NWA-Tag 2013 Modelle

Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Reutlingen (RS) NWA-Tag 2013 Modelle Thema: Das Galvanische Element erstellt von Claudia Engel Carolin Brodbeck Sarah Huber 1

Inhalt 1. Sachanalyse... 3 1.1 Einleitung... 3 1.2 Galvanische Elemente... 3 1.3 Die Elektromotorische Kraft (EMK)... 5 1.4 Elektrodenpotenziale... 6 1.5 Galvanische Zellen im praktischen Gebrauch... 6 2. Didaktische Reflexion... 8 2.1 Legitimation des Themas auf der Grundlage des Bildungsplans... 8 2.2 Kompetenzerwerb... 8 2.3 Gegenwartsbedeutung... 8 2.4 Zukunftsbedeutung... 9 2.5 Exemplarische Bedeutung... 9 2.6 Didaktische Reduktion... 9 2.7 Modelle... 9 2.8 Storyboard... 11 2.9 Empfehlenswerte Internetseiten... 13 3. Quellen... 14 3.1 Verwendete Bücher... 14 3.2 Abbildungsnachweis... 14 2

1. Sachanalyse 1.1 Einleitung Elektrochemie: Bei den Elektrochemischen Reaktionen findet eine wechselseitige Umwandlung von- in den Stoffen vorhandener- chemischer Energie und elektrischer Energie statt. 1 In der Elektrochemie spielen Redoxreaktionen eine große Rolle. Bei der Oxidation und Reduktion werden aus Molekülen und Ionen eines Stoffes, Elektronen weggenommen und von Molekülen oder Ionen anderer Substanzen aufgenommen. Diese Vorgänge sind bedeutsam, da sie die natürlichen oder künstlichen Energiequellen unserer Erde darstellen. Hierbei ist die Oxidation die Abgabe von Elektronen und die Reduktion stellt die Aufnahme von Elektronen dar. 2 Historisches: Luigi Galvani (1789) und Alessandro Volta (1800) waren die ersten, die mit der Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie experimentiert haben. Galvanis zufällige Beobachtung, dass frische Froschschenkel, die mit einem Kupferhaken an ein Eisengitter gehängt wurden Zuckungen hatten, sobald sie das Eisengitter berührten, sollte große Auswirkungen haben. Im Jahr 1800 entwickelte Volta eine brauchbare Spannungsreihe. Dadurch gelang es Berzelius und Davy wässrige Salzlösungen und Salzschmelzen elektrolytisch zu zerlegen. Faraday erkannte 1834 Zusammenhänge zwischen der, bei der elektrochemischen Reaktion abgeschiedenen Stoffmenge und der dafür aufgewendeten Elektrizitätsmenge. 3 1.2 Galvanische Elemente Anfänge: Die Vola sche Säule: Das Volta-Element oder auch Volt sche Säule genannt, entwickelte Alesssandro Volta 1800. Sie hat heute nur noch historische Bedeutung. Hier werden Kupferplatten, Zinkplatten und Filzplatten, welche mit Schwefelsäure getränkt sind, abwechselnd übereinander geschichtet. Die Zinkplatten lösen sich mit der Zeit auf, dabei geben die Zinkatome, Elektronen ab und die zurückbleibenden Zinkionen gehen in Lösung. An den Kupferplatten scheidet sich Wasserstoff ab. Bei dieser Anordnung handelt es sich um eine Reihe von galvanischen Elementen. Eine Zelle, die als elektrische Stromquelle dient, wird galvanische Zelle oder galvanisches Element genannt. 4 Aufbau eines galvanischen Elements: Ein galvanisches Element ist eine Anordnung zweier Redoxsysteme, die räumlich in irgendeiner Weise voneinander getrennt sind. 1 Lautenschläger, Schröter et al., (2007), S. 321 2 Vgl.: Dickerson, Gries (1999), S. 427 3 Vgl.: Lautenschläger, Schröter et al., (2007), S. 321 4 Mortimer, Müller, (2007) S. 356 3

