zeitbedarf: ca. 6 Std. Lernerfolgsüberprüfung: Schriftliche Klausur zum Themenfeld Elektrochemie (der Fokus der schriftlichen Überprüfung kann im Bereich Galvanische Zellen; Korrosion oder Elektrolyse liegen

5 Unterrichtsvorhaben Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Konkrete Unterrichtssequenzen/ Inhalte (obligatorisch) Mögliche Methoden/ Medien/ Anknüpfung (obligatorisch oder fakultativ) Unterrichtsvorhaben IV: Kontext: Säuren und Basen in Alltagsprodukten Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF2 Auswahl E6 Modelle E7 Vernetzung K1 Dokumentation K4 Argumentation B1 Kriterien B3 Werte und Normen Inhaltsfeld: Säuren und Basen analytische Verfahren identifizieren Säuren und Basen in Produkten des Alltags und beschreiben diese mithilfe des Säure-Base-Konzepts von Brönsted (UF1, 3) interpretieren Protolysen als Gleichgewichtsreaktionen und beschreiben das Gleichgewicht unter Nutzung des Ks- Wertes (UF2, 3) Erläutern die Autoprotolyse und das Ionenprodukt des Wassers (UF1) Berechnen ph-werte wässriger Lösungen starker Säuren und starker Basen (Hydroxide) (UF2) Wie viel Säure steckt in unseren Lebensmitteln? Titration mit Endpunktbestimmung, Leitfähigkeitstitration (Auswertung und Verfahren), Säure, Base, Ampholyt, Brönsted, Protolyse, Autoprotolyse des Wassers, ph- /poh-wert (Berechnung), Protolyse- Gleichgewicht, Indikatoren, Säure-, Base-Konstanten (stärke; pk s; pk B) Salzlösung, Leitfähigkeit, Äquivalenzpunkt, Halbtitration, starke, schwache, dreiprotonige Säuren; Neutralisation Lehrwerk: Elemente Chemie Oberstufe; Kapitel 6 Mögliche Bezugspunkte/Beispiele: Wirkungsweise: Entfernen von Fischgeruch mit Zitronen Maaloxan Wirkungsweise Puffersysteme (Blut etc.) Fakultativ: Hendersson-Hasselbalch- Gleichung Titrationskurven Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften und Strukturen von Säuren und Basen Konzentrationsbestimmung von Säuren und Basen durch Titration Klassifizieren Säuren mithilfe von Ks- und pks-werten (UF3) Berechnen ph-werte wässriger Lösungen schwacher einprotoniger Säuren mithilfe Massenwirkungsgesetzes (UF2) Zeitbedarf: ca Zeigen an Protolysereaktionen auf, wie sich der Säure-Base-Begriff durch das Konzept von Bronsted verändert hat (E6,7) Planen Experimente zur Bestimmung derr Konzentration von Säuren und Basen in Alltagsprodukten bzw. Proben aus der Umwelt angeleitet und selbstständig (E1,3) Erläutern das Verfahren einer Säure-Base- Titration mit Endpunktbestimmung über einen Indikator, führen diese zielgerichtet durch und werten sie aus (E3,4,5) Erklären das Phänomen der elektrischen Leitfähigkeit in wässrigen Lösung mit dem Vorliegen frei beweglicher Ionen (E6)

6 Beschreiben das Verfahren einer Leitfähigkeitstitration (als Messgröße genügt die Stromstärke) zur Konzentrationsbestimmung von Säuren bzw. Basen in Proben aus Alltagsprodukten oder der Umwelt und werten vorhandene Messdaten aus (E2,4,5) Machen Vorhersagen zu Säure-Base- Reaktionen anhand Ks- und pks-werten (E3) Bewerten durch eigene Experimente gewonnene Analyseergebnisse zu Säure- Base-Reaktionen im Hinblick auf ihre Aussagekraft (u.a. Nennen und Gewichten von Fehlerquellen) (E4,5) Stellen eine Säure-Base-Reaktion in einem Funktionsschema dar und erklären daran das Donator-Akzeptor-Prinzip (K1,3) Dokumentieren die Ergebnisse einer Leitfähigkeitstitration mithilfe graphischer Darstellungen (K1) Erklären fachsprachlich angemessen und mithilfe von Reaktionsgleichungen den Unterschied zwischen einer schwachen und einer starken Säure unter Einbeziehung des Gleichgewichtskonzepts (K3) Recherchieren zu Alltagsprodukten, in denen Säuren und Basen enthalten sind, und diskutieren unterschiedliche Aussagen zu deren Verwendung adressatengerecht (K2,4) Bewertung Beurteilen den Einsatz, die Wirksamkeit und das Gefahrenpotenzial von Säuren und Basen in Alltagsprodukten (B1,2) Bewerten die Qualität von Produkten und Umweltparametern auf der Grundlage von Analyseergebnissen zu Säure-Base- Reaktionen (B1)

