Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
I
Nr. 3152 Fachgruppe Geisteswissenschaften
Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. Antonius Kettrup
Dr. Lothar Esser
Fachbereich 13, Naturwissenschaften II
UniversiUit - Gesamthochschule - Paderborn
Entwurf eines Curriculums Elektrochemie
unter Beriicksichtigung der Aspekte
groBtechnischer Verfahren
Westdeutscher Verlag- 1983
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kettrup, Antonius:
Entwurf eines Curriculums Elektrochemie unter
Berticksichtigung der Aspekte grosstechnischer
Verfahren / Antonius Kettrup ; Lothar Esser. -
Opladen : Westdeutscher Verlag, 1983.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 3152 : Fachgruppe Geistes
wissenschaften)
ISBN 978-3-531-03152-1
NE: Esser, LothRr:; Nordrhein-Westfalen:
Forschungsberichte des Landes •••
ISBN 978-3-531-03152-1 ISBN 978-3-322-87639-3 (eBook)
001 10.1007/978-3-322-87639-3
© 1983 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
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Inhalt
1. Einleitung 3
1.1 Bedeutung elektrochemischer Verfahren bei
groBtechnischen Prozessen 4
1.2 Aufgabenstellung 5
2. Stellenwert elektrochemischer Verfahren im
curricularen Bereich 6
2.1 Richtlinien, Lehrplane und Curricula 6
2.2 Unterrichtsmaterialien und Experimentierhand
bucher 8
3. Experimentiergerate 17
4. Anforderungen an Versuchsanordnungen 20
4.1 VersuchsmaBstab 20
4.2 Zeitokonomie 21
4.3 Kompatibilitat und Variabilitat 22
4.4 Reproduzierbarkeit 22
4.5 Sicherheitsvorschriften 23
5. Entwickelte Versuchsanordnungen und
Unterrichtseinheiten 24
5.1 Verwandte Gerate 24
5.2 Bestimmung des wirklichen Elektrodenpotentials 25
5.3 Bedeutung der Diffusionshemmung fur Elektrolyse-
prozesse 30
5.4 Zeitliche Erfassung des Korrosionsverhaltens
von Eisen mit Hilfe von Indikatoren 35
5.5 Elektrotauchlackierung 40
5.6 Wirkungsweise einer Kationenaustauschermembran 47
5.7 Kathodische Hydrierung von Glukose zu Sorbit 54
6. Zusammenfassung 59
7. Literaturverzeichnis 60
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1. Einleitung
Die Elektrochemie ist ain spezielles Teilgebiet der Chemie.
in dem diejenigen chemischen Vorgange erfaSt werden. die
unter der Einwirkung eines elektrischen Stromes ablaufen.
Vielfaltige Verknupfungen sind zu anderen Arbeitsberaichen
der Chemie gegeben:
- zur anorganischen Chamie bei der Oarstellung von
anorganischen Produkten wie Alkalihydroxiden oder
Permanganat.
- zur organischen Chemie bei der Oarstellung von
organischen Produkten z.B. durch elektrochemische
Hydrierung. Oxidation oder Oimerisierung.
- zur Metallurgie durch die Aufarbeitung von Erzen
mit geringem Metallgahalt oder zur Erzielung von
hohen Reinheitsgraden.
- zur Oberflachentechnik und zum Korrosionsschutz
bei der Aufbringung anorganischer oder organischer
Oeckschichten oder dar spangebenden Vorbereitung
von Oberflachen durch elektrolytische Abtragungs
verfahren.
- zur elektrochemischen Energieerzeugung durch die
Entwicklung von Primar-. Sekundar- oder Brennstoff
zellen.
- zur analytischen Chemie durch Analysenverfahren
wie z.B. die Potentiometrie. Voltammetrie. Polaro
graphie und
- schlieBlich zur technischen Chemie z.B. durch
Optimierung von Zellensystemen und Versuchspara
metern groBtechnischar Prozesse.
