Elektrolyse - Staatliches Seminar Reutlingen

NWA – Tag2013:Thema -ModelleElektrolyse –VerkupferungsprozessimRollenspielTatjana FriedrichSarah SchellingDanny FellenbergMaximilian Wentz

Inhalt1. Sachanalyse ..................................................................................................................................... 21.1. Definition der Elektrolyse ........................................................................................................ 22. Didaktische Analyse ......................................................................................................................... 32.1. Einbettung des Modells in den Gesamtzusammenhang ......................................................... 32.2. Bezug zum Bildungsplan .......................................................................................................... 42.3. Begründung der Thematik mittels der bildungstheoretischen Didaktik nach Klafki ............... 52.3.1. Die exemplarische Bedeutung des Unterrichtsinhalts .................................................... 52.3.2. Die Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung des Unterrichtsinhalts .................................. 52.4. Didaktische Reduktion & Gesetze der Gestaltungspsychologie .............................................. 52.5. Konkrete Umsetzung des Modells im Unterricht .................................................................... 83. Lernziele ........................................................................................................................................ 124. Quellen .......................................................................................................................................... 144.1. Literaturquellen: .................................................................................................................... 144.2. Bilderquellen: ........................................................................................................................ 145. Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... 141

1. Sachanalyse1.1. Definition der Elektrolyse„Die Elektrolyse ist die Umkehrung der Reaktionen, die bei einem galvanischenElement freiwillig ablaufen.“ 1 Im Unterschied zum galvanischen Element benötigtman bei der Elektrolyse aber die Zufuhr elektrischer Energie, die überhaupt erst fürdas Ablaufen der Elektrolyse sorgt. Wenn die Energie nicht zugeführt werden würde,würde die Reaktion in exakt die entgegengesetzte Richtung ablaufen. Es wird alsozunächst Energie benötigt, um die Reaktion überhaupt ablaufen zu lassen. Bei derzugeführten Energie unterscheidet man zwei unterschiedliche Formen, die reversibleund irreversible Energie. Die reversible Energie wird „bei der galvanischenStromerzeugung wieder zurückgewonnen […]. Der irreversible Anteil wandelt sich inWärme um und dient zur Überwindung des Widerstandes der Elektrolytlösung“ 2 .Ob und in welche Richtung der Strom bei einer Elektrolyse fließt, hängt imWesentlichen von der angelegten Spannung ab. Entscheidend dabei ist, ob dieSpannung kleiner, gleich groß, oder größer wie die elektromotorische Kraft (EMK)des galvanischen Elementes ist. Die EMK wird definiert als „Potenzialdifferenzzwischen den einzelnen Halbzellen des galvanischen Elements.“ 3In unserem Beispiel verwenden wir für die Elektrolyse ein Eisenschlüssel und einKupferblech. Wenn „nun die angelegte Spannung kleiner als die EMK [ist], überwiegtdie EMK. Das galvanische Element liefert Strom, und es erfolgt die Reduktion desKupfers und die Oxidation des Metalls.“ 4Im zweiten Fall ist die an das galvanische Element angelegte Spannung exakt gleichgroß, wie die EMK. In diesem Fall egalisieren sich beide Spannungen und es fließtkein Strom mehr. Im letzten Fall ist die angelegte Spannung größer als die EMK.Hierbei dreht sich die Stromrichtung um im Vergleich zum ersten Fall. „DieSpannung, bei der sich der Stromfluss umkehrt, nennt man Zersetzungsspannung“. 51Pfeifer, Peter; Lutz, Bernd; Bader, Hans Joachim (federführend), 2002. Konkrete FachdidaktikChemie. München: Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, S.242.2ebd., S.242.3ebd., S.242.4ebd., S.242.5ebd., S.242.2

