Elektrolyse einer Metallsalzlösung

Zielsetzung: Das Arbeitsblatt dient dem Verständnis der chemischen Speicherung elektrischer Energie. Ziel ist es, die chemischen Vorgänge bei der Ladung und Entladung eines Akkumulators (Akku) nachzuvollziehen und die Elektrolyse von der galvanischen Zelle abzugrenzen.

Inhalte und Methoden: Das Material vermittelt die theoretischen und praktischen Grundlagen der Elektrolyse, um das Prinzip der stofflichen Energiespeicherung für die Lernenden erschließbar zu machen. Methodisch führt der Weg von der alltagsnahen Hypothesenbildung über das eigenständige Experimentieren unter Sicherheitsaspekten bis hin zur fachsprachlichen Deutung und formalen Analyse der Redoxreaktionen. Abschließend festigen die Schüler:innen ihr Verständnis durch einen systematischen Vergleich mit galvanischen Zellen und den Transfer auf die Funktionsweise moderner Akkumulatoren.

Kompetenzen:

Fachwissen Chemie: Verständnis von Redoxreaktionen, Elektrolyseprozessen und der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie
Erkenntnisgewinnung: Planung, Durchführung und Auswertung chemischer Experimente unter Einhaltung von Sicherheitsvorschriften
Modellkompetenz: Vergleich und Abgrenzung verschiedener elektrochemischer Modelle (galvanische Zelle vs. Elektrolyse)
Transferfähigkeit: Anwendung theoretischer Konzepte auf reale Energiespeichersysteme (Akkumulatoren)

Zielgruppe und Niveau: Ab der 10. Klasse

BNE:

SDG 12 (Nachhaltiger Konsum und Produktion): Bewusstsein für die Funktionsweise und den effizienten Einsatz von Akkumulatoren zur Ressourcenschonung.

Hinweis: Damit dieses Arbeitsblatt ohne Probleme ausgefüllt werden kann, muss das Daniel-Element besprochen worden sein.

Hinweis: Besprich vor der Durchführung des Experiments mit deinen Schüler:innen die notwendigen Sicherheitsregeln!

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Target group and level

ab Klasse 10

Subjects

Chemistry

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Elektrolyse einer Metallsalzlösung

Wie funktioniert ein Akku? - Gruppenarbeit

Ihr erhaltet von eurer Lehrkraft einen echten Akku, zum Beispiel einen Handy- oder Fahrradakku. Betrachtet den Akku genau und überlegt, wofür er im Alltag verwendet wird.
Ihr arbeitet nun in Kleingruppen mit 3–4 Personen und beantwortet die Frage: Wie kann elektrische Energie gespeichert werden, obwohl Elektronen nicht einfach "aufbewahrt" werden können?
In eurer Gruppe sammelt ihr Vermutungen, wie ein Akku funktionieren könnte. Verwendet dabei keine Fachbegriffe, sondern formuliert eure Ideen in eigenen Worten. Haltet eure Ergebnisse fest.

Leitfragen für eure Gruppe

Was wird eurer Meinung nach in einem Akku gespeichert?
Welche Rolle könnten Stoffe oder Flüssigkeiten im Inneren eines Akkus spielen?
Welche Energieform liegt vor dem Laden und welche nach dem Laden vor?

Wie kann elektrische Energie gespeichert werden, obwohl Elektronen nicht einfach ‚aufbewahrt‘ werden können?

Versuchsaufbau - Einzelarbeit

Schau dir das Bild an und notiere alle Materialien, die du bereits kennst.

Auf dem Bild sind verschiedene Laborgeräte und Zubehör abgebildet, die für einen elektrochemischen Versuch genutzt werden könnten. Links befindet sich eine Flasche mit blauer Flüssigkeit. Daneben steht ein durchsichtiger Messbecher. Rechts davon ist eine Gleichspannungsquelle mit einem digitalen Display, das 6,0 Volt anzeigt. Vor der Spannungsquelle befinden sich zwei Elektrodenklemmen in Rot und Schwarz, die mit einem Kabel verbunden sind. Außerdem sieht man zwei schwarze Graphitstäbe, die als Elektroden verwendet werden können. Im unteren rechten Teil des Bildes liegt eine Schutzbrille, die blau gestaltet ist, und darauf zwei Krokodilklemmen mit Kabeln, eines in Rot und eines in Schwarz. Dieses Set von Geräten scheint für elektrochemische Experimente ausgelegt zu sein.

Materialien für eine Elektrolyse

Versuchaufbau - Einzelarbeit

Lies dir die Versuchsdurchführung durch und zeichne das Experiment auf.

