Lehrplan | Lehrplan Tradisional | Elektrochemie: Faradaysche Gesetze

Ziele

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Diese Phase soll einen übersichtlichen und nachvollziehbaren Rahmen für die Lernziele der Stunde bieten. Damit verstehen die Schülerinnen und Schüler, wie wichtig es ist, die Faradayschen Gesetze und deren praktische Anwendungen zu beherrschen. Durch das klare Festlegen der Ziele richtet der Lehrende den Fokus der Stunde aus und legt die Basis für ein strukturiertes und zielgerichtetes Lernen.

Ziele Utama:

1. Erkläre die Faradayschen Gesetze und deren mathematische Grundlagen.

2. Zeige auf, wie man anhand der Faradayschen Gesetze die während der Elektrolyse an einer Elektrode abgeschiedene Stoffmenge berechnet.

3. Führe die Schülerinnen und Schüler beim Lösen von Aufgaben, die die benötigte Zeit zur Ablagerung einer bestimmten Stoffmenge an einer Elektrode thematisieren, schrittweise an.

Einführung

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Diese Einstiegsphase soll die Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler fesseln und verdeutlichen, wie alltagsrelevant die Elektrolyse und die Faradayschen Gesetze sind. Ziel ist es, das Interesse zu wecken und die Lernenden auf die theoretischen Inhalte vorzubereiten, die im weiteren Verlauf behandelt werden.

Wussten Sie?

Wusstest du, dass die Elektrolyse auch die Wasserstoffproduktion ermöglicht, welche als saubere und erneuerbare Energiequelle von zentraler Bedeutung ist? Zudem kann durch diesen Prozess das Galvanisieren erfolgen – ein Verfahren, bei dem metallische Objekte mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls, etwa Silber oder Gold, überzogen werden, um sowohl deren Beständigkeit als auch das optische Erscheinungsbild zu verbessern.

Kontextualisierung

Zu Beginn der heutigen Unterrichtseinheit über die 'Elektrochemie: Faradaysche Gesetze' wird der bedeutende Beitrag der Elektrolyse im Alltag beleuchtet. Der Prozess der Elektrolyse spielt eine zentrale Rolle in zahlreichen Industriezweigen, wie etwa in der Aluminium- und Kupferproduktion sowie in der Herstellung von chemischen Produkten wie Chlor und Natronlauge. Dieses Beispiel hilft den Schülerinnen und Schülern, die wirtschaftliche und praktische Relevanz des Themas zu verstehen.

Konzepte

Dauer: 45 bis 50 Minuten

Ziel dieser Phase ist es, das Verständnis der Schülerinnen und Schüler für die Faradayschen Gesetze zu vertiefen und ihnen ein solides Fundament der zugrundeliegenden Formeln und Konzepte zu vermitteln. Anhand detaillierter Erklärungen und praktischer Beispiele sollen die Lernenden in die Lage versetzt werden, die Faradayschen Gesetze auf unterschiedlichste Probleme der Elektrolyse anzuwenden und ihre Rechen- sowie Problemlösefähigkeiten zu stärken.

Relevante Themen

1. Erstes Gesetz von Faraday: Erkläre, dass die Stoffmenge (m), die an einer Elektrode abgelagert oder freigesetzt wird, direkt proportional zur durch die Lösung fließenden elektrischen Ladung (Q) ist. Die Grundformel lautet m = kQ, wobei k die Proportionalitätskonstante darstellt.

2. Zweites Gesetz von Faraday: Beschreibe, dass die Masse der verschiedenen Substanzen, die bei gleicher elektrischer Ladung abgeschieden oder freigesetzt werden, im Verhältnis zu ihren chemischen Äquivalenten steht. Die entsprechende Formel lautet m = (M/F) * (Q/z), wobei M die molare Masse, F die Faraday-Konstante, Q die Ladung und z die Anzahl der bei der Reaktion beteiligten Elektronen angibt.

3. Berechnung der elektrischen Ladung (Q): Zeige, wie man die elektrische Ladung mit der Formel Q = I * t berechnet, wobei I die Stromstärke in Ampere und t die Zeit in Sekunden ist.

4. Praktische Beispiele: Führe anhand konkreter Beispiele vor, wie etwa bei der Berechnung der Kupferablagerung, wenn ein Strom von 2A für 30 Minuten durch eine CuSO₄-Lösung geleitet wird, die Anwendung der Faradayschen Gesetze in der Praxis.

