Elektrochemie - FWU
Elektrochemie - FWU
Elektrochemie - FWU
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Didaktische <strong>FWU</strong>-DVD<br />
<strong>Elektrochemie</strong>
Zur Bedienung<br />
Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung<br />
(DVD-Player) oder der Maus (Computer)<br />
können Sie Menüpunkte und Buttons<br />
ansteuern und mit der OK-Taste bzw.<br />
Mausklick starten.<br />
• „Hauptmenü“ führt zurück zum<br />
Hauptmenü.<br />
• „zurück“ führt zum jeweils übergeordneten<br />
Menü.<br />
• Über „Info ein / „Info aus“ können<br />
Zusatzinformationen ein-/ausgeblendet<br />
werden.<br />
• Mit den Buttons „>“ und „
Zum Inhalt<br />
„<strong>Elektrochemie</strong>“ (Film 22 min)<br />
Täglich verwenden wir eine Vielzahl an<br />
Geräten, die elektrischen Strom benötigen.<br />
Während einige Geräte über ein<br />
Kabel mit dem Stromnetz verbunden<br />
werden, benötigen andere mobile<br />
Energiequellen in Form von Batterien<br />
und Akkumulatoren. Ausgehend von<br />
einer handelsüblichen 1,5-Volt-Batterie<br />
beschreibt der Film, wie chemische<br />
Energie in elektrische Energie umgewandelt<br />
wird. Dazu werden anhand des<br />
Daniell-Elements der Aufbau sowie die<br />
Funktionsweise einer galvanischen<br />
Zelle erklärt. Daran anschließend wird<br />
gezeigt, welche Vorgänge zum Aufbau<br />
des elektrochemischen Potenzials führen<br />
und warum ein Ladungsausleich zwischen<br />
den zwei Halbzellen notwendig<br />
ist. Zudem klärt der Film, wie man mithilfe<br />
der Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
die elektrochemischen Potenziale einzelner<br />
Halbzellen ermitteln kann und so<br />
die elektrochemische Spannungsreihe<br />
erhält.<br />
3
Menü „<strong>Elektrochemie</strong>“<br />
(Sequenzen)<br />
<strong>Elektrochemie</strong> ist überall<br />
(Filmsequenz 1:00 min)<br />
Der animierte Hauptdarsteller Paul verschläft<br />
aufgrund der leeren Batterie in<br />
seinem Wecker. Aber nicht nur Pauls<br />
Wecker, sondern auch viele andere Geräte<br />
benötigen Batterien oder Akkumulatoren.<br />
Wie ist eine Batterie aufgebaut?<br />
(Filmsequenz 0:50 min)<br />
Diese Sequenz zeigt den Aufbau einer<br />
1,5-Volt-Batterie. Den Minuspol der Batterie<br />
bildet ein Zinkbecher, den Pluspol<br />
ein Kohlestab, der von Braunstein umgeben<br />
ist. Zwischen Zink und Braunstein<br />
befindet sich eine Pappschicht, die mit<br />
einer Elektrolyt-Lösung getränkt ist.<br />
Das Daniell-Element<br />
(Filmsequenz 3:10 min)<br />
Im Jahr 1835 entwickelte der englische<br />
Chemiker John Daniell das Daniell-Element,<br />
welches aus einer Zink- und einer<br />
Kupfer-Halbzelle aufgebaut ist. Ausgehend<br />
vom Aufbau des Daniell-Elements<br />
zeigt die Sequenz, dass ein Elektronenübergang<br />
von Zink zu Kupfer erfolgt.<br />
Hierbei wird erklärt, dass die Elektrode,<br />
an der die Oxidation stattfindet, immer<br />
als Anode und die Elektrode, an der die<br />
Reduktion stattfindet, als Kathode bezeichnet<br />
wird. Die Elektronen fließen<br />
somit von der Anode zur Kathode.<br />
Anstatt einer Zink- und Kupfer-Halb zelle<br />
können auch andere Metall-Halbzellen<br />