Jedes Redoxsystem (meist Metall und Metallsalzlösung) nennt man Halbelement oder Halbzelle. Unter einer galvanischen Zelle versteht man die gesamte Anordnung, also wird auch das Gefäß mit eingeschlossen. Ein galvanisches Element besitzt Elektrolytlösungen und Elektroden. Elektroden sind elektronenleitende Festkörper, an dessen Oberfläche elektrische Ladungen mit der Elektrolytlösung ausgetauscht werden. Als Elektroden werden meist zwei unterschiedliche Metalle verwendet. Tauchen die Elektroden in die Elektrolytlösung ein, so tritt eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Metallen auf. Dies kommt daher, dass verschiedene Metalle unterschiedliche Tendenzen haben, Kationen (positiv geladene Ionen) an die Elektrolytlösung abzugeben. Hierbei wird von einem Lösungsdruck gesprochen. Unedlere Metalle haben einen höheren Lösungsdruck, das heißt, sie geben tendenziell eher Elektronen ab und gehen als positiv geladenen Ionen in Lösung über, als edlere Metalle. An beiden Elektroden bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht, aus Elektronen und Ionen. Diese Doppelschicht verhindert zunächst die Abwanderung der Ionen in die Lösung. In den Elektroden entsteht ein sogenannter Elektronendruck. Bei unedleren Metallen ist diese Doppelschicht stärker ausgeprägt, als bei edleren Metallen. Somit entsteht eine Potenzialdifferenz (Spannung) zwischen den zwei Halbzellen. Werden die Metalle dann durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden, wandern die Elektronen von der Halbzelle, bei der die elektrochemische Doppelschicht stärker ausgeprägt ist, zur anderen Halbzelle. Diese Wanderung der Elektronen, erzeugt den elektrischen Strom. Galvanische Zellen sind also zwei Halbzellen, bei der an einer Elektrode ein Elektronenüberschuss (Minus-Pol, Anode) entsteht und an der anderen ein Elektronenmangel (Plus-Pol, Kathode) entsteht. Dieser Ladungsunterschied wird durch die Elektronenwanderung außerhalb der Zelle, über einen elektrischen Leiter und innerhalb der Zelle durch die Ionenwanderung ausgeglichen. Am Beispiel: Eine Reaktion von Zink-Metall mit Kupfer(II)-Ionen (in Lösung) läuft spontan ab, dabei werden Elektronen vom Zink auf die Kupferionen übertragen. Reaktion: Oxidation: Zn Zn 2+ + 2e - Reduktion: Cu 2+ + 2e - Cu Zn 2+ e e Diese Reaktion läuft freiwillig ab, da Zink das unedlere Metall von beiden ist und somit eher das Bestreben hat, Elektronen abzugeben und als Ion in Lösung zu gehen. Diese Reaktion wird im Daniell-Element genutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Das Daniell-Element wurde von John Frederic Daniell 1836 erfunden (das Daniell- 4

Element stellt die Weiterentwicklung der Volta schen Säule dar). Dieses Element liefert eine Spannung von 1,1 Volt. Das Daniell-Element besteht aus einer Zinkelektrode, welche sich in einer Zinksulfat-Lösung (1M) befindet und aus einer Kupferelektrode, die sich in einer Kupfersulfatlösung (1M) befindet. Folgende Elektrodenvorgänge laufen hierbei ab: Oxidation: Zn Zn 2+ + 2e - Reduktion: Cu 2+ + 2e - Cu Gesamt: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Die mechanische Durchmischung der Lösungen wird durch die poröse Trennwand verhindert, diese lässt aber eine Ionenwanderung zu, dadurch ist das galvanische Element nach außen hin neutral. Wären die zwei Halbzellen nicht durch diese Trennwand voneinander getrennt, so käme es zur direkten Übertragung der Elektronen, wenn die Cu 2+ -Ionen in Kontakt mit der Zinkelektrode kämen. Dadurch würde kein Strom durch den äußeren Draht fließen. Somit wandern Elektronen außerhalb der Zelle, vom Minuspol zum Pluspol und innerhalb der Zelle erfolgt ein Stromfluss durch Ionenbewegung, die Anionen wandern in Richtung der Anode und die Kationen wandern in Richtung der Kathode. 5 Schreibweise am Beispiel des Daniell-Elements: Zn/Zn 2+ (1mol/L)// Cu 2+ (1mol/L)/Cu Die Anode wird als erstes genannt (stellt den neg. Pol dar) / bedeutet Phasengrenze // bedeutet Diaphragma 1.3 Die Elektromotorische Kraft (EMK) Die EMK wird in Volt angegeben und ist das elektrische Potenzial einer galvanischen Zelle. Die EMK ist umso größer, je größer die Tendenz innerhalb der Zelle zum Ablaufen der chemischen Reaktion ist. Die EMK ist von den beteiligten Substanzen, ihren Konzentrationen und von der Temperatur 6 abhängig. Wenn alle Reaktanden und Produkte in ihren Standardzuständen vorliegen, spricht man bei der auftretenden elektromotorischen Kraft, von einer Standard-EMK ΔE 0. 7 5 Vgl.: Lautenschläger, Schröter et al., (2007), S. 327-328, 330-331 und Mortimer, Müller (2007), S. 356-357 6 Mortimer. Müller, (2007) S. 357 7 Vgl.: Mortimer, Müller, (2007) S. 357 5

