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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: Aluminium in einer Lösung von Al³⁺-Ionen und Eisen in einer Lösung von Fe²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    So fängst du an:
    Potenziale: Aluminium −1,66 V, Eisen −0,44 V.
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Aluminium −1,66 V, Eisen −0,44 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Aluminium wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Aluminium, es wird oxidiert
  2. ●2
    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?
    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
  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

Standardpotenziale: Blei −0,13 V, Kupfer +0,34 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
Schritt für Schritt
  1. Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
  2. Dazu neigt das Paar mit dem negativeren Potenzial.
  3. Das ist Blei.
  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

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: Zink −0,76 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 Zink.
    Ergebnis:
    Zink, 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
    Standardpotenziale: Kupfer +0,34 V, Silber +0,80 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 Kupfer.
    Ergebnis:
    Kupfer, es hat das negativere Potenzial

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

In einer Zelle gibt Eisen (−0,44 V) Elektronen an Kupferionen (+0,34 V) ab. Bestimme: Welche Spannung liefert sie?
Schritt für Schritt
  1. Akzeptor ist Kupfer, Donator ist Eisen.
  2. U = 0,34 V − (−0,44 V).
  3. U = 0,78 V
  1. Akzeptor ist Kupfer, Donator ist Eisen.
  2. U = 0,34 V − (−0,44 V).
  3. U = 0,78 V
Ergebnis:
0,78 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
    Eine Zelle aus Zink (−0,76 V) und Blei (−0,13 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Blei, Donator: Zink.
    2. U = −0,13 V − (−0,76 V)
    3. U = 0,63 V
    Ergebnis:
    0,63 V
  3. ★9
    Eine Zelle liefert 0,50 V. Das Potenzial des Donators ist −0,26 V. Bestimme: Wie groß ist das Potenzial des Akzeptors?
    Lösung zeigen
    1. U = E(Akzeptor) − E(Donator), also E(Akzeptor) = U + E(Donator).
    2. E(Akzeptor) = 0,50 V + (−0,26 V).
    3. E(Akzeptor) = 0,24 V
    Ergebnis:
    0,24 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 ein Lithium-Ionen-Akku im Handy ein?
Schritt für Schritt
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Sekundärelement.
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Sekundärelement.
Ergebnis:
Sekundärelement

AchtungDie Batterie speichert Elektronen

So nicht
Wie ordnet man ein Lithium-Ionen-Akku im Handy ein → Primärelement
So richtig
Wie ordnet man ein Lithium-Ionen-Akku im Handy ein → Sekundärelement

Nenne, welcher Stoff beim Entladen verbraucht wird. Wenn er aufgebraucht ist, endet der Strom.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Wie ordnet man ein Nickel-Metallhydrid-Akku in der Digitalkamera 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 Sekundärelement.
    Ergebnis:
    Sekundärelement
  2. ●11
    Wie ordnet man eine Knopfzelle in der Armbanduhr ein?
    Lösung zeigen
    1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
    2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
    3. Also Primärelement.
    Ergebnis:
    Primärelement
  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 Paraffinöl?
Schritt für Schritt
  1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
  2. Das Öl hält Wasser und Sauerstoff vom Eisen fern.
  3. Also rostet es kaum.
  1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
  2. Das Öl hält Wasser und Sauerstoff vom Eisen fern.
  3. Also rostet es kaum.
Ergebnis:
Nein, es bleibt weitgehend blank

AchtungRosten braucht nur Sauerstoff

So nicht
Rostet ein verchromter Wasserhahn mit Kratzer im feuchten Bad → Nein, es bleibt weitgehend blank
So richtig
Rostet ein verchromter Wasserhahn mit Kratzer im feuchten Bad → 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 verchromter Wasserhahn mit Kratzer im feuchten Bad?
    So fängst du an:
    Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    Lösung zeigen
    1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    2. Im Kratzer bildet sich ein Lokalelement, in dem das Eisen die Elektronen abgibt.
    3. Also rostet es.
    Ergebnis:
    Ja, es läuft eine Korrosion ab
  2. ●14
    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
  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

