Lehrplan | Aktive Methodik | Elektrochemie: Elektrolyse

Prämissen: Dieser aktive Lehrplan geht von einer 100-minütigen Unterrichtsdauer aus, vorheriges Lernen der Schüler sowohl mit dem Buch als auch mit dem Beginn der Projektentwicklung, und dass nur eine Aktivität (von den drei vorgeschlagenen) während des Unterrichts durchgeführt wird, da jede Aktivität darauf ausgelegt ist, einen großen Teil der verfügbaren Zeit in Anspruch zu nehmen.

Ziel der Aktivität

Dauer: (5 - 10 Minuten)

Die Zielsetzungsphase ist essenziell, um sowohl den Lehrkräften als auch den Schülern die angestrebten Lernziele klar zu vermitteln. Eine präzise Definition dessen, was erreicht werden soll, hilft den Schülern, sich gezielt auf den Unterricht vorzubereiten, während die Lehrkraft den Ablauf der Aktivitäten optimal strukturieren kann. Dieser Abschnitt sorgt zudem für abgestimmte Erwartungen und lenkt die Aufmerksamkeit auf die zentralen Aspekte elektrolytischer Prozesse.

Ziel der Aktivität Utama:

1. Die Schüler sollen befähigt werden, den Elektrolyseprozess und seine vielfältigen praktischen Anwendungen zu verstehen.

2. Förderung der Fähigkeit, problemorientiert Lösungen zu entwickeln, speziell in Bezug auf die Wasserelektrolyse und weitere Medien.

Ziel der Aktivität Tambahan:

1. Förderung der kritischen Analyse der bei der Elektrolyse ablaufenden elektrochemischen Reaktionen.

Einführung

Dauer: (20 - 25 Minuten)

Die Einleitungsphase soll die Schüler dazu anregen, sich mittels praxisnaher Problemszenarien erstmals intensiv mit der Elektrolyse auseinanderzusetzen. Dadurch wird nicht nur das kritische Denken gefördert, sondern auch der Bezug zwischen Theorie und realen Anwendungsfällen hergestellt, um die Relevanz des Themas lebendig und motivierend zu machen.

Problemorientierte Situation

1. Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten in einem Labor und sollen die Bestandteile einer Kupfer(II)-sulfat-Lösung trennen. Welche Elektroden wären in diesem Fall ideal und wie würde der Elektrolyseprozess ablaufen?

2. In der Halbleiterindustrie wird die Elektrolyse zur Metallabscheidung auf Oberflächen für die Produktion elektronischer Geräte eingesetzt. Wie kann ein tieferes Verständnis der Elektrolyse dazu beitragen, diesen Prozess zu optimieren?

Kontextualisierung

Die Elektrolyse spielt nicht nur in der Chemie, sondern auch in zahlreichen industriellen und technologischen Anwendungsfeldern eine Schlüsselrolle. Ein bekanntes Beispiel ist das Hall-Héroult-Verfahren in der Aluminiumproduktion, bei dem durch Elektrolyse Aluminium aus seiner oxidierten Form gewonnen wird. Ebenso kann das Verständnis der Wasserelektrolyse entscheidend für den Fortschritt in der Entwicklung sauberer Energietechnologien sein, wie etwa der Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen. Diese realweltlichen Anwendungen unterstreichen die Bedeutung eines fundierten theoretischen Wissens über die Elektrolyse.

Entwicklung

Dauer: (65 - 75 Minuten)

Der Entwicklungsabschnitt ermöglicht den Schülern, das theoretisch erworbene Wissen zur Elektrolyse in praxisnahen, herausfordernden Aufgaben anzuwenden. Durch die realitätsnahen Simulations- und Problemstellungen wird das Verständnis vertieft, das kritische Denken geschärft und die Zusammenarbeit in Gruppen gefördert. So wird sichergestellt, dass die Schüler ihre theoretischen Kenntnisse in Alltagssituationen und in der Industrie wirkungsvoll einsetzen können.