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Die vielfaltigen Verknupfungen lassen unterschiedliche
Schwerpunktsetzungen zu, wobei den potentialbildenden
Vorgangen eine zentrale Bedeutung zukommt.
In den verschiedenen Bildungs- und Ausbildungsbereichen
werden Inhalte der Elektrochemie mit unterschiedlichen
Schwerpunktsetzungen und hinsichtlich verschiedener Quali
fikationsniveaus vermittelt. Inhalte und Strukturen der
Angebote werden dabei u.a. durch Richtlinien, Lehrplane
und Curricula bestimmt.
Aufgrund der notwendigen Begrenzung des Rahmens der Arbeit
erfolgt eine Beschrankung auf den Sekundarstufenbereich II
bzw. auf vergleichbare Qualifikationsniveaus.
1.1 Bedeutung elektrochemischer Verfahren bei groBtechnischen
Prozessen
Elektrochemische Verfahren finden heute im groBtechnischen
MaBstab Einsatz bei anorganischen und organischen Darstel
lungsverfahren, bei Trennverfahren, in der Oberflachen-
technik und in der Energieerzeugung. Um die Jahrhundertwende
wurde eine Vielzahl von elektrochemischen Produktions-
verfahren entwickelt, die auch noch heute zu den groBtech
nischen Fabrikationsprozessen - wie die Chloralkalielektrolyse
- gehoren. Nachdem viele elektrochemische Verfahren durch den
Einsatz von Katalysatoren verdrangt worden waren, nahm in den
sechziger Jahren die Forschung auf diesem Gebiet wieder zu
und vergroBerte einerseits durch Entwicklungen in der Werk
stofftechnologie (Elektroden-, Zellen- und Membranmaterialien),
andererseits durch die erwartEte Verbilligung von elektrischer
Energie das Interesse am Ausbau elektrochemischer Verfahren.
Hilfreich fur das Verstandnis vieler elektrochemischer Vor-
gange erwies sich dabei die Ablosung der thermodynamischen
Betrachtungsweise durch eine kinetisch orientierte Oenkweise (1).
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Die zunehmende Bedeutung elektrochemischer Verfahren ergibt
sich aus den Moglichkeiten der Rohstoffsicherung. z.B. durch
die elektrochemische Substitution von Mangelrohstoffen. den
Einsatz von elektrochemischen Recycling-Verfahren. wie durch
Verminderung der Abwasserbelastung. den Moglichkeiten der
Automatisierung von Prozessen durch einfache Regelung von
Strom und Spannung und dem gegenOber vie len chemischen
Parallelverfahren verbesserten Arbeitsschutz (2).
1.2 Aufgabenstellung
Zentrale allgemeine didaktische Forderungen fOr den zeitge
maBen Chemieunterricht kennzeichnen die Notwendigkeit der
Integration und Anbindung aktueller technologischer Prozesse
und gesellschaftsrelevanter Faktoren in die unterrichtliche
Erarbeitung von Grundlagen und GesetzmaBigkeiten. Die Einbe
ziehung und Verdeutlichung sachstruktureller Interpendenzen
innerhalb und auBerhalb der jeweiligen Themenfelder fGhrt
dabei zu einer vertieften Einsicht in ubergeordnete Zusammen
hange.
Verschafft man sich einen Oberblick uber Richtlinien. Curricula
und Lehrplane zum Themenbereich 'Elektrochemie' in der Sekundar
stufe II. so ist festzustellen. daB kein Gesamtkonzept vorliegt.
welches diesen Anspruchen in adaquater Form entspricht. Die fur
die Unterrichtspraxis entwickelten Medien und experimentellen
Angebote liefern dem Lehrer zwar insgesamt ein hinreichendes
Angebct zur Erarbeitung elementarer GesetzmaBigkeiten unter
einer primar thermodynamischen Betrachtungsweise. verrnogen
aber den zentralen didaktischen Erfordernissen weder von der
konzeptionellen Strukturierung noch vorn apparativen Angebot
her zu entsprechen.
