zum Thema „Battery Revolution

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FFG-Projekt „Talente regional“
zum Thema „Battery Revolution“
Kinder und Jugendliche erforschen revolutionäre Ideen für effiziente
Energiespeicherung
VERSUCHSANLEITUNGEN
In diesem Dokument finden Sie Versuchsanleitungen der Pädagogischen
Hochschule Kärnten zu verschiedenen thematisch passenden Versuchen aus
Chemie und Physik. Videos zu den Versuchen finden Sie auf ScienceClip.at
(http://www.scienceclip.at/battery_revolution.html).
Prof. Mag. Dr. Helga Voglhuber
Pädagogische Hochschule Kärnten
Viktor Frankl Hochschule
November 2013
1
Inhaltsverzeichnis
Experiment 1..........................................................................................Seite 3
Reaktion von Zink-Pulver und Kupfersulfat-Lösung
Eine einfache galvanische Zelle „Blumentopfbatterie“ (nach Willi Pichler)
Stromerzeugung mittels unterschiedlicher Metallplatten und Größen
Metalle als Spannungslieferanten: Die elektrochemische Spannungsreihe
Rasierscherblätter als Elektroden für Elektrolysen und galvanische Zellen –
Modell einer „Brennstoffzelle“
Die Haargelbatterie
Brennstoffzellenauto
2
Experiment 1
Reaktion von Zink-Pulver und Kupfersulfat-Lösung
Vorwissen der Schüler




Weitere thematische Einsatzmöglichkeiten


Elemente des Periodensystems
Unterschied zwischen edlen und unedlen
Metallen
endotherme und exotherme Reaktionen
Prinzip der Redoxreaktionen
Redoxreaktionen und Energiegewinnung
Energiespeicherung
Ziel des Experimentes
Dieses Einstiegsexperiment soll den Energieumsatz einer einfachen Redox-Reaktion in Form von
Wärme zeigen.
Geräte / Materialien




Chemikalien
Digitales Thermometer
Zellkulturplatte mit 6 Vertiefungen
Spatel
Pipette


3-4ml Kupfersulfat-Lösung
(CuSO4)
1 Spatel Zink-Pulver
Experimentelle Durchführung

3-4 ml der Kupfersulfat-Lösungen werden mit einer Pipette
in eine der Vertiefungen der Zellkulturplatte gefüllt

Jetzt wird der Fühler des digitalen Thermometers in die
Lösung eingetaucht und die Temperatur notiert

Nun fügt man einen Spatel voll mit Zink-Pulver in die
Lösung und rührt mit dem Fühler des Thermometers um

Die Temperaturveränderung wird verfolgt
Beobachtungen
Es ist sofort ein Temperaturanstieg feststellbar, elementares Kupfer scheidet sich.
Reaktionsgleichung:
CuSO4 + Zn  Cu + ZnSO4 + ( - H)
3
Bemerkungen zum kompetenzorientierten Unterricht1:
Kompetenzraster
Inhaltsdimension Chemie:



C1 – Aufbauprinzipien der Materie: Periodensystem der Elemente, chemische Bindungen,
(Elementsymbole, Summen, Struktur- und Gerüstformeln)
C2 – Einteilung und Eigenschaften der Stoffe: unterschiedliche Eigenschaften von
Gemengen und Reinstoffen
C3 – Grundmuster chemischer Reaktionen: Oxidation und Reduktion, exotherme und
endotherme Reaktionen
Handlungskompetenzen:
Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren:

W1:Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und benennen.
o Umsetzung in diesem Experiment:Die Schülerinnen und Schüler sollen den Vorgang des
Experiments beschreiben und benennen können.
Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren:




