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Chemie · Klasse 13 · Kapitel

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Elektrische Energie aus chemischen Reaktionen

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○ 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: Magnesium in einer Lösung von Mg²⁺-Ionen und Zink in einer Lösung von Zn²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
Schritt für Schritt
  1. Potenziale: Magnesium −2,37 V, Zink −0,76 V.
  2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
  3. Magnesium wird oxidiert.
  1. Potenziale: Magnesium −2,37 V, Zink −0,76 V.
  2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
  3. Magnesium wird oxidiert.
Ergebnis:
Magnesium, 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 Eisen in einer Lösung von Fe²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    So fängst du an:
    Potenziale: Zink −0,76 V, Eisen −0,44 V.
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Zink −0,76 V, Eisen −0,44 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

Standardpotenziale: Nickel −0,26 V, Blei −0,13 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 Nickel.
  1. Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab.
  2. Dazu neigt das Paar mit dem negativeren Potenzial.
  3. Das ist Nickel.
Ergebnis:
Nickel, 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: Blei −0,13 V, Silber +0,80 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 Blei.
    Ergebnis:
    Blei, es hat das negativere Potenzial
  2. ●5
    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. ★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 Nickel (−0,26 V) und Silber (+0,80 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
Schritt für Schritt
  1. Akzeptor: Silber, Donator: Nickel.
  2. U = +0,80 V − (−0,26 V)
  3. U = 1,06 V
  1. Akzeptor: Silber, Donator: Nickel.
  2. U = +0,80 V − (−0,26 V)
  3. U = 1,06 V
Ergebnis:
1,06 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 Aluminium (−1,66 V) und Nickel (−0,26 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    So fängst du an:
    Akzeptor: Nickel, Donator: Aluminium.
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Nickel, Donator: Aluminium.
    2. U = −0,26 V − (−1,66 V)
    3. U = 1,40 V
    Ergebnis:
    1,40 V
  2. ●8
    Eine Zelle aus Zink (−0,76 V) und Kupfer (+0,34 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Kupfer, Donator: Zink.
    2. U = +0,34 V − (−0,76 V)
    3. U = 1,10 V
    Ergebnis:
    1,10 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 eine Brennstoffzelle mit Methanol in einem Camping-Stromgerät ein?
Schritt für Schritt
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Brennstoffzelle.
  1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
  2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
  3. Also Brennstoffzelle.
Ergebnis:
Brennstoffzelle

AchtungBeim Laden läuft dieselbe Reaktion weiter

So nicht
Wie ordnet man eine Lithium-Batterie im Rauchmelder ein → Sekundärelement
So richtig
Wie ordnet man eine Lithium-Batterie im Rauchmelder ein → Primärelement

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Welche Reaktion läuft in der Brennstoffzelle an der Kathode ab?
    So fängst du an:
    An der Kathode wird reduziert.
    Lösung zeigen
    1. An der Kathode wird reduziert.
    2. Reduziert wird der Sauerstoff.
    3. Er nimmt die Elektronen aus dem äußeren Stromkreis auf.
    Ergebnis:
    Sauerstoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert
  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
    Wie ordnet man eine Lithium-Batterie im Rauchmelder ein?
    Lösung zeigen
    1. Frage: Kann man die Reaktion durch Strom umkehren?
    2. Werden die Stoffe laufend zugeführt?
    3. Also Primärelement.
    Ergebnis:
    Primärelement

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 verchromter Wasserhahn mit Kratzer im feuchten Bad?
Schritt für Schritt
  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.
  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

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 Stahlträger in einer Betonwand mit trockener Innenluft?
    So fängst du an:
    Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    Lösung zeigen
    1. Prüfe: Sauerstoff, Wasser als Elektrolyt, Lokalelement?
    2. Im alkalischen und trockenen Beton fehlen Wasser und Säure.
    3. Also rostet es kaum.
    Ergebnis:
    Nein, es bleibt weitgehend blank
  2. ●14
    Rostet ein Eisennagel in Paraffinöl?
    Lösung zeigen
    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
  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 Aluminium (−1,66 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 Aluminium zu.
  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