Aktivitätsempfehlungen

Es wird empfohlen, nur eine der vorgeschlagenen Aktivitäten durchzuführen

Aktivität 1 - Mission H2O: Die große Elektrolyse

> Dauer: (60 - 70 Minuten)

- Ziel der Aktivität: Anwendung von Kenntnissen zur Wasserelektrolyse zur Lösung eines praxisnahen ingenieurtechnischen Problems sowie Förderung von Teamarbeit und kritischem Denkvermögen.

- Beschreibung: Bei dieser praktischen Aufgabe schlüpfen die Schüler in die Rolle von Ingenieuren in einer Wasserstoffproduktionsanlage. Ihre Aufgabe ist es, den Wasserelektrolyseprozess zu optimieren, indem sie ein System entwerfen, das effizient Strom einsetzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln – und dabei Kosten senkt sowie den Ertrag maximiert.

- Anweisungen:

• Teilen Sie die Klasse in Gruppen von maximal fünf Schülern ein.

• Jede Gruppe erhält eine Liste gängiger Materialien sowie ein fiktives Budget.

• Die Gruppen entwickeln ein Konzept für ein Wasserelektrolysesystem, wobei sie u.a. die Elektrodenart, die Wahl der Lösung und die Energiequelle berücksichtigen.

• Nach der Ausarbeitung präsentiert jede Gruppe ihr System und erläutert die getroffenen Entscheidungen sowie die zugrundeliegenden chemischen Reaktionen.

• Die Bewertung erfolgt anhand der Effizienz des entworfenen Systems und der wissenschaftlichen Begründung der Lösungsansätze.

Aktivität 2 - Elektrolyse-Detektive

> Dauer: (60 - 70 Minuten)

- Ziel der Aktivität: Förderung der Beobachtungs- und Analysefähigkeiten im Kontext elektrochemischer Reaktionen sowie Stärkung des logischen Denkens und der Hypothesenbildung.

- Beschreibung: Die Schüler schlüpfen in die Rolle von chemischen Detektiven und untersuchen, welche Ionen bei einem Elektrolyseexperiment 'verschwunden' sind. Anhand von Beobachtungen wie Farbveränderungen und Gasentwicklung sollen sie ermitteln, welche Ionen an den jeweiligen Elektroden abgeschieden wurden.

- Anweisungen:

• Organisieren Sie die Schüler in Gruppen und verteilen Sie an jede Gruppe einen Satz von Beobachtungen zu einem Elektrolyseexperiment.

• Die Hinweise umfassen Farbveränderungen, Blasenbildung sowie Strommesswerte.

• Die Gruppen sollen ihre analytischen Fähigkeiten einsetzen, um die an den Elektroden abgelagerten Substanzen zu identifizieren.

• Jede Gruppe erstellt anschliessend einen Bericht über ihre Beobachtungen und den Gedankengang dahinter.

• Zum Abschluss präsentieren die Gruppen ihre Ergebnisse und erläutern, warum sie zu ihren Schlussfolgerungen gelangt sind.

Aktivität 3 - Die Metall-Herausforderung

> Dauer: (60 - 70 Minuten)

- Ziel der Aktivität: Anwendung von Kenntnissen über Reaktivität und Thermodynamik zur Auswahl optimaler Elektroden in einem elektrolytischen Szenario sowie Förderung des Verständnisses grundlegender chemischer Konzepte.

- Beschreibung: In dieser Aufgabe stehen die Schüler vor der Herausforderung, das passende Elektrodenmaterial für die Elektrolyse unterschiedlicher Metalllösungen auszuwählen. Dabei gilt es, die Reaktivität der Metalle, die Elektrodenart und die spätere Anwendung des gewonnenen Metalls in Betracht zu ziehen.

- Anweisungen:

• Teilen Sie die Schüler in Gruppen ein und weisen Sie jeder Gruppe eine Liste mit verschiedenen Metallen und dazugehörigen Ionenlösungen zu.

• Die Gruppen entscheiden, welches Metall sie pro Elektrode vorziehen, wobei sie die Reaktivität und die Stabilität der entstehenden Verbindungen berücksichtigen müssen.

