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Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie und Umwelt

Ausbildung mit Markenzeichen. Seit 1951.

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Vom 'umgekehrten Hittorf' zu Kiwi, Kohlrabi und Co

Die Erarbeitung der Grundprinzipien elektrochemischer Spannungsquellen

Dr. Alexander Witt
Gymnasium Anna-Sophianeum, Schöningen

Montag, 28. September 2015, 13.00 Uhr
Vortrag am Institut Dr. Flad

Elektrochemie spannend unterrichten

Vortrag von Dr. Alexander Witt mit Spannungsquellen, an die Volta nie gedacht hat: Vom 'umgekehrten Hittorf' zu Kiwi, Kohlrabi und Co.

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Untersuchungen belegen, dass elementare Grundlagen in der Schulchemie von vielen Schülern nicht verstanden werden. Dr. Alexander Witt vom Anna-Sophianeum in Schöningen demonstrierte in seinem Vortrag "Vom 'umgekehrten Hittorf' zu Kiwi, Kohlrabi und Co.", wie man die Grundprinzipien der Elektrochemie im wahrsten Sinn des Wortes spannend und zugleich einleuchtend vermitteln kann.

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Wie man die Schüler am besten auf das Thema eicht, führte Dr. Alexander Witt gleich am Anfang seines Vortrags vor: "Man nimmt einen sauber verpackten Elektrolyten, zum Beispiel eine Kartoffel, und hängt sie an einen mp3-Player". Mit diesen Worten steckte er zwei Kontakte in die Kartoffel, und aus den Lautsprechern des Hörsaals donnerten in bombastischer Verstärkung Klänge der Rock-Oper "Flash Gordon" von Queen. So werden den Schülern elektrochemische Grundprinzipien evident nahegebracht, in einer didaktischen Sprache, die an ihren Interessen andockt.

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Danach packte Witt ein weiteres Lernziel an: Das Verständnis des Aufbaus Galvanischer Zellen und die Erarbeitung einer einfachen Spannungsreihe. Dafür bieten sich nach Witt vertikal aufgebaute Elektrolysen sehr gut an, ähnlich wie sie im 19 Jahrhundert schon Johann Wilhelm Hittorf eingesetzt hat. Doch zwei präparierte Reagenzgläser mit Metallen und Zinksulfatlösungen sind nicht gerade spannend für die Schüler. Dr. Alexander Witt schlägt vor, die Schüler selbst Galvanische Zellen bauen zu lassen. "Da werden Füllfederhalter verstromt, Teelichter zerschnitten, Gürtelschnallen, Alufolien oder Cola-Dosen zweckentfremdet und verschiedene Früchte als Spannungsquellen drangehängt - Kraftwerke mit Namen Kiwi, Kohlrabi usw." Doch so gerne die Schüler an der Zelle basteln, so sehr sinkt am Ende das Verständnis, wenn man hinten einfach nur ein Voltmeter daranklemmt. Denn ein abstrakter Zahlenwert erscheint eher ungeeignet, die Vorgänge evident darzustellen.

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Alexander Witt nennt als "Königsweg", mit der selbstgebastelten Zelle etwas zum Laufen bringen, zum Beispiel einen kleinen Propeller. Aber: Das geht mit diesen Materialien (der "Flaschendeckel-Zelle") eigentlich nicht - zu kleine Flächen, eine zu geringe Leitfähigkeit oder verdünnte Elektrolyte schmälern die Leistung. Damit ein Elektromotor anläuft, braucht man mindestens 3 mA und 350 mV. Die selbstgebauten Zellen liefern meist nur höchstens 150 Millivolt. Das entscheidende Hilfsmittel kommt aus dem Physikunterricht: ein Messverstärker für 30 Cent, als gesamte Schaltung für ca. 1,50 EUR aus dem Elektronikfachhandel. Jetzt kann der Propeller am Ende der Zelle sich drehen - und anhand der Drehrichtung des Propellers erkennt man, in welche Richtung Elektronen abgegeben werden. Das aber ist nicht das Ende des Lerneffekts, sondern erst der Anfang. Die Schüler haben nun die technische Basis und die Grundkenntnisse dazu, um herauszufinden, mit welcher Fruchtkombination man nun eine höhere oder niedrigere Spannung erzeugt. Dr. Alexander Witt zeigt dem Auditorium an dieser Stelle eine Tabelle mit den Werten. Demzufolge ist die Kombination aus Pampelmuse und Aubergine am effektivsten, sie liefert bereits ein halbes Volt. Jetzt müssen die Schüler gedanklich nur noch die Pampelmuse gegen eine Wasserstoff-Elektrode tauschen, und die Grundprinzipien sind verstanden.

