Curr Oberstufe Chemie Q1

Kontext: Säuren und Basen in Alltagsprodukten

Inhaltsfeld: Säuren, Basen und analytische Verfahren

Inhaltliche Schwerpunkte:

Eigenschaften und Struktur von Säuren und Basen

Konzentrationsbestimmungen von Säuren und Basen durch Titration

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

UF3 Systematisierung

UF4 Vernetzung

E3 Hypothesen

E4 Untersuchungen und Experimente

K3 Präsentation

B3 Werte und Normen

Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen

Der Säuregehalt in Lebensmitteln muss kontrolliert werden

pH- Wert-Bestimmung

Leitfähigkeit

Säure-Base Definitionen

recherchieren zu Alltagsprodukten, in denen Säuren und Basen enthalten sind, und diskutieren unterschiedliche Aussagen zu deren Verwendung adressatengerecht (K2, K4).

erklären das Phänomen der elektrischen Leitfähigkeit in wässrigen Lösungen mit dem Vorliegen frei beweglicher Ionen (E6)

identifizieren Säuren und Basen in Produkten des Alltags und beschreiben diese mittels des Säure-Basen Konzepts von Brönsted (UF1, UF3).

zeigen an Protolysereaktionen auf , wie sich der Säure-Base Begriff durch das Konzept von Brönsted verändert hat (E6, E7).

stellen eine Säure-Base Reaktion in einem Funktionsschema dar und erklären daran das Donator-Akzeptor Prinzip (K1, K3).

Erstellung einer Mind-Map, die im Verlauf des Unterrichts weitergeführt wird.

Schülerexperimente:

Verkostung saurer Lebensmittel (außerhalb des Chemieraumes)

Messung der pH-Werte und Leitfähig-keit verschiedener Lebensmittel

Arbeitsblatt oder eingeführtes Lehrbuch zu den verschiedenen Säure-Base Theorien

Mögliche Fragestellungen:

Woran liegt es, dass die Lebensmittel so unterschiedlich sauer sind?

Welche Stoffe sind dafür verantwortlich?

Wie wird der Säuregehalt kontrolliert?

…

Der Säuregehalt kann man messen

Autoprotolyse des Wassers

pH-Wert

Ionenprodukt des Wassers

interpretieren Protolysen als Gleichgewichts-reaktionen und beschreiben das Gleichgewicht

unter Nutzung des K_s-Wertes (UF2,UF3).

Erläutern die Autoprotolyse und das Ionenprodukt des Wassers (UF1).

z.B Lehrervortrag:

Erläutern die Autoprotolyse des Wassers und Herleitung des Ionenprodukt des Wassers

Arbeitsblatt oder eingeführtes Fachbuch:

Übungsaufgaben zum Ionen-produkt

Umrechnung Konzentration in einen Logarithmus, Schreibweise unter Verwendung eines Taschenrechners

Zur Herleitung des Ionenprodukts eignet sich ein Arbeitsblatt-unterstütztes Lernprogramm.

Einführung und Übung des Rechnens mit Logarithmen

Verschiedene Säuren (Basen) beeinflussen den pH-Wert ihrer wässrigen Lösungen unterschiedlich

starke und schwache Säuren

K_s und pK_s-Wert

Ampholyte

interpretieren Protolysen als Gleichgewichts-reaktionen und beschreiben das Gleichgewicht unter Nutzung des K_s-Wertes (UF2,UF3).

berechnen pH-Werte wässriger Lösungen starker Säuren und starker Basen (Hydroxide) (UF2).

Berechnen pH-Werte wässriger Lösungen schwacher einprotoniger Säuren mithilfe des Massenwirkungsgesetzes (UF2)

machen Vorhersagen zu Säure-Base Reaktionen anhand einer Tabelle der K_s– bzw. pK_s-Werte (E3).

erklären fachsprachlich angemessen und mithilfe von Reaktionsgleichungen den Unterschied zwischen einer schwachen und einer starken Säure unter Einbeziehung des Gleichgewichtkonzepts (K3).