Versuchsaufbau zur Elektrolyse einer Kupfersulfat-Lösung

Eine Schutzbrille wird aufgesetzt, um die Augen zu schützen.
Die Kupfersulfat-Lösung wird aus der Flasche in den durchsichtigen Messbecher gegossen.
Die beiden Graphitstäbe dienen als Elektroden und werden so in die Lösung gestellt, dass sie sich nicht berühren.
Die Elektrodenklemmen werden jeweils an einen Graphitstab befestigt.
Die roten und schwarzen Kabel mit Krokodilklemmen verbinden die Elektrodenklemmen mit den entsprechenden Polen der Gleichspannungsquelle.
Die Gleichspannungsquelle wird eingeschaltet und auf 6,0 Volt eingestellt.
Der Stromkreis ist nun geschlossen und die Elektrolyse kann beobachtet werden.

Zeichne das fertige Experiement hier auf.

Versuchsdurchführung - Gruppenarbeit

Ihr erhaltet nun die Materialien und führt das Experiment in kleinen Gruppen durch.

Bevor ihr mit dem Experiment beginnt, notiert eure Hypothesen: Überlegt, was eurer Meinung nach passieren wird, und begründet eure Vermutungen. Während und nach dem Experiment haltet ihr eure Beobachtungen schriftlich fest.

Besprecht anschließend in der Gruppe, wie ihr das Ergebnis erklären könnt, und formuliert gemeinsam eine passende Deutung.

Zur Unterstützung nutzt ihr eure Skizze oder die Abbildung.

Hypothese

Bereich	Beobachtung	Deutung (erste Vermutung)
Kathode
Anode
Lösung

Das Bild zeigt ein Experiment zur Elektrolyse, bestehend aus einem Becherglas, einer Gleichspannungsquelle und zwei Elektroden. Das Becherglas ist mit einer Metall-Salz-Lösung gefüllt. Im Becherglas befinden sich zwei Elektroden: die Anode (+), die mit einem roten Kabel verbunden ist, und die Kathode (-), die mit einem schwarzen Kabel verbunden ist. Beide Elektroden sind teilweise in die Lösung eingetaucht.

Die Elektroden sind oben mit den Kabeln an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Spannungsquelle zeigt eine Spannung von 6,0 Volt an. Auf der Front der Spannungsquelle gibt es Anschlüsse für Volt und Ampere, wobei die positiven Anschlüsse rot und die negativen schwarz sind. Auf den Elektroden sind zusätzlich die Symbole "+" und "-" abgebildet, um die Polarität anzuzeigen.

Deutung

Auswertung - Partnerarbeit

Tragt eure Ergebnisse in die Tabelle ein.
Formuliert die Oxidations- und Reduktionsreaktionen.

Zusatzaufgabe

Erklärt, warum bei diesem Experiment elektrische Energie zugeführt werden muss.

Vergleich: Elektrolyse ↔ galvanische Zelle

Vergleicht die Elektrolyse mit der galvanischen Zelle.

Füllt dazu die Tabelle vollständig aus und achtet auf die Gemeinsamkeiten und Unterschiede.

Merkmal	Elektrolyse	Galvanische Zelle
Energieumwandlung
Freiwilligkeit
Polung der Elektroden
Technisches Beispiel

Transfer: Elektrochemischer Energiespeicher

Erkläre, warum ein Akkumulator sowohl als Elektrolysezelle als auch als galvanische Zelle betrachtet werden kann.

Lösung für die Lehrkraft

Bereich	Beobachtung	Deutung (erste Vermutung)
Kathode	Es bildet sich eine rötliche Kupferschicht.	Reduktion der Kupfer(II)-Ionen zu elementarem Kupfer.
Anode	Gasblasen entstehen.	Oxidation von Wasser zu Sauerstoffgas.
Lösung	Veränderung der Konzentration der Kupferionen.	Verbrauch der Kupferionen während der Elektrolyse.

	Wanderung von…	Begründung
Kathode	Kupfer(II)-Ionen (Cu²⁺)	Reduktion von Cu²⁺ zu elementarem Kupfer durch Aufnahme von Elektronen
Anode	Wassermoleküle (H₂O)	Oxidation von H₂O zu Sauerstoffgas und Wasserstoffionen durch Abgabe von Elektronen

Merkmal	Elektrolyse	Galvanische Zelle
Energieumwandlung	Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt.	Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Freiwilligkeit	Nicht freiwillig; erfordert eine externe Spannungsquelle.	Freiwillig; Reaktion läuft spontan ab.
Polung der Elektroden	Kathode ist der Minuspol, Anode ist der Pluspol.	Kathode ist der Pluspol, Anode ist der Minuspol.
Technisches Beispiel	Elektrolyse von Kupfersulfat zur Kupfergewinnung.	Batterien und Akkumulatoren.