Zur Verstärkung des Lernens

1. Berechne die Menge an Silber, die an einer Elektrode abgeschieden wird, wenn ein Strom von 3A für 20 Minuten durch eine AgNO₃-Lösung fließt. (Gegeben: M_Ag = 107,87 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 1)

2. Ermittle die Zeit, die benötigt wird, um 0,5 g Nickel an einer Elektrode aus einer NiSO₄-Lösung mit einem Strom von 1,5A abzusetzen. (Gegeben: M_Ni = 58,69 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2)

3. Ein Strom von 2A wird für 45 Minuten durch eine CuSO₄-Lösung geleitet. Berechne die Menge an Kupfer, die sich an der Elektrode absetzt. (Gegeben: M_Cu = 63,55 g/mol, F = 96500 C/mol, z = 2)

Rückmeldung

Dauer: 20 bis 25 Minuten

In dieser Phase wird das während des Unterrichts erworbene Wissen gefestigt und überprüft. Die Schülerinnen und Schüler sollen nachvollziehen, wie die Faradayschen Gesetze in unterschiedlichen Kontexten angewendet werden können. Durch das Besprechen der Lösungswege und gezielte Reflexionsfragen wird das Gelernte verankert und eine aktive Lernatmosphäre geschaffen.

Diskusi Konzepte

1. Aufgabe 1: Berechne die Menge an Silber, die an einer Elektrode abgeschieden wird, wenn ein Strom von 3A für 20 Minuten durch eine AgNO₃-Lösung fließt.

Zunächst wird die elektrische Ladung (Q) berechnet:

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

Anschließend wird das Zweite Gesetz von Faraday angewendet:

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

Antwort: Es werden etwa 4,03 g Silber abgeschieden. 2. Aufgabe 2: Ermittle die benötigte Zeit, um 0,5 g Nickel an einer Elektrode aus einer NiSO₄-Lösung mit einem Strom von 1,5A abzusetzen.

Zunächst wird die benötigte Ladung über das Zweite Gesetz von Faraday ermittelt:

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

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

Anschließend wird die benötigte Zeit berechnet:

t = Q / I = 1644,82 C / 1,5 A ≈ 1096,55 s, also ca. 18,28 Minuten

Antwort: Die Ablagerung dauert ungefähr 18,28 Minuten. 3. Aufgabe 3: Ein Strom von 2A wird für 45 Minuten durch eine CuSO₄-Lösung geleitet. Berechne die an der Elektrode abgeschiedene Kupfermenge.

Zunächst wird die elektrische Ladung (Q) ermittelt:

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

Anschließend wird das Zweite Gesetz von Faraday angewendet:

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

Antwort: Es lagern sich ungefähr 1,78 g Kupfer ab.

Schüler motivieren

1. Welche praktischen Anwendungen siehst du für die Faradayschen Gesetze in der Industrie? 2. Inwiefern kann die Elektrolyse zu nachhaltigen Produktionsprozessen beitragen? 3. Kannst du dir weitere Einsatzmöglichkeiten der Faradayschen Gesetze vorstellen, abgesehen von den im Unterricht genannten Beispielen? 4. Wie beeinflusst die Stromstärke die Menge des an einer Elektrode abgelagerten Materials? 5. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Dauer der Elektrolyse und der abgelagerten Stoffmenge?

Schlussfolgerung

Dauer: 10 bis 15 Minuten

Diese Phase dient der abschließenden Wiederholung und Festigung der wichtigsten Inhalte. Durch die Zusammenfassung und Diskussion der praktischen Relevanz wird sichergestellt, dass die Schülerinnen und Schüler ein klares und umfassendes Verständnis der behandelten Themen erlangen. Dies bereitet sie darauf vor, die Konzepte eigenständig anzuwenden.

Zusammenfassung

['Die Faradayschen Gesetze wurden erläutert, wobei insbesondere das Erste Gesetz aufgezeigt hat, wie die an einer Elektrode abgeschiedene oder freigesetzte Stoffmenge direkt mit der durch die Lösung fließenden elektrischen Ladung verknüpft ist.', 'Das Zweite Gesetz von Faraday wurde detailliert erläutert und verdeutlicht, dass die Masse unterschiedlicher Substanzen bei gleicher elektrischer Ladung proportional zu ihren chemischen Äquivalenten steht.', 'Die Berechnung der elektrischen Ladung (Q) wurde anhand der Beziehung zwischen Stromstärke (I) und Zeit (t) demonstriert.', 'Anhand praktischer Beispiele wurde die Anwendung der Faradayschen Gesetze in Bezug auf die Berechnung der abgelagerten Stoffmenge und der dafür notwendigen Elektrolysezeit veranschaulicht.']

Verbindung

Der Unterricht verknüpfte theoretische Grundlagen mit praktischen Anwendungen. Durch die präsentierten Beispiele konnten die Schülerinnen und Schüler nachvollziehen, wie mathematische Formeln und theoretische Konzepte direkt auf reale elektrochemische Prozesse angewendet werden. Dies erleichterte das Verständnis und den Transfer in die Praxis.

Themenrelevanz

Das Thema ist hochrelevant für den Alltag, da Elektrolyseprozesse in vielen Industriezweigen – von der Metallgewinnung bis hin zur chemischen Produktion – von grundlegender Bedeutung sind. Verfahren wie das Galvanisieren, bei dem durch Elektrolyse metallische Oberflächen beschichtet werden, finden beispielsweise im Schmuckbereich oder beim Korrosionsschutz praktische Anwendung.