E1: zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen oder
Messungen durchführen und diese beschreiben.
o Umsetzung in diesem Experiment: Die Schülerinnen und Schüler sollen den Vorgang
genau beobachten, die Temperatur messen und notieren.
E2: zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und
Vermutungen aufstellen.
o Umsetzung in diesem Experiment: Da den Schülerinnen und Schülern Redoxreaktionen
bereits bekannt sind, sollen sie ihre eigenen Vermutungen anstellen. Was passiert hier?
Warum steigt die Temperatur? Warum scheidet sich Kupfer ab? Etc.
E3: zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen
und protokollieren.
o Umsetzung in diesem Experiment: Die Schülerinnen und Schüler sollen das Experiment
eigenständig durchführen und den Versuchsverlauf protokollieren.
E4: Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (ordnen, vergleichen, Abhängigkeiten
feststellen) und interpretieren.
o Umsetzung in diesem Experiment: Die Lernenden sollen die Ergebnisse des Experiments
analysieren und interpretieren.
Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln:

S1: Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht
bewerten und Schlüsse daraus ziehen.
o Umsetzung in diesem Experiment: Aufgrund des Vorwissens sollen die Schülerinnen und
Schüler, aus naturwissenschaftlicher Sicht, Schlüsse daraus ziehen, warum die Temperatur
steigt und sich Kupfer abscheidet.
Anforderungsdimension:

N2 Anforderungsniveau II: Sachverhalte und einfache Verbindungen zwischen Sachverhalten
aus Natur, Umwelt und Technik unter Verwendung einzelner Elemente der Fachsprache und der
im Unterricht behandelten Gesetze, Größen und Einheiten beschreiben untersuchen und bewerten;
Kombination aus reproduzierendem und selbstständigem Handeln.
o Umsetzung in diesem Experiment: Die Lernenden sollen das Experiment durchführen
und bei der Auswertung die fachlich korrekten Begriffe verwenden. Außerdem sollen sie
durch die zuvor behandelten Themen selbst darauf kommen, dass es sich hier um eine
Redoxreaktion handelt. Besonders interessierte Schülerinnen und Schüler können auch
versuchen die chemische Reaktionsgleichung für dieses Experiment aufzustellen.
1
Im gesamten Dokument nach: Bundesinstitut bifie Wien, Zentrum für Innovation & Qualitätsentwicklung:
Kompetenzmodell Naturwissenschaften 8. Schulstufe, Vorläufige Endversion Oktober 2011.
4
Experiment 2 Eine einfache galvanische Zelle
„Blumentopfbatterie“ (nach Willi Pichler)



Siehe Experiment 1
Elektrolyt,
Elektroden
Kathode)
Spannung, Stromstärke

(Anode,
Galvanische Zellen ( Batterien ) im Alltag
Ziel des Experimentes:
Mit diesem Experiment soll gezeigt werden, dass der Energiegewinn bei Redox-Reaktionen auch in
Form von elektrischer Energie erfolgen kann. Dazu bedarf es ganz bestimmter, aber einfacher
experimenteller Bedingungen. Zwischen zwei bezüglich Metallcharakters unterschiedlich edlen
Metallen wie Zink und Kupfer und einer Elektrolytlösung läuft eine Redox-Reaktion ab, es
kann elektrischer Strom fließen, messbar als elektrische Spannung und Stromstärke.




Abgeschnittene PET-Flasche
kleiner Blumentopf (Loch mit
Kerzenwachs verklebt)
Kabel mit Krokoklemmen
Strommessgerät (Multimeter)
Chemikalien




Kupfersulfat-Lösung (CuSO4)
c = (0,1 mol/L)
Zinksulfatlösung (ZnSO4)
c = (0,1 mol/L)
1 Kupferplatte (1,5 x4 cm)
1 Zinkplatte (1,5 x 4cm)

Das Zinksulfat wird in die abgeschnittene PET-Flasche
gefüllt

Der kleine Blumentopf wird nun hinein gestellt und mit
Kupfersulfat gefüllt

Cu
CuSO4 –Lsg
Die Kupferplatte wird in die Kupfersulfat Lösung und
die Zinkplatte in die Zinksulfat Lösung gestellt

