Chemie · Klasse 13

Ideen für aktives Lernen

Standard- und Nicht-Standardbedingungen

Aktives Lernen funktioniert hier besonders gut, weil die Schülerinnen und Schüler selbst messen, bauen und diskutieren müssen. Das Thema lebt von der direkten Erfahrung: Konzentrationsänderungen, Temperatur und Druck werden greifbar, wenn sie experimentell erlebt werden. Tabellenwerte allein reichen nicht aus, um die Dynamik der Nernst-Gleichung zu verstehen.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe II - Fachwissen: Redoxreaktionen
• KMK: Sekundarstufe II - Erkenntnisgewinnung: Mathematisierung

• 25–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Lernen an Stationen
• 45 Min. · Kleingruppen

Lernen an Stationen: Nernst-Gleichung messen

Richten Sie Stationen mit Daniell-Elementen ein, variieren Sie Konzentrationen von Cu²⁺ und Zn²⁺. Schüler messen Potenziale mit Multimeter, notieren Werte und berechnen mit Nernst-Gleichung. Abschließend diskutieren Gruppen Abweichungen zu E°.

Analysieren Sie den Einfluss von Konzentration und Temperatur auf das Zellpotenzial einer galvanischen Zelle.

Moderationstipp

Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler beim Stationenlernen zuerst die Messgeräte selbst einrichten, bevor sie die Werte aufnehmen, um ein Gefühl für die Präzision zu entwickeln.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern eine Aufgabe: 'Berechnen Sie das Zellpotenzial einer Zelle mit Cu/Cu²⁺ (0,1 M) und Zn/Zn²⁺ (1 M) unter Verwendung der Standardpotenziale E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V und E°(Zn²⁺/Zn) = -0,76 V. Erklären Sie kurz, warum das berechnete Potenzial vom Standardpotenzial abweicht.'

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 02

• Problemorientiertes Lernen
• 30 Min. · Partnerarbeit

Paararbeit: Konzentrationszelle bauen

Paare konstruieren eine Cu/Cu²⁺-Konzentrationszelle mit 0,1 M und 1 M Lösungen. Messen Sie das Potenzial, berechnen Sie es theoretisch und erklären Sie den spontanen Elektronenfluss vom verdünnten zum konzentrierten Elektrodenraum.

Berechnen Sie das Zellpotenzial einer Konzentrationszelle und erklären Sie deren Funktionsweise.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie die Frage: 'Stellen Sie sich eine Konzentrationszelle vor, bei der eine Halbzelle eine 0,01 M NaCl-Lösung und die andere eine 1 M NaCl-Lösung enthält. Welche Halbzelle wird zur Anode und warum? Wie würde sich das Zellpotenzial ändern, wenn beide Lösungen auf 50 °C erwärmt würden?'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 03

• Problemorientiertes Lernen
• 50 Min. · Ganze Klasse

Klassenexperiment: Temperaturabhängigkeit

Die ganze Klasse misst das Potenzial einer Zelle bei Raumtemperatur und 50 °C in einem Wasserbad. Jede Gruppe dokumentiert Daten, die Klasse plottet gemeinsam E gegen T und verifiziert die Nernst-Gleichung.

Bewerten Sie die Anwendbarkeit der Nernst-Gleichung für reale elektrochemische Systeme.

Worauf zu achten ist

Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, die Nernst-Gleichung auf ein Blatt Papier zu schreiben und die Bedeutung jedes Symbols (E, E°, R, T, n, F, Q) zu erklären. Fragen Sie anschließend: 'Welche Auswirkung hat eine Verdopplung der Konzentration eines Produkts auf das Zellpotenzial?'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 04

• Problemorientiertes Lernen
• 25 Min. · Einzelarbeit

Individuelle Simulation: PhET-Tool

Schüler nutzen PhET-Simulationen, um Konzentrationen und Temperaturen zu ändern. Sie prognostizieren Potenziale, simulieren und vergleichen mit Formelwerten, notieren Erkenntnisse in einem Arbeitsblatt.

Analysieren Sie den Einfluss von Konzentration und Temperatur auf das Zellpotenzial einer galvanischen Zelle.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülerinnen und Schülern eine Aufgabe: 'Berechnen Sie das Zellpotenzial einer Zelle mit Cu/Cu²⁺ (0,1 M) und Zn/Zn²⁺ (1 M) unter Verwendung der Standardpotenziale E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V und E°(Zn²⁺/Zn) = -0,76 V. Erklären Sie kurz, warum das berechnete Potenzial vom Standardpotenzial abweicht.'

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Erfahrene Lehrkräfte beginnen mit Standardbedingungen und Tabellenwerten, um das Grundverständnis zu schaffen. Dann kontrastieren sie diese mit realen Bedingungen, indem sie die Schülerinnen und Schüler selbst Konzentrationsgradienten herstellen lassen. Gruppenarbeit und Peer-Diskussionen sind entscheidend, um Fehlvorstellungen direkt zu korrigieren. Vermeiden Sie es, die Nernst-Gleichung nur theoretisch durchzugehen – die Formel muss erfahrbar gemacht werden.

Erfolgreich ist die Einheit, wenn die Schülerinnen und Schüler die Nernst-Gleichung nicht nur anwenden, sondern auch erklären können, warum sich das Zellpotenzial unter realen Bedingungen ändert. Sie sollten Konzentrationszellen aufbauen, messen und die Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen vergleichen können. Diskussionen zeigen, dass sie die Rolle von Q, T und n verstanden haben.

---

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während des Stationenlernens: Nernst-Gleichung messen beobachten Sie, dass viele Schülerinnen und Schüler den Q-Term ignorieren und nur E° verwenden.

  Fordern Sie die Gruppen auf, die gemessenen Werte mit den berechneten Werten zu vergleichen und gezielt nach der Rolle von Q zu fragen. Lassen Sie sie die Konzentrationen in Q einsetzen und das Ergebnis diskutieren.

• Während des Klassenexperiments: Temperaturabhängigkeit achten Sie darauf, dass Schülerinnen und Schüler die Nernst-Gleichung für 25 °C spezialisieren.

  Zeigen Sie explizit, wie der RT/nF-Term für verschiedene Temperaturen berechnet wird, und lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die Werte für 10 °C, 25 °C und 40 °C vergleichen.

• Während der Paararbeit: Konzentrationszelle bauen beobachten Sie, dass Schülerinnen und Schüler das Zellpotenzial in Konzentrationszellen als null annehmen.

  Lassen Sie die Gruppen die gemessenen Werte mit den theoretischen Vorhersagen vergleichen und diskutieren, warum ein Gradient Potenzial erzeugt. Nutzen Sie die Messwerte, um den Zusammenhang mit der Entropiezunahme herzustellen.

---

In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Lernen an Stationen
• Problemorientiertes Lernen