1.4 Elektrodenpotenziale Das Potenzial zwischen dem Metall und der Lösung, in welchem sich die Elektrode befindet, ist ein quantitatives Maß für den Elektronendruck, welcher sich in der Elektrode, bildet. Das Potenzial kann nur relativ gemessen werden, das heißt, es ist eine Referenzzelle (eine zweite Halbzelle) nötig, um es zu messen. Als Referenzzelle schlug Nerst die Wasserstoff-Elektrode vor. Diese besteht als Elektrode aus einem kleinen platinüberzogenem Platinblech, welches in eine Säure, deren H 3 O + -Konzentration auf 1 mol/l definiert ist, eintaucht, sowie von Wasserstoff unter Atmosphärendruck umspült wird. Diese Wasserstoffelektrode wurde also zur Referenzzelle, ihr Elektrodenpotenzial E wurde auf 0 gesetzt und die anderen Elektrodenpotenziale wurden im Bezug zu der Normwasserstoffelektrode gemessen. Die EMK einer Standardelektrode gegenüber der Normwasserstoffelektrode wird Normalpotenzial E genannt. Findet bei einer Halbzelle eine Reduktion eines Metalls statt (im Vergleich zur Normwasserstoffhalbzelle), so hat diese Halbzelle ein positives Normalpotenzial (z.b. Kupfer: Cu 2+ + 2e - Cu, E = + 0,337V). Findet hier eine Oxidation statt, so ist das Normalpotenzial negativ (z.b. Zink: Zn 2+ + 2e - Zn, E = -0,7628V). Die Reihe der Normalpotenziale heißt: Elektrochemische Spannungsreihe. Aus diesen Normalpotenzialen kann man nun die Elektromotorische Kraft eines galvanischen Elements berechnen. Am Beispiel des Daniell-Elements: E = E (Kathode)- E (Anode) E = E (Cu 2+/ Cu)- E (Zn 2+/ Zn) E = 0,337V- (-0,7628V) = + 1,1 V 8 1.5 Galvanische Zellen im praktischen Gebrauch Es kann bei elektrochemischen Stromzellen zwischen Primär- und Sekundärzellen unterschieden werden. Batterien sind Primärzellen, hierbei wird das aktive Material der Elektroden verbraucht. Akkumulatoren sind Sekundärzellen: Diese müssen zuerst aufgeladen werden, damit sie überhaupt zu galvanischen Elementen werden. Nach dem Entladen können sie wieder aufgeladen werden. Batterien und Akkumulatoren sind mobile, ortsunabhängige Stromquellen und somit Lieferanten elektrischer Energie. Batterien müssen hohe Spannungen erzeugen, sonst wären sie kaum nutzbar. Am Minuspol wird ein stark unedles Metall benötigt, am Pluspol dagegen ein starkes Oxidationsmittel. 8 Vgl.: Mortimer, Müller, (2007) S. 359-361 und Lautenschläger, Schröter et al., (2007), S. 331 6