Lehrer- oder Schülerexperiment:

pH-Wertbestimmung gleichmolarer Lösungen von Essigsäure und Salzsäure

Schülerexperiment:

pH-Wertbestimmung: Verdünnungs-reihen von Lösungen einer schwachen und einer starken Säure

Erarbeitung:

Ableitung der Säurekonstante K_s aus der Anwendung des MWG auf Pro-tolysegleichgewichte

z.B. Lerntheke zur Einübung der Berechnugen von K_s– und pK_s-Werten sowie pH-Berechnungen für starke und schwache Säuren (Übungsaufgaben ggf. als Klappauf-gaben zur Selbstkontrolle oder im Lerntempoduett zu bearbeiten)

Schriftliche Übung

Mögliche Kontexte:

Rückgriff auf Säuren und Basen in Alltagsprodukten z.B.:

Salzsäure in Fliesenreinigern

Essig- oder Citronensäure in Lebensmitteln

Wieso sind bestimmte Säuren genießbar, andere dagegen nicht?

Warum entfernen verschiedene Säuren bei gleicher Konzentration den Kalk unterschiedlich gut

Bestimmung des Säuregehalts in Lebensmitteln

Neutralisationsreaktion

Titration mit Endpunkt

Berechnung des Säuregehaltes

beurteilen den Einsatz, die Wirksamkeit und das Gefahrenpotenzial von Säuren und Basen in Alltagsprodukten (B1, B2).

planen Experimente zur Bestimmung der Konzentration von Säuren und Basen in Alltagsprodukten bzw. Proben aus der Umwelt angeleitet und selbstständig (E1,E3).

erläutern das Verfahren einer Säure-Base Titration mit Endpunktbestimmung über einen Indikator, führen diese zielgerichtet durch und werten sie aus (E3, E4, E5).

bewerten die Qualität von Produkten und Umweltparametern auf der Grundlage von Analyseergebnissen zu Säure-Base Reaktionen (B1).

bewerten durch eigene Experimente gewonnene Analyseergebnisse zu Säure-Base Reaktionen im Hinblick auf ihre Aussagekraft (u.a. nennen und gewichten von Fehlerquellen (E4, E5).

z.B. Essigessenz, Natron etc: ein Gefahrstoff?

Schülerexperiment:

Titration mit Endpunktbestimmung   z.B.:Essigessenz, Orangensaft, Yoghurt…

Arbeitsblatt oder eingeführtes Lehrbuch, Erarbeitung z.B. im Lerntempoduett:

Übungsaufgaben zur Konzentrationsberechnung

Hinweis auf Unterschiede bezüglich der Etikettierung von Chemikalien und Lebensmitteln.

Wiederholung:

Stoffmengenkonzentration,

Neutralisation als Reaktion zwischen Oxoniumion und Hydroxidion, Indikatoren

Bestimmung der Stoffmengenkonzentration, der Massenkonzentration und des Massenanteils

Säuregehaltsmessung von Aceto Balsamico

Leitfähigkeitstitration

Fehlerdiskussion

Vertiefung und Anwendung:
Graphen von Leitfähig-keitstitration unterschied-
lich starker und schwachen Säuren und Basen

beschreiben das Verfahren einer Leitfähig-keitstitration (als Messgröße genügt die Stromstärke) zur Konzentrationsbestimmung von Säuren bzw. Basen in Proben aus Alltagsprodukten oder der Umwelt und werten   vorhandene Messdaten aus (E2, E4, E5).

dokumentieren die Ereignisse einer Leitfähigkeitstitration mithilfe graphischer Darstellungen (K1).

erklären das Phänomen der elektrischen Leitfähigkeit in wässrigen Lösungen mit dem Vorliegen frei beweglicher Ionen (E6).

Schülerexperiment:

Leitfähigkeitstitration von Aceto Balsamico mit Natronlauge.

