Experimentelle Erarbeitung der Spannungsreihe - Eine Überprüfung bekannter Experimentieranleitungen und Verbesserungsvorschläge

Experimentelle Erarbeitung der Spannungsreihe -
Eine Überprüfung bekannter Experimentieranleitungen und Verbesserungsvorschläge.

Westfälische-Wilhelms-Universität
Münster

Schriftliche Hausarbeit, 
vorgelegt im Rahmen der Ersten Staatsprüfung
 für das Lehramt für die Sekundarstufe I
 

von Stefan Wichmann

Münster, den 18.04.2000
 

Inhaltsverzeichnis:

0 Einleitung ... 1

1 Fachlicher Hintergrund ... 4
    1-1 Elektrochemie ... 4
    1-2 Galvanische Zellen ... 5
    1-3 Visualisierung des Elektronenflusses ... 8
    1-4 Visualisierung des Diffusionspotenzials ... 13
    1-5 Redoxpotenziale ... 17
    1-6 Die Spannungsreihe ... 21
    1-7 Konzentrationsabhängigkeit des Redoxpotenzials ... 25
    1-8 Berechnung von Redoxpotenzialen ... 26
    1-9 Ermittlung der Potenziale von Konzentrationszellen mit Hilfe der NERNSTschen Gleichung ... 27
    1-10 Diaphragmen und Ausführungsformen Galvanischer Elemente ... 30
    1-11 Elektroden 2.Art ... 32
    1-12 Elektrolyse ... 34

2 Die Spannungsreihe im Unterricht ... 38
    2-1 Schulbuchvergleich ... 38
    2-2 Edutainment - Lernsoftware... 47

3 Spezielle Galvanische Elemente ... 50
    3-1 Zitronenbatterie und Vergleichbare ... 50
    3-2 VOLTAsche Säule ... 55
    3-3 Bleiakkumulatoren ... 58
    3-4 Gängige Batterietechnologien ... 64

4 Aktuelle Experimentieranleitungen und Verbesserungsvorschläge 67
    4-1 Versuchsabbildungen in Schulbüchern ... 67
    4-2 Experimentierkasten von LEYBOLD-HERAEUS ... 71
    4-3 Petrischalenhalbzellen nach Ruf und Ful ... 87
    4-4 Küvettenhalbzellen nach Kometz ... 102
    4-5 Vertikalhalbzellen nach Menzel ... 117

5 Eigene Experimentieranleitungen ... 126
    5-1 Filmdöschenhalbzellen ... 126

6 Zusammenfassung ... 134

7 Literaturangaben, Internetadressen, Bildnachweis ... 138
    7-1 Fachliteraturverzeichnis ... 138
    7-2 Zeitschriftenverzeichnis ... 139
    7-3 Schulbücherverzeichnis ... 139
    7-4 Abbildungsverzeichnis ... 140
    7-5 Tabellenverzeichnis ... 143
    7-6 Internetadressen ... 144

0 Einleitung

Die ersten bedeutenden Experimente mit elektrischen Strömen führten die italienischen Physiker Luigi Galvani und Alessandro Volta durch. Galvani erzeugte Muskelkontraktionen in Froschbeinen indem er elektrischen Strom durch sie fließen ließ. Volta stellte 1800 die erste künstliche elektrochemische Spannungsquelle in Form der VOLTAschen Säule vor (siehe Kapitel "3-2 VOLTAsche Säule").
Der Grundstein für eine neue, in ihrer Entwicklung damals nicht absehbare, technische Richtung war somit gelegt.
Anfangs strebte man durch Experimentieren und Ausprobieren nach technischen Verbesserungen, während nach und nach das Interesse zur Erforschung der theoretischen, elektrochemischen Vorgänge wuchs.
Der Titel der vorliegenden Examensarbeit:

"Experimentelle Erarbeitung der Spannungsreihe - Eine Überprüfung bekannter Experimentieranleitungen und Verbesserungsvorschläge"

