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Aufgabensammlung für das Fach Chemie in der Schule
Elektrochemie: Redoxreaktionen sorgen für Spannung
Bleiakku, Potentiometrie, Elektrolyse einer Salzsäure, Chlorid-Ionen Bestimmung
Aufgabe 1
Elektrolyse einer Salzsäure an Platinelektroden bei verschiedenen Konzentrationen
Man untersucht in zwei Versuchen die Elektrolyse einer Salzsäure. Dabei misst man die Stromstärke in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.
Im ersten Versuch elektrolysiert man 1 mol/l Salzsäure. Dabei stellt man fest, dass sich am +Pol Chlorgas entwickelt, am – Pol Wasserstoffgas.
Die Aufnahme des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ergibt folgende Werte:
c(HCl) = 1 mol/l
U (V) | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 |
I (mA) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,01 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,8 |
U (V) | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | |
I (mA) | 1,2 | 1,8 | 2,7 | 4 | 5,4 | 6,7 | 8,0 | 9,3 | |
Im zweiten Versuch elektrolysiert man 0,001 mol/l Salzsäure. Dabei stellt man fest, dass sich am +Pol ebenfalls ein Gas entwickelt. Dieses Gas ist aber nicht Chlor. Am – Pol entsteht Wasserstoffgas.
Die Aufnahme des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ergibt folgende Werte:
U (V | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 |
I (mA) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,01 | 0,03 | 0,1 | 0,15 |
U (V) | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,2 |
I (mA) | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 1,0 | 1,6 | 2,4 | 3,3 | 4,2 | 5,1 |
U (V) | 2,3 | 2,4 | 2,5 | | | | | | |
I (mA) | 6,1 | 7,0 | 8,0 | | | | | | |
- 2 -
a)Zeichnen Sie den Versuchsaufbau und stellen Sie die Messergebnisse graphisch dar.
b)Beschreiben Sie die Aussage der Graphik und ihre Versuchsbeobachtungen.
c) Diskutieren Sie das Ergebnis von Versuch 1 in Hinblick auf die Frage, welche der möglichen Elektrodenreaktionen ablaufen. Belegen Sie Ihre Überlegungen durch Berechnung der in Frage kommenden Elektrodenpotentiale.
d) Stellen Sie am Beispiel von Versuch 1 die Grundlagen der Elektrolyse dar. Begründen und erläutern Sie so für Versuch 1 den Verlauf der Strom-Spannungskurve.
e)Analysieren Sie insgesamt - auch in Zusammenhang mit Ihren vorhergehenden Darlegungen - das Ergebnis und die Beobachtungen zu Versuch 2 und erklären Sie das Versuchsergebnis.
Aufgabe 2
Potentiometrie
Ein galvanisches Element besteht aus einer Standardsilberhalbzelle und einer Sauerstoffhalbzelle. Man misst eine Spannung von 0,3 V, wobei die Silberhalbzelle den positiven Pol bildet.
a) Begründen Sie aus den Messergebnissen, welche Reaktionen an den Elektroden ablaufen
a) Berechnen Sie den pH-Wert in der Sauerstoffhalbzelle.
Aufgabe 3
Elektrochemische Bestimmung der Konzentration von Chlorid-Ionen in einer Lösung.
15 ml einer Natriumchloridlösung mit unbekannter Konzentration wird mit 0,2 mol/l Silbernitratlösung titriert. Man misst die Spannung in Abhängigkeit von der zugegebenen Menge Silbernitratlösung. Als Vergleichshalbzelle dient eine Silberhalbzelle, deren Potential 0,741 V beträgt.
a) Berechnen Sie die Konzentration der Silberionen in der Vergleichshalbzelle.
b) Zeichnen Sie den Versuchsaufbau.
c) Leiten Sie aus dem Massenwirkungsgesetz für das Lösungsgleichgewicht von AgCl das Löslichkeitsprodukt ab und erläutern Sie seine Aussage.
d) Berechnen Sie die molare Löslichkeit von AgCl in seiner wässrigen Lösung und in einer 0,3 mol/l NaCl-Lösung.
e) Beschreiben Sie den Graphen und begründen Sie seinen charakteristischen Verlauf, indem Sie die Vorgänge erläutern, die ablaufen, wenn man die Silbernitratlösung zu der Natriumchloridlösung zutitriert.
f) Bestimmen Sie die Konzentration der Chloridionen in der vorgelegten Lösung.
Aufgabe 4
Bleiakkumulator
Ein Bleiakkumulator besteht aus zwei Elektroden, von denen der + Pol aus schwammigem PbO2 und der – Pol aus schwammigem Blei besteht. Diese tauchen in eine H2SO4 als Elektrolyten, die gesättigt ist an PbSO4. Die Konzentration sowohl von H3O+ wie auch die von SO42- in der Lösung wird dabei hier aus Gründen der Vereinfachung als 1 mol/l betrachtet.
a) Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen, die beim Entladen des Akkumulators ablaufen.
b) Berechnen Sie die Spannung des Bleiakkumulators unter den gegebenen Bedingungen. Erläutern Sie kurz die einzelnen Rechenschritte.