Zn
ZnSO4‐Lsg Die Kabel werden an die Elektroden angeschlossen
und mit dem Messgerät verbunden
Beobachtungen
Es ist eine Spannung von ca. 0,8 V feststellbar.
5
Erklärung:
Die Zn-Atome der Zn-Elektrode gehen als Zn2+-Ionen in Lösung (OXIDATION). Die “zurück
gelassenen“ Elektronen verursachen, dass die Zn-Elektrode zum (-) Pol wird. Die Elektronen fließen
über das Leitungskabel zur Cu-Elektrode (+) Pol. An dieser können sich die Cu2+ - Ionen als
elementares Cu0 abscheiden, da sie dort die Elektronen der unedleren Zn-Elektrode erhalten.
(REDUKTION).
Der Blumentopf aus Ton dient zur räumlichen Trennung der Elektrolytlösungen. Die Tonwand ist
jedoch für die Ionenlösungen „durchwanderbar“, sodass der Stromkreis geschlossen ist.
Zellendiagramm: Zn/Zn2+// Cu2+/Cu
Galvanische Zelle:
Anode (-): Oxidierende Elektrode (Unedleres Metall)
Zn  Zn2+ + 2e-
E0 = -0,76 V
Kathode (+): Reduzierende Elektrode (Edleres Metall)
Cu2+ + 2e-  Cu0
E0 = +0,35 V

Quelle: http://www.jagemann‐net.de/
U = E0 Kathode - E0 Anode
(E0(Cu) = +0,35 V) (E0(Zn) = −0,76 V
U = + 0, 35 – ( - 0,76) = 1, 11 V
(Berechnung laut Literatur)
Entsorgungshinweise: Kupfersulfat Lösung und Zinksulfat Lösung in Sammelbehälter für
Schwermetalle sammeln.
6
Bemerkungen zum kompetenzorientierten Unterricht:
Kompetenzraster
Inhaltsdimension Chemie

C3 - Grundmuster chemischer Reaktionen: Oxidation und Reduktion, exotherme und
endotherme Reaktionen
Handlungskompetenz:

W1 - Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und benennen.
o
Umsetzung in diesem Experiment: Die SchülerInnen sollen die Vorgänge des
Experiments beschreiben und benennen können.

E1 - zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen
oder Messungen durchführen und diese beschreiben.
o

Umsetzung in diesem Experiment: Die SchülerInnen sollen den Versuchsverlauf
genau beobachten, die elektrische Spannung messen und notieren.
E2 - zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und
Vermutungen aufstellen.
o
Umsetzung in diesem Experiment: Warum gibt es eine elektrische Spannung
zwischen den beiden Metallen? Warum benötigt man eine semipermeable
Membran? Warum befinden sich die Elektroden in Elektrolyten?

S1 - Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher
Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen.
o
Umsetzung in diesem Experiment: Die SchülerInnen sollen zum Schluss kommen,
dass es eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden gibt, weil diese
unterschiedlich edel sind.
Anforderungsdimension

N1 – Anforderungsniveau I
o Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur,
Umwelt und Technik mit einfacher Sprache beschreiben, mit einfachen Mitteln
untersuchen und alltagsweltlich bewerten; reproduzierendes Handeln.
Umsetzung in diesem Experiment: Die SchülerInnen sollen, mit der Lehrperson gemeinsam, das
Experiment erstellen und durchführen können. Sie sollen die einzelnen Teile des Versuchsaufbaues
benennen und den Redoxreaktionsablauf erkennen können.
7
Experiment 3
Stromerzeugung mittels unterschiedlicher Metallplatten und
Größen

Siehe Experiment 1 und 2


Siehe Experiment 1 und 2
Energiespeichermöglichkeiten
Im Experiment 2 wurde gezeigt, dass zwischen zwei bezüglich Metallcharakter unterschiedlich edlen
Metallen wie Zink und Kupfer und einer Elektrolytlösung elektrischer Strom fließen kann, also dass
Spannung und Stromstärke messbar sind. Durch die experimentelle Variation von unterschiedlichen
Metallplattengrößen soll erkannt werden, dass die dabei entstehende elektrische Stromstärke im
Gegensatz zur elektrischen Spannung mit der Plattenfläche zunimmt, hingegen die elektrische
Spannung nur durch den unterschiedlichen Metallcharakter von Zink und Kupfer bestimmt wird, also
konstant bleibt.