(vereinfachte konduktometrische Titration: Messung der Stromstärke gegen das Volumen)

Gruppenarbeit (ggf. arbeitsteilig):

Graphische Darstellung der Messergebnisse

Interpretation der Ergebnisse der Leitfähigkeitstitration unter Berücksichtigung der relativen Leitfähigkeit der Ionen

Bearbeitung von Materialien zur Diagnose von Schülervorstellungen sowie weitere Lernaufgaben

Die Leitfähigkeitstitration als Verfahren zur Konzentrations-bestimmung von Säuren in farbigen Lösungen wird vorgestellt.

Messgrößen zur Angabe der Leitfähigkeit

Fakultativ Vertiefung oder Möglichkeit der Differenzierung:

Betrachtung der Leitfähigkeitstitration von mehrprotonigen Säuren

Fällungstitration zur Bestimmung der Chloridionen-Konzentration z.B. in Aquariumswasser

Einsatz von Materialien zur Diagnose von Schülervorstellungen

Welche Säuren oder Basen sind in verschiedenen Produkten aus Haushalt und Umwelt enthalten?

Einteilung von Säuren und Basen in Alltagspro-dukten aufgrund ihres K_s– bzw. pK_s-Wertes und Zuordnung zu ihrer Verwendung

Beurteilung der Qualität, der Wirksamkeit und Umweltverträglichkeit verschiedener Reinigungsmittel

recherchieren zu Alltagsprodukten, in denen Säuren und Basen enthalten sind, und diskutieren unterschiedliche Aussagen zu deren Verwendung adressatengerecht (K2, K4).

Klassifizieren Säuren mithilfe von K_s– und pK_s Werten (UF3).

Beurteilen den Einsatz, die Wirksamkeit und das Gefahrenpotenzial von Säuren und Basen in Alltagsprodukten (B1, B2).

Bewerten die Qualität von Produkten und Umweltparametern auf der Grundlage von Analyseergebnissen zu Säure-Base Reaktionen (B1).

Recherche:

Vorkommen und Verwendung von starken und schwachen Säuren bzw. Basen in Alltagsprodukten

Fakultativ:

Schülerexperimente mit Reinigungsmitteln im Stationenbetrieb

Aufgabe: Beurteilung und Wirkung verschiedener Säuren und Basen in Haushaltschemikalien oder der Umwelt und ggf. deren Darstellung in der Werbung

Präsentation der Arbeitsergebnisse z.B. in Form populärwissenschaft-licher Artikel einer Jugendzeitschrift

Erstellung einer Concept-Map zur zusammenfassung des Unterrichtsvor-habens (ggf. binnendifferenziert).

• Mögliche Untersuchungen:
• Vorkommen von Fruchtsäuren wie Citronensäure, Vitamin C, Weinsäure…
• Säuren als konservierende Lebensmittelzusätze

Putz- und Reinigungsmittel:

Verwendung von Säuren in verschiedenen Entkalkern, bzw. Basen in alkalischen Reinigungsmitteln (Rohrreiniger,Glasreiniger)

Diagnose von Schülerkonzepten:

–        Materialien zur Diagnose von Schülervorstellungen, Lernaufgaben

–        Protokolle, Übungsaufgaben mit differenzierten Materialien, Concept-Map

Leistungsbewertung:

–        Darstellen eines chemischen Sachverhalts, Aufstellen von Reaktionsschritten, Beschreibung und Erläuterung von Reaktionsschritten

–        schriftliche Übung, Klausuren/Facharbeit und Verfassen populärwissenschaftlicher Artikel

–        Protokolle, Kolloquien

Kontext: Strom für Taschenlampe und Mobiltelefon

Inhaltsfeld: Elektrochemie

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Mobile Energiequellen

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

• UF3 Systematisierung
• UF4 Vernetzung
• E2 Wahrnehmung und Messung
  • E4 Untersuchungen und Experimente
  • E6 Modelle
  • K2 Recherche

Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen

Batterien und Akkumu-latoren für Elektrogeräte:

elektrische Energiequellen

Aufbau einer Batterie

Dokumentieren Versuche zum Aufbau von galvanischen Zellen und Elektrolysezellen übersichtlich und nachvollziehbar (K1)

Demonstrationen:

• Auswahl von Batterien und Akkumulatoren als Anschauungsobjekte
• Analyse der Bestandteile und Hypothesen zu deren möglichen Funktion

Skizze des Aufbaus

Einfache Handskizze mit Beschriftung der Bestandteile

Eingangsdiagnose: z.B. Klapptext

Planung der Unterrichtsreihe mit einer vorläufigen Mind-Map, die im Verlauf des Unterrichts ergänzt wird.