Löslichkeitsprodukte:
Stoff | Formel | KL |
Silberchlorid | AgCl | 10-10 |
Bleisulfat | PbSO4 | 10-8 |
- 4 -
Normalpotentiale
reduzierte Form oxidierte Form
Li Li+ +e- -3,03
Ca Ca2+ + 2e- -2,76
Na Na+ + e- -2,71
Al Al3+ +3e- -1,69
Zn Zn2+ + 2 e- -0.76
Fe Fe2+ + 2 e- -0,44
Pb Pb2+ + 2 e- -0,13
H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e- 0,00
Cu Cu2+ + 2e- +0,35
4 OH- O2 + 2 H2O + 4 e- +0,40
Fe2+ Fe3+ + e- +0,75
Ag Ag+ + e- +0,81
2 Cl - Cl2 + 2e- +1,36
Au Au3+ + 3e- +1,38
12 H2O + Mn2+ MnO4- + 8H3O+ + 5e- +1,50
Pb2+ + 6H2O PbO2 +4H3O+ + 2e- +1,46
2 SO42- S2O82- + 2e- +2,05
2 F- F2 + 2e- +2,85
ungefähre Überspannungen an Platinelektroden (in V)
Wasserstoff - 0,03
Sauerstoff +0,4
Chlor +0,008
Aufgabe 1
Elektrolyse einer Salzsäure an Platinelektroden bei verschiedenen Konzentrationen
Man untersucht in zwei Versuchen die Elektrolyse einer Salzsäure. Dabei misst man die Stromstärke in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.
Im ersten Versuch elektrolysiert man 1 mol/l Salzsäure. Dabei stellt man fest, dass sich am +Pol Chlorgas entwickelt, am – Pol Wasserstoffgas.
Die Aufnahme des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ergibt folgende Werte:
c(HCl) = 1 mol/l
U (V) | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 |
I (mA) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,01 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,8 |
U (V) | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | |
I (mA) | 1,2 | 1,8 | 2,7 | 4 | 5,4 | 6,7 | 8,0 | 9,3 | |
Im zweiten Versuch elektrolysiert man 0,001 mol/l Salzsäure. Dabei stellt man fest, dass sich am +Pol ebenfalls ein Gas entwickelt. Dieses Gas ist aber nicht Chlor. Am – Pol entsteht Wasserstoffgas.
Die Aufnahme des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ergibt folgende Werte:
c(HCl) = 0,001 mol/l
U (V | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 |
I (mA) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,01 | 0,03 | 0,1 | 0,15 |
U (V) | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,2 |
I (mA) | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 1,0 | 1,6 | 2,4 | 3,3 | 4,2 | 5,1 |
U (V) | 2,3 | 2,4 | 2,5 | | | | | | |
I (mA) | 6,1 | 7,0 | 8,0 |
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- 2 -
a)Zeichnen Sie den Versuchsaufbau und stellen Sie die Messergebnisse graphisch dar.
b)Beschreiben Sie die Aussage der Graphik und ihre Versuchsbeobachtungen.
c) Diskutieren Sie das Ergebnis von Versuch 1 in Hinblick auf die Frage, welche der möglichen Elektrodenreaktionen ablaufen. Belegen Sie Ihre Überlegungen durch Berechnung der in Frage kommenden Elektrodenpotentiale.
d) Stellen Sie am Beispiel von Versuch 1 die Grundlagen der Elektrolyse dar. Begründen und erläutern Sie so für Versuch 1 den Verlauf der Strom-Spannungskurve.
e)Analysieren Sie insgesamt - auch in Zusammenhang mit Ihren vorhergehenden Darlegungen - das Ergebnis und die Beobachtungen zu Versuch 2 und erklären Sie das Versuchsergebnis.
Aufgabe 2
Potentiometrie
Ein galvanisches Element besteht aus einer Standardsilberhalbzelle und einer Sauerstoffhalbzelle. Man misst eine Spannung von 0,3 V, wobei die Silberhalbzelle den positiven Pol bildet.
a) Begründen Sie aus den Messergebnissen, welche Reaktionen an den Elektroden ablaufen
b) Berechnen Sie den pH-Wert in der Sauerstoffhalbzelle.
Aufgabe 3
Bleiakkumulator
Ein Bleiakkumulator besteht aus zwei Elektroden, von denen der + Pol aus schwammigem PbO2 und der – Pol aus schwammigem Blei besteht. Diese tauchen in eine H2SO4 als Elektrolyten, die gesättigt ist an PbSO4. Die Konzentration sowohl von H3O+ wie auch die von SO42- in der Lösung wird dabei hier aus Gründen der Vereinfachung als 1 mol/l betrachtet.
a) Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen, die beim Entladen des Akkumulators ablaufen.
b) Berechnen Sie die Spannung des Bleiakkumulators unter den gegebenen Bedingungen. Erläutern Sie kurz die einzelnen Rechenschritte.
c) Begründen Sie, weshalb die Spannung des Bleiakkumulators während des Entladevorganges ziemlich konstant ist.
d) Erläutern Sie, wie man messen kann, ob der Bleiakkumulator voll geladen ist.