Küchenrolle
Kabel, Kabelklemmen
Volt-/Amperemeter
Chemikalien
 4 Cu-Platten, 4 Zn-Platten in den
Größen
1x5 cm, 5x5 cm, 10x10 cm, 20x20 cm
 NaCl
Experimentelle Durchführung:

Die kleinste Kupferplatte wird mit einem Stück
Küchenrolle belegt, mit Wasser befeuchtet und mit
Salz bestreut

Darauf wird die gleich große Zinkplatte gelegt, jedoch
um etwa einen Zentimeter versetzt

Über Kabel werden die Metallplatten mit dem
Strommessgerät verbunden 
Bitte achten, dass die Klemmen nicht beide Platten berühren! Gute Durchfeuchtung der
Küchenrolle und genügend Salz sind auch wichtig!!

Nun werden Spannung und Stromstärke gemessen und in die Tabelle eingetragen
8

Danach werden mit den größeren Platten in der gleichen Weise die jeweilige Stromstärke und
Spannung gemessen
Plattengrößen (cm) Spannung (V) Stromstärke (A) 1 x 5 5 x 5 10 x 10 20 x 20 Beobachtungen: Die Stromstärke steigt mit der Plattenfläche, die Spannung bleibt konstant.
Erklärung: Die gemessene elektrische Spannung ist die Spannungsdifferenz zwischen den im
Metallcharakter unterschiedlich edlen Metallen Zn und Cu. Die größeren Plattenflächen ermöglichen
einen größeren Elektronenfluss, was zur Zunahme der elektrischen Stromstärke führt.
Kompetenzraster
Inhaltsdimension:
C2 Einteilung und Eigenschaften der Stoffe
 unterschiedliche Eigenschaften von Reinstoffen
 Eigenschaften wichtiger Substanzen und Stoffklassen
C3 Grundmuster chemischer Reaktionen
 Unterschied von Zustandsänderung und Stoffumwandlung
 Oxidation und Reduktion
Handlungskompetenzen:
Wissen organisieren – Aneignen, Darstellen und Kommunizieren




W1 Vorgänge in der Technik beschreiben und benennen
W3 Vorgänge und Phänomene in der Technik in verschiedenen Formen (Grafik, Skizze,…)
darstellen und erklären
W4 die Auswirkungen von Vorgängen in der Technik auf die Umwelt und Lebenswelt
erfassen und beschreiben
Erkenntnisse gewinnen – Fragen, Untersuchen, Interpretieren

E1 zu Vorgängen in der Technik Beobachtungen machen oder Messungen durchführen und
diese beschreiben
9

E2 zu Vorgängen in der Technik Fragen stellen und Vermutungen aufstellen
Schlüsse ziehen – Bewerten, Entscheiden, Handeln

S1 Daten, Fakten und Erkenntnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher
Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen

N1 Anforderungsniveau I
Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus der Technik mit
einfacher Sprache beschreiben, mit einfachem Mitteln untersuchen und alltagsweltlich
bewerten; reproduzierendes Handeln

N2: Anforderungsniveau II
Sachverhalte und einfache Verbindungen aus Natur, Umwelt und Technik unter
Verwendung einzelner Elemente der Fachsprache und der im Unterricht behandelten
Gesetze, Größen und Einheiten beschreiben, untersuchen und bewerten; Kombination aus
reproduzierendem und selbstständigem Handeln.
o Umsetzung in diesem Experiment: Aus Daten werden Gesetzmäßigkeiten
abgeleitet.
10
Experiment 4
Metalle als Spannungslieferanten
Die elektrochemische Spannungsreihe



Siehe Experimente 1-3
Batteriebauweise
Variabilität bei Elektroden- und
Elektrolytmaterialien
Bei diesem Experiment soll gezeigt werden, welche Metallkombinationen in einem Elektrolyt eine hohe
und welche eine niedrige Spannungsdifferenz oder elektromotorische Kraft (EMK) liefern können. Aus
den Messdaten sollen die Metalle nach abnehmendem unedlen Charakter (oder zunehmendem edlen
Charakter) geordnet werden. Als für Schülerversuche bestens geeigneter Elektrolyt soll Haargel
vorgestellt und verwendet werden. Haargel ist ein leitfähiger Kunststoff, ein so genannter
Polyelektrolyt.