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Orientiert an Sekundarstufe II oder vergleichbaren Qualifikations
niveaus im Rahmen der Erwachsenen- oder Lehrlingsausbildung 5011
ein curricularer Ansatz entwickelt werden. der ein Angebot dar
stellt. mit dem trotz unterschiedlicher intentionaler Ziel
setzungen der Ausbildungsgange ein experimenteller Zugang zur
Elektrochemie geschaffen wird. der unter besonderer Berucksich
tigung technologischer Prozesse zu einem angemessenen Verstandnis
fachwissenschaftlicher Zusammenhange fuhrt.
Unter Berucksichtigung schulpraktischer Notwendigkeiten sind
Gerate zu entwickeln. zu normieren. Baueinheiten zu erstellen
und Unterrichtseinheiten anzubieten. die trotz unterschiedlicher
situativer Erfordernisse angemessene Angebote und Hilfestellun
gen fur den unterrichtlichen Einsatz anbieten.
Da der unterrichtspraktische Transfer den Schwerpunkt bildet.
kann die Aufgabe nicht darin bestehen. groBtechnische Verfahren
zu optimieren. sondern es wird ein wissenschaftliches Gebiet
angerissen. wobei die Theorie auf das Adressatenfeld bezogen
ist.
2. Stellenwert elektrochemischer Verfahren im curricularen
Bereich
2.1 Richtlinien. Lehrplane und Curricula
Verfolgt man die Entwicklung von Rahmenrichtlinien. Curricula
und Prufungsanforderungen der Sekundarstufe II der letzten
zehn Jahre. so wird deutlich. daB in zunehmendem MaBe neben
der Berucksichtigung methologischer Prinzipien der Erkenntnis
gewinnung eine vertiefte fachwissenschaftliche Strukturierung
der Sachinhalte und ein verstarktes Bemuhen um die Integration
fachubergreifender Ansatze und groBtechnischer Verfahrens
prinzipien festzustellen ist.
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Die Behandlung chemisch-technischer Verfahren im Chemieunter
richt ist ein Problem, das in der neueren Literatur immer
mehr Beachtung findet (3). 1m Rahmen der Sekundarstufe II
unterstutzen allgemeine unterrichtliche Ziele und Schwerpunkte
(4, 5) wie
- Verstandnis fur Anwendungsmoglichkeiten chemischer
Erkenntnisse in Technik •• .• ,
- Einsicht in bedeutsame anthropologische und gesellschaft
liche Aufgaben der Chemie,
- Einblick in die Wechselwirkung zwischen gesellschaftlicher
Situation und chemisch-technischer Entwicklung
und der Katalog allgemeiner und fachspezifischer Lernziele (6),
- an einfachen Beispielen praktische Synthesewege aufzeigen,
- mogliche chemisch-technische Verfahrensweisen unter Beruck-
sichtigung experimenteller, technologischer, oekonomischer
und sozialer Aspekte entwickeln und
- chemische Sachverhalte bzw. naturwissenschaftliche Kenntnisse
zur Losung von Umweltproblemen anwenden,
eine Integration und Anbindung von technologischen Prozessen
bei der Erarbeitung von Begriffen und GesetzmaBigkeiten.
Ausgehend von der Untersuchung der Lehrplane fur das Fach
Chemie an Gymnasien der drei Bundeslander Nordrhein-Westfalen,
Bayern und Baden-Wurttemberg zeigt sich, daB im Themenfeld
'Elektrochemie' bei geringen Unterschieden Schwerpunktsetzungen
auf einigen Gebieten festzustellen sind, wie
- Abrundung des Basiswissens durch GesetzmaBigkeiten (z.8.