zielt im Besonderen auf die Verwendung in der Schule. Dabei soll den Lehrkräften ein Werk gegeben werden, welches in der Schulpraxis verwendet werden kann. Die großen und vielen Abbildungen dienen dabei als Kopiervorlagen für das visuelle Verständnis der Lehrer, zusätzlich können die Abbildungen in Arbeitsblättern mit integriert werden.
Das Kapitel "1 - Fachlicher Hintergrund" beschäftigt sich mit dem Hintergrundwissen für die Erarbeitung der Spannungsreihe, allerdings wird, wie oben zu erkennen ist, die Fachliteratur kritisch nach Lücken und Fehlern überprüft.
Im Kapitel "1-4 Visualisierung des Diffusionspotenzials" wird eine visuelle Unterstützung für das Verständnis gegeben, da diese in der Literatur nicht zu finden ist. Den Schülern muß der Einfluss des Diffusionspotenzial nicht zwingend erklärt werden, aber die Wirkung des Phänomens auf die Meßwerte sollte den Lehrpersonen bekannt sein.
In Zusammenhang mit der Verwendung von Stromschlüsseln (siehe folgende Grafik) kam das Problem des Diffusionspotenzials auf.
"...aufgrund der unterschiedlichen Beweglichkeit von Kationen und Anionen können sich Diffusionspotenziale ausbilden, die zur Verfälschung der Messung führen" ¹.

Im zweiten Kapitel werden zwei Schulbücher und ein Lehrerbegleitbuch analysiert, wobei es sich nicht um eine Schulbuchanalyse handeln soll, sondern lediglich um eine kleine Bestandsaufnahme der fachlichen Richtigkeit und der Visualisierung des Themas.
Galvanische Zellen und Potenzialdifferenzen sind überwiegend Themen in der Sekundarstufe II. Deshalb wird ein breiteres Lehrangebot der Spannungsreihe, besonders in der Sekundarstufe I, sehr begrüßt, da mit Hilfe von durchdachten Versuchsanleitungen und Versuchsgeräten auch Schülern der Sekundarstufe I die Spannungsreihe nahegebracht werden kann.
Bewußt wird das zweite Kapitel sehr kurz behandelt, da der Schwerpunkt dieser Arbeit nicht in der Schulbuchanalyse liegt. Hier soll lediglich der kritische Umgang mit Schulbüchern demonstriert werden.
Im dritten Kapitel wird die Erarbeitung der Spannungsreihe an Hand von Motivationsversuchen, eines historischen Versuchs und einem Versuch mit Alltagsbezug vorgenommen. Diese Versuche eignen sich vorzüglich dazu, weitere fächerübergreifende Fachthematika zu integrieren. Beispiele können zur VOLTAschen Säule und dem geschichtlichen Zusammenhang gebracht werden (Fächer: Chemie - Geschichte). Weiterhin kann der Bleiakkumulator Parallelen zum Technik- und Physikunterricht geben, da hier die Funktionsweisen von Energiequellen untersucht werden können, z.B. die Auswirkung der Temperatur auf die Leistung der Starterbatterie (Fächer: Chemie - Technik/Physik).
Da es verschiedene Ausführungsformen für die Versuchsanleitungen der Spannungsreihe gibt, werden diese im Kapitel "4 Aktuelle Experimentieranleitungen" ausführlich vorgestellt. Bei der Untersuchung der aktuellen Experimentieranleitungen werden folgende Aspekte besonders berücksichtigt:

• Reproduzierbarkeit der Versuche und Messwerte
• einfache Handhabung der Geräte
• Anzahl der erhaltenen Meßwerte
• Anschaffungskosten
• Versuchsbeschreibung.

Verbesserungsvorschläge sind in den Versuchsanleitungen mit aufgeführt und teilweise schon verwendet worden.
Im nächsten Kapitel "5 - Eigene Experimentieranleitung" wird eine weitere Möglichkeit zur Erarbeitung der Spannungsreihe gegeben. Hier werden die Anregungen aus dem vorherigen Kapitel zusammengetragen und eine optimierte Versuchsanleitung vorgestellt. Die Nachteile der aktuellen Experimentieranleitungen, wie z.B. Kosten der Geräte, Berücksichtigung des Diffusionspotenzials, Genauigkeit der Meßergebnisse und die leichte Handhabung der Versuchsanordnung, werden ebenso berücksichtigt.
Im Kapitel "7 - Literaturangaben" wird nicht nur die Auflistung der verwendeten Fachliteratur, sondern auch Links und Verweise ins World Wide Web (WWW) gegeben. Die geprüften Adressen beinhalten Downloadmöglichkeiten von Software (siehe "2-2 Edutainment - Lernsoftware"), Links (Verweise) zu Datenbanken Didaktischer Institute und weiterer Experimente zur Elektrochemie und der Erarbeitung der Spannungsreihe.
Die Abkürzungen S.W. unter den Abbildungen und Tabellen bedeuten lediglich, dass diese vom Autor (Stefan Wichmann) erstellt worden sind.

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