Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Von der Strom leitenden Kartoffel zur Elektrolyse - eine Einführung in die Elektrochemie

Den Auftakt des heutigen Tages machten Professor Dr. Alfred Flint von der Universität Rostock und sein Doktorand und Assistent Alexander Witt. Professor Flint ist Leiter der Abteilung Didaktik der Chemie und entwickelt Experimente und Unterrichtskonzepte für den Chemieunterricht.

Professor Flint war schon einige Male Gastdozent am Institut Dr. Flad und zeigte unter anderem, wie Chemie mit Stoffen aus dem Alltag funktioniert. So konnte man sich darauf einrichten, dass wieder ein interessantes Thema Gegenstand des heutigen Vortrags war.

Unter Schülern gibt es weit verbreitete Fehlvorstellungen bezüglich der Vorgänge und Abläufe in der Elektrochemie. Unter anderem ist vielen nicht klar, dass bei einer Elektrolyse Elektronenübertragung stattfindet, deswegen müsste erst einmal erklärt werden wie der Ladungstransport im Elektrolyten von statten geht.

Als ein kleines Einstiegsexperiment führte uns Herr Witt vor, wie man einen MP3-Player selbst dann mit einem Lautsprecher verbinden kann, wenn keine passenden Kabel vorhanden sind. Man nehme eine (vorzugsweise aus Mecklenburg stammende) Kartoffel und stecke dort die Enden beider Kabel hinein. Sogleich ertönte aus dem Lautsprecher Duffys Song "Mercy". Herr Witt zeigte uns, dass man mit dem Abstand der beiden Stecker auch noch die Lautstärke verändern kann. Je näher die Pole beieinander liegen, desto lauter ist auch die Musik. Der Mecklenburger Universaladapter als ultimative Rettung jeder Party!

Die beiden weiteren Experimente sollten zeigen, dass der Ladungstransport im Elektrolyten allein durch Ionenleitfähigkeit zustande kommt. Cochinellerot, bei dem das Anion für die Rotfärbung verantwortlich ist wandert in Richtung Anode. Methylenblau, bei dem das Kation für die Farbe verantwortlich ist, wandert in Richtung Kathode.

Dass die Verschiebung von Ionen nur dann stattfindet, wenn an den Elektroden auch Stoffe umgesetzt werden, kann mit der Hittorf-Zelle sehr gut gezeigt werden. Hier befindet sich in einem Reagenzglas Kupfersulfat-Lösung, in der Kathode und etwas tiefer die Anode eingetaucht werden. Legt man nun Spannung an, kann man nach einiger Zeit beobachten, dass sich zum einen die Lösung an der Kathode entfärbt und zur Anode hin intensiver wird und sich an der Kathode ein "Kupferbäumchen" bildet.

Als nächstes gab Professor Flint eine kleine Einführung in die Überspannung. Hierbei können durch den elektrischen Strom Redoxvorgänge auftreten, die sonst nicht auftreten würden, wie zum Beispiel das Abscheiden von Wasserstoff oder Sauerstoff. Dazu hatte Professor Flint einen sehr schönen Versuchsaufbau in einer Petrischale, welche mittels eines Tageslichtprojektors an die Wand projiziert wurde. In dieser Petrischale sind Drähte aus verschiedenen Metallen wie Platin, Silber, Eisen, Kupfer und andere parallel miteinander geschaltet. Als Gegenelektrode wirkt eine Kohleelektrode. Nun konnte man im ersten Versuch beobachten, wie sich bei Erhöhung der Spannung nach und nach an den einzelnen Metallen Wasserstoff bildet, nach Umkehrung der Polung Sauerstoff. Dabei hängt die Größe der Überspannung unter anderem von der Beschaffenheit des Elektrodenmaterials ab.

Professor Flint und Herr Witt konnten durch einfache und anschauliche Experimente einige Phänomene der Elektrochemie interessant erklären mit denen auch in Zukunft der Chemieunterricht an Schulen interessant gestaltet werden kann und hoffentlich auch dazu führen, Irrtümer über chemische Vorgänge aus dem Weg zu schaffen.

Michaela Hiermann, LG 59

Die Kartoffel ist als Grundnahrungsmittel unverzichtbarer Bestandteil unserer Küche. Dass sie sich auch hervorragend für elektrochemische Experimente im Chemieunterricht eignet, demonstrierten Prof. Dr. Alfred Flint und sein Doktorand Herr Witt eindrucksvoll.

Selbst Schüler der Sekundarstufe II haben häufig falsche Vorstellungen vom Ladungstransport in einem Elektrolyten.

Anstelle komplizierter theoretischer Abhandlungen wird mit einfachen Objekten, in diesem Falle mittels einer Kartoffel, die als Adapter zwischen einem MP3-Player und einem Lautsprecher dient, gezeigt, wie die Stromleitung in dieser bzw. in einem Elektrolyten funktioniert. Auf verblüffend einfache Weise können so Verständnisprobleme gelöst bzw. falsche Vorstellungen korrigiert werden. Es wandern eben keine Elektronen durch die Kartoffel. Die in der Lösung enthaltenen Ionen begeben sich auf Wanderschaft, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Die positiv geladenen Ionen (Kationen) wandern zur Kathode, die negativ geladenen Ionen (Anionen) zur Anode.

Nachdem das Grundprinzip der Elektrolyse anhand weiterer anschaulicher Experimente demonstriert wurde, geht es an die Vertiefung des Stoffes. Auch dazu gab Prof. Flint wertvolle Anregungen. Mittels der Elektrolyse einer Natriumsulfatlösung können die Begriffe Oxidation und Reduktion erklärt werden: An der Anode werden Elektronen an die Elektrode abgegeben, es entsteht Sauerstoff; an der Kathode werden Elektronen von der Kathode aufgenommen, es entsteht Wasserstoff.

In abgewandelter, vereinfachter Form eignet sich auch das "Hittdorf-Experiment" hervorragend für die Demonstration der Ionenwanderung. Zwei Kupferelektroden befinden sich in einer Kupfersulfatlösung, Spannung wird angelegt - die Ionen begeben sich auf Wanderschaft.

Mit weiteren verblüffenden Experimenten kann das Phänomen "Überspannung" im Unterricht thematisiert werden. Am Ende steht die Erkenntnis, dass die Überspannung sowohl vom Elektrodenmaterial als auch vom umsetzbaren Stoff abhängig ist.

Der Vortrag von Prof. Flint zeigte überzeugend, wie mit einfachen, anschaulichen Experimenten sowohl qualitative als auch quantitative Kenntnisse der Elektrochemie im Unterricht vermittelt werden können.

Herzlichen Dank dem Referenten dafür, dass er Unterrichtsmaterialien zu diesem Stoffgebiet zum kostenlosen download zur Verfügung stellt. Nachdem diese Materialien einen "Praxistest" bestanden und eine "Qualitätskontrolle" durchlaufen haben, sind sie auf der Homepage des Institutes verfügbar.

Angela Schmitt-Bucher