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Chemie · Klasse 13 · Kapitel

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Elektrische Energie aus chemischen Reaktionen

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich beschreibe Bau und Arbeitsweise des Daniell-Elements.

MerkenDaniell-Element

Zink wird oxidiert (Minuspol), Kupferionen werden reduziert (Pluspol).

Elektronen fließen im Draht, Ionen in der Lösung.

BeispielDaniell-Element: Bau und Arbeitsweise

Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Aluminium in einer Lösung von Al³⁺-Ionen und Kupfer in einer Lösung von Cu²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
Schritt für Schritt
  1. Potenziale: Aluminium −1,66 V, Kupfer +0,34 V.
  2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
  3. Aluminium wird oxidiert.
  1. Potenziale: Aluminium −1,66 V, Kupfer +0,34 V.
  2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
  3. Aluminium wird oxidiert.
Ergebnis:
Aluminium, es wird oxidiert

AchtungAnode ist immer der Pluspol

So nicht
Wie lautet die Gesamtgleichung des Daniell-Elements → Zn²⁺ + Cu → Zn + Cu²⁺
So richtig
Wie lautet die Gesamtgleichung des Daniell-Elements → Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Frag zuerst: Wo werden Elektronen abgegeben? Dort ist die Anode, egal welches Vorzeichen sie hat.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Zink in einer Lösung von Zn²⁺-Ionen und Blei in einer Lösung von Pb²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    So fängst du an:
    Potenziale: Zink −0,76 V, Blei −0,13 V.
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Zink −0,76 V, Blei −0,13 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Zink wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Zink, es wird oxidiert
  2. ●2
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Aluminium in einer Lösung von Al³⁺-Ionen und Silber in einer Lösung von Ag⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Aluminium −1,66 V, Silber +0,80 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Aluminium wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Aluminium, es wird oxidiert
  3. ★3
    Wie lautet die Gesamtgleichung des Daniell-Elements?
    Lösung zeigen
    1. Zink wird oxidiert: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻.
    2. Kupferionen werden reduziert: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu.
    3. Beide Teilgleichungen addiert.
    Ergebnis:
    Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

2Ich ermittle Standardelektrodenpotenziale mit der Standardwasserstoff-Elektrode und lese die Spannungsreihe.

MerkenSpannungsreihe

Die Standardwasserstoff-Elektrode hat 0 V. Negativer heißt: gibt Elektronen leichter ab.

BeispielStandardpotenziale und Spannungsreihe

Welches Metall ist das stärkste Reduktionsmittel: Silber (+0,80 V), Kupfer (+0,34 V), Zink (−0,76 V) oder Magnesium (−2,37 V)?
Schritt für Schritt
  1. Das stärkste Reduktionsmittel gibt Elektronen am leichtesten ab.
  2. Das steht in der Reihe ganz unten.
  3. Magnesium hat das negativste Potenzial.
  1. Das stärkste Reduktionsmittel gibt Elektronen am leichtesten ab.
  2. Das steht in der Reihe ganz unten.
  3. Magnesium hat das negativste Potenzial.
Ergebnis:
Magnesium

AchtungDonator und Akzeptor vertauscht

So nicht
Zink ist edler, also ist Zink der Akzeptor: −0,76 V − 0,34 V = −1,10 V.
So richtig
Das Redoxpaar mit dem kleineren E° gibt Elektronen ab (Donator). Die Zellspannung ist positiv: 0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V.

Ordne beide Paare in der Spannungsreihe. Das untere gibt Elektronen ab, das obere nimmt sie auf.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Standardpotenziale: Aluminium −1,66 V, Blei −0,13 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
    So fängst du an:
    Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
    Lösung zeigen
    1. Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
    2. Dazu neigt das Paar mit dem negativeren Potenzial.
    3. Das ist Aluminium.
    Ergebnis:
    Aluminium, es hat das negativere Potenzial
  2. ●5
    Standardpotenziale: Eisen −0,44 V, Kupfer +0,34 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
    Lösung zeigen
    1. Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
    2. Dazu neigt das Paar mit dem negativeren Potenzial.
    3. Das ist Eisen.
    Ergebnis:
    Eisen, es hat das negativere Potenzial
  3. ★6
    Warum wählt man für Standardbedingungen immer 1 mol/L der Ionen und 25 Grad Celsius?
    Lösung zeigen
    1. Das Potenzial ändert sich mit der Konzentration.
    2. Gleiche Bedingungen machen Werte vergleichbar.
    3. Deshalb sind alle Standardpotenziale für 1 mol/L angegeben.
    Ergebnis:
    Damit die Potenziale vergleichbar sind

3Ich berechne die Zellspannung unter Standardbedingungen.