Eine Konservendose aus Eisen ist verzinnt und hat einen Kratzer. Was geschieht im feuchten Raum?
Schritt für Schritt
  1. Zinn ist edler als Eisen.
  2. Beide Metalle bilden mit dem Wasserfilm ein Lokalelement.
  3. Das unedlere Eisen gibt die Elektronen ab.
  1. Zinn ist edler als Eisen.
  2. Beide Metalle bilden mit dem Wasserfilm ein Lokalelement.
  3. Das unedlere Eisen gibt die Elektronen ab.
Ergebnis:
Das Eisen rostet im Kratzer schneller, weil Zinn edler ist

AchtungVerzinnt und verzinkt schützen gleich

So nicht
Eine Zinnschicht auf Eisen schützt auch dann, wenn sie einen Kratzer hat.
So richtig
Zinn ist edler als Eisen. Bei einem Kratzer rostet das Eisen schneller. Zink ist unedler als Eisen und schützt auch bei Beschädigung.

Schau, ob das Schichtmetall edler oder unedler als Eisen ist. Dann entscheide, wer bei einem Kratzer die Elektronen abgibt.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Aluminium (−1,66 V) und Nickel (−0,26 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 Aluminium zu.
    Ergebnis:
    Aluminium, es ist unedler als Eisen
  2. ●17
    Blei (−0,13 V) wird leitend mit Eisen (−0,44 V) verbunden und kommt mit Salzwasser in Berührung. Schützt es das Eisen als Opferanode?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche −0,13 V mit −0,44 V.
    2. Das Schutzmetall hat das größere Potenzial.
    3. Dann gibt das Eisen die Elektronen ab.
    Ergebnis:
    Nein, es ist edler und das Eisen wird stärker angegriffen
  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

Zinkiodidlösung wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welche Teilgleichung beschreibt die Kathode?
Schritt für Schritt
  1. Die Kathode ist der Minuspol.
  2. Dort wandern die Kationen hin und nehmen Elektronen auf.
  3. Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn
  1. Die Kathode ist der Minuspol.
  2. Dort wandern die Kationen hin und nehmen Elektronen auf.
  3. Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn
Ergebnis:
Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn

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
    Bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse entsteht neben Chlor ein Stoff, der als Lauge genutzt wird. Welcher?
    So fängst du an:
    Kathode: Wasser wird reduziert, es entstehen H₂ und OH⁻.
    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
  2. ●20
    Bleibromidschmelze wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welcher Stoff entsteht an der Anode?
    Lösung zeigen
    1. Die Anode ist der Pluspol.
    2. Dort wandern die Anionen hin und geben Elektronen ab.
    3. 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻
    Ergebnis:
    Brom
  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
    Ein Strom von 5 A fließt 3860 s lang durch eine Lösung der Silberionen mit der Ladungszahl 1. Bestimme: Wie viel Gramm Silber scheiden sich ab? M = 108 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    So fängst du an:
    Q = 5 A · 3860 s = 19.300 C
    Lösung zeigen
    1. Q = 5 A · 3860 s = 19.300 C
    2. n = 19.300 C : (1 · 96.485 C/mol)
    3. m = n · M = 21,60 g
    Ergebnis:
    21,60 g
  2. ●23
    Wie hängt die abgeschiedene Stoffmenge von der Stromstärke bei konstanter Zeit ab?
    Lösung zeigen
    1. Q = I · t.
    2. n = Q : (z · F).
    3. n ist proportional zu I, solange t, z und F gleich bleiben.
    Ergebnis:
    Sie ist proportional zur Stromstärke
  3. ★24
    Bestimme: Wie groß ist das Potenzial einer Kupferelektrode in einer Lösung mit c(Cu²⁺) = 0,01 mol/L bei 25 Grad Celsius? E° = +0,34 V.
    Lösung zeigen
    1. E = E° + (0,059 V : z) · lg c.
    2. z = 2, lg 0,01 = −2.
    3. E = 0,34 V − 0,059 V = 0,28 V.
    Ergebnis:
    0,28 V