Um nun zu unserem konkreten Elektrolysebeispiel zu kommen: In unserem Fallwerden zwei Elektroden (Kupferblech und Schlüssel) in eine wässrigeElektrolytlösung getaucht und anschließend eine Gleichspannung angelegt. Somitfindet die Elektrolyse, eine gewisse Form der Redoxreaktion, statt.2. Didaktische Analyse2.1. Einbettung des Modells in den GesamtzusammenhangDie Thematik des Modells wird in der Klassenstufe 8 in der Realschule behandelt.Bis zu diesem Zeitpunkt bringen die SuS, wie auch das nachfolgende Kapitel „Bezugzum Bildungsplan“ zeigen wird, aus den vorangegangenen Klassen kaum Vorwissenmit. Erst in Klasse 8 werden dann die entsprechenden Chemiethemen angegangen,die für das Verständnis der Thematik Elektrolyse unabdingbar sind. Beispielsweisemüssen die chemische Reaktion und die chemische Formelschreibweise bereitsbekannt sein, ebenso wie die Redoxreaktion. Da die Elektrolyse ja einen speziellenFall der Redoxreaktion darstellt, wird sie nach dieser Unterrichtseinheit in der 8.Klasse thematisiert. Begriffe rund um das “Begriffsnetz Atom“ sollten bis dato auchbereits bekannt sein, um die Thematik effektiv unterrichten zu können. Unmittelbarvor dem Rollenspiel sollte der reale Versuch stattgefunden haben. Somit hat dasRollenspiel unterschiedlichste Funktionen. Einerseits stellt es eine gewisse Form derErgebnissicherung dar, andererseits auch eine interaktive Vertiefung. Generell findetman Rollenspielelemente wie beispielsweise die Standbild- oder Alter-Ego-Technikim naturwissenschaftlichen Unterricht kaum. Diese Rollenspielelemente bleibenzumeist den sprach- und geisteswissenschaftlichen Fächern vorbehalten. Dabei isteben auch im naturwissenschaftlichen Unterricht das Rollenspiel eine Möglichkeit,den zuvor behandelten Stoff zu sichern und zu vertiefen, um so für ein besseresVerständnis seitens der SuS zu sorgen. Gerade wenn man sich vor Augen führt,dass eben jeder Schüler auf seine ganz individuelle Art und Weise lernt, stellt diesesRollenspiel eine sinnvolle haptische Ergänzung zu den „klassischen Elementen“ desnaturwissenschaftlichen Unterrichts dar. Gerade in puncto Anschaulichkeit (Gesetzeder Gestaltungspsychologie werden in dieser Ausarbeitung noch näherangesprochen) liefert das Rollenspiel einen eindeutigen Mehrwert im Vergleich zuden gängigen Methoden des naturwissenschaftlichen Unterrichts, die natürlich auch3

eine haptische Komponente besitzen (Experimentieren – umgehen mit Chemikalienund Geräten), letzten Endes aber doch eher kognitiv ausgerichtet sind.2.2. Bezug zum BildungsplanBereits in den Leitgedanken zum Kompetenzerwerb im Bildungsplan 2004 wird einzentrales Ziel beschrieben, welches sich auch unmittelbar mit der Thematik dieserAusarbeitung verknüpfen lässt:„Im Verlauf der Schulzeit wird eine naturwissenschaftliche Grundbildung angestrebt,die Basis ist für die lebenslange Auseinandersetzung mit den Naturwissenschaften[ist …]. 6Im Bildungsplan lassen sich einige Begründungen und Anhaltspunkte für diebeschriebene Thematik des Modells finden.So heißt es beispielsweise, dass „die Schülerinnen und Schüler:- Gesetze, Modelle und Konzepte zur Erklärung heranziehen.- Begriffe und Modelle bilden [können …]“ 7Des Weiteren heißt es im Bildungsplan, gerade hinsichtlich der Gegenwarts- undZukunftsbedeutung für die SuS bezüglich der Thematik:„Die Schülerinnen und Schüler [können]:- Komplexe Zusammenhänge in Wirtschaft und Gesellschaft auch unternaturwissenschaftlichem Blickwinkel sehen und werten.- Naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen anwenden.“ 8Zudem heißt es in der Subkategorie „Antworten und Erkenntnisse durch Kooperationund Kommunikation:Die Schülerinnen und Schüler können- auf Modellebene denken und eigene Modelle entwickeln;6Bildungsplan 2004, S.96.7ebd., S.97.8ebd., S.97.4