zu einer galvanischen Zelle kombiniert<br />
werden. Dabei erfolgt der Elektronenfluss<br />
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immer vom unedleren Metall zum edleren<br />
Metall. Am Ende der Sequenz wird<br />
gezeigt, dass die gleichen Vorgänge auch<br />
in der Zink-Kohle-Batterie ablaufen.<br />
Elektrochemisches Potenzial<br />
(Filmsequenz 3:00 min)<br />
Diese Sequenz erklärt auf submikroskopischer<br />
Ebene, wie die Zellspannung<br />
in einer galvanischen Zelle zustande<br />
kommt. Dafür werden zunächst die Vorgänge<br />
ohne leitende Verbindung im<br />
Daniell-Element betrachtet. Durch die<br />
Oxidation von Zink-Atomen lädt sich die<br />
Zink-Elektrode negativ auf. Gleichzeitig<br />
kommt es durch die räumliche Trennung<br />
der Ladungen zur Bildung einer elektrochemischen<br />
Doppelschicht und einem<br />
spezifischen elektrochemischen Potenzial.<br />
Auch an der Kupfer-Elektrode lassen<br />
sich diese Vorgänge beobachten. Da im<br />
Vergleich zur Zink-Halbzelle hier weniger<br />
Ionen durch Oxidation gebildet werden,<br />
lädt sich die Kupfer-Elektrode weniger<br />
stark negativ auf. Abschließend wird gezeigt,<br />
dass bei einer leitenden Verbindung<br />
zwischen den beiden Halbzellen<br />
die Elektronen von der stark negativ<br />
geladenen Zink-Elektrode zur weniger<br />
stark negativ geladenen Kupfer-Elektrode<br />
fließen.<br />
Standardpotenzial (Filmsequenz 5:50 min)<br />
Das elektrochemische Potenzial einer<br />
Halbzelle kann nicht direkt gemessen<br />
werden. Daher wird die Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
als Referenz-Elektrode<br />
verwendet. Ihr wurde ein elektrochemisches<br />
Potenzial von 0,0 Volt zugeordnet.<br />
So kann über die Kombination<br />
der Standard-Wasserstoff-Halbzelle mit<br />
verschiedenen Halbzellen leicht<br />
deren elektrochemisches Potenzial<br />
ermittelt werden. In der Sequenz wird<br />
zunächst der Aufbau der Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
gezeigt. Anschließend<br />
werden die beiden Halbzellen des Daniell-<br />
Elements mit der Standard-Wasserstoff-<br />
Halbzelle kombiniert und die elektrochemischen<br />
Potenziale ermittelt. Hierbei<br />
wird deutlich, dass die Standard-Wasserstoff-Elektrode,<br />
je nach Kombination,<br />
sowohl als Anode als auch als Kathode<br />
wirken kann. Dies hat Einfluss auf das<br />
Vorzeichen des elektrochemischen Potenzials<br />
der kombinierten Halbzelle. Abschließend<br />
wird mit den ermittelten elektrochemischen<br />
Potenzialen die Zellspannung<br />
im Daniell-Element berechnet.<br />
Elektrochemische Spannungsreihe<br />
(Filmsequenz 2:30 min)<br />
Mithilfe der Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
können die Standardpotenziale für<br />
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alle Halbzellen gemessen werden. Vergleicht<br />
und ordnet man diese Werte<br />
anschließend, erhält man die elektrochemische<br />
Spannungsreihe. Die Sequenz<br />
verdeutlicht, wie die unterschiedlichen<br />
Vorzeichen der Standard-Potenziale zustande<br />
kommen und wie man mithilfe<br />
der Spannungsreihe voraussagen kann,<br />
in welche Richtung die Redoxreaktion<br />
