Unterrichtsplan | Traditionelle Methodologie | Elektrochemie: Faradaysche Gesetze

Ziele

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Ziel dieser Etappe ist es, einen klaren und objektiven Überblick über die Ziele des Unterrichts zu geben und sicherzustellen, dass die Schüler die Bedeutung des Beherrschens der Faraday-Gesetze und ihrer praktischen Anwendungen verstehen. Durch die Festlegung dieser Ziele leitet der Lehrer den Fokus des Unterrichts und bereitet den Boden für strukturiertes und effizientes Lernen.

Hauptziele

1. Die Faraday-Gesetze und ihre mathematischen Formeln erklären.

2. Demonstrieren, wie die Faraday-Gesetze angewendet werden können, um die Masse, die während der Elektrolyse an einer Elektrode abgegeben wird, zu berechnen.

3. Die Schüler bei der Lösung von Problemen unterstützen, die die notwendige Zeit für die Ablagerung einer bestimmten Masse an einer Elektrode betreffen.

Einführung

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Ziel dieser Etappe ist es, die Aufmerksamkeit der Schüler zu gewinnen und die Bedeutung des Themas zu kontextualisieren, indem gezeigt wird, wie Elektrolyse und die Faraday-Gesetze in verschiedenen Anwendungen des Alltags präsent sind. Dies hilft, das Interesse und die Motivation der Schüler zu wecken und sie auf den theoretischen Inhalt vorzubereiten, der später behandelt wird.

Kontext

Um die heutige Unterrichtsstunde über Elektrochemie: Faraday-Gesetze zu beginnen, sollte man die entscheidende Rolle der Elektrolyse im modernen Leben betrachten. Die Elektrolyse ist ein lebenswichtiger Prozess in verschiedenen Industrien, einschließlich der Produktion von Aluminium, Kupfer und anderen Metallen, sowie bei der Herstellung chemischer Produkte wie Chlor und Natronlauge. Dieses Szenario zu präsentieren hilft den Schülern, die praktische und wirtschaftliche Bedeutung des Inhalts zu erkennen, den sie lernen werden.

Neugier

Wussten Sie, dass Elektrolyse grundlegend für die Wasserstoffproduktion ist, der eine saubere und erneuerbare Energiequelle darstellt? Darüber hinaus ermöglicht die Elektrolyse die Galvanoplastik, einen Prozess, der verwendet wird, um metallische Objekte mit einer Schicht eines anderen Metalls, wie Silber oder Gold, zu beschichten, wodurch sie widerstandsfähiger und ästhetischer werden.

Entwicklung

Dauer: 45 bis 50 Minuten

Ziel dieser Etappe ist es, das Wissen der Schüler über die Faraday-Gesetze zu vertiefen und ihnen ein solides Verständnis der beteiligten Formeln und Konzepte zu vermitteln. Durch detaillierte Erklärungen und praktische Beispiele werden die Schüler in der Lage sein, die Faraday-Gesetze in verschiedenen Elektrolyse-Problemen anzuwenden und ihre Berechnungs- und Problemlösungsfähigkeiten zu stärken.

Abgedeckte Themen

1. Erstes Faraday-Gesetz: Erklären Sie, dass die Menge der Substanz (m), die an einer Elektrode abgelagert oder freigesetzt wird, direkt proportional zur Menge der elektrischen Ladung (Q) ist, die durch die Lösung fließt. Die Grundformel lautet m = kQ, wobei k die Proportionalitätskonstante ist. 2. Zweites Faraday-Gesetz: Details dazu, dass die Masse verschiedener Substanzen, die durch eine gleiche Menge Elektrizität abgelagert oder freigesetzt wird, proportional zu ihren chemischen Äquivalenten ist. Die Formel lautet m = (M/F) * (Q/z), wobei M die molare Masse, F die Faraday-Konstante, Q die Ladung und z die Anzahl der in der Reaktion beteiligten Elektronen ist. 3. Berechnung der elektrischen Ladung (Q): Erklären Sie, wie die elektrische Ladung mit der Formel Q = I * t berechnet wird, wobei I die Stromstärke in Ampere und t die Zeit in Sekunden ist. 4. Praktische Beispiele: Präsentieren Sie praktische Beispiele für Berechnungen unter Verwendung der Faraday-Gesetze, wie die Berechnung der Masse von Kupfer, die abgelagert wird, wenn ein Strom von 2A 30 Minuten lang durch eine CuSO₄-Lösung fließt.

Klassenzimmerfragen

1. Berechnen Sie die Masse von Silber, die an einer Elektrode abgelagert wird, wenn ein Strom von 3A 20 Minuten lang durch eine AgNO₃-Lösung fließt. (Gegeben: M_Ag = 107,87 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 1) 2. Bestimmen Sie die notwendige Zeit, um 0,5 g Nickel an einer Elektrode aus einer NiSO₄-Lösung mit einem Strom von 1,5A abzulagern. (Gegeben: M_Ni = 58,69 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2) 3. Ein Strom von 2A fließt 45 Minuten lang durch eine CuSO₄-Lösung. Berechnen Sie die Masse von Kupfer, die an der Elektrode abgelagert wird. (Gegeben: M_Cu = 63,55 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2)

Fragediskussion

Dauer: 20 bis 25 Minuten

Ziel dieser Etappe ist es, das Wissen, das die Schüler während des Unterrichts erworben haben, zu überprüfen und zu festigen und sicherzustellen, dass sie verstehen, wie die Faraday-Gesetze in verschiedenen Kontexten angewendet werden können. Durch die Diskussion der Lösungen der präsentierten Probleme und das Engagement der Schüler mit reflexiven Fragen erleichtert der Lehrer die Verankerung des Inhalts und fördert eine aktive und partizipative Lernumgebung.