Eine Batterie ist das Leclancé-Element (auch Zink-Mangan- oder Zink- Braunsteinzelle genannt). Aufbau dieser Batterie: Zinkbehälter (Anode), welcher mit feuchter Paste aus Ammoniumchlorid und Zinkchlorid gefüllt ist. Ein Graphitstab dient als Kathode, welcher mit Mangan(IV)oxid umhüllt ist. Reaktion: Anode: Zn Zn 2+ + 2e - Kathode: 2e - + MnO 2 + 2H + MnO(OH) Entsteht bei einer Sekundärreaktion in der Elektrolytlösung. Das Potenzial dieser Batterie liegt zwischen 1,25 und 1,5 V. Diese Batterie wird zum Beispiel für Taschenlampen verwendet. 9 9 Vgl.: Lautenschläger, Schröter et al., (2007), S. 368-369 7

2. Didaktische Reflexion 2.1 Legitimation des Themas auf der Grundlage des Bildungsplans 10 Laut den Leitgedanken des Bildungsplans von 2004 zum Fächerverbund NWA sollen die SchülerInnen im Verlauf der Schulzeit eine naturwissenschaftliche Grundbildung erwerben, die die Basis für die lebenslange Auseinandersetzung mit Naturwissenschaft ist [ ]. Die Behandlung des Galvanischen Elements kann hierzu einen Beitrag leisten, denn dieses begegnet den SchülerInnen, wenn auch in komplexerem Gefüge, in vielen alltäglichen Anwendungen. Damit kommt die Realschule auch ihrer Aufgabe nach, ein differenziertes Verständnis von Begriffen, Prinzipien und Prozessen der Naturwissenschaft aufzubauen. Das Wissen um den Aufbau und die Funktionsweise des Galvanischen Elements ermöglicht es den SchülerInnen an der Kommunikation über technische und gesellschaftliche Innovationen teilzunehmen und Argumente auf ihren sachlichen [ ] Anteil zu prüfen. Das Thema Galvanisches Element lässt sich im projektorientierten Arbeiten der Klasse 10 realisieren. 2.2 Kompetenzerwerb Kompetenz Übergeordnete Kompetenz Fachkompetenz Personalkompetenz Methodenkompetenz Sozialkompetenz Kompetenzzuwachs Die SchülerInnen erkennen, dass sich chemische Energie in elektrische Energie umwandelt wird. Die SchülerInnen erarbeiten sich die Funktionsweise des Galvanischen Elements. Durch das projektorientierte Arbeiten verbessern die SchülerInnen ihr selbstständiges und eigenverantwortliches Lernen. Die SchülerInnen können durch die modellhafte Darstellung des Galvanischen Elements die ablaufenden Prozesse nachvollziehen. Die SchülerInnen verbessern ihre Kooperations- und Kommunikationsfähigkeit, indem sie im Team arbeiten. 2.3 Gegenwartsbedeutung Das Galvanische Element findet seine Anwendung in handelsüblichen Batterien und Akkus. Dabei ist die meist erhältliche Batterie die sogenannte Alkali-Mangan- Batterie, die aufgrund ihrer hohen Kapazität, Belastbarkeit und guten Lagerfähigkeit 10 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg 2003, S.96f 8

für die meisten Anwendung gebraucht wird. Akkumulatoren finden sich vor allem in Autobatterien. Das Wissen um die Vorgänge im Galvanischen Element ist für die SchülerInnen eine grundlegende Hilfestellung um die Reaktionen in einer Batterie zu verstehen. Außerdem bietet das Galvanische Element eine technische Anwendung der Redoxreaktion, die die SchülerInnen bereits in der Klassenstufe 8 behandeln. 2.4 Zukunftsbedeutung An der Brennstoffzelle, beispielhaft die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser an katalytisch wirkenden Elektroden, die in der Automobilindustrie nach wie vor eine wichtige Rolle spielt, erkennen die SchülerInnen eine praktische Anwendung des Galvanischen Elements. Diese Brennstoffzellen stellen die zukünftige Entwicklung dar, deshalb es wichtig, dass die SchülerInnen die Grundlagen lernen, um sie sich in der technischen Welt zurecht zu finden. 2.5 Exemplarische Bedeutung Ein einfaches Beispiel für das Galvanische Element ist das Daniell-Element. Daher wird im Kurzfilm der Vorgang der Redoxreaktion auch an diesem Beispiel exemplarisch dargestellt. Außerdem ist historisch gesehen das Daniell-Element auch von großer Bedeutung und bildet die Grundlage für das vertiefende Verständnis der Funktionsweise von Galvanischen Elementen. 2.6 Didaktische Reduktion Für die Erstellung des Kurzfilms ist es notwendig gewesen an verschiedenen Stellen didaktisch zu reduzieren. Beispielsweise ist die elektrochemische Doppelschicht, die sich an der Phasengrenzen zwischen Elektrolytlösung und Elektrode bildet, für die SchülerInnen im Kurzfilm nicht eindrücklich darzustellen. Außerdem ist die Funktionsweise der Galvanischen Zelle auch ohne diese Darstellung zu verstehen. Während des Stromflusses nimmt die Masse der Zinkelektrode ab, da die Zinkatome Elektronen abgeben und als Zn 2+ - Ionen in Lösung gehen. Gegenteiliges läuft an der Kupferelektrode ab, wobei die Masse der Kupferelektrode zunimmt. Diese Massenveränderung ist im Film nicht dargestellt. 2.7 Modelle Ein Modell ist ein ideeller oder materieller Repräsentant eines Systems bezüglich bestimmter Eigenschaften, mithilfe dessen (in Folge der festgestellten Ähnlichkeitsbeziehungen zwischen Modell und Original) neue Informationen über das Original erhalten werden können, die Wahrscheinlichkeitscharakter tragen. 11 11 Nach Pfeifer, Lutz et al. (2002), S.49 9