Wiederholung bekannter Inhalte aus der SI

Wie kommt der Elektronen-fluss (Stromfluss) in einer Batterie zustande?

• Redoxreihe der Metalle
• Prinzip galvanischer Zellen

Stellen Oxidation und Reduktion als Teilreaktionen und die Redoxreaktion als Gesamtreaktion übersichtlich dar und beschreiben und erläutern die Reaktionen fachsprachlich korrekt (K3).

erweitern die Vorstellung von Redoxreaktionen, indem sie Oxidationen/Reduktionen auf der Teilchenebene als Elektronen-Donator-Akzeptor-Reaktionen interpretieren (E6, E7).

Entwickeln Hypothesen zum Auftreten von Redoxreaktionen zwischen Metallatomen und Metallionen (E3).

Erklären den Aufbau und die Funktionsweise einer galvanischen Zelle (u.a. Daniell-Element) (UF1, UF3).

Schülerexperimente   (z.B. Lernstraße)

Reaktionen von verschiedenen Metallen und Salzlösungen

Redoxreaktionen als Elektronenübertra-gungsreaktionen

Ableitung der Redoxreihe

Lernaufgabe:

z. B. Recycling von Silbersalzen: Welches Metall eignet sich als Reduktionsmittel?

Demonstrations- oder Schülerexperiment:

• Aufbau einer galvanischen Zelle
  Daniell-Element
• Demonstration der Spannung und des Stromflusses

Lernaufgabe zu Aufbau und Funktion weiterer galvanischer Zellen, z.B. einer Zink-Silberzelle

Aufgreifen und des erweiterten Redoxbegriffs aus der Einführungsphase

Binnendifferenzierung

durch Zusatzexperimente in der Lernstraße und abgestufte Lernhilfen für die Auswertung der Experimente.

Ggf. Animationen zu galv. Elementen

Wieso haben verschiedene Batterien unterschiedliche Spannungen?

• Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle
• Standardwasserstoff-elektrode

Planen Experimente zum Aufbau galvanischer Zellen, ziehe Schlussforderungen aus den Messergebnissen und leiten daraus eine Spannungsreihe ab (E1, E2, E4, E5).

Berechnen Potenzialdifferenzen unter Nutzung der Standardelektodenpotenziale und schließen auf die möglichen Redoxreaktionen (UF2,UF3)

beschreiben den Aufbau einer Standard-Wasserstoff Halbzelle (UF1)

Hinführendes Experiment: Elektronendruck von Metallen

Messung der Spannung zwischen verschiedenen Metallelektoden, die gemeinsam im Wasserbehälter stehen

Bildung von Hypothesen und Planung von Experimenten zur Spannungsreihe

Schülerexperiment (Gruppenarbeit):

Spannungsreihe der Metalle

Demonstrationsexperiment mit arbeits-blattgestütztem Lehrevortrag:

Aufbau einer Standardwasserstoff-elektrode und Bedeutung als Bezugshalbzelle

Übungsaufgaben:

Voraussagen über den Ablauf chemischer Reaktionen mithilfe der Standardpotenziale

Ggf. Thematisierung der elektro-chemischen Doppelschicht.

Knopfzellen für Hörgeräte:

• die Zink-Luft Zelle

erklären Aufbau und Funktion elektrochemischer Spannungsquellen aus Alltag und Technik (Batterie, Akkumulator, Brennstoffzelle) unter Zuhilfenahme grundlegender Aspekte galvanischer Zellen (u.a. Zuordnung der Pole, elektrochemische Redoxreaktion, Trennung der Halbzellen) (UF4)

Demonstration:

Knopfzelle für Hörgeräte

Schülerexperiment:

Modellexperiment einer Zink-Luft Zelle

Vergrößerung der Oberfläche der Graphitelektrode durch Aktivkohle

Informationen und Hinweise zum Modellexperiment siehe [4]

Lässt sich eine Zink-Luft Zelle wieder aufladen?