7 Lernerfolgsüberprüfung: Schriftliche Klausur zum Themenfeld Säuren und Basen; es besteht die Möglichkeit eine Aufgabenstellung mit experimentellen Anteil in die Klausur zu integrieren

8 Unterrichtsvorhaben Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Konkrete Unterrichtssequenzen/ Inhalte (obligatorisch) Mögliche Methoden/ Medien/ Anknüpfung (obligatorisch oder fakultativ) Unterrichtsvorhaben V Kontext: Vom fossilen Rohstoff zum Anwendungsprodukt Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzen UF3 Systematisierung UF 4 Vernetzung E3 Hypothesen E4 Untersuchungen und Experimente K3 Präsentation B3 Werte und Normen Erklären Stoffeigenschaften mit zwischenmolekularen Wechselwirkungen (u.a. Van-der-Waals-Kräfte; Dipol-Dipol-Kräfte; Wasserstoffbrückenbindungen) (UF3, UF4) Verknüpfen Reaktionen zu Reaktionsfolgen und Reaktionswegen zur gezielten Herstellung eines erwünschten Produktes (UF2; UF4) Erklären Stoffeigenschaften und Reaktionsverhalten mit dem Einfluss der jeweiligen funktionellen Gruppen und sagen Stoffeigenschaften voraus. (UF1) Organische Verbindungen und ihre Reaktionswege Aufbau organischer Moleküle; Eigenschaften und chemische Reaktionen von Vertretern der Stoffklassen (Alkohole; Aldehyde; Ketone; Carbonsäuren; Ester) Mögliches Anwendungsgebiet Erdölgewinnung Lehrwerk: Klett Elemente Chemie Oberstufe; Kapitel 8 Möglicher Bezugspunkt: Erdöl Grundlage für chemische Produkte (insbesondere Kleidung) Mögliche Reihe: Vom Erdöl zur Fließjacke Inhaltsfeld: Organische Produkte - Werkstoffe und Farbstoffe Inhaltlicher Schwerpunkt: Organische Verbindungen und funktionelle Gruppen Zeitbedarf: ca. 14 Stunden á 45min. Erläutern die Planung einer Synthese ausgewählter organischer Verbindungen sowohl im niedermolekularen als auch im makromolekularen Bereich (E4) Verwenden geeignete graphische Darstellungen bei der Erläuterung von Reaktionswegen und Reaktionsfolgen (K1; K3) Bewertung *Erläutern und bewerten den Einsatz von Erdöl und nachwachsenden Rohstoffen für die Herstellung von Produkten des Alltags und der Technik (B3) *nicht obligatorisch, kann auch in der Qualifikationsphase 2 behandelt werden

9 Diese Ergänzung des Themenfelds sollte zu Anfang der Q2 wiederholt werden. formulieren Reaktionsschritte einer elektrophilen Addition und erläutern diese (UF1) verknüpfen Reaktionen zu Reaktionsfolgen und Reaktionswegen zur gezielten Herstellung eines erwünschten Produktes (UF2; UF4) klassifizieren organische Reaktionen als Substitutionen; Additionen; Eliminierungen und Kondensationen (UF3) Elektrophile Addition; Substitution Abfassen eines Textes zur Beschreibung und Erläuterung der Reaktionsschritte schätzen das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen aus den Molekülstrukturen ab (u.a. I- Effekt, sterischer Effekt) (E3) verwenden geeignete graphische Darstellungen bei der Erläuterung von Reaktionswegen und Reaktionsfolgen (K1; K3) Lernerfolgsüberprüfung: Schriftliche Klausur zum Themenfeld organische Chemie (vom fossilen Rohstoff zum Anwendungsprodukt); Der Fokus sollte auf Stoffeigenschaften sowie Reaktionsfolgen und Reaktionswegen liegen. Unterrichtsvorhaben Q2 Grundkurs Unterrichtsvorhaben Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Unterrichtsvorhaben I Kontext: Produkte aus Kunststoffen erläutern die Eigenschaften von Polymeren aufgrund der molekularen Strukturen (u.a. Kettenlänge, Vernetzungsgrad) und erklären ihre praktische Verwendung (UF2; UF3) Konkrete Unterrichtssequenzen/ Inhalte (obligatorisch) Eigenschaften von makromolekularen Verbindungen; Thermoplaste; Duromere; Elastomere; zwischenmolekulare Wechselwirkungen Mögliche Methoden/ Medien/ Anknüpfung (obligatorisch oder fakultativ) Lehrwerk: Elemente Chemie Klett Kapitel 10 Anknüpfung an das Unterrichtsvorhaben VI der Q1