- mit Modellen sich selbst und anderen Phänomene beschreiben, demVerstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen.“ 92.3. Begründung der Thematik mittels der bildungstheoretischenDidaktik nach KlafkiIm nun folgenden Textabschnitt werden der Unterrichtsinhalt und dieUnterrichtsumsetzung mit den drei wesentlichen Aspekten der bildungstheoretischenDidaktik von Klafki begründet.2.3.1. Die exemplarische Bedeutung des UnterrichtsinhaltsDer Unterrichtsinhalt der Elektrolyse kann exemplarisch für die Thematik derRedoxreaktion angesehen werden. Denn alle Elemente der Redoxreaktion findensich bei der Elektrolyse wieder. Neben einer Oxidation findet auch eine Reduktionstatt. Ebenfalls kann der Unterrichtsinhalt auch als exemplarisch für das Vorgeheninsgesamt im Chemieunterricht gelten, da man mittels eines didaktisch reduziertenModells versucht das Verständnis der SuS zu sichern.2.3.2. Die Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung des UnterrichtsinhaltsDie Elektrolyse ist heutzutage eines der wichtigsten industriellenAnwendungsgebiete. Elektrolytische Verfahren finden Anwendung in der Herstellungund Reinigung von Metallen durch Schmelzelektrolyse und elektrolytischeRaffination, in der Alkalichlorid-Elektrolyse zur Gewinnung von Natronlauge undChlor aus Steinsalz, aber auch bei der Herstellung von Gasen wie Wasserstoff,Sauerstoff und Halogenen.2.4. Didaktische Reduktion & Gesetze der Gestaltungspsychologie 10Nachdem nun das Rollenspiel zur Elektrolyse zunächst in denGesamtzusammenhang gebracht und anschließend der Bezug zum Bildungsplan9ebd., S.97.10Inhaltlich angelehnt an: Barke, Hans-Dieter; Harsch Günther, 2001: Chemiedidaktik kompakt.Lernprozesse in Theorie und Praxis. Berlin; Heidelberg: Springer, S.81 ff.5

aufgezeigt wurde, sollen an dieser Stelle noch die didaktischen Prinzipien, die eshierbei zu berücksichtigen gilt, erwähnt und diskutiert werden.Aus didaktischer Sicht wurde ja bereits die Thematik in die Bildungstheorie von Klafkieingeordnet. Die didaktische Reduktion, die wir bei diesem Rollenspiel zurElektrolyse bewusst vorgenommen haben, würde sich auch mit demsituationsorientierten Ansatz nach Piaget begründen lassen. Natürlich kann man inder 8. Klasse die Elektrolyse nicht in dem wissenschaftlichen Umfang behandeln, derin der Sachanalyse dieser Ausarbeitung aufgezeigt wurde. Das Rollenspiel muss sicham kognitiven Entwicklungsstand und dem Vorwissen der SuS orientieren, um dannauch tatsächlich zu einem besseren Verständnis zu führen. Eben aus diesem Grundwird die Komplexität des Themas “Elektrolyse“ reduziert, beispielsweise werden diean der Reaktion beteiligten Begleitionen nicht weiter thematisiert.Zudem sind auch einige Prinzipien aus der Gestaltungspsychologie zuberücksichtigen, da die menschliche Erkenntnis mit der Beobachtung und visuellenWahrnehmung beginnt. Dazu gehören unter anderem die Gestalt, die Prägnanz desObjektes sowie die gute Gestaltung des visuell Dargebotenen (Farbe, Größe,Gestalt). Für die visuellen Elemente des Rollenspiels bedeutet das, dass diese klarund deutlich zu erkennen sein müssen. Eine gute Orientierung bei der Gestaltungderartiger Materialien bieten dabei die Gesetze der visuellen Wahrnehmung. Vonden zahlreichen unterschiedlichen Gesetzen sollen an dieser Stelle einige Gesetzeexemplarisch an Beispielen aus unserem Rollenspiel zur Elektrolyse vorgestelltwerden:Gesetz des Figur-Grund-KontrastsDer Figur-Grund-Kontrast besagt, dass einerseits ein Kontrast zwischen denvisuellen Elementen unseres Rollenspiels und dem Grund bestehen muss.Andererseits besagt dieses Gesetz ebenfalls, dass sich die visuellen Elemente ansich auch bereits deutlich voneinander unterscheiden sollten. Dieses Gesetz soll mitden nun folgenden zwei Bildern verdeutlicht werden:6