MerkenZellspannung

U = E°(Akzeptor) − E°(Donator), jedes Potenzial einmal.

Daniell: 0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V.

BeispielZellspannung berechnen

Eine Zelle aus Zink (−0,76 V) und Nickel (−0,26 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
Schritt für Schritt
  1. Akzeptor: Nickel, Donator: Zink.
  2. U = −0,26 V − (−0,76 V)
  3. U = 0,50 V
  1. Akzeptor: Nickel, Donator: Zink.
  2. U = −0,26 V − (−0,76 V)
  3. U = 0,50 V
Ergebnis:
0,50 V

AchtungStandardpotenziale werden addiert

So nicht
Zink −0,76 V und Kupfer +0,34 V ergeben −0,42 V.
So richtig
Zellspannung ist Akzeptor minus Donator: 0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V.

Bestimme erst den Akzeptor, dann den Donator. Rechne E° des Akzeptors minus E° des Donators.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Eine Zelle aus Eisen (−0,44 V) und Blei (−0,13 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    So fängst du an:
    Akzeptor: Blei, Donator: Eisen.
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Blei, Donator: Eisen.
    2. U = −0,13 V − (−0,44 V)
    3. U = 0,31 V
    Ergebnis:
    0,31 V
  2. ●8
    Silber (+0,80 V) und Zink (−0,76 V) bilden eine Zelle. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung unter Standardbedingungen?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor ist Silber, Donator ist Zink.
    2. U = 0,80 V − (−0,76 V).
    3. U = 1,56 V
    Ergebnis:
    1,56 V
  3. ★9
    Aluminium (−1,66 V) gibt je Atom drei Elektronen ab, Kupfer (+0,34 V) nimmt je Ion zwei auf. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor Kupfer, Donator Aluminium.
    2. U = 0,34 V − (−1,66 V).
    3. U = 2,00 V, unabhängig von z.
    Ergebnis:
    2,00 V

4Ich unterscheide Primärelement, Sekundärelement und Brennstoffzelle.

MerkenSpannungsquellen

Primärelemente sind nicht ladbar.

Akkus lädt Strom von außen. Brennstoffzellen bekommen Stoffe laufend zugeführt.

BeispielPrimär-, Sekundärelement und Brennstoffzelle

Wie ordnet man eine Zink-Kohle-Batterie in der Taschenlampe ein?
Schritt für Schritt
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Primärelement.
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Primärelement.
Ergebnis:
Primärelement

AchtungBeim Laden läuft dieselbe Reaktion weiter

So nicht
Wie ordnet man eine Zink-Kohle-Batterie in der Taschenlampe ein → Sekundärelement
So richtig
Wie ordnet man eine Zink-Kohle-Batterie in der Taschenlampe ein → Primärelement

Schreib die Entladereaktion auf und kehre sie um. Wer erzwingt die Umkehr?

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Wie ordnet man eine Brennstoffzelle mit Methanol in einem Camping-Stromgerät ein?
    So fängst du an:
    Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
    Lösung zeigen
    1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
    2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
    3. Also Brennstoffzelle.
    Ergebnis:
    Brennstoffzelle
  2. ●11
    Was geschieht beim Entladen eines Bleiakkus, wenn er Strom abgibt?
    Lösung zeigen
    1. Beim Entladen läuft die freiwillige Reaktion.
    2. Dabei werden Blei und Bleioxid verbraucht.
    3. Die Spannung sinkt, wenn die Stoffe weniger werden.
    Ergebnis:
    Ein Stoff wird verbraucht, die Spannung sinkt allmählich
  3. ★12
    Warum kann man eine Brennstoffzelle theoretisch unbegrenzt betreiben, eine Batterie nicht?
    Lösung zeigen
    1. In der Batterie sind die Reaktionsstoffe begrenzt.
    2. In der Brennstoffzelle strömen sie von außen nach.
    3. Solange Wasserstoff und Sauerstoff kommen, fließt Strom.
    Ergebnis:
    Die Reaktionspartner werden von außen laufend zugeführt

5Ich erkläre Lokalelement sowie Sauerstoff- und Säurekorrosion.

