In dieser zweitägigen Veranstaltung werden aktuelle Forschungsinhalte der Arbeitsgruppe Oetken zur Elektrochemie für die Schule aufbereitet und präsentiert.

1.) Elektrische Energie aus dem Kohlenstoffsandwich – Endlich Experimente zum Themenfeld "Lithium-Ionen-Akkumulatoren"!
Im Zuge sich abzeichnender endlicher Ölreserven und einem immer noch viel zu hohen weltweiten Ausstoß an Kohlenstoffdioxid forscht man seit geraumer Zeit intensiv nach praktikablen Alternativen zu den fossilen Brennstoffen. Ein bedeutsamer Weg in diesem Zusammenhang könnte in einer regenerativen Stromerzeugung bestehen, die in wiederaufladbaren Batterien elektrochemisch gespeichert wird. In diesem Zusammenhang sind die sogenannten Lithium-Ionen-Akkumulatoren von größter Bedeutung und werden zurzeit weltweit intensiv beforscht. Lithium-Ionen-Akkumulatoren besitzen derzeit die mit Abstand höchsten Energiedichten. Ihr Aufbau und ihre technische Herstellung sind allerdings sehr aufwendig und stellen extrem hohe Ansprüche an die Chemie und den technischen Fertigungsprozess. Aus diesem Grunde ist dieses bedeutsame, zukunftweisende Themenfeld für die Hochschule wie auch den Chemieunterricht experimentell und konzeptionell weitgehend unerschlossen.
Es ist Anliegen des Vortrages diese Lücke zu schließen. Im Experimentalvortrag werden völlig neuartige Experimente zum Themenfeld Lithium-Ionen-Akkumulatoren in Theorie und Praxis vorgestellt. Über eine einfache, selbstherzustellende Lithium-Batterie im microscale Maßstab mit einem low cost Equipment auf der Basis von metallischem Lithium bis hin zu einem leistungsfähigen "Lipo-Power-Pack" werden verschiedene Typen von Akkumulatoren im Experiment vorgestellt. Erste elektrochemische Kenndaten der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, die sich mit schulisch relevanten Mittel identifizieren lassen, werden präsentiert. Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie sich die elektrochemisch erzwungene Interkalation von Ionen mit einfachen Experimenten eindrucksvoll nachweisen lässt.

2.) "Graphen - Einblicke in die Synthese und Chemie sowie faszinierende Anwendungsmöglichkeiten des Wundermaterials des 21. Jahrhunderts."
In diesem Workshop werden erste Ergebnisse zur Synthese von Graphenoxid vorgestellt und ebenfalls eine photochemische Methode zur Reduktion von Graphenoxid zu Graphen präsentiert. Die spektakuläre photochemische Reduktion stellt das zukünftige Elektrodenmaterial unter starke Belastung, weshalb im Sinne der kommerziellen Produktion Graphenbasierter elektrochemischer Zellen, mildere Reduktionsverfahren (thermische Reduktion) und Reduktionsmittel (Dithionit; geeignete Metalle in Säure - naszierender Wasserstoff) in den Blick genommen werden müssen. Im Workshop werden neben alternativen Reduktionsverfahren anschauliche Experimente mit Graphenoxid und Graphen präsentiert. Die Thematik Graphen lässt sich perfekt in ein wichtiges Basiskonzept des Chemieunterrichts, das Struktur-Eigenschaft-Prinzip, einbetten. Darüber hinaus wird an einem geeigneten elektrochemischen System der große Vorteil von Graphen, dessen extrem große Elektrodenoberfläche, demonstriert.

3. ) Catalysis Reloaded – Faszinierende Experimente zum katalytischen
Zerfall von Wasserstoffperoxid
Katalysatoren spielen in unserem Alltag eine zentrale Rolle. Sie ermöglichen die Synthese zahlreicher chemieindustrieller Güter, welche die Grundlage vieler Konsumwaren darstellen. Sie sind entscheidende Bestandteile von Technologien wie beispielsweise der Brennstoffzelle, tragen in Kraftfahrzeugen zur Emissionsreduktion von Stickoxiden bei und sind als Enzyme ein unabdingbarer Bestandteil unserer Physiologie. Angesichts ihrer hohen Bedeutung für Industrie, Biologie, Technik und Wissenschaft verwundert es kaum, dass die Katalyse bereits seit Langem fester Bestandteil der Bildungspläne für das Fach Chemie ist.
Neben energetischen und kinetischen Betrachtungen sind insbesondere für den Chemieanfangsunterricht solche Versuche von hohem Wert, die auf der Wahrnehmungsebene Rückschlüsse auf die submikroskopischen Geschehnisse während der Katalyse zulassen. Aus diesem Grund galt der katalytische Zerfall von Wasserstoffperoxid durch Chromationen lange Zeit als Musterversuch zur Behandlung von katalytischen Reaktionen in Bildungskontexten, da das Peroxochromat als katalytische Zwischenverbindung dieser Reaktion durch ihre Farbe einen phänomenologischen Zugang zum Reaktionsgeschehen zulässt. Heute gilt Chromat jedoch als genotoxisch, was diesen didaktisch wertvollen Versuch aus den meisten Klassenzimmern verbannt haben sollte.
Für den Chemieunterricht wäre es wünschenswert, eine gesundheitlich unbedenkliche Alternative zum katalytischen Zerfall von Wasserstoffperoxid durch Chromationen zu haben. Eine eben solche gesundheitlich unbedenkliche Alternative ist das aus Nahrungsergänzungsmitteln bekannte Spurenelement Molybdat. Molybdat katalysiert den Zerfall von Wasserstoffperoxid über verschiedene farbige Zwischenverbindungen und lässt so auch auf phänomenologischer Ebene Rückschlüsse auf den Reaktionsmechanismus der homogenen Katalyse zu. Diese Zwischenverbindungen lassen sich auch unter schulischen Bedingungen gezielt isolieren, was tiefe Einblicke in den Reaktionsmechanismus einer homogenen Katalyse erlaubt.

Herr Prof. Oetken ist Abteilungsleiter und Lehrstuhlinhaber der Abteilung Chemie an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg. Er hat in den vergangenen Jahren vielfältige experimentelle Konzepte, vor allem zu Themen der Elektrochemie vorgestellt und diese für den Unterricht in Schulen erschlossen. Er ist Autor vielfältiger fachdidaktischer Artikel und Mitherausgeber der Zeitschrift CHEMKON.

Hier handelt es sich um eine Kooperationsveranstaltung mit dem GDCh-Lehrerfortbildungszentrum Karlsruhe.

Veranstaltungsart

Fortbildung

Fortbildungsart

Kurs

Ausbildungsstunden

16

Dozenten

Dr. Marco Oetken, Dominik Quarthal, Lukas Zell

Leitung

Wilhelm Willer

Standort

Speyer

Veranstaltungsort

Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz
Standort Speyer
Butenschönstraße 2
67346 Speyer

Termine

Module

Kooperation

GDCh-Lehrerfortbildungszentrum an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe, Bismarckstraße 10, 76133 Karlsruhe

Veranstalter

Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz

Gültigkeitsbereich

landesweit

Anmeldeschluss

02.11.2023