© PrivatAbbildung 1- Gesetz des Figur-Grund-KontrastsDer erste Aspekt, der Kontrast zwischen den visuellen Elementen des Rollenspielsund des Grundes (hier die SuS als “Grund“) ist bereits automatisch gegeben. JederSchüler repräsentiert ein Element der Elektrolyse, welches durch das Umhängensehr deutlich und gezielt visualisiert wird.Auch die visuelle Unterscheidung der Elemente des Rollenspiels an sich ist gegeben,so sind beispielsweise der Schlüssel und das Kupferblech visuell deutlichvoneinander zu unterscheiden.Gesetz der Einfachheit & der beschränkten Wahrnehmung auf drei DingeDas Gesetz der Einfachheit ist gerade für Schülerinnen und Schüler ein zentralesGesetz der visuellen Wahrnehmung. Zwar soll die Darstellung die SuS natürlichkognitiv fordern, doch diese kognitiven Anforderungen werden nicht durch einekomplexe und unstrukturierte Darstellung, sondern über einen klar und deutlichdargestellten Sachverhalt erreicht. Das Stichwort hier lautet: „Weniger ist oft mehr“.Wir haben versucht dieses Gesetz im Zuge der didaktischen Reduktion stets bei denMaterialien zur Visualisierung des Rollenspiels zu berücksichtigen, um keineVerwirrung durch unnötige Zusätze zu stiften. Der an sich schon komplexe7

Sachverhalt Elektrolyse soll nicht durch die Rollenspieldarstellung verkompliziertwerden, ganz im Gegenteil. Eine klare und eindeutige Darstellung soll den SuS eineinfacheres und besseres Verständnis ermöglichen. Eben aus diesem Grund wirddas Gesetz der Einfachheit häufig auch als das Gesetz der Beschränkungbezeichnet. Direkt in diesem Zusammenhang ist auch das Gesetz derbeschränkten Wahrnehmung auf höchstens drei Dinge zu nennen. Auch diesesversuchten wir umzusetzen, indem sich das Rollenspiel grob auf drei zentraleAspekte bei unserem Elektrolysebeispiel fokussiert:- Spannungsquelle- Schlüssel- KupferblechGesetz der NäheDas Gesetz der Nähe beschreibt das Phänomen, dass die Gegenstände vonLernenden als zusammengehörig empfunden werden, nahe beieinanderliegen oderauch farblich aufeinander abgestimmt sind. Aus diesem Grund haben dieKupferatome bzw. die Kupferionen die gleiche Farbe wie das Kupferblech. DasGleiche gilt für den Eisenschlüssel, die Eisenatome sowie die Eisenionen. FolgendesBild zeigt das Gesetz der Nähe in unserem Beispiel des Elektrolyserollenspiels.Natürlich gelten auch alle hier beschriebenen Gesetze der Gestaltungspsychologiefür die Verfilmung, die auf dem NWA-Tag 2013 präsentiert wird.2.5. Konkrete Umsetzung des Modells im UnterrichtLag der Fokus im vorhergehenden Kapitel noch insbesondere auf den Aspekten derGestaltungspsychologie, widmet sich dieses Kapitel nun der konkreten Umsetzungund Einbettung des Modells im Unterricht. Dem Einsatz des Modells geht das realeExperiment voraus, welches die Schüler selbstständig durchführen. DieBeobachtungen daraus werden dann in einem Protokoll zusammengefasst und ersteDeutungsansätze formuliert. Aus den verschiedenen Beobachtungen des realenExperiments können Überlegungen geschlossen werden, die beim Einsatz desModells hilfreich sind. Zum Beispiel kann aus der Beobachtung, dass sich derSchlüssel rot verfärbt die Schlussfolgerung gezogen werden, dass es sich um Kupfer8

