Wiederholung Grundlagen Chemie

Auftrag: Erarbeiten Sie sich die grundlegenden Begriffe und Konzepte, die für dieses Thema nötig sind.

1. Erläutern Sie den Begriff 'Ladungsträger' und seine Bedeutung für den Stromfluss.
2. Erläutern Sie den Begriff Oxidationszahlen! Erläutern Sie die wichtigsten Regeln zum Aufstellen der Oxidationszahlen!
3. Erläutern Sie am Beispiel der Reaktion von Magnesium mit CO2 und der Bildung von Ammoniak aus den Elementen, die verschiedenen Konzepte hinter dem Begriff Redoxreaktion!
4. Erklären Sie den Unterschied zwischen Stromfluss in Metallen, in wässrigen Salzlösungen und Salzschmelzen.
5. Erläutern Sie den Begriff Dissoziation.

Input - Einfacher Redox-Begriff

Input - Erweiterter Redox-Begriff

Die Batterie

Eine Batterie zu bauen, also mit Hilfe chemischer Reaktionen Strom zu erzeugen, ist eigentlich gar nicht so schwer. Jedenfalls wenn es um das Prinzip geht.

Auftrag: Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise einer galvanischen Zelle.

1. Erklären Sie den Unterschied zwischen chemischer und elektrischer Energie.
2. Beschreiben und zeichnen Sie den allgemeinen Aufbau einer galvanischen Zelle.
3. Definieren Sie dabei die Begriffe Halbzelle, Elektrolyt, Anode und Kathode.
4. Erklären Sie die Begriffe Elektronendonator und Elektronenakzeptor.
5. Kennzeichnen Sie die Fließrichtung der Elektronen in einem galvanischen Element.
6. Erklären Sie die Funktion der Salzbrücke in galvanischen Elementen.

Auftrag: Bauen Sie eine spezielle galvanische Zelle: das Daniell-Element.

1. Schreiben Sie ein ausführliches Protokoll. Deadline: mit Lehrkraft besprechen
2. Dokumentieren Sie das Experiment so, dass Sie es auch in Ihr Portfolio einbinden können.
3. Erläutern Sie in der Auswertung ausführlich die chemischen Hintergründe Ihrer Beobachtungen.
4. Beantworten Sie auch die folgenden Fragen in Ihrer Auswertung:
   • Erläutern Sie die Reaktionen am Plus- und Minuspol. Erklären Sie dabei die Begriffe Reduktion, Oxidation und Redoxreaktion. Erklären Sie, wie man Redoxgleichungen ausführlich aufstellt.
   • Erklären Sie die elektrochemische Spannungsreihe. Erklären Sie dabei die Begriffe edle und unedle Metalle.
   • Berechnen Sie die Spannung, die Sie theoretisch erzielen könnten. Erklären Sie, warum das nicht unbedingt praktisch umsetzbar ist.

Input - Die galvanische Zelle

Input - Edle und unedle Metalle

Der Akkumulator

In vielen Geräten steckt keine normale Batterie, sondern ein Akkumulator. Und auch im Rahmen der Energiewende spielen Akkumulatoren eine immer wichtigere Rolle.

Auftrag: Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines Akkumulators.

1. Erklären Sie den Begriff reversible Redoxreaktion. Nennen Sie ein Anwendungsgebiet.
2. Erklären Sie die Begriffe (galvanisches) Primär- und (galvanisches) Sekundärelement.
3. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines Blei-Akkumulators. Nennen Sie Anwendungsgebiete für diesen Akkumulatortyp und bewerten Sie seine Umweltverträglichkeit.
4. Vergleichen Sie kurz den klassischen Bleiakku mit einem neuartigen Feststoffakkumulator.

Im Zuge der Energiewende wird von Kritikern oft der Begriff "Dunkelflaute" genutzt. Dagegen könnten Akkumulator und andere Techniken helfen.

Auftrag: Vergleichen Sie verschiedene Energiespeichersysteme.