Foliertes Blatt
Kabel mit Krokoklemmen
Multimeter
Küchenrolle
Chemikalien







Haargel
verzinkter Nagel
Kupferdraht
Eisennagel
Silberdraht
Mg-Band
Aluminiumstreifen





Zuerst wird ein etwa 5 cm langer Streifen Haargel auf das folierte Blatt gedrückt.
Nun werden die unterschiedlichen Metallstücke in einem Abstand von ungefähr 1 cm in den
Haargelstreifen gesteckt.
Jetzt werden die Potentialdifferenzen zwischen allen möglichen Kombinationen aus jeweils
zwei Metallstiften gemessen. Ergeben sich negative Werte, so soll man
die + und - Polung umstecken
Die erzielten Messwerte in einer Tabelle notieren
Die erzielten Messwerte im Schulbuch oder anderer Literatur vergleichen
11
Beobachtung: Messdaten
Zn
Fe
Al
Cu
Ag
Mg
Zn
Fe
Al
Cu
Ag
Mg
Erstellung der Spannungsreihe
Hier die Reihenfolge der Metalle eintragen
unedel
edel
Zunahme des edlen Metallcharakters
Abnahme des unedlen Metallcharakters
Lösung:
Mg, Al, Zn, Fe
Cu, Ag
unedel
edel
Zunahme des edlen Metallcharakters
Abnahme des unedlen Metallcharakters
12
Kompetenzraster
Inhaltsdimension Chemie:

C3: Grundmuster chemischer Reaktionen
Handlungsdimension:
Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren
Ich kann einzeln oder im Team ...



W1: Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und benennen
W3:Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik in verschiedenen Formen
(Grafik, Tabelle, Bild, Diagramm) darstellen erklären und adressatengerecht kommunizieren
W4: die Auswirkungen von Vorgängen in der Natur, Umwelt und Technik auf die Umwelt
und Lebenswelt erfassen und beschreiben
Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen



E1: zu Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen
oder Messungen durchführen und diese beschreiben
E3: zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen
und protokollieren
E4: Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (ordnen, vergleichen,
Abhängigkeiten feststellen) und interpretieren


N1: Anforderungsniveau I
Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur, Umwelt und
Technik mit einfacher Sprache beschreiben, mit einfachen Mitteln untersuchen und
alltagsweltlich bewerten; reproduzierendes Handeln.
N2: Anforderungsniveau II
Gesetze, Größen und Einheiten beschreiben, untersuchen und bewerten; Kombination
aus reproduzierendem und selbstständigem Handeln.
o
Umsetzung in diesem Experiment: Aus Daten werden Gesetzmäßigkeiten
abgeleitet.
13
Experiment 5
Rasierscherblätter als Elektroden für Elektrolysen und
galvanische Zellen – Modell einer „Brennstoffzelle“ Vorwissen der Schüler








Siehe Experimente 1 - 4
Elektrolyse von Wasser
Knallgasreaktion und Knallgaszelle
Zusammenhang Elektrolyse und
galvanisches Element
Auflade- und Entladeprozesse
Wasserstoff als Energieträger
Energiespeicherung
Akkubauweise
Elektrotechnik
Mit diesem Experiment soll gezeigt werden, wie eine Elektrolysezelle mit einer galvanischen Zelle, in
diesem Fall Knallgaszelle, zusammenhängt. Wasser wird mittels Gleichstrom aus einer Batterie in
Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. (Elektrolysezelle). Wasserstoff und Sauerstoff bilden mit der mit
Platin überzogenen und löchrigen Scherblattoberfläche als Trägermaterial zwei verschiedene
Gaselektroden. Durch Zusammenschluss mittels Kabel dieser unterschiedlichen Elektroden über ein
Strommessgerät, kleiner Glühlampe oder kleinen Motor ist Stromfluss feststellbar.
Chemikalien