handelt. Grundlegend für dieses Modell ist ein Begriffsverständnis von Ionen, demAtommodell sowie der Elektronenaufnahme und Elektronenabgabe.Nach dem Experiment können im Klassengespräch mithilfe des Modells dieVorgänge an den Elektroden besprochen werden. Eine weitere Möglichkeit wäre,dass die Schüler in einer Gruppenarbeit anhand eines Informationstexts dieVorgänge an den Elektroden selbstständig mit dem Modell nachspielen.Beim Einsatz des Modells ist es naheliegend mit den beiden Elektroden (Kupferblechund Schlüssel) zu beginnen, denn diese sind im realen Experiment für die Schülersichtbar und greifbar. Generell bietet es sich an schrittweise vorzugehen und dasModell entsprechend dem realen Experiment aufzubauen d. h. wurde im Experimentder Schlüssel rechts eingespannt so sollte sich der Schlüssel auch im Modell rechtsbefinden.© PrivatAbbildung 2 - Elektrolysemodell 1Dies kann besonders schwächeren Schülern den Transfer erleichtern. Im Modellpositionieren sich zwei Schüler möglichst weit und gut sichtbar voneinander entferntim Klassenzimmer. Jeder Schüler erhält dann das entsprechende Elektrodenschild.Anschließend kann entweder die Ladung der Elektroden thematisiert werden oderdie verschiedenen Teilchen in der Lösung. Kupfersulfat und damit auch die IonenCu 2+ und SO4 2- sollten den Schülern schon aus Vorversuchen, wie z. B. derKristallzüchtung bekannt sein. Ansonsten ist an dieser Stelle die Erarbeitung derSummenformel bzw. der Ionen notwendig. Mehrere Schüler übernehmen dabei dieRolle von Kupfer(II)-Ionen in der Lösung. Die Kärtchen für die Teilchen in der Lösung9

sind doppelseitig: Auf der einen Seite steht Cu 2, + während auf der anderen Seite Custeht . Wenn kein Strom fließt, bewegen sich die Ionen frei in der Lösung. Dies wirddurch die Schüler nachgeahmt, indem sie sich frei durch das Klassenzimmerbewegen. Anschließend kann die Ladung der Elektroden besprochen werden. Hierzukann das Modell schrittweise ergänzt werden. Die Ladung am Minuspol (Schlüssel)wird durch Klammern dargestellt, dabei steht jede Klammer für ein Elektron. Da essich um den Minuspol handelt, muss ein Elektronenüberschuss vorliegen. Dies istden Schülern meist aus dem Physikunterricht schon bekannt. An dem Kupferblechwerden die Kupferatome durch angeheftete Kärtchen dargestellt, an denen jeweilszwei Klammern hängen. Die Klammern symbolisieren die Außenelektronen derKupferatome.Im Folgenden sollte die Frage geklärt werden „Was passiert, wenn der elektrischeStrom angelegt wird?“Die Kupferblechelektrode besteht aus Kupferatomen, die durch das Anlegen einesStroms jeweils zwei Elektronen an das Kupferblech (Pluspol) abgeben und selber alsKupfer(II)-Ionen in die Lösung gehen. Gleichzeitig nehmen Kupfer(II)-Ionen aus derLösung zwei Elektronen vom Schlüssel (Minuspol) auf und lagern sich alsKupferatome am Schlüssel ab.10

