Unterrichtsstunde: Elektrochemie

Gliederung

1. Einbindung der Unterrichtsstunde in den Rahmenplan
1.1 Allgemeine Angaben
1.2 Lernziele
1.3 Lerninhalte

2. Sachanalyse
2.1 Elektrochemische Stromerzeugung
2.2 Der elektrische Widerstand

3. Didaktische, methodische und mediale Überlegungen

4. Geplanter Stundenverlauf

5. Reflexion der Unterrichtsstunde
5.1 Reflexion von Cinzia Onnis

6. Literatur Verzeichnis

7. Anhang

1. Einbindung der Unterrichtstunde in den Rahmenlehrplan

1.1 Allgemeine Angaben

Die Unterrichtsstunde ist für das 1. Ausbildungsjahr aller Elektroberufe im Berufsfeld Elektrotechnik bzw. für das 3./4. Lehrjahr bei den Chemielaboranten mit dem Schwerpunkt Laboratoriumstechnik.

Dabei baut im Rahmenlehrplan der Chemielaboranten auf die Vorkenntnisse eines guten Hauptschulabschlusses auf. Einzuordnen wäre unser Thema in die Lernfelder 15 mit 60 Stunden und dem Lernfeld 20 mit 80 Stunden jeweils im 3./4. Lehrjahr (siehe Anhang).

1.2 Lernziele

Das Lernziel sollte sein, dass die Schüler wichtige Fachbegriffe erlernen und das Prinzip des Entladens eines Primärelementes verinnerlichen.

Des weiteren sollen die Schüler den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke erklären und berechnen sowie den elektrischen Widerstand als Größe definieren können.

1.3 Lerninhalte

Anhand einer Folie sollen die Schüler den Aufbau einer Elektrolytzelle kennen lernen und ihre Funktionsweise verstehen. Dabei sollen sie die Unterschiede zwischen Primär – und Sekundärelemente verstehen und als Lernnachweis dies in einer kleinen Hausaufgabe wiedergeben.

Mit Hilfe der Spannung und Stromstärke soll der Widerstand berechnet werden können. Dies ist ein wichtiges Grundgesetzt und wird später bei vielen Berechnungen benötigt.

2. Sachanalyse

2.1 Elektrochemische Stromerzeugung

2.1.1 Primär- und Sekundärelemente und Brennstoffzellen

Bevor man sich der Elektrolytzelle widmet, welche Unterrichtsschwerpunkt war, sollte man vorher das galvanische Element besprechen. Dies erleichtert die weitere Unterrichtsdurchführung und die Schüler können die Gesetzmäßigkeiten schneller erkennen und lernen.

Ein galvanisches Element besteht aus Zellen, die als Energieumwandler verwendet werden. Dabei wird chemische Energie in elektrische umgewandelt.

Das allgemeine Prinzip von beweglichen Spannungsquellen besteht darin, dass die elektrische Energie in den Elektrodensubstanzen ( in Anode und Kathode) gespeichert wird und durch ihre Beteiligung an Redoxreaktionen Strom erzeugt werden kann.

Dabei unterscheidet man drei Arten von Spannungsquellen :

a) Primärelement
b) Sekundärelement
c) Brennstoffzelle

a) Unter den Begriff Primärelement versteht man sog. Einmalzellen, bei denen eine Wiederaufladbarkeit nicht mehr möglich ist.

Diese Primärelemente bestehen aus Zellen mit je 1,5 V. Reiht man mehrere Zellen aneinander erhält man eine Batterie.

b) Sekundärelemente , die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden, sind galvanische Elemente, bei denen sich die bei der Stromentnahme (Entladung) ablaufenden chemischen Vorgänge durch Zufuhr von elektrischen Energie (Ladung) umkehren lassen.
c) Bei einer Brennstoffzelle hingegen wird der jeweilige Brennstoff den Elektroden kontinuierlich zugeführt.

2.1.2. Leclanché- Element

Der Franzose Leclanché entwickelte 1867 das erste Trockenelement, was dann nach ihm auch benannt wurde: Das Leclanché –Element.

Es besteht aus einem Zinkbecher, der mit einer eingedickten Elektrolytmasse gefüllt ist. Sie besteht aus Ammoniumchlorid (NH4Cl) , Zinkchlorid (ZnCl2) und Bindemitteln.

In der Mitte des Zinkbechers taucht ein Graphitstab, der von Manganoxid , besser bekannt als Braunstein, umgeben ist.

Potentiale bei der Stromentnahme des Leclanché- Elements :

Kathode : Zn à Zn2+ + 2e –

Anode : 2 MnO2 + 2 e – + 2 H2O à 2 MnO(OH) + 2 OH –

Elektrolyt : 2 NH4Cl + 2 OH – + Zn2+ à Zn(NH3)2Cl2

Gesamtreaktion:2 MnO2 + Zn + 2 NH4Clà MnO(OH)+ Zn(NH3)2Cl2

In der Zinkelektrode liegt ein Elektronenüberschuss vor und bildet damit den Minuspol (Kathode).

Der Graphitstab hingegen bildet den Pluspol (Anode) , da dort ein Elektronenmangel vorliegt.

Die Elektrolytlösung fungiert als Transportflüssigkeit die an der Redoxreaktion entscheidend mitwirkt.

Dieses Prinzip wird heute noch angewandt und findet sich in Taschenlampenbatterien wieder.

2.1.3 Bleiakkumulator

Planté entwickelte bereits im Jahr 1859 den Bleiakkumulator.

Durch die Elektrolyse von Schwefelsäure (H2SO4) mit Bleielektroden ergibt sich das Modell des Bleiakkumulators.

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