MerkenKorrosion

Im Wasserfilm bildet sich ein Lokalelement.

An der Anode wird Eisen oxidiert, an der Kathode Sauerstoff oder H₃O⁺ reduziert.

BeispielLokalelement, Sauerstoff- und Säurekorrosion

Rostet ein Eisennagel in Leitungswasser an der Luft?
Schritt für Schritt
  1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
  2. Sauerstoff und Wasser sind da.
  3. Also rostet es.
  1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
  2. Sauerstoff und Wasser sind da.
  3. Also rostet es.
Ergebnis:
Ja, es läuft eine Korrosion ab

AchtungRosten braucht nur Sauerstoff

So nicht
Rostet ein Eisennagel in Leitungswasser an der Luft → Nein, es bleibt weitgehend blank
So richtig
Rostet ein Eisennagel in Leitungswasser an der Luft → Ja, es läuft eine Korrosion ab

Sieh dir die Nägel im Versuch an: Welche Bedingung fehlt bei den Nägeln, die nicht rosten?

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Rostet ein Eisennagel in Salzsäure?
    So fängst du an:
    Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    Lösung zeigen
    1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    2. In Säure wird H₃O⁺ reduziert, das Eisen löst sich auch ohne Sauerstoff.
    3. Also rostet es.
    Ergebnis:
    Ja, es läuft eine Korrosion ab
  2. ●14
    Welche Teilreaktion läuft an der Kathode bei der Sauerstoffkorrosion im neutralen Wasserfilm ab?
    Lösung zeigen
    1. Die Kathode reduziert.
    2. Im neutralen Wasserfilm wird Sauerstoff reduziert.
    3. O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻
    Ergebnis:
    O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻
  3. ★15
    Ein Wassertropfen liegt auf blankem Eisen. Warum rostet es zuerst am Rand?
    Lösung zeigen
    1. Der Rand liegt näher an der Luft.
    2. Dort wird Sauerstoff reduziert: Kathode.
    3. In der Mitte wird Eisen oxidiert, der Rost folgt dort.
    Ergebnis:
    Am Rand kommt mehr Sauerstoff heran, dort ist die Kathode

6Ich begründe Korrosionsschutz mit Opferanode und kenne ein Nanomaterial als Schutz.

MerkenKorrosionsschutz

Das unedlere Metall wird statt des edleren oxidiert (Opferanode).

Superhydrophobe Schichten halten den Wasserfilm fern.

BeispielKorrosionsschutz: Opferanode und Nanomaterial

Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Magnesium (−2,37 V) und Silber (+0,80 V) zur Wahl. Welches Metall eignet sich?
Schritt für Schritt
  1. Vergleiche beide Potenziale mit −0,44 V.
  2. Die Opferanode hat das kleinere Potenzial.
  3. Das trifft auf Magnesium zu.
  1. Vergleiche beide Potenziale mit −0,44 V.
  2. Die Opferanode hat das kleinere Potenzial.
  3. Das trifft auf Magnesium zu.
Ergebnis:
Magnesium, es ist unedler als Eisen

AchtungDas edlere Metall schützt das unedlere

So nicht
Man verbindet Eisen mit Kupfer, dann ist das Eisen geschützt.
So richtig
Es schützt das unedlere Metall: Zink oder Magnesium wird statt Eisen oxidiert (Opferanode). Mit Kupfer rostet das Eisen schneller.