Diskussion

• Frage 1: Berechnen Sie die Masse von Silber, die an einer Elektrode abgelagert wird, wenn ein Strom von 3A 20 Minuten lang durch eine AgNO₃-Lösung fließt.

Bestimmen Sie die elektrische Ladung (Q):

Q = I * t = 3A * (20 * 60s) = 3600 C

Verwenden Sie das zweite Faraday-Gesetz:

m = (M/F) * (Q/z) = (107,87 g/mol / 96500 C/mol) * (3600 C / 1) ≈ 4,03 g

Antwort: Die Masse von Silber, die abgelagert wird, beträgt ungefähr 4,03 g.

• Frage 2: Bestimmen Sie die notwendige Zeit, um 0,5 g Nickel an einer Elektrode aus einer NiSO₄-Lösung mit einem Strom von 1,5A abzulagern.

Verwenden Sie das zweite Faraday-Gesetz, um Q zu finden:

m = (M/F) * (Q/z)

Q = m * (F * z / M) = 0,5 g * (96500 C/mol * 2 / 58,69 g/mol) ≈ 1644,82 C

Berechnen Sie die Zeit (t):

Q = I * t

t = Q / I = 1644,82 C / 1,5 A ≈ 1096,55 s ≈ 18,28 min

Antwort: Die notwendige Zeit beträgt ungefähr 18,28 Minuten.

• Frage 3: Ein Strom von 2A fließt 45 Minuten lang durch eine CuSO₄-Lösung. Berechnen Sie die Masse von Kupfer, die an der Elektrode abgelagert wird.

Bestimmen Sie die elektrische Ladung (Q):

Q = I * t = 2A * (45 * 60s) = 5400 C

Verwenden Sie das zweite Faraday-Gesetz:

m = (M/F) * (Q/z) = (63,55 g/mol / 96500 C/mol) * (5400 C / 2) ≈ 1,78 g

Antwort: Die Masse von Kupfer, die abgelagert wird, beträgt ungefähr 1,78 g.

Schülerbeteiligung

1. Welche praktische Bedeutung haben die Faraday-Gesetze in der modernen Industrie? 2. Wie kann Elektrolyse in nachhaltigen Prozessen verwendet werden? 3. Können Sie an andere praktische Anwendungen der Faraday-Gesetze außerhalb der im Unterricht genannten denken? 4. Wie beeinflusst die Menge an elektrischem Strom die Menge der an einer Elektrode abgelagerten Substanz? 5. Wie steht der Zeitraum der Elektrolyse zur abgelagerten Masse in Beziehung?

Fazit

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Ziel dieser Etappe ist es, die wichtigsten Punkte, die während des Unterrichts behandelt wurden, zu überprüfen und zu festigen, um sicherzustellen, dass die Schüler ein klares und vollständiges Verständnis des Inhalts haben. Durch die Wiederholung der Themen und die Diskussion ihrer praktischen Anwendungen und der Relevanz verstärkt der Lehrer das Lernen und bereitet die Schüler darauf vor, die Konzepte eigenständig anzuwenden.

Zusammenfassung

• Die Faraday-Gesetze wurden erklärt, einschließlich des ersten Gesetzes, das die Menge der an einer Elektrode abgelagerten oder freigesetzten Substanz mit der Menge der durch die Lösung geflossenen elektrischen Ladung in Beziehung setzt.
• Das zweite Faraday-Gesetz wurde detailliert behandelt und zeigt, wie die Masse verschiedener Substanzen, die durch eine gleiche Menge Elektrizität abgelagert oder freigesetzt wird, proportional zu ihren chemischen Äquivalenten ist.
• Die Formel zur Berechnung der elektrischen Ladung (Q) wurde vorgestellt, unter Verwendung der Beziehung zwischen Strom (I) und Zeit (t).
• Praktische Beispiele wurden gelöst, um die Anwendung der Faraday-Gesetze in der Berechnung der abgelagerten Masse und der Elektrolysezeit zu veranschaulichen.

Der Unterricht verband Theorie und Praxis, indem praktische Beispiele von Berechnungen unter Verwendung der Faraday-Gesetze präsentiert wurden. Dies ermöglichte es den Schülern zu sehen, wie mathematische Formeln und theoretische Konzepte direkt in realen Situationen der Elektrolyse angewendet werden, was das Verständnis und die praktische Anwendung des Inhalts erleichtert.

Das präsentierte Thema hat eine große Bedeutung für den Alltag, da Elektrolyse ein essenzieller Prozess in verschiedenen Industrien ist, von der Metallproduktion bis zur Herstellung chemischer Produkte. Darüber hinaus haben Techniken wie die Galvanoplastik, die Elektrolyse verwenden, um metallische Objekte zu beschichten, praktische Anwendungen, die von der Schmuckherstellung bis hin zum Korrosionsschutz reichen.