1. Erklären Sie kurz den Begriff Dunkelflaute.
2. Erstellen Sie eine tabellarische Übersicht, in der Sie die folgenden Energiespeicher vergleichen:
• Batterie
• Akkumulator
• Redox-Flow-Zelle
• Graviationsakkumulator
3. Vergleichen Sie folgende Kriterien kurz: Funktionsweise(kurz), Wiederverwertbarkeit, Nachhaltigkeit, zeitnahe Umsetzbarkeit

Die Wasserelektrolyse

Die Herstellung von Wasserstoff ist im Augenblick ein viel diskutiertes Thema in der Energiepolitik. Sauberer Wasserstoff wird von manchen als simple Alternative zum Akkumulator oder fossilen Brennstoffen gesehen. Eine Möglichkeit den Wasserstoff herzustellen ist die Wasserelektrolyse.

Auftrag: Erläutern Sie das Prinzip der Elektrolyse am Beispiel des Hoffmannschen Zersetzungsapparates.

1. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise dieses Gerätes.
2. Erläutern Sie an diesem Beispiel den Prozess der Elektrolyse.
3. Vergleichen Sie die Funktion der Anode und Kathode (und Pluspol und Minuspol) im Vergleich zum galvanischen Element. Zeigen Sie, dass es sich dabei um eine Redoxreaktion handelt.
4. In dem Zersetzungsapparat wird kein destilliertes Wasser sondern meistens ein Salz, Lauge oder Säurelösung verwendet. Erklären Sie die Verwendung.
5. Erklären Sie den Begriff Zersetzungsspannung.
6. Erklären Sie, warum man Platinelektroden im Zersetzungsapparat nutzt.

Die Brennstoffzelle

Um den Wasserstoff dann zu nutzen, kann man ihn wie Erdgas verbrennen oder mit Hilfe der Brennstoffzelle in elektrische Energie umwandeln.

Auftrag: Erläutern Sie die Funktionsweise der Brennstoffzelle.

1. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise der Brennstoffzelle.
2. Erläutern Sie Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe von Reaktionsgleichungen.
3. Recherchieren und erklären Sie, wie gut die Umwandlung von Energie erfolgt. Nutzen Sie dafür den Wirkungsgrad.
4. Wasserstoffauto oder Elektroauto? Vergleichen und bewerten Sie beide Mobilitätskonzepte in Bezug auf ihre Effizienz bei der Umwandlung von Energie. Beschreiben Sie, wir bei beiden Antrieben Energie verloren geht.

Salzelektrolysen

Auftrag: Erläutern Sie die Vorgänge bei der Salzelektrolyse.

1. Führen Sie das unten beschriebene Experiment durch und schreiben Sie ein ausführliches Protokoll.
2. Erklären Sie in Ihrer Auswertung auch, welche Zersetzungsspannung man anlegen müsste. Gehen Sie in Ihrer Fehleranalyse darauf ein, warum dieser theoretische Wert im Experiment nicht ausreicht.

65 mg Kaliumiodid werden in 50 mL Wasser gelöst und die Lösung in die Petrischale gefüllt. Anschließend werden wenige Tropfen Phenolphthalein hinzugegeben und beide Kontakte der Batterie in die Lösung gehalten. Nach ca. 30 Sekunden wird an beiden Polen wenig Stärkelösung hinzugetropft. Man kann auch Stärkepulver hinzugeben.

Rosten, Lokalelement und Korrosionsschutz

Ein Beispiel für Korrosion kennt eigentlich man, wenn man schon einmal einen verrosteten Nagel oder ähnliches gesehen hat. Und auch viele andere Dinge können wegrosten. Was passiert da? Und wie kann man sich davor schützen?

Auftrag: Untersuchen Sie experimentell die unterschiedlichen elektrochemischen Prozesse der Korrosion.