einer galvanischen Zelle spontan abläuft.<br />
Ionenwanderung (Filmsequenz 4:20 min)<br />
Durch den Elektronenfluss in einer galvanischen<br />
Zelle werden die elektrochemischen<br />
Potenziale in beiden Halbzellen<br />
gestört. Um diese wieder<br />
herzustellen, müssen an der Anode weitere<br />
Metall-Atome oxidiert und an der<br />
Kathode Metall-Ionen reduziert werden.<br />
Die Animationen dieser Sequenz veranschaulichen<br />
dies und erklären, dass bei<br />
vollständiger Trennung der beiden Halbzellen<br />
der Elektronenfluss nach einiger<br />
Zeit stoppen würde. Anschließend wird<br />
erläutert, wie durch das Diaphragma ein<br />
Ladungsausgleich stattfinden kann, wodurch<br />
der Stromkreis geschlossen ist.<br />
„Akkumulator“ (Film 11 min)<br />
Während die elektrochemischen Reaktionen<br />
in Batterien nicht umkehrbar sind,<br />
können Akkumulatoren durch Zufuhr<br />
von elektrischer Energie wieder aufgeladen<br />
werden. Anhand des Bleiakkumulators<br />
werden die Vorgänge beim Entladen<br />
und Aufladen eines Akkumulators<br />
gezeigt. Hierbei werden auch Zersetzungsspannung<br />
und Überspannung<br />
thematisiert. Abschließend – mit einer<br />
Zusammenfassung zu Akkumulatoren<br />
– geht der Film auf die Unterschiede<br />
zwischen einer galvanischen Zelle und<br />
einer Elektrolyse-Zelle ein.<br />
Menü „Akkumulator“<br />
(Sequenzen)<br />
Unterschied zwischen Akkumulatoren<br />
und Batterien (Filmsequenz 1:20 min)<br />
Während in Batterien die elektrochemischen<br />
Reaktionen nicht umkehrbar sind,<br />
können Akkumulatoren durch Zufuhr<br />
von elektrischer Energie wieder aufgeladen<br />
werden. Zu den bekanntesten<br />
Akkus gehört der Bleiakkumulator, der<br />
aus mehreren Blei- und Bleioxid-Platten,<br />
die in eine wässrige Schwefelsäure-<br />
Lösung tauchen, aufgebaut ist.<br />
Entladung des Bleiakkumulators<br />
(Filmsequenz 4:10 min)<br />
In dieser Sequenz werden die elektrochemischen<br />
Vorgänge beim Entladen des<br />
Bleiakkumulators auf Teilchenebene verdeutlicht<br />
und die entsprechenden Reak-<br />
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tionsgleichungen formuliert. An der Blei-<br />
Elektrode (Anode) werden Blei-Atome<br />
zu Blei-Ionen oxidiert. Die dabei frei<br />
werdenden Elektronen fließen zur Bleioxid-Elektrode<br />
(Kathode) und führen zur<br />
Reduktion der im Bleioxid enthaltenen<br />
Blei-Ionen. Dabei reagieren gleichzeitig<br />
Oxonium-Ionen zu Wasser-Molekülen.<br />
An beiden Elektroden bilden die entstandenen<br />
zweifach positiv geladenen<br />
Blei-Ionen mit Sulfat-Ionen schwerlösliches<br />
Bleisulfat, welches sich auf den<br />
Elektroden ablagert. Da so zwei gleichartige<br />
Elektroden entstanden sind, ist<br />
keine Spannung mehr feststellbar.<br />
Aufladen des Bleiakkumulators<br />
(Filmsequenz 3:00 min)<br />
Beim Aufladen des Bleiakkumulators laufen<br />
die gleichen elektrochemischen Reaktionen<br />
wie beim Entladen ab, allerdings in<br />
entgegengesetzter Richtung. Dafür müssen<br />
die Elektroden mit einer Spannungsquelle<br />
verbunden werden. In der Sequenz werden<br />
die Vorgänge beim Laden auf submikroskopischer<br />