Nernstsche Gleichung),
- Experimentieren als Faktor der Erkenntnisgewinnung und als
Arbeitsmethode,
- Einbeziehung technologischer Prozesse (technische Elektrolysen,
Korrosion und Korrosionsschutz, elektrochemische Energieerzeu
gung) zur Vertiefung des Basiswissens.
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In Nordrhein-Westfalen hat das Themenfeld 'Elektrochemie'
einen neuen Stellenwert bekommen, da mit Erscheinen der Richt
linien fOr das Jahr 1981 dieses als verbindliches Kursthema
der Sekundarstufe II festgelegt ist, wobei potentialbildende
Vorgange und Anwendungsbereiche schwerpunktmaBig zu berOck
sichtigen sind. Weiterhin sind analytische Verfahren wie
Konduktometrie und Potentiometrie ausgewiesen.
Oem Unterrichtenden sind bei der Auswahl der Experimente zur
Integration technologischer Verfahren und zur Einbeziehung
gesellschaftsrelevanter Determinanten in den ErarbeitungsprozeB
viele didaktische und methodische Freiraume belassen. Einen
wesentlichen Drientierungsrahmen fOr den unterrichtlichen Einsatz
von geeigneten Experimenten stellen Unterrichtsmaterialien und
ExperimentierhandbOcher dar.
2.2 Unterrichtsmaterialien und ExperimentierhandbOcher
Da in der Sekundarstufe II aufgrund bestehender rechtlicher
8estimmungen auch ohne besondere Genehmigungsverfahren eine
Vielzahl an spezifischen Themenbereichen orientierten Unter
richtsmaterialien einsetzbar sind, werden im folgenden Struktur
merkmale wesentlicher zum Themenfeld 'Elektrochemie' zugangli
cher Materialien (LehrbOcher/ExperimentierhandbOcherl heraus
gestellt. Die Darstellungsformen, der Informationsgehalt,
didaktische und methodische Hilfestellungen und angebotene
Versuche bestimmen in der Praxis in wesentlichem MaBe den
unterrichtlichen Transfer und Verfahren der method is chen
Integration.
Die Strukturmerkmale werden mit folgenden Fragestellungen
untersucht:
- Wird der groBtechnische ProzeB theoretisch dargestellt?
- Liegt ein experimentelles Angebot fOr ein groBtechnisches
Verfahren vor?
- Vermag das Experiment den groBtechnischen ProzeB exemplarisch
darzustellen, d.h. werden die den speziellen Verfahren
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immanenten vor- und nachbereitenden Verfahrensschritte
angemessen berucksichtigt? (c)
- Hat das Experiment eine primar phanomenologisch/qualitative
(d1) oder quantitative (d2) Zielsetzung? (d)
- Werden, wenn moglich, neue, dem Qualifikationsniveau ent
sprechende Nachweisverfahren eingesetzt (Gaschromatographie,
Polarimetrie, elektrochemische Bestimmungsverfahren)? (e)
- Werden Moglichkeiten der Verknupfung von Experimenten zur
Realisierung situationsgerechter Unterrichtssequenzen auf-
gezeigt? (f)
- Werden kinetisch zu interpretierende Parameter herausge-
stellt? (g)
- Wird der zur experimentellen Durchfuhrung notwendige Zeit-
bedarf zuganglich gemacht? (h)
- Werden verfahrenstechnische Konsequenzen auf Grundein-
sichten zuruckgefuhrt? (i)
- Werden Versuche zur experimentellen Vertiefung angeboten? (j)
Tabelle 1 zeigt Strukturmerkmale der Behandlung groBtechnischer
Prozesse in Unterrichtsmaterialien und Experimentierhandbuchern
fur die Sekundarstufe II.
Hinweis: Spezielle, die einzelnen Themenfelder nicht weiter ver
tiefende experimentelle Angebote bleiben unberucksichtigt und
unter verschiedenen Kategorien einzuordnende Versuche werden
nicht mehrfach aufgelistet.
Die Literaturzitate sind im Literaturverzeichnis zusammengefaBt.