1. Führen Sie die Experimente durch und schreiben Sie ein ausführliches Protokoll. Es wird bewertet.
2. Formulieren Sie für Experiment 1 eine Hypothese, was passieren wird.
3. Beantworten Sie auch(!!) folgende Fragen als Teil der Auswertung.
4. Zu Experiment 1/2:
• Erklären Sie den Begriff Korrosion und nennen Sie einige Beispiele für die verschiedenen Arten von Korrosion.
• Erläutern Sie die Begriffe aktiver und passiver Korrosionsschutz und nennen Sie Anwendungsbeispiele.
• Erläutern Sie den Begriff Opferanode und nennen Sie Anwendungsbeispiele.
• Erklären Sie, warum man die Metalle vor dem Experiment mit Schleifpapier behandelt.
5. Zu Experiment 3:
• Erläutern Sie die chemischen Hintergründe und gehen Sie dabei auf den Begriff Lokalelement ein.

Experiment 1: 20 g Gelatine in 200ml Wasser einrühren und das Gemisch unter Rühren bis zum Sieden erhitzen, dann 2g Kaliumnitrat und 4 ml Phenolphthaleinlösung zugeben. Die Gelatinelösung teilen, ein Teil mit einer Spatelspitze rotem Blutlaugensalz (Lösung I), den anderen mit einer Spatelspitze gelbem Blutlaugensalz (Lösung II) versehen. 6 Eisennägel mit Sandpapier abschmirgeln, mit jeweils drei Nägeln wird wie folgt verfahren:

• 1. bleibt unbehandelt
• 2. in der Mitte 2cm lang fest mit Cu-Draht umwickeln,
• 3. mit 4 Zinkgranalien leitend in Kontakt bringen

Diese drei Eisennägel in die Petrischale legen und mit der Gelatine-Lösung I übergießen. Ein Parallelversuch wird genauso vorbereitet und mit Gelatinelösung II übergossen. Nach dem Abkühlen abdecken und mehrere Tage stehen lassen (nicht länger, sonst Schimmelbildung).

Experiment 2: 30 g Gelatine in 200ml Wasser einrühren und das Gemisch unter Rühren bis zum Sieden erhitzen, dann etwas Kochsalz und 10 ml Phenolphthaleinlösung zugeben. Die Gelatinelösung teilen, ein Teil mit einer Spatelspitze rotem Blutlaugensalz (Lösung I), den anderen unverändert lassen (Lösung II). 6 Eisennägel mit Sandpapier abschmirgeln, mit jeweils drei Nägeln wird wie folgt verfahren:

• 1. bleibt unbehandelt
• 2. in der Mitte 2cm lang fest mit Cu-Draht umwickeln,
• 3. mit Magnesiumband umwickeln.

Diese drei Eisennägel in die Petrischale legen und mit der Gelatine-Lösung I übergießen. Ein Parallelversuch wird genauso vorbereitet und mit Gelatinelösung II übergossen. Nach dem Abkühlen abdecken und mehrere Tage stehen lassen (nicht länger, sonst Schimmelbildung).

Experiment 3: Abgeschliffene (Schleifpapier) Zinkgranalien werden mit 10%iger Schwefelsäure oder konzentrierter Salzsäure (1M) übergossen. Beobachten Sie. Man berührt dann mit einem abgeschliffenen Kupferdraht ein Zinkstückchen.

Korrosion und Schutz im Alltag

Auftrag: Erläutern Sie wie Oma früher Silberbesteck gerreinigt hat... (und andere Haushaltstricks)

1. Erklären warum Silber - schließlich ein Edelmetall - anläuft.
2. Beschreiben Sie wie man angelaufenes Silber zu Omas Zeiten chemisch gereinigt hat. Tipp: Alufolie!
3. Erläutern Sie die chemischen Vorgänge und gehen Sie dabei auch auf den Begriff Lokalelement ein.
4. Nennen und erläutern Sie andere Beispiele für Lokalelemente.
5. Erläutern Sie die Begriffe Sauerstoffkorrosion und Rosten. Erklären Sie dabei, warum man beim Nudelnkochen das Salz erst in das sprudelnde, kochende Wasser machen soll und nicht in das kalte, stille Wasser.
6. Erklären Sie, warum Eisen rostet und Aluminium und Gold nicht.

Säurekorrosion

Auftrag: Erläutern Sie die chemischen Prozesse der Säurekorrosion.

1. Erläutern Sie den Begriff Säurekorrosion an einem selbstgewählten Beispiel.