Ebene dargestellt. Dabei wird<br />
auf die Zersetzungsspannung und die<br />
Überspannung eingegangen.<br />
Zusammenfassung Akkumulatoren<br />
(Filmsequenz 1:40 min)<br />
Während der Bleiakkumulator beim Entladen<br />
einer galvanischen Zelle entspricht,<br />
bildet er beim Aufladen eine<br />
Elektrolyse-Zelle. Die Sequenz zeigt<br />
deutlich die Unterschiede bezüglich Minus-<br />
und Pluspol und der Energieumwandlung.<br />
Abschließend wird erklärt,<br />
dass auch ein Akkumulator nur eine<br />
begrenzte Lebensdauer besitzt.<br />
„Elektrolyse“ (Film 5 min)<br />
Die Elektrolyse dient nicht nur dem Laden<br />
eines Akkumulators, sondern auch der<br />
Gewinnung von Stoffen und Reinigung<br />
von Metallen. Der Film zeigt die Metall-<br />
Reinigung am Beispiel der Kupfer-Raffination.<br />
Hierbei wird aus Rohkupfer, welches<br />
mit Beimengungen verunreinigt ist,<br />
elektrolytisch Reinkupfer gewonnen.<br />
Grafiken<br />
Batterien (2 Grafiken)<br />
Auf diesen Grafiken werden der Aufbau<br />
und die Funktionsweise einer Zink-Kohle-Batterie<br />
dargestellt.<br />
7
Akkus (3 Grafiken)<br />
Mithilfe dieser Grafiken werden der<br />
Aufbau einer Autobatterie sowie die<br />
Vorgänge während des Entladens und<br />
Aufladens dargestellt.<br />
Interaktion<br />
Redoxreaktion<br />
Mit der Interaktion lernen die Schülerinnen<br />
und Schüler verschiedene Gleichungen für<br />
Redoxreaktionen aufzustellen. Anhand<br />
von 19 verschiedenen Reaktionen können<br />
die einzelnen Schritte beim Aufstellen<br />
dieser Gleichung geübt werden. Dabei<br />
unterstützt das Programm durch Rückmeldung<br />
und gezielte Hilfestellungen.<br />
Verwendung im Unterricht<br />
Die vorliegende Produktion ist für den<br />
Einsatz in den Sekundarstufen I und II<br />
konzipiert, da die Schülerinnen und Schüler<br />
das Donator-Akzeptor-Konzept bereits<br />
auf Redoxreaktionen anwenden können,<br />
sowie Redoxreaktionen als Elektronenübergänge<br />
verstanden haben sollten.<br />
Die Produktion behandelt folgende Themenschwerpunkte:<br />
• Redoxreaktionen als Grundlage elektrochemischer<br />
Vorgänge<br />
• Bau und Funktionsweise einer galvanischen<br />
Zelle<br />
• Entstehung des elektrochemischen<br />
Potenzials und der Zellspannung<br />
• Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
• Funktionsweise eines Bleiakkumulators<br />
• industrielle Bedeutung der Elektrolyse<br />
anhand der Kupfer-Raffination<br />
Die Produktion bietet eine Vielzahl an<br />
unterschiedlichen Medien (Filme, Sequenzen,<br />
Grafiken), die in verschiedenen<br />
Unterrichtseinheiten eingesetzt werden<br />
können. Es ist hilfreich, sich zunächst die<br />
Programmstruktur zur Hand zu nehmen,<br />
die einen Überblick über die vorhandenen<br />
Medien gibt.<br />
Ergänzend werden zahlreiche Arbeitsblätter<br />
angeboten sowie eine Interaktion,<br />
die eine motivierende, spielerische Erarbeitung<br />
und Vertiefung der Lerninhalte<br />
fördern. In der Online-Fassung können<br />
Interaktion und Arbeitsblätter direkt aus<br />
den Menüs aufgerufen werden.<br />
Die Datei unter der Rubrik „Didaktische<br />
Hinweise“ gibt Hinweise zum Unterrichtseinsatz<br />