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Eisen in einer Lösung von Fe²⁺-Ionen und Blei in einer Lösung von Pb²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Eisen −0,44 V, Blei −0,13 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Eisen wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Eisen, es wird oxidiert
  2. ●26
    Ein Redoxpaar hat das Standardpotenzial −2,37 V. Was sagt das über die reduzierte Form?
    Lösung zeigen
    1. Negativ heißt: abgabefreudig.
    2. Die reduzierte Form ist der Donator.
    3. Das Metall ist stark unedel.
    Ergebnis:
    Sie gibt Elektronen sehr leicht ab
  3. ●27
    Eine Zelle aus Magnesium (−2,37 V) und Kupfer (+0,34 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Kupfer, Donator: Magnesium.
    2. U = +0,34 V − (−2,37 V)
    3. U = 2,71 V
    Ergebnis:
    2,71 V
  4. ●28
    Was unterscheidet eine Alkali-Mangan-Batterie von einem Lithium-Ionen-Akku?
    Lösung zeigen
    1. Die Batterie ist ein Primärelement: Sie wird verbraucht.
    2. Der Akku ist ein Sekundärelement.
    3. Beim Laden erzwingt Strom von außen die Umkehrung.
    Ergebnis:
    Die Batterie ist nicht wiederaufladbar, der Akku wird durch eine erzwungene Umkehrung geladen
  5. ●29
    Rostet ein Eisennagel mit Kupferdraht in Salzwasser?
    Lösung zeigen
    1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    2. Das Eisen ist unedler als Kupfer und wird verstärkt oxidiert.
    3. Also rostet es.
    Ergebnis:
    Ja, es läuft eine Korrosion ab
  6. ●30
    Als Opferanode für Eisen (−0,44 V) stehen Kupfer (+0,34 V) und Aluminium (−1,66 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 Aluminium zu.
    Ergebnis:
    Aluminium, es ist unedler als Eisen

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
    Welche Vorgänge laufen in der Kupferhalbzelle des Daniell-Elements ab?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kupferionen werden zu Kupfer reduziert, die Elektrode wird schwerer

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

    32
    Standardpotenziale: Kupfer +0,34 V, Silber +0,80 V. Welches Metall ist das stärkere Reduktionsmittel, und warum?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kupfer, es hat das negativere Potenzial

  3. Ich berechne die Zellspannung unter Standardbedingungen.

    33
    Eine Zelle aus Nickel (−0,26 V) und Kupfer (+0,34 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,60 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
    Silber (+0,80 V) wird leitend mit Eisen (−0,44 V) verbunden und kommt mit Salzwasser in Berührung. Schützt es das Eisen als Opferanode?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nein, es ist edler und das Eisen wird stärker angegriffen

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

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

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

    38
    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?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    −0,85 V

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. Aluminium, es wird oxidiert
  2. Zink, es wird oxidiert
  3. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
  4. Zink, es hat das negativere Potenzial
  5. Eisen, es hat das negativere Potenzial
  6. Kupfer, es hat das negativere Potenzial
  7. 0,31 V
  8. 0,63 V
  9. 0,24 V
  10. Sekundärelement
  11. Primärelement
  12. Die Reaktionspartner werden von außen laufend zugeführt
  13. Ja, es läuft eine Korrosion ab
  14. Nein, es bleibt weitgehend blank
  15. Am Rand kommt mehr Sauerstoff heran, dort ist die Kathode
  16. Aluminium, es ist unedler als Eisen
  17. Nein, es ist edler und das Eisen wird stärker angegriffen
  18. Die Menge an Zink, die oxidiert werden kann
  19. Natronlauge
  20. Brom
  21. Zersetzungsspannung
  22. 21,60 g
  23. Sie ist proportional zur Stromstärke
  24. 0,28 V
  25. Eisen, es wird oxidiert
  26. Sie gibt Elektronen sehr leicht ab
  27. 2,71 V
  28. Die Batterie ist nicht wiederaufladbar, der Akku wird durch eine erzwungene Umkehrung geladen
  29. Ja, es läuft eine Korrosion ab
  30. Aluminium, es ist unedler als Eisen
  31. Kupferionen werden zu Kupfer reduziert, die Elektrode wird schwerer
  32. Kupfer, es hat das negativere Potenzial
  33. 0,60 V
  34. Primärelement
  35. Sauerstoff und Wasser als Elektrolytfilm
  36. Nein, es ist edler und das Eisen wird stärker angegriffen
  37. Chlor
  38. −0,85 V