Ordne Eisen und das Schutzmetall in der Spannungsreihe. Das mit dem kleineren Potenzial wird oxidiert.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Magnesium (−2,37 V) und Kupfer (+0,34 V) zur Wahl. Welches Metall eignet sich?
    So fängst du an:
    Vergleiche beide Potenziale mit −0,44 V.
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche beide Potenziale mit −0,44 V.
    2. Die Opferanode hat das kleinere Potenzial.
    3. Das trifft auf Magnesium zu.
    Ergebnis:
    Magnesium, es ist unedler als Eisen
  2. ●17
    Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Blei (−0,13 V) und Magnesium (−2,37 V) zur Wahl. Welches Metall eignet sich?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche beide Potenziale mit −0,44 V.
    2. Die Opferanode hat das kleinere Potenzial.
    3. Das trifft auf Magnesium zu.
    Ergebnis:
    Magnesium, es ist unedler als Eisen
  3. ★18
    Wie viele Opferanoden mit Zink braucht man ungefähr pro Rumpf? Sie sollen das Eisen schützen. Welcher Faktor entscheidet über die Haltbarkeit?
    Lösung zeigen
    1. Die Opferanode löst sich beim Schutz auf.
    2. Sie hält, bis das Zink verbraucht ist.
    3. Darum hängt die Haltbarkeit von der Zinkmenge ab.
    Ergebnis:
    Die Menge an Zink, die oxidiert werden kann

7Ich erkläre die Grundlagen der Elektrolyse und ein technisches Beispiel.

MerkenElektrolyse

Die Elektrolyse erzwingt eine Reaktion durch Gleichspannung.

An der Kathode wird reduziert, an der Anode oxidiert.

BeispielElektrolyse: Grundlagen und technisches Beispiel

Bleibromidschmelze wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welcher Stoff entsteht an der Anode?
Schritt für Schritt
  1. Die Anode ist der Pluspol.
  2. Dort wandern die Anionen hin und geben Elektronen ab.
  3. 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻
  1. Die Anode ist der Pluspol.
  2. Dort wandern die Anionen hin und geben Elektronen ab.
  3. 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻
Ergebnis:
Brom

AchtungKathode und Anode vertauscht bei der Elektrolyse

So nicht
Die Anionen wandern zur Kathode, weil dort die Reduktion stattfindet.
So richtig
Anionen wandern zur Anode und werden dort oxidiert. Kationen wandern zur Kathode und werden dort reduziert.

Markiere erst die Pole der Spannungsquelle. Zeichne dann, wohin Kationen und Anionen wandern.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Nickelchloridlösung wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welche Teilgleichung beschreibt die Kathode?
    So fängst du an:
    Die Kathode ist der Minuspol.
    Lösung zeigen
    1. Die Kathode ist der Minuspol.
    2. Dort wandern die Kationen hin und nehmen Elektronen auf.
    3. Ni²⁺ + 2 e⁻ → Ni
    Ergebnis:
    Ni²⁺ + 2 e⁻ → Ni
  2. ●20
    Bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse entsteht neben Chlor ein Stoff, der als Lauge genutzt wird. Welcher?
    Lösung zeigen
    1. Kathode: Wasser wird reduziert, es entstehen H₂ und OH⁻.
    2. Anode: Chlorid wird zu Cl₂ oxidiert.
    3. Übrig bleiben Na⁺ und OH⁻: Natronlauge.
    Ergebnis:
    Natronlauge
  3. ★21
    Bei einer Elektrolyse beginnt der Strom erst oberhalb einer Mindestspannung zu fließen. Wie heißt sie?
    Lösung zeigen
    1. Ohne Mindestspannung fließt kein Dauerstrom.
    2. Sie entspricht der Spannung der umgekehrten Zelle.
    3. Der Name: Zersetzungsspannung.
    Ergebnis:
    Zersetzungsspannung

8Ich wende die Nernst-Gleichung und die Faraday-Gesetze an (Leistungskurs).

MerkenBerechnungen

Nernst: E = E° + (0,059 V : z) · lg c(Ox) : c(Red).

Faraday: n = I · t : (z · F), F = 96.485 C/mol.