sowie detaillierte Beschreibungen<br />
der vorhandenen Materialien.<br />
8
Arbeitsmaterial<br />
Als Arbeitsmaterial stehen Ihnen didaktische<br />
Hinweise, eine Interaktion, Arbeitsblätter<br />
(mit Lösungen) und ein umfangreiches<br />
Angebot an ergänzenden<br />
Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle).<br />
Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals<br />
auch als Word-Dateien vor.<br />
• Die PDF-Dateien können direkt am<br />
Computer ausgefüllt, abgespeichert<br />
und ausgedruckt werden.<br />
• Die Word-Dateien können bearbeitet<br />
und so individuell an die Unterrichtssituation<br />
angepasst werden.<br />
Ordner<br />
Didaktische Hinweise<br />
Arbeitsblätter<br />
(mit Lösungsvorschlägen)<br />
Interaktion<br />
Grafiken<br />
Filmkommentare<br />
Programmstruktur<br />
Weitere Medien<br />
Produktionsangaben<br />
Materialien<br />
Hinweise zum Einsatz der DVD im Unterricht<br />
1) Zink-Kohle-Batterie<br />
2) Daniell-Element<br />
3) Elektrochemisches Potenzial<br />
4) Standard-Wasserstoff-Elektrode<br />
5) Elektrochemische Spannungsreihe<br />
6) Ladungsausgleich<br />
7) Bleiakkumulator<br />
8) Batterien und Akkumulatoren<br />
9) Galvanische Zelle und Elektrolysezelle<br />
Redoxreaktion<br />
• Zink-Kohle-Batterie<br />
• Die Reaktionen der Zink-Kohle Batterie<br />
• Autobatterie (Bleiakkumulator)<br />
• Bleiakkumulator aufladen<br />
• Bleiakkumulator entladen<br />
• <strong>Elektrochemie</strong><br />
• Akkumulator<br />
• Elektrolyse<br />
Übersicht über den Aufbau der DVD<br />
Informationen zu ergänzenden <strong>FWU</strong>-Medien<br />
Produktionsangaben zur DVD<br />
9
Programmstruktur<br />
46 11021 <strong>Elektrochemie</strong><br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
46 11021<br />
Programmstruktur<br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
Akkumulator<br />
Akkumulator<br />
Elektrolyse<br />
Batterien<br />
Akkus<br />
Arbeitsmaterial<br />
Hauptmenü<br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
Film 22 min<br />
Sequenzen<br />
Film 11 min<br />
Sequenzen<br />
Film 4 min<br />
2 Grafiken<br />
3 Grafiken<br />
Untermenüs<br />
<strong>Elektrochemie</strong> ist überall<br />
Wie ist eine Batterie aufgebaut?<br />
Das Daniell-Element<br />
Elektrochemisches Potenzial<br />
Standardpotenzial<br />
Elektrochemische Spannungsreihe<br />
Ionenwanderung<br />
Unterschied zwischen<br />
Akkumulator und Batterie<br />
Entladung des Bleiakkumulators<br />
Aufladen des Bleiakkumulators<br />
Zusammenfassung<br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
1:00 min<br />
1:00 min<br />
3:20 min<br />
3:00 min<br />
5:50 min<br />
2:30 min<br />
4:30 min<br />
Akkumulator<br />
1:20 min<br />
4:10 min<br />
3:00 min<br />
1:40 min<br />
Arbeitsmaterial<br />
Didaktische Hinweise<br />
9 Arbeitsblätter (mit Lösungen)<br />
Interaktion<br />
5 Grafiken<br />
Filmkommentare<br />
Programmstruktur<br />
Weitere Medien<br />
Produktionsangaben<br />
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Produktionsangaben<br />
<strong>Elektrochemie</strong> (DVD)<br />
Produktion<br />
<strong>FWU</strong> Institut für Film und Bild, 2013<br />
DVD-Konzept<br />