10 Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF2 Auswahl UF4 Vernetzung E3 Hypothesen E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung K3 Präsentation B3 Werte und Normen Inhaltsfeld: Organische Produkte Werkstoffe und Farbstoffe Inhaltliche Schwerpunkte: Organische Verbindungen und Reaktionswege Organische Werkstoffe Zeitbedarf: ca. 24 Stunden á 45 min. Untersuchen Kunststoffe auf ihre Eigenschaften, planen dafür zielgerichtete Experimente (u.a. zum thermischen Verhalten), führen diese durch und werten sie aus (E1; E2; E4; E5) Ermitteln Eigenschaften von organischen Werkstoffen und erklären diese anhand der Struktur (u.a. Thermoplaste, Elastomere und Duromere) (E5) Beschreiben und erläutern die Reaktionsschritte einer radikalischen Polymerisation (UF1; UF3) Erklären den Aufbau von Makromolekülen aus Monomer-Bausteinen und unterscheiden Kunststoffe aufgrund ihrer Synthese als Polymerisate oder Polykondensate (u.a. Polyester, Polyamide) (UF1; UF3) Präsentieren die Herstellung ausgewählter organischer Produkte und Zwischenprodukte unter Verwendung geeigneter Skizzen oder Schemata (K3) Schätzen das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen aus den Molekülstrukturen ab (u.a. I-Effekt; sterischer Effekt) (E3) Erläutern die Planung der Synthese ausgewählter organischer Verbindungen sowohl im niedermolekulare als auch im makromolekularen Bereich (E4) Recherchieren zur Herstellung, Verwendung und Geschichte ausgewählter organischer Vom Monomer zum Polymer: Bau von Polymeren und Kunststoffsynthesen Reaktionsschritte der radikalischen Polymerisation; Polykondensation (Polyester) Polyamide (Nylonfasern) Kunststoffverarbeitung; Verfahren (Fortsetzung der Unterrichtsreihe: Vom Erdöl zur Fließjacke) Schülerexperimente: Polymerisation von Styrol; Nylonseiltrick; Polykondensation: Synthese einfacher Polyester aus Haushaltschemikalien (z.b. Polymilchsäure) Fakultativ Exkursion (Möglichkeit): Besuch eines Schülerlabors Mögliche Methode: Internetrecherche mit anschließender Präsentation z.b. Einsatz von Filmmaterial

11 Verbindungen und stellen die Ergebnisse adressatengerecht vor (K2; K3) verknüpfen Reaktionen zu Reaktionsfolgen und Reaktionswegen zur gezielten Herstellung eines erwünschten Produktes (UF2; UF4) verwenden geeignete graphische Darstellungen bei der Erläuterung von Reaktionswegen und Reaktionsfolgen (K1; K3) demonstrieren an ausgewählten Beispielen mit geeigneten Schemata den Aufbau und die Funktion maßgeschneiderter Moleküle (K3) Bewertung erläutern und bewerten den Einsatz von Erdöl und nachwachsenden Rohstoffen für die Herstellung von Produkten des Alltags und der Technik (B3) diskutieren Wege zur Herstellung ausgewählter Alltagsprodukte (u.a. Kunststoffe)bzw. industrieller Zwischenprodukte aus ökonomischer und ökologischer Perspektive (B1; B2; B3) beurteilen Nutzen und Risiken ausgewählter Produkte der organischen Chemie unter vorgegebenen Fragestellungen (B4) Lernerfolgsüberprüfung: schriftliche Klausur zum Themenfeld Makromoleküle z.b. Spritzgießen; Extrusionsablasformen; Fasern spinnen Geschichte der Kunststoffe Maßgeschneiderte Kunststoffe Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Kunststoffen mit besonderen Eigenschaften und deren Synthesewege aus Basischemikalien z.b. SAN; Cyclodextrine; Superabsorber Kunststoffmüll ist wertvoll: Kunststoffverwertung -stoffliche Verwertung; rohstoffliche Verwertung; energetische Verwertung Ökonomisch; ökologische Aspekte zum Einsatz von Einweggeschirr