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
    Aluminium (−1,66 V) wird leitend mit Eisen (−0,44 V) verbunden und kommt mit Salzwasser in Berührung. Schützt es das Eisen als Opferanode?
    So fängst du an:
    Vergleiche −1,66 V mit −0,44 V.
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche −1,66 V mit −0,44 V.
    2. Das Schutzmetall hat das kleinere Potenzial.
    3. Es gibt die Elektronen ab und schützt.
    Ergebnis:
    Ja, es ist unedler und wird statt des Eisens oxidiert
  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
    Welche Eigenschaft zeigt eine superhydrophobe Oberfläche, und wie schützt sie vor Korrosion?
    Lösung zeigen
    1. Hydrophob heißt wasserabweisend.
    2. Nanostruktur und wasserabweisende Moleküle halten Wasser ab.
    3. Ohne Wasserfilm kein Elektrolyt, also keine Korrosion.
    Ergebnis:
    Wasser perlt ab, es bildet sich kein Elektrolytfilm

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
    Zinkiodidlösung wird mit Graphitelektroden elektrolysiert. Welcher Stoff entsteht an der Anode?
    So fängst du an:
    Die Anode ist der Pluspol.
    Lösung zeigen
    1. Die Anode ist der Pluspol.
    2. Dort wandern die Anionen hin und geben Elektronen ab.
    3. 2 I⁻ → I₂ + 2 e⁻
    Ergebnis:
    Iod
  2. ●20
    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
  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

Ein Strom von 5 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.
Schritt für Schritt
  1. Q = 5 A · 1930 s = 9650 C
  2. n = 9650 C : (2 · 96.485 C/mol)
  3. m = n · M = 3,25 g
  1. Q = 5 A · 1930 s = 9650 C
  2. n = 9650 C : (2 · 96.485 C/mol)
  3. m = n · M = 3,25 g
Ergebnis:
3,25 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
    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.
    So fängst du an:
    Ladung Q = I · t = 2 A · 965 s = 1930 C.
    Lösung zeigen
    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
  2. ●23
    Ein Strom von 2 A fließt 1930 s lang durch eine Lösung der Nickelionen mit der Ladungszahl 2. Bestimme: Wie viel Gramm Nickel scheiden sich ab? M = 59 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    Lösung zeigen
    1. Q = 2 A · 1930 s = 3860 C
    2. n = 3860 C : (2 · 96.485 C/mol)
    3. m = n · M = 1,18 g
    Ergebnis:
    1,18 g
  3. ★24
    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
    1. lg 0,001 = −3
    2. E = −0,76 V + (0,059 V : 2) · (−3)
    3. E = −0,85 V
    Ergebnis:
    −0,85 V

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Eine Zelle aus Aluminium (−1,66 V) und Eisen (−0,44 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    1. Akzeptor: Eisen, Donator: Aluminium.
    2. U = −0,44 V − (−1,66 V)
    3. U = 1,22 V
    Ergebnis:
    1,22 V
  2. ●26
    Warum korrodiert Eisen in sauren Lösungen stärker?
    Lösung zeigen
    1. Eisen ist unedler als Wasserstoff.
    2. In Säuren sind viele H₃O⁺ vorhanden.
    3. Sie nehmen die Elektronen auf und werden zu H₂.
    Ergebnis:
    H₃O⁺-Ionen werden zu Wasserstoff reduziert
  3. ●27
    Ein Strom von 5 A fließt 1930 s lang durch eine Lösung der Nickelionen mit der Ladungszahl 2. Bestimme: Wie viel Gramm Nickel scheiden sich ab? M = 59 g/mol, F = 96.485 C/mol.
    Lösung zeigen
    1. Q = 5 A · 1930 s = 9650 C
    2. n = 9650 C : (2 · 96.485 C/mol)
    3. m = n · M = 2,95 g
    Ergebnis:
    2,95 g
  4. ●28
    Zwei Halbzellen werden mit einer Salzbrücke verbunden: Eisen in einer Lösung von Fe²⁺-Ionen und Kupfer in einer Lösung von Cu²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    1. Potenziale: Eisen −0,44 V, Kupfer +0,34 V.
    2. Das kleinere Potenzial gehört zum Donator, dem Minuspol.
    3. Eisen wird oxidiert.
    Ergebnis:
    Eisen, es wird oxidiert
  5. ★29
    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
  6. ★30
    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

