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12.3 galvanische Zelle: Leerlaufspannung als Potentialdifferenz

Link-Ebene

a) Redoxpotential und Redoxreihe

Überlegungen zur Umsetzung des Lehrplans

Vorschläge zu Inhalten und Niveau

  • Redoxreihe der Metalle: Herleitung der Reihenfolge über Auswertung von Experimenten (Eintauchen verschiedener Metalle in Metallsalzlösungen; unedle und edle Metalle)
  • Redoxpotential: Tendenz zur Elektronenabgabe
  • evtl. Ergänzen der Reihe um Nichtmetalle und Ionen (z. B. Fe2+/Fe3+, Mn2+/MnO4-)

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung

Kompetenzbereich Fachmethoden (EPA):

  • … interpretieren chemische Reaktionen auf der Teilchenebene,
  • … können Hypothesen bilden, Voraussagen formulieren und diese experimentell überprüfen.

Diese Aspekte können im Unterricht durch Entdecken des „Ordnungsprinzips“ der Metalle (Tendenz, Elektronen abzugeben), Aufstellen der Redoxreihe auf Basis der experimentellen Befunde und das Planen von weiteren Experimenten, um weitere Elemente in die Redoxreihe einzuordnen, aufgegriffen werden.

Vorschläge für Experimente

(Besonders anschaulich sind Kombinationen, bei denen nicht nur die Abscheidung eines Metalls zu sehen ist, sondern durch die Änderung der Lösungsfarbe auch die Entstehung des Ions des unedleren Metalls.)

  • Eisennagel in Kupfersulfatlösung tauchen; parallel ansetzen: Eisenwolle oder -pulver in Kupfersulfatlösung; Umfärbung der Lösung in Richtung blassgrün lässt sich beobachten (S)
  • Zinkgranalien/-pulver und Kupfersulfat-Lösung; Entfärbung der Lösung (S)
  • Zinkgranalien/-pulver und gelbe Eisen(III)-chlorid- oder grüne Eisen(II)-chlorid-Lösung; Entfärbung der Lösung (S)
  • Kupferwolle(-blech) und Silbernitratlösung; bei Verwendung von Kupferwolle zunehmend Umfärbung der Lösung nach blau, amorphes Silber auf dem Kupfer (S)
  • exemplarisch demonstrieren, dass die Umkehrung nicht freiwillig abläuft: z. B. Silberdraht in Kupfersulfatlösung, Kupferblech in Eisen(III)-chlorid-Lösung (S)
  • Schwarze Löcher auf der CD: Auf eine entlackte CD-ROM wird eine Zinn(II)-chlorid-Lösung getropft: Reaktion der Aluminium-Atome auf der CD mit Zinn(II)-Ionen, Bildung von Zinn (S)
  • Reaktionen von verdünnter wässriger Säurelösung mit edlem bzw. unedlem Metall; Einordnung von Wasserstoff in die Redoxreihe (S)
  • Zugabe von Chlor (z. B. V(Chlor) = 5 ml microscalemäßig hergestellt) oder Chlorwasser zu KI(aq) und KBr(aq)
  • Computersimulation: Die Reaktion von Eisen in CuSO4-Lösung (http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm)

b) galvanische Zelle

Überlegungen zur Umsetzung des Lehrplans

Vorschläge zu Inhalten und Niveau

  • Halbzelle, galvanische Zelle als Kombination zweier Halbzellen
  • quantitativer Aspekt des Energieumsatzes der Redoxreaktionen; messbar bei räumlicher Trennung von Oxidation und Reduktion

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung

Kompetenzbereich Fachmethoden (EPA):

  • … können selbstständig chemische Experimente planen, durchführen, beobachten, beschreiben und auswerten,
  • … können Hypothesen bilden, Voraussagen formulieren und diese experimentell überprüfen.

Diese Aspekte können im Unterricht folgendermaßen aufgegriffen werden: Die bei der Reaktion von Zink mit Kupfer(II)-Ionen als Wärme frei werdende Energie soll als elektrische Energie genutzt werden; Entwicklung des prinzipiellen Aufbaus einer galvanischen Zelle („Erfinden“ des Daniell-Elementes); auf Basis der Redoxreihe Entwickeln von weiteren Halbzell-Kombinationen; Messung der Leerlaufspannung

Vorschläge für Experimente

  • Reaktionsenergie bei der Reaktion von Zinkpulver mit Kupfersulfat-Lösung: Temperaturmessung (S)
  • galvanische Zellen (z. B. Daniell-Element) als Macro- oder Microscale-Experiment (S)
  • Computersimulation: Galvanische Zellen (http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm)
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