BeispielNernst-Gleichung und Faraday-Gesetze

Bestimme: Wie viel Zink (65 g/mol) scheidet ein Strom von 2 A in 965 s aus einer Zn²⁺-Lösung ab? F = 96.485 C/mol.
Schritt für Schritt
  1. Ladung Q = I · t = 2 A · 965 s = 1930 C.
  2. n = Q : (z · F) = 1930 C : (2 · 96.485 C/mol) = 0,010 mol.
  3. m = n · M = 0,010 mol · 65 g/mol = 0,65 g
  1. Ladung Q = I · t = 2 A · 965 s = 1930 C.
  2. n = Q : (z · F) = 1930 C : (2 · 96.485 C/mol) = 0,010 mol.
  3. m = n · M = 0,010 mol · 65 g/mol = 0,65 g
Ergebnis:
0,65 g

AchtungDie Ladungszahl z in der Faraday-Rechnung fehlt

So nicht
n = I · t : F, also 0,010 mol Zink bei 1930 C.
So richtig
n = I · t : (z · F). Zink gibt 2 Elektronen je Ion ab, also 1930 C : (2 · 96.485 C/mol) = 0,010 mol.

Schreib die Teilgleichung auf. Wie viele Elektronen gehören zu einem Teilchen? Diese Zahl ist z.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Eine Zinkelektrode taucht in eine Lösung mit c = 0,001 mol/L ihrer Ionen (E° = −0,76 V, z = 2). Welches Potenzial hat sie bei 25 Grad Celsius?
    So fängst du an:
    lg 0,001 = −3
    Lösung zeigen
    1. lg 0,001 = −3
    2. E = −0,76 V + (0,059 V : 2) · (−3)
    3. E = −0,85 V
    Ergebnis:
    −0,85 V
  2. ●23
    Ein Strom von 5 A fließt 3860 s lang durch eine Lösung der Zinkionen mit der Ladungszahl 2. Bestimme: Wie viel Gramm Zink scheiden sich ab? M = 65 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    Lösung zeigen
    1. Q = 5 A · 3860 s = 19.300 C
    2. n = 19.300 C : (2 · 96.485 C/mol)
    3. m = n · M = 6,50 g
    Ergebnis:
    6,50 g
  3. ★24
    Dieselbe Ladung scheidet Silber (z = 1) und Kupfer (z = 2) ab. In welchem Verhältnis stehen die Stoffmengen n(Ag) : n(Cu)?
    Lösung zeigen
    1. n = Q : (z · F).
    2. Bei gleicher Ladung ist n umgekehrt proportional zu z.
    3. n(Ag) : n(Cu) = 2 : 1
    Ergebnis:
    2 : 1

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Standardpotenziale: Blei −0,13 V, Kupfer +0,34 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
    Lösung zeigen
    1. Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
    2. Dazu neigt das Paar mit dem negativeren Potenzial.
    3. Das ist Blei.
    Ergebnis:
    Blei, es hat das negativere Potenzial
  2. ●26
    Wie ordnet man ein Lithium-Ionen-Akku im Handy ein?
    Lösung zeigen
    1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
    2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
    3. Also Sekundärelement.
    Ergebnis:
    Sekundärelement
  3. ●27
    Rostet ein Eisennagel mit Zinkband in Salzwasser?
    Lösung zeigen
    1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    2. Das Zink wird zuerst oxidiert und schützt das Eisen.
    3. Also rostet es kaum.
    Ergebnis:
    Nein, es bleibt weitgehend blank
  4. ●28
    Was unterscheidet die Elektrolyse von der galvanischen Zelle in der Energiebilanz?
    Lösung zeigen
    1. Galvanische Zelle: freiwillig, liefert Energie.
    2. Elektrolyse: erzwungen, braucht Energie.
    3. Darum braucht sie Gleichspannung von außen.
    Ergebnis:
    Die Elektrolyse nimmt elektrische Energie auf und erzwingt die Reaktion
  5. ●29
    Ein Strom von 4 A fließt 1930 s lang durch eine Lösung der Zinkionen mit der Ladungszahl 2. Bestimme: Wie viel Gramm Zink scheiden sich ab? M = 65 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    Lösung zeigen
    1. Q = 4 A · 1930 s = 7720 C
    2. n = 7720 C : (2 · 96.485 C/mol)
    3. m = n · M = 2,60 g
    Ergebnis:
    2,60 g
  6. ●30
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Eisen in einer Lösung von Fe²⁺-Ionen und Silber in einer Lösung von Ag⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Eisen −0,44 V, Silber +0,80 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Eisen wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Eisen, es wird oxidiert

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Daniell-Element
Zink wird oxidiert (Minuspol), Kupferionen werden reduziert (Pluspol).
Spannungsreihe
Die Standardwasserstoff-Elektrode hat 0 V. Negativer heißt: gibt Elektronen leichter ab.
Zellspannung
U = E°(Akzeptor) − E°(Donator), jedes Potenzial einmal.
Spannungsquellen
Primärelemente sind nicht ladbar.
Korrosion
Im Wasserfilm bildet sich ein Lokalelement.
Korrosionsschutz
Das unedlere Metall wird statt des edleren oxidiert (Opferanode).
Elektrolyse
Die Elektrolyse erzwingt eine Reaktion durch Gleichspannung.
Berechnungen
Nernst: E = E° + (0,059 V : z) · lg c(Ox) : c(Red).