250 ml Becherglas
2 Rasierscherblätter
4,5 V Batterie oder Trafo
2 Kabel
2 Krokoklemmen
Stativstange
Elektrodenhalter
Messgerät (kleine Glühbirne,
kleiner Motor)


KOH oder NaOH ca. ( c= 0,1 mol/L)
oder Natriumhydrogencarbonatlösung
ca. (c = 0,1 mol/L)
14







Die Scherblätter zusammenrollen und mit der Krokoklemme
festklemmen
Die Elektrolytlösung in das Becherglas gießen
Jetzt die Elektroden mit Krokoklemmen hineingeben
Die Kabel in die Krokoklemme stecken
Bitte beachten, dass sich die Elektroden nicht berühren.
Elektrodenhalter verwenden!
An die Batterie (oder Trafo) anschließen
3 - 4 Minuten den Elektrolyseprozess laufen lassen
Jetzt die Kabel von der Stromquelle lösen und ins Messgerät, die
Lampenfassung oder in den Motor stecken
Beobachtung:
Durch die Stromzufuhr bilden sich beim Elektrolyseprozess Gasblasen, die sich in den Löchern der
Scherblätter speichern.
Beim Anschließen der „Gaselektroden“ an ein Messgerät sind ca. 1,2 V feststellbar. (Ein
Glühlämpchen kann kurz aufleuchten, ein Motor bewegt sich).
Erklärung:
Die Wahl des Elektrodenmaterials Rasierscherblätter liegt darin begründet, weil die löchrige, mit
Platin überzogene Scherblattoberfläche die entstandenen Gase gut aufnehmen kann.
Zwischen den verschiedenen Gaselektroden und dem Elektrolyt finden Redox-Reaktionen statt, durch
die elektrische Energie gewonnen werden kann.
Elektrolyseprozess (2 gleiche Elektroden)
Aufladeprozess
An den Elektrodenoberflächen laufen Redox-Reaktionen mit dem Elektrolyt ab. Dabei bilden sich die
Gase Wasserstoff und Sauerstoff
Elektrodenreaktionen
Reduzierende Elektrode, Kathode, (-) Pol: 4 H2O + 4 eOxidierende Elektrode, Anode, (+) Pol:
 2 H2 + 4 OH-
4 OH-  O2 + 2 H2O + 4 e-
Vereinfachte Elektrolysereaktionsgleichung von Wasser:
2 H2O + elektrische Energie  2 H2 + O2
Elektrische Energie wird in chemische Energie umgeformt
15
Galvanische Zelle, Knallgaszelle (2 unterschiedliche Gaselektroden) Entladeprozess
Wasserstoff und Sauerstoff reagieren nach Zündung zu Wasser und Energieabgabe, die auch
knallartig erfolgen kann. Lässt man diese, stark exotherme Reaktion in einer galvanischen
Zellvorrichtung ablaufen, ist die chemische Reaktionsenergie in Form von elektrischem Strom
erhältlich. Es wird also direkt aus der Energie einer chemischen Reaktion Elektrizität erzeugt.
Oxidierende Elektrode, Anode,
(-) Pol: 2 H2 + 4 OH-  4 H2O + 4 e-
Reduzierende Elektrode, Kathode, (+) Pol: O2 + 2 H2O + 4 e-  2 H2O
E0Kathode - E0Anode = + 0,36 V – ( - 0,87 V) = + 1,23 V
Vereinfachte Brennstoffzellengleichung zur Wasserbildung:
2 H2 + O2  2 H2O + elektrische Energie ( + 1,23 V)
Chemische Energie wird in elektrische Energie umgeformt
Kompetenzraster
Inhaltskompetenz: C1, P1, P2; Handlungskompetenz: H1, N1
o C3: Grundmuster chemischer Reaktionen
Exotherme und endotherme Reaktionen
o P1: Mechanik
Mechanische Energieformen und deren Umwandlung (Bewegungsenergie,
gespeicherte Energie)
Handlungsdimension:
o
W1: Beobachten, Erfassen, Beschreiben
Umfasst die Kompetenz, Vorgänge und Erscheinungsformen der Natur aus der Sicht der
naturwissenschaftlichen Fächer zu beobachten, zu beschreiben und mitzuteilen. Dazu
gehören das Ordnen, Darstellen und Protokollieren dieser Phänomene und die Durchführung
einfacher Messungen, einzeln oder im Team.
o
Umsetzung im Experiment: Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand ihres
Vorwissens über die Elektrolyse von Wasser und galvanischen Zellen mit Hilfe des
Lehrenden ihre Beobachtungen interpretieren
16
o
E1: zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen
o
S1: Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher
Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen.
Umsetzung in diesem Experiment: Zusammenhang zwischen Elektrolyse- und
galvanischen Prozessen erkennen und deuten: Reversible Redox-Reaktionen, energetischer
Zusammenhang
 N1: Anforderungsniveau I
Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur,
o
Umsetzung im Experiment: Die Schülerinnen und Schüler werden beim
Experimentieren vom Lehrenden angeleitet und durch gezieltes Beobachten des
Elektrolyse- sowie Knallgasprozesses zum Interpretieren des Vorgangs, unter
Anwendung von Fachausdrücken, geführt.
 N2: Anforderungsniveau II
Gesetze, Größen und Einheiten beschreiben, untersuchen und bewerten; Kombination aus
reproduzierendem und selbstständigem Handeln.
o
Umsetzung in diesem Experiment: Aus Beobachtungen und Daten werden
Gesetzmäßigkeiten abgeleitet.
17
Experiment 6
Die Haargelbatterie
Siehe Experimente 1-4
Chemie im Alltag,
Bei diesem Experiment soll gezeigt werden, dass mit dem Polyelektrolyt Haargel und den Elementen
Aluminium und Kohle ein galvanisches Element gebaut werden kann.
Der Vorteil des Haargels als Elektrolyt liegt daran, dass die Entsorgung dieses Elektrolyts im Vergleich
zu im Alltag üblichen Salzlösungen als Elektrolyte sehr unproblematisch ist. Mit diesem Ansatz soll
auch auf die Sicherheits- und Entsorgungsproblematik von Batterien bezüglich der Elektrolyte und der
verschiedenen Metalle hingewiesen werden.