+ -© PrivatAbbildung 3 - Elektrolysemodell 2Im Unterricht bietet es sich an, mit den Ionen in der Lösung zu beginnen. BeimAnlegen eines Stroms bewegen sich Kupfer(II)-Ionen aus der Lösung zum Schlüssel(Minuspol). Dies ist für die Schüler recht eindeutig, da die Kupferionen positiv und derMinuspol negativ geladen ist. Am Schlüssel hängen dann mehrere Klammern, zweiKlammern von der Elektrode werden an das Cu 2+ - Ion gehängt und das Kärtchenwird dann zum Cu-Atom umgedreht und an den Schlüssel geheftet.Für die Vorgänge am Kupferblech bietet es sich an, die Beobachtungen aus demExperiment heranzuziehen. Im Experiment kann man deutlich beobachten, dass dasBlech mit der Zeit weicher und dünner wird. Der Rückschluss, den die Schüler ziehenkönnen ist, dass die Kupferatome in Lösung gehen müssen. Im Klassengesprächwird der Vorgang thematisiert. Die Kupferatome am Kupferblech werden durchhängende Kärtchen dargestellt. Zwei Klammern (Elektronen) des Cu-Atoms werdenan die Kupferelektrode abgegeben, hierzu wird das Cu-Atom Kärtchen auf die Seitedes Cu 2+ -Ions umgedreht und in die Lösung gegeben. Diese Vorgänge solltenmehrfach durchgespielt werden.11

+-© PrivatAbbildung 4 - Elektrolysemodell 3+-© PrivatAbbildung 5 - Elektrolysemodell 43. LernzieleMittels des Schülermodells zur „Elektrolyse – Verkupferungsprozess“ erlangen dieSchülerInnen eine exemplarische Kenntnis über das Elektrolyseverfahren. Hierbeisollen vorhandene Vorkenntnisse veranschaulicht, gefestigt und weiterentwickeltwerden.12

Fachlich Ziele:Die Schüler und Schülerinnen… können an dem exemplarischen Beispiel des „Verkupferungsprozess“ dasVerfahren der Elektrolyse nachempfinden und in Fachsprachewiedergeben. können das Modell bildnerisch darstellen.Methodische Ziele:Die Schüler und Schülerinnen… sollen durch das Rollenspiel motiviert werden und durch die Nachstellungdes Versuchs durch reale Personen ganzheitlich angesprochen werden. sollen Ergebnisse/ Beobachtungen analysieren, diskutieren, reflektieren alsauch bewerten.Soziale/ Personale Ziele:Die Schüler und Schülerinnen können Kooperations- und Kommunikationsformen für zielgerichtetesArbeiten erwerben.13

4. Quellen4.1. Literaturquellen:- Barke, Hans-Dieter; Harsch Günther, 2001: Chemiedidaktik kompakt.Lernprozesse in Theorie und Praxis. Berlin; Heidelberg: Springer, S.81 ff.- Bitterer, Thomas; Boberlin, Ursula; Riederer, Anette, 2000: elemente ChemieII, Gesamtband. Stuttgart: Ernst Klett Verlag, S. 156 ff.- Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, 2004.Bildungsplan für Realschulen, S.96 ff.- Pfeifer, Peter; Lutz, Bernd; Bader, Hans Joachim (federführend), 2002.Konkrete Fachdidaktik Chemie. München: Oldenbourg SchulbuchverlagGmbH, S.242 ff.4.2. Bilderquellen:Alle Bilder sind Privataufnahmen. Das Urheberrecht liegt bei den Erstellern dieserAusarbeitung.5. AbbildungsverzeichnisAbbildung 1- Gesetz des Figur-Grund-Kontrasts ........................................................ 7Abbildung 2 - Elektrolysemodell 1 .............................................................................. 9Abbildung 3 - Elektrolysemodell 2 ............................................................................ 11Abbildung 4 - Elektrolysemodell 3 ............................................................................ 12Abbildung 5 - Elektrolysemodell 4 ............................................................................ 1214