• Die Elektrolyse

Diskutieren die gesellschaftswissenschaft-liche Relevanz und Bedeutung der Gewinn-ung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie in der Chemie (B4)

beschreiben und erklären Vorgänge bei einer Elektrolyse (u.a. von Elektrolyten in wässrigen Lösungen) (UF1,UF3).

Deuten die Reaktionen einer Elektrolyse als Umkehr der Reaktionen eines galvanischen Elements (UF4).

Erläutern die Energieumwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie und deren Umkehrung (E6).

Informationstext:

Bedeutung von Akkumulatoren für das Stromnetz zum Ausgleich von Spannungsschwankungen, die bei der Nutzung regenerativer Stromquellen (Wind, Sonne) auftreten

Schülerexperiment:

Laden (und Entladen) eines Zink-Luft Akkumulators

Vergleich:

galvanische Zelle / Elektrolysezelle

Informationen und Hinweise zum Modellexperiment siehe [4]

Batterien und Akkumulatoren im Alltag

erklären Aufbau und Funktion elektrochemischer Spannungsquellen aus Alltag und Technik (Batterie, Akkumulator, Brennstoffzelle) unter Zuhilfenahme grundlegender Aspekte galvanischer Zellen (u.a. Zuordnung der Pole, elektrochemische Redoxreaktion, Trennung der Halbzellen) (UF4) .

recherchieren Informationen zum Aufbau mobiler Energiequellen und präsentieren mithilfe adressatengerechter Skizzen die Funktion wesentlicher Teile sowie Lade- und Entladevorgänge (K2, K3).

Argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig über Vorzüge und Nachteile unterschiedlicher mobiler Energiequellen und wählen dazu gezielt Informationen aus (K4).

Arbeitsteilige Gruppenarbeit mit Kurzpräsentation:

Recherche, selbstständige Erarbeitung der Bedeutung des Aufbaus und der Redoxreaktionen von mobilen Spannungsquellen, z.B:

• Bleiakkumulator
• Alkaline Batterie
• Nickel-Metallhydrid Akkumulator
• Zink-Silberoxid Knopfzellen
• Lithium-Ionen Akkumulator

Erstellung einer Concept-Map mit Begriffen dieses Unterrichrsvorhabens.

Die Präsentation kann z.B.

als „Wiki“ für Jugendliche, Portfolio oder als Poster (mit Museumsgang) erfolgen.

Binnendifferenzierung

durch die Auswahl der Themen

Diagnose von Schülerkonzepten:

• Eingangsdiagnose zu beginn der Unterrichtsreihe
• Mind-Map zur elektrischen Spannungsquellen
• Versuchsprotokolle
• Concept-Map zu Begriffen der Elektrochemie

Leistungsbewertung:

• Präsentationen zu mobilen Energiequellen
• Lernaufgaben
• Klausuren/ Facharbeit …

Hinweise auf eine Auswahl weiterführender Materialien und Informationen

1. http://chik.die-sinis.de/phocadownload/Material/stationenlernen%20akkus%20und%20batterien.pdf
   Stationrnlernen mit Experimenten der Arbeitsgruppe Chemie im Kontext (Kölner Modell)
2. http://www.chemie-interaktiv.net Tausch/Schmitz, Rheinisch-Bergische Universität wuppertal: Animation zu elektrochemischen Prozessen
3. http://www.grs-batterien.de/verbraucher/ueber-batterien.html Broschüre: Die Welt der Batterien
4. Maximilian Klaus, Martin Hasselmann, Isabel Rubner, Bernd Mößner und Marco Oetken, in: Chemikon 2014, 21, Nr. 2, S.65-71-

Metall-Luft-Batterien mit einer neuartigen Kohleelektrode- Moderne elektrochemische Speichersysteme im Schulexperiment

Kontext: Von der Wasserelektrolyse zur Brennstoffzelle

Inhaltsfeld: Elektrochemie

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Elektrochemische Gewinnung von Stoffen
• Mobile Energiequellen

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

• UF2 Auswahl
• E6 Modelle
• E7 Vernetzung
  • K1 Dokumentation
  • K4 Argumentation
  • B1 Kriterien
  • B3 Werte und Normen

Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Verbindliche Absprachen

Didaktisch-methodische Anmerkungen

Woher bekommt das Brennstoffzellen-Auto den Wasserstoff, seinen Brennstoff?