Michael Süß<br />
DVD-Authoring und Design<br />
TV Werk<br />
im Auftrag des <strong>FWU</strong> Institut für Film und Bild,<br />
2013<br />
Grafiken<br />
Weglowinthedark.<br />
Bildnachweis<br />
Thinkstock © iStockphoto (Coverbild)<br />
Didaktische Fachberatung<br />
Ulrich Hammon<br />
Arbeitsmaterial<br />
Anna Meinel<br />
Begleitheft<br />
Anna Meinel<br />
Michael Süß<br />
Pädagogischer Referent im <strong>FWU</strong><br />
Daniel Schaub<br />
Produktionsangaben zu den Filmen<br />
„<strong>Elektrochemie</strong>“, „Akkumulator“ und<br />
„Elektrolyse“<br />
Produktion<br />
Weglowinthedark.<br />
im Auftrag des<br />
<strong>FWU</strong> Institut für Film und Bild, 2013<br />
Buch, Regie und Gestaltung<br />
Antonia Kühn<br />
Dominic Bünning<br />
Sound<br />
Sven Lütgen<br />
Marko Bachmann<br />
Sprecher<br />
Pascal Finkenauer<br />
Redaktion<br />
Anne Köhler<br />
Daniel Schaub<br />
Nur Bildstellen/Medienzentren:<br />
öV zulässig<br />
© 2013<br />
<strong>FWU</strong> Institut für Film und Bild<br />
in Wissenschaft und Unterricht<br />
gemeinnützige GmbH<br />
Geiselgasteig<br />
Bavariafilmplatz 3<br />
D-82031 Grünwald<br />
Telefon (089) 6497-1<br />
Telefax (089) 6497-240<br />
E-Mail info@fwu.de<br />
vertrieb@fwu.de<br />
Internet www.fwu.de<br />
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Didaktische <strong>FWU</strong>-DVD<br />
46 11021<br />
<strong>Elektrochemie</strong><br />
Elektrochemische Reaktionen laufen in einer galvanischen Zelle als Redoxreaktion ab.<br />
Die Produktion beschäftigt sich mit der elektrochemischen Spannungsreihe sowie mit<br />
Aufbau und Arbeitsweise der galvanischen Zellen. Darüber hinaus gibt sie mit Batterien,<br />
dem Bleiakku und der Reindarstellung von Metallen durch Elektrolyse einen umfassenden<br />
Ausblick auf Elektro chemie in Alltag und Technik.<br />
Erscheinungsjahr: 2013<br />
Laufzeit: 38 min<br />
Filme: 3<br />
Filmsequenzen: 11<br />
Grafiken: 5<br />
Sprache: Deutsch<br />
DVD-ROM-Teil:<br />
Arbeitsblätter:<br />
Unterrichtsmaterialien<br />
9 (PDFs zum Ausfüllen,<br />
mit Lösungen)<br />
Interaktion: 1<br />
Adressaten: Allgemeinbildende Schule<br />
(Klasse 7-13),<br />
Erwachsenenbildung<br />
Schlagwörter:<br />
Akku, Akkumulator, Anion, Anode, Autobatterie, Batterie, Bleiakkumulator,<br />
Daniell-Element, Elektrolyse, Elektron, Galvanische Zelle, Kathode, Kupfer,<br />
Metall, Oxidation, Raffination, Redox, Redoxgleichung, Redoxreaktion,<br />
Reduktion, Spannung, Zink-Kohle-Batterie<br />
Systematik:<br />
Chemie<br />
Lehrprogramm<br />
gemäß<br />
§ 14 JuSchG<br />
Anorganische Chemie Redoxreaktionen<br />
Angewandte Chemie Technische Chemie,<br />
Chemie in Alltag und Umwelt<br />
GEMAFREI<br />
<strong>FWU</strong> Institut für Film und Bild<br />
in Wissenschaft und Unterricht<br />
gemeinnützige GmbH<br />
Geiselgasteig<br />
Bavariafilmplatz 3<br />
82031 Grünwald<br />
Telefon +49 (0)89-6497-1<br />
Telefax +49 (0)89-6497-240<br />
info@fwu.de<br />
www.fwu.de<br />
4611021010<br />
4611021010<br />
www.fwu-shop.de<br />
Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444<br />
vertrieb@fwu.de
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