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: Blei in einer Lösung von Pb²⁺-Ionen und Kupfer in einer Lösung von Cu²⁺-Ionen. Welches Metall bildet den Minuspol, und was geschieht dort?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Blei, es wird oxidiert

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

    32
    Welchen Wert hat das Standardpotenzial der Standardwasserstoff-Elektrode?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0 V, per Definition

  3. Ich berechne die Zellspannung unter Standardbedingungen.

    33
    Eine Zelle aus Eisen (−0,44 V) und Blei (−0,13 V) arbeitet unter Standardbedingungen. Bestimme: Wie groß ist die Zellspannung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,31 V

  4. Ich unterscheide Primärelement, Sekundärelement und Brennstoffzelle.

    34
    Wie ordnet man ein Lithium-Ionen-Akku im Handy ein?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sekundärelement

  5. Ich erkläre Lokalelement sowie Sauerstoff- und Säurekorrosion.

    35
    Rostet ein Eisennagel in Salzwasser an der Luft?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ja, es läuft eine Korrosion ab

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

    36
    Aluminium (−1,66 V) wird leitend mit Eisen (−0,44 V) verbunden und kommt mit Salzwasser in Berührung. Schützt es das Eisen als Opferanode?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ja, es ist unedler und wird statt des Eisens oxidiert

  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 = 0,1 mol/L ihrer Ionen (E° = −0,76 V, z = 2). Welches Potenzial hat sie bei 25 Grad Celsius?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    −0,79 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. Zink, es wird oxidiert
  2. Aluminium, es wird oxidiert
  3. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
  4. Blei, es hat das negativere Potenzial
  5. Sie gibt Elektronen sehr leicht ab
  6. Damit die Potenziale vergleichbar sind
  7. 1,40 V
  8. 1,10 V
  9. 0,24 V
  10. Sauerstoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert
  11. Ein Stoff wird verbraucht, die Spannung sinkt allmählich
  12. Primärelement
  13. Nein, es bleibt weitgehend blank
  14. Nein, es bleibt weitgehend blank
  15. Am Rand kommt mehr Sauerstoff heran, dort ist die Kathode
  16. Ja, es ist unedler und wird statt des Eisens oxidiert
  17. Nein, es ist edler und das Eisen wird stärker angegriffen
  18. Wasser perlt ab, es bildet sich kein Elektrolytfilm
  19. Iod
  20. Die Elektrolyse nimmt elektrische Energie auf und erzwingt die Reaktion
  21. Zersetzungsspannung
  22. 0,65 g
  23. 1,18 g
  24. −0,85 V
  25. 1,22 V
  26. H₃O⁺-Ionen werden zu Wasserstoff reduziert
  27. 2,95 g
  28. Eisen, es wird oxidiert
  29. 2,00 V
  30. Die Reaktionspartner werden von außen laufend zugeführt
  31. Blei, es wird oxidiert
  32. 0 V, per Definition
  33. 0,31 V
  34. Sekundärelement
  35. Ja, es läuft eine Korrosion ab
  36. Ja, es ist unedler und wird statt des Eisens oxidiert
  37. Chlor
  38. −0,79 V