Elektrolyse

Zersetzungsspannung

Überspannung

beschreiben und erklären Vorgänge bei einer Elektrolyse (u.a. von Elektrolyten in wässrigen Lösungen) (UF1, UF3).

deuten die Reaktionen einer Elektrolyse als Umkehr der Reaktionen einer galvanischen Zelle (UF4).

erläutern die bei der Elektrolyse notwendige Zersetzungsspannung unter Berücksichtigung des Phänomens der Überspannung (UF2).

erweitern die Vorstellung von Redoxreaktionen, indem sie Oxidationen/Reduktionen auf der Teilchenebene als Elektronen-Donator-Akzeptor-Reaktionen interpretieren (E6, E7).

Bild eines mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenautos oder Einsatz einer Filmsequenz zum Betrieb eines mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenautos

Demonstrationsexperiment zur Elektrolyse von angesäuertem Wasser

Beschreibung und Deutung der Versuchsbeobachtungen

– Redoxreaktion

– endotherme Reaktion

– Einsatz von elektrischer Energie: W = U*I*t

Schüler- oder Lehrerexperiment zur Zersetzungsspannung

Die Zersetzungsspannung ergibt sich aus der Differenz der Abscheidungspotentiale. Das Abscheidungspotential an einer Elektrode ergibt sich aus der Summe des Redoxpotentials und dem Überpotential.

Aufriss der Unterrichtsreihe:

Sammlung von Möglichkeiten zum Betrieb eines Automobils: Verbrennungsmotoren (Benzin, Diesel, Erdgas), Alternativen: Akkumulator, Brennstoffzelle

Beschreibung und Auswertung des Experimentes mit der intensiven Anwendung der Fachbegriffe: Pluspol, Minuspol,

Anode, Kathode, Oxidation, Reduktion

Fokussierung auf den energetischen Aspekt der Elektrolyse

Ermittlung der Zersetzungsspannung durch Ablesen der Spannung, bei der die Elektrolyse deutlich abläuft (Keine Stromstärke-Spannungs-Kurve)

Wie viel elektrische Energie benötigt man zur Gewinnung einer Wasserstoffportion?

Quantitative Elektrolyse

Faraday-Gesetze

erläutern und berechnen mit den Faraday-Gesetzen Stoff- und Energieumsätze bei elektrochemischen Prozessen (UF2).

dokumentieren Versuche zum Aufbau von galvanischen Zellen und Elektro-lysezellen übersichtlich und nachvollziehbar (K1).

erläutern und beurteilen die elektrolytische Gewinnung eines Stoffes aus ökonomischer und ökologischer Perspektive (B1, B3).

Schülerexperimente oder Lehrerdemon­strationsexperimente zur

Untersuchung der Elektrolyse in Abhängigkeit von der Stromstärke und der Zeit.

Formulierung der Gesetzmäßigkeit: n ~ I*t

Lehrervortrag

Formulierung der Faraday-Gesetze / des Faraday-Gesetzes

Beispiele zur Verdeutlichung der Berücksichtigung der Ionenladung

Einführung der Faraday-Konstante, Formulierung des 2. Faraday`schen Gesetzes

Aufgabenstellung zur Gewinnung von Wasserstoff und Umgang mit Größengleichungen zur Berechnung der elektrischen Energie, die zur Gewinnung von z.B. 1 m³ Wasserstoff notwendig ist.