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich beschreibe Bau und Arbeitsweise des Daniell-Elements.

    31
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Magnesium in einer Lösung von Mg²⁺-Ionen und Zink in einer Lösung von Zn²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Magnesium, es wird oxidiert

  2. Ich ermittle Standardelektrodenpotenziale mit der Standardwasserstoff-Elektrode und lese die Spannungsreihe.

    32
    Standardpotenziale: Aluminium −1,66 V, Nickel −0,26 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aluminium, es hat das negativere Potenzial

  3. Ich berechne die Zellspannung unter Standardbedingungen.

    33
    Eine Zelle aus Eisen (−0,44 V) und Nickel (−0,26 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,18 V

  4. Ich unterscheide Primärelement, Sekundärelement und Brennstoffzelle.

    34
    Wie ordnet man eine Alkali-Mangan-Batterie in der Fernbedienung ein?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Primärelement

  5. Ich erkläre Lokalelement sowie Sauerstoff- und Säurekorrosion.

    35
    Welche Bedingungen braucht das Rosten von Eisen mindestens?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sauerstoff und Wasser als Elektrolytfilm

  6. Ich begründe Korrosionsschutz mit Opferanode und kenne ein Nanomaterial als Schutz.

    36
    Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Zink (−0,76 V) und Nickel (−0,26 V) zur Wahl. Welches Metall eignet sich?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Zink, es ist unedler als Eisen

  7. Ich erkläre die Grundlagen der Elektrolyse und ein technisches Beispiel.

    37
    Zinkbromidlösung wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welcher Stoff entsteht an der Anode?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Brom

  8. Ich wende die Nernst-Gleichung und die Faraday-Gesetze an (Leistungskurs).

    38
    Ein Strom von 4 A fließt 1930 s lang durch eine Lösung der Kupferionen mit der Ladungszahl 2. Bestimme: Wie viel Gramm Kupfer scheiden sich ab? M = 64 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,56 g

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Gleichung
zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind

Lösungen

  1. Zink, es wird oxidiert
  2. Aluminium, es wird oxidiert
  3. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
  4. Aluminium, es hat das negativere Potenzial
  5. Eisen, es hat das negativere Potenzial
  6. Damit die Potenziale vergleichbar sind
  7. 0,31 V
  8. 1,56 V
  9. 2,00 V
  10. Brennstoffzelle
  11. Ein Stoff wird verbraucht, die Spannung sinkt allmählich
  12. Die Reaktionspartner werden von außen laufend zugeführt
  13. Ja, es läuft eine Korrosion ab
  14. O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻
  15. Am Rand kommt mehr Sauerstoff heran, dort ist die Kathode
  16. Magnesium, es ist unedler als Eisen
  17. Magnesium, es ist unedler als Eisen
  18. Die Menge an Zink, die oxidiert werden kann
  19. Ni²⁺ + 2 e⁻ → Ni
  20. Natronlauge
  21. Zersetzungsspannung
  22. −0,85 V
  23. 6,50 g
  24. 2 : 1
  25. Blei, es hat das negativere Potenzial
  26. Sekundärelement
  27. Nein, es bleibt weitgehend blank
  28. Die Elektrolyse nimmt elektrische Energie auf und erzwingt die Reaktion
  29. 2,60 g
  30. Eisen, es wird oxidiert
  31. Magnesium, es wird oxidiert
  32. Aluminium, es hat das negativere Potenzial
  33. 0,18 V
  34. Primärelement
  35. Sauerstoff und Wasser als Elektrolytfilm
  36. Zink, es ist unedler als Eisen
  37. Brom
  38. 2,56 g