Die Vorgänge im Galvanischen Element sind nicht offensichtlich (mit den Augen) erkennbar, sodass es notwendig ist, sich zur Veranschaulichung, Modelle heranzuziehen. Der Kurzfilm stellt ein ikonisches Denkmodell dar, wobei unserer Meinung nach die Wanderung der Elektronen im Galvanischen Element in einem statischen Bild wenig anschaulich dargestellt werden kann. Deshalb haben wir uns für ein dynamisches Modell entschieden, wodurch die Wanderung der Elektronen verdeutlicht werden kann. Somit können die SchülerInnen die Vorgänge leichter nachvollziehen. Eine optimale modellhafte Umsetzung der Vorgänge im Galvanischen Element würde eine computergestützte Simulation sich für die SchülerInnen als eindrücklicher erweisen. Hierbei wäre es möglich durch Mausklicks einzelne Vorgänge, die sie genauer untersuchen möchten, spezieller unter die Lupe zu nehmen. 10

2.8 Storyboard Sequenz 1: - Zink- und Kupferhalbzellen mit Zink- und Kupfersulfatlösung (ohne Elektroden) Sequenz 2 : - Regieanweisung: Elektroden tauchen in die Elektrolytlösungen ein Sequenz 3 : - Kathode und Anode werden gekennzeichnet 11

Sequenz 4 : - Zinkatome in der Zinkelektrode geben Elektronen ab - Zn 2+ - Ionen gehen in Lösung Sequenz 5 : - Regieanweisung: Sulfationen wandern über Diaphragma Sequenz 6 : - Elektronen wandern von Anode zu Kathode 12

Sequenz 7 : - Cu 2+ - Ionen nehmen die Elektronen auf Sequenz 8 : - Die schrittweise Darstellung der Reaktionsgleichung der Redoxreaktion 2.9 Empfehlenswerte Internetseiten http://www.chemie-interaktiv.net/html_flash/ff_galvanische_zelle.swf http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/13/vlu/echemie/galvanische_ele mente/batterie.vlu/page/vsc/de/ch/13/pc/echemie/galvanische_elemente/daniellapple t.vscml.html http://www.ltam.lu/chimie/daniellelementcd.html 13

3. Quellen 3.1 Verwendete Bücher Bildungsplan (2004) Baden-Württemberg für Realschulen DICKERSON, Gries (1999): Chemie- eine lebendige und anschauliche Winführung. Weinheim: Wiley VCH Verlag. LAUTENSCHLÄGER, Schröter et al. (2007): Taschenbuch der Chemie. 20. überarbeitete Aufl. Frankfurt am Main: Verlag Harri Deutsch. MORTIMER, Müller et al. (2007): Chemie; Das Basiswissen der Chemie. 9. überarbeitete Aufl. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. PFEIFER, Lutz et al. (2002): Konkrete Fachdidaktik Chemie. 3.Aufl. München und andere: Oldenbourg Verlag. 3.2 Abbildungsnachweis Alle Abbildungen wurden selbst erstellt. 14