• Anschließend präsentiert jede Gruppe ihre Wahl und untermauert diese mit chemischen Reaktions- und Thermodynamikprinzipien.

• Im Anschluss diskutieren Sie gemeinsam die unterschiedlichen Lösungsansätze und ihre praktische Relevanz.

• Führen Sie einen kurzen Wettbewerb durch, um festzustellen, welche Gruppe bei der Elektrodenauswahl am effizientesten war.

Feedback

Dauer: (15 - 20 Minuten)

Das Ziel dieser Feedback-Phase besteht darin, den Lernprozess zu festigen, indem die Schüler ihr erworbenes Wissen artikulieren und von den Erfahrungen ihrer Mitschüler profitieren können. Die Diskussion trägt dazu bei, das Verständnis für die elektrolytischen Prozesse, deren Anwendungen und Herausforderungen zu vertiefen und gleichzeitig Kommunikations- sowie Argumentationsfähigkeiten zu fördern.

Gruppendiskussion

Nach Abschluss der Aktivitäten sammeln Sie die Schüler zu einer gemeinschaftlichen Diskussion. Beginnen Sie mit einer kurzen Einführung und betonen Sie, wie wichtig es ist, Erkenntnisse und Herausforderungen miteinander zu teilen. Jede Gruppe sollte die Gelegenheit erhalten, ihr Projekt oder ihre Ergebnisse vorzustellen, wobei der Fokus auf den beobachteten Elektrolyseprozessen und den getroffenen Entscheidungen liegt. Nutzen Sie offene Fragen, um einen regen Ideenaustausch zu fördern und das Verständnis des Themas weiter zu vertiefen.

Schlüsselfragen

1. Was waren die größten Herausforderungen bei der Gestaltung Ihres Wasserelektrolysesystems und wie haben Sie diese gemeistert?

2. Wie hat Ihnen das theoretische Wissen zur Elektrolyse dabei geholfen, die in den Aktivitäten beobachteten Ergebnisse zu erklären?

3. Inwiefern können industrielle Anwendungen der Elektrolyse durch das heute erworbene Wissen verbessert werden?

Fazit

Dauer: (10 - 15 Minuten)

Ziel der Schlussphase ist es, die erlernten Inhalte zu festigen und den Zusammenhang zwischen Theorie und praktischer Anwendung deutlich zu machen. Gleichzeitig wird die Relevanz des Themas für den Alltag und die zukünftige berufliche Laufbahn der Schüler betont, um deren Interesse an weiterführenden Konzepten der Elektrochemie zu wecken.

Zusammenfassung

In diesem Abschnitt fasst der Lehrer die zentralen Konzepte zur Elektrolyse zusammen – dazu zählen die unterschiedlichen Elektrolysearten (in geschmolzenem und wässrigem Zustand) mit einem besonderen Augenmerk auf die Wasserelektrolyse. Es ist wichtig, nochmals die während der Elektrolyse ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse sowie die praktischen Anwendungen, wie beispielsweise die Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen, zu betonen.

Theorie-Verbindung

Die heutige Lektion zielt darauf ab, eine direkte Verbindung zwischen theoretischem Wissen und praktischer Anwendung herzustellen. Die Simulations- und Problemstellungen imitieren reale Szenarien, in denen fundiertes theoretisches Verständnis entscheidend für den Erfolg von industriellen oder forschungsbezogenen Anwendungen ist.

Abschluss

Zum Abschluss ist es zentral, die Bedeutung der Elektrolyse im täglichen Leben und in der Industrie hervorzuheben. Das erworbene Wissen über diese Prozesse bereichert nicht nur das akademische Fundament der Schüler, sondern bereitet sie auch darauf vor, zukünftigen Herausforderungen mit innovativen und nachhaltigen Lösungen zu begegnen. Elektrolyse zeigt eindrucksvoll, wie Chemie als kraftvolles Instrument für Fortschritt und technologischen Wandel genutzt werden kann.