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Der messverstärkte Elektromotor überwindet jedoch nicht nur die kinetische Hemmung, sondern er hat auch noch einen weiteren Vorteil: Er dreht in jene Richtung, in die Elektronen abgegeben werden und macht so den Vorgang für jedermann sichtbar. "Man kann an dieser Stelle sehr schön über Konzentrationsverhältnisse nachdenken." Dafür hat Dr. Alexander Witt für die Schüler ein weiteres Experiment in petto. Zur Überraschung des gesamten Auditoriums fördert er eine Flasche Wodka und eine Flasche Korn zu Tage, um eine "enzymkatalysierte Brennstoffzelle" mit Platinstreifen in zwei Laugengläsern zu erzeugen. Handys und Laptops könnten also mit einem Schluck Wodka laufen, man kann für die Schüler tatsächlich mit Alkohol elektrischen Strom produzieren. Der Test ergibt: Erst treibt der Wodka den Propeller in die eine Richtung, wenn man dann aber das andere Glas mit Korn auffüllt, läuft es anders herum. "Ein Korn hat mehr Power, wenn man den auf die andere Seite gibt neben den Wodka, dann bleibt der Propeller zunächst stehen, bevor er dann wendet und in die andere Richtung dreht."

Ebenso unterhaltsame wie verblüffende Experimente, die jugendliche Schüler ansprechen, sie für die Chemie begeistern und die Grundprinzipien elektrochemischer Vorgänge intuitiv nachvollziehbar vermitteln. So werden Chemie und Lebenswelt perfekt miteinander verknüpft. Einfacher und zugleich aussagefähiger kann Chemieunterricht nicht sein.

Weitere Informationen sowie Hilfsmittel, Einkaufslisten und Materialien für den Unterricht dazu findet man, wenn man bei Google "Chemie fürs Leben" eingibt. Dort kommt als erster Suchtreffer die Webseite der Universität Rostock mit der Arbeitsgruppe von Prof. Flint, in der Dr. Alexander Witt seine Arbeiten veröffentlicht hat. Hier in das Suchfenster einfach "Hittorf" eingeben. Oder hier in diesem Link: http://www.didaktik.chemie.uni-rostock.de/fileadmin/MathNat_Chemie_Didaktik/Downloads/Elektrochemie2.pdf

Christian Born

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17. Stuttgarter Chemietage vom 28. September - 2. Oktober 2015
Vom 'umgekehrten Hittorf' zu Kiwi, Kohlrabi und Co.

Basierend auf den Ergebnissen empirischer Untersuchungen zu Fehlvorstellungen von Schülerinnen und Schülern im Zusammenhang mit Themen aus dem Bereich Elektrochemie wird zunächst im Rahmen einer kurzen Einführung eine neue Konzeption zur Erarbeitung wesentlicher elektrochemischer Grundlagen vorgestellt. Im Anschluss wird ein Baustein dieses Konzeptes detaillierter beschrieben.

Dieser greift die Fehlvorstellungen auf und bietet Lösungswege für die alltagsnahe Erarbeitung der Grundprinzipien elektrochemischer Spannungsquellen anhand ungewöhnlicher Experimente für den Chemieunterricht.

 
Dr. Alexander Witt

Dr. Alexander Witt

Studium des Lehramtes an Gymnasien für die Fächer Chemie, Biologie und Physik an der Universität Rostock, Promotion in Chemiedidaktik bei Prof. Dr. A. Flint, Vollzeitlehrer am Gymnasium Anna- Sophianeum in Schöningen (Niedersachsen), Manfred und Wolfgang Flad-Preis 2013.

 

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