1 Aluminiumschale eines Teelichtes
Filterpapier oder Küchenrolle
2 Krokoklemmen
2 Kabel
1 Strommessgerät
Chemikalien
 Haargel
 1 kurze Kohleelektrode (ca. 2-3 cm)



Zuerst wird aus einem Filterpapier oder Küchenrolle ein
rundes Stück geschnitten, welches auf den Boden der
leeren Aluminiumschale gelegt wird
Jetzt wird bis zur Hälfte das Schälchen mit Haargel gefüllt
und die Kohleelektrode hineingesteckt
Die Krokoklemmen werden an der Aluminiumschale
(- Pol) sowie am den Kohlestab (+ Pol) angesteckt
und ans Messgerät angeschlossen
Beobachtungen: Eine Spannung von 0,7 – 0,8 V ist feststellbar.
18
Kompetenzraster
Inhaltsdimension:


C3 – Grundmuster chemischer Reaktionen
C4 – Rohstoffquellen und ihre verantwortungsbewusste Nutzung
chemische Grundkenntnisse in praxisrelevanten Bereichen
(Kleidung, Wohnen, Energieversorgung, Verkehr, Technik)
Handlungsdimension:
Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren
 W1: Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und benennen
 W4: die Auswirkungen von Vorgängen in der Natur, Umwelt und Technik auf die Umwelt und
Lebenswelt erfassen und beschreiben
Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen
 E1: zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen

Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur, Umwelt und
Technik mit einfacher Sprache beschreiben, mit einfachen Mitteln untersuchen und
alltagsweltlich bewerten; reproduzierendes Handeln.
19
Experiment 7
Brennstoffzellenauto







Elektrolyse von Wasser
Knallgasreaktion und Knallgaszelle
Zusammenhang Elektrolyse und
galvanisches Element
Wasserstoff als Energieträger
Energiespeicherung
Erneuerbare Energien
Elektrotechnik
Ziel des Experimentes:
Mit diesem Experiment soll gezeigt werden, dass Wasser mittels elektrischen Stroms aus Solarenergie
in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden kann (Elektrolysezelle).
Beide Gase können in der Brennstoffzelle zu Wasser und Energie umgesetzt werden (Galvanische
Zelle).
Als Modell dient ein Auto, in welchem sich eine Wasserelektrolyse- und Brennstoffzelle befindet und
somit „mit Wasser“ betrieben werden kann.


Modellauto mit Solarpanel,
Elektrolyse- und Brennstoffzelle
Kabel
Chemikalien

Destilliertes Wasser




Die beiden Zylinderbecher der Elektrolysezelle am Modellauto werden mit Wasser gefüllt
Jetzt wird das Solarpanel am Auto angeschlossen
Das Solarpanel mit Sonnenlicht oder Glühlampe
bestrahlen lassen
Wenn sich genügend Sauerstoff- und Wasserstoff
gebildet haben, werden die Kabel abgesteckt und die
Gasschläuche mit der Brennstoffzelle verbunden
Beobachtungen

Das Auto fährt!
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Erklärung:
Elektrolysezelle
In Elektrolysezellen werden chemische Verbindungen mittels elektrischen Strom in andere
Verbindungen zerlegt, Wasser also in Wasserstoff und Sauerstoff
Elektrolysereaktionsgleichung von Wasser:
2 H2O + elektrische Energie  2 H2 + O2
Elektrische Energie wird in chemische Energie umgeformt
Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Stromerzeuger, der direkt aus der Energie einer
chemischen Reaktion Elektrizität erzeugt.
Brennstoffzellengleichung zur Wasserbildung:
2 H2 + O2  2 H2O + elektrische Energie
Chemische Energie wird in elektrische Energie umgeformt
21
Kompetenzraster
Inhaltskompetenz: C1, P1, P2; Handlungskompetenz: H1, N1

C1: Grundmuster chemischer Reaktionen
Exotherme und endotherme Reaktionen

P1: Mechanik
Mechanische Energieformen und deren Umwandlung (Bewegungsenergie, gespeicherte
Energie)

P2: Elektrizität und Magnetismus
Elektrische Erscheinungen in Natur und Technik, Prinzip des Generators, Transformators und
Elektromotors
Handlungsdimension:
 H1: Beobachten, Erfassen, Beschreiben
Umfasst die Kompetenz, Vorgänge und Erscheinungsformen der Natur aus der Sicht der
naturwissenschaftlichen Fächer zu beobachten, zu beschreiben und mitzuteilen. Dazu
gehören das Ordnen, Darstellen und Protokollieren dieser Phänomene und die
Durchführung einfacher Messungen, einzeln oder im Team.
o

Umsetzung im Experiment: Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand ihres
Vorwissens über die Elektrolyse von Wasser, ihre Beobachtungen interpretieren mit
Hilfe des Lehrenden, im Anschluss interpretieren.
Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur,
o
Umsetzung im Experiment: Die Schülerinnen und Schüler werden beim
Experimentieren vom Lehrenden angeleitet und durch gezieltes Beobachten des
Elektrolyseprozesses zum Interpretieren des Vorgangs, unter Anwendung von
Fachausdrücken, geführt.
Quelle: Universität Wien http://pluslucis.univie.ac.at/FBW0/FBW2011/Material/Hopf.pdf
22

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