Zunächst eine Grundaufgabe; Vertiefung und Differenzierung mithilfe weiterer Aufgaben

Diskussion: Wasserstoffgewinnung unter ökologischen und ökonomischen Aspekten

Schwerpunkte: Planung (bei leistungsstärkeren Gruppen Hypothesenbildung), tabellarische und grafische Auswertung mit einem Tabellenkalkulationsprogramm

Vorgabe des molaren Volumens V_m = 24 L/mol bei Zimmertemperatur und 1013 hPa

Differenzierende Formulier-ungen: Zur Oxidation bzw. Reduktion von 1 mol z-fach negativ bzw. positiv geladener Ionen ist eine Ladungsmenge Q = z * 96485 A*s notwendig. Für Lernende, die sich mit Größen leichter tun: Q = n*z*F; F = 96485 A*s*mol^-1

Zunächst Einzelarbeit, dann Partner- oder Gruppenarbeit;

Hilfekarten mit Angaben auf unterschiedlichem Niveau, Lehrkraft wirkt als Lernhelfer.

Anwendung des Faraday`schen Gesetzes und Umgang mit W =U*I*t

Kritische Auseinandersetzung mit der Gewinnung der elektrischen Energie (Kohlekraftwerk, durch eine Wind­kraft- oder Solarzellenanlage)

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle?

Aufbau einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Vergleich einer Brennstoffzelle mit einer Batterie und einem Akkumulator

erläutern die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie und deren Umkehrung (E6).

stellen Oxidation und Reduktion als Teilreaktionen und die Redoxreaktion als Gesamtreaktion übersichtlich dar und beschreiben und erläutern die Reaktionen fachsprachlich korrekt (K3).

Beschreibung und Erläuterung einer schematischen Darstellung einer Polymermembran-Brennstoffzelle

Spannung eines Brennstoffzellen-Stapels (Stacks)

Herausarbeitung der Redoxreaktionen

Einsatz der schuleigenen PEM-Zelle und schematische Darstellung des Aufbaus der Zelle; sichere Anwendung der Fachbegriffe: Pluspol, Minuspol,

Anode, Kathode, Oxidation, Reduktion

Vergleich der theoretischen Spannung mit der in der Praxis erreichten Spannung

Antrieb eines Kraftfahrzeugs heute und in der Zukunft

Vergleich einer Brennstoffzelle mit einer Batterie und einem Akkumulator

Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, Ethanol/Methanol, Wasserstoff

argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig über Vorzüge und Nachteile unterschiedlicher mobiler Energiequellen   und wählen dazu gezielt Informationen aus (K4).

vergleichen und bewerten innovative und herkömmliche elektrochemische Energiequellen (u.a. Wasserstoff-Brennstoffzelle) (B1).

Expertendiskussion zur vergleichenden Betrachtung von verschiedenen Brennstoffen (Benzin, Diesel, Erdgas) und Energiespeichersystemen (Akkumulatoren, Brennstoffzellen) eines Kraftfahrzeuges

mögliche Aspekte: Gewinnung der Brennstoffe, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Reichweite mit einer Tankfüllung bzw. Ladung, Anschaffungskosten, Betriebskosten, Umweltbelastung

Die Expertendiskussion wird durch Rechercheaufgaben in Form von Hausaufgaben vorbereitet.

Fakultativ:

Es kann auch darauf eingegangen werden, dass der Wasserstoff z.B. aus Erdgas gewonnen werden kann.

Diagnose von Schülerkonzepten:

• Selbstüberprüfung zum Umgang mit Begriffen und Größen zur Energie und Elektrizitätslehre und zu den Grundlagen der vorangegangenen Unterrichtsreihe (galvanische Zelle, Spannungsreihe, Redoxreaktionen)

Leistungsbewertung:

• Schriftliche Übung zu den Faraday-Gesetzen / zum Faraday-Gesetz, Auswertung von Experimenten, Diskussionsbeiträge
• Klausuren/ Facharbeit …

Beispielhafte Hinweise zu weiterführenden Informationen:

Interessant ist die Abbildung von einem Brennstoffzellen-Bus mit Beschriftung, die z.B. auf „Null-Emissionen“ hinweist, z.B. http://www.brennstoffzellenbus.de/bus/.

Im Internet sind auch animierte Darstellungen zu den chemischen Reaktionen, in vereinfachter Form, in einer Brennstoffzelle zu finden, z.B.

http://www.brennstoffzellenbus.de/bzelle/index.html.

Die Chance der Energiespeicherung durch die Wasserstoffgewinnung mithilfe der Nutzung überschüssigen elektrischen Stroms aus Solar- und Windkraftanlagen wird dargestellt in http://www.siemens.com/innovation/apps/pof_microsite/_pof-spring-2012/_html_de/elektrolyse.html.

Ein Vergleich der alkalischen Elektrolyse und der der Elektrolyse mir einer PEM-Zelle wird ausführlich beschrieben in http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Workshopbaende/ws2007/ws2007_07.pdf.

Sehr ergiebige Quelle zu vielen Informationen über die Wasserstoffenergiewirtschaft, Brennstoffzellen und ihre Eigenschaften http://www.diebrennstoffzelle.de.

Kontext: Korrosion vernichtet Werte- Wie entsteht elektrochemische Korrosion

Inhaltsfeld: Elektrochemie

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Korrosion

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

• UF1 Wiedergabe
• UF3 Systematisierung
  • E6 Modelle
  • B2 Entscheidungen

Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen

Korrosion vernichtet Werte

diskutieren Folgen von Korrosionsvorgängen unter ökologischen und ökonomischen Aspekten (B2)

Abbildungen zu Korrosionsschäden [1] der Materialproben mit Korrosionsmerk-malen

Sammlung von Kenntnissen und Vorerfahrungen zur Korrosionsschäden

Kosten durch Korrosionsschäden

Mind-Map zu einer erste Strukturierung der Unterrrichtsreihe, diese begleitet die Unterrichtsreihe und wird in den Stunden nach Bedarf ergänzt.

Wie kommt zur Korrosion?

• Lokalelement
• Rosten von Eisen
  (Sauerstoff- und Säurekorrosion)

erläutern elektrochemische Korrosionsvorgänge (UF1, UF3)

erweitern die Vorstellung von Redoxreaktionen, indem sie Oxidationen/Reduktionen auf der Teilchenebene als Elektronen-Donator-Akzeptor-Reaktionen interpretieren (E6, E7).

stellen Oxidation und Reduktion als Teilreaktionen und die Redoxreaktion als Gesamtreaktion übersichtlich dar und beschreiben und erläutern die Reaktionen fachsprachlich korrekt (K3).

Schülerexperimente :

• Säurekorrosion von Zink mit und ohne Berührung durch Kupfer
• Nachweis von Eisen II-Ionen und Hydroxidionen bei der Sauerstoff-korrosion von Eisennägeln

Visualisierung der Korrosions-vorgänge z. B. Anhand von Trick-filmen [3]

Wirtschaftliche und ökologische Folgen der Korrosion

Diskutieren Folgen von Korrosionsvorgängen unter ökologischen und ökonomischen Aspekten (B2).

Schülervortrag:

Aktuelles Beispiel von Korrosions-schäden mit einem lokalen Bezug

Diskussion:

Ursachen und Folgen von Korrosionsvorgängen

Ggf. Multiple-Choice Test

Fakultativ:

Vernetzung mit Elektrolyse durch Thematisierung der elektrolytischen Herstellung von Schutzüberzügen

Diagnose von Schülerkonzepten:

• Mind-Map zur Korrosion

Leistungsbewertung:

• Auswertung der Experimente
• Schülervortrag
• Multiple-Choice Test

Hinweise auf eine Auswahl weiterführender Materialien und Informationen

1. 
   Umfangreiches Informations- und Lernangebot rund um das Thema Korrosion und Korrosionsschutz.
2. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/korrosion/korrosion.htm
   Beschreibung von Erscheinungsformen der Korrosion, Experimente und Maßnahmen zum Korrosionsschutz.
3. Film: Korrosion und Korrosionsschutz (FWU: 420 2018): Tricksequenzen zu den Vorgängen beider Korrosion und Rostschutzverfahren.