Löslichkeitsprodukte:
Stoff | Formel | KL |
Silberchlorid | AgCl | 10-10 |
Bleisulfat | PbSO4 | 10-8 |
Normalpotentiale
reduzierte Form oxidierte Form
Li Li+ +e- -3,03
Ca Ca2+ + 2e- -2,76
Na Na+ + e- -2,71
Al Al3+ +3e- -1,69
Zn Zn2+ + 2 e- -0.76
Fe Fe2+ + 2 e- -0,44
Pb Pb2+ + 2 e- -0,13
H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e- 0,00
Cu Cu2+ + 2e- +0,35
4 OH- O2 + 2 H2O + 4 e- +0,40
Fe2+ Fe3+ + e- +0,75
Ag Ag+ + e- +0,81
2 Cl - Cl2 + 2e- +1,36
Au Au3+ + 3e- +1,38
12 H2O + Mn2+ MnO4- + 8H3O+ + 5e- +1,50
Pb2+ + 6H2O PbO2 +4H3O+ + 2e- +1,46
2 SO42- S2O82- + 2e- +2,05
2 F- F2 + 2e- +2,85
ungefähre Überspannungen an Platinelektroden (in V)
Wasserstoff - 0,03
Sauerstoff +0,4
Chlor +0,008
12 Chemie LK
Elektrochemie
2. Klausur
Name:.................................
Elektrolyse einer Natronlauge und einer Schwefelsäure an Platinelektroden
Eine 0,5 mol/l NaOH und eine 0,3 mol/l Schwefelsäuren H2SO4 werden jeweils an Pt-Elektroden elektrolysiert. Man mißt die Änderung des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Man nimmt folgende Meßwerte auf:
Elektrolyse einer 0,3 mol/l Schwefelsäuren H2SO4
U(V) | 0 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,2 |
I(mA) | 0 | 0 | 0,1 | 0,1 | 0,15 | 0,5 | 1,0 | 1,6 | 3,2 | 4,9 | 6,6 | 8,4 |
Elektrolyse einer 0,5 mol/l NaOH
U(V) | 0 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 |
I(mA) | 0 | 0 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,15 | 0,15 | 0,3 | 0,5 | 1,0 | 1,6 | 2,3 |
U(V) | 1,7 | 1,9 | 2,1 | 2,3 | | | | | | | | |
I(mA) | 5,0 | 5,8 | 7,5 | 9,2 | | | | | | | | |
a) Fertigen Sie eine Skizze des Versuchaufbaus an.
b) Diskutieren und begründen Sie, welche Reaktionen an den Elektroden stattfinden.
c) Zeichnen Sie eine Strom-Spannungskurve für beide Elektrolysen und beschreiben Sie den Verlauf der Graphen.
d) Erläutern und begründen Sie den Kurvenverlauf.
e) Vergleichen Sie die Kurven für beide Elektrolyse und interpretieren Sie das Ergebnis ihres Vergleiches.
Aufgabe 2
Faraday’sche Gesetze
a) 200 ml einer Lösung mit 0,1 mol /l H3O+ Ionen wird 10 min mit 0,2 A elektrolysiert. Wie ändert sich der pH-Wert?
b) Eine 1 mol/l CuCl2 Lösung wird 30 min bei einem Strom von 15 A elektrolysiert.
Wieviel g Kupfer und wieviel g Chlor werden abgeschieden? (Cu 63,5 u, Cl 35,5 u)
Aufgabe 3
Galvanische Elemente
Ein galvanisches Element ist aufgebaut aus einer Silber- und einer Sauerstoffhalbzelle.
a)Zeichnen Sie das beschriebene galvanische Element und beschriften Sie die Zeichnung. (Standardbedingungen. )
b) Erläutern und begründen Sie die potentialbildenden Vorgänge unter Standardbedingungen.
c) Erläutern und begründen Sie, welche Reaktionen unter Standardbedingungen an den beiden Elektroden ablaufen, wenn diese durch einen Draht verbunden sind.
d) Berechnen Sie, welche Spannung das galvanische Element zeigt, wenn folgende Bedingungen gegeben sind: c(Ag+) = 0,1 mol/l
pH der Sauerstoffhalbzelle: 2
Aufgabe 4
Potentiometrie
Zur Bestimmung der Konzentration der C2O42- - Ionen (Oxalat-) einer Lösung baut man folgende Apparatur auf:
Lösung A besteht aus einer Silberhalbzelle mit einer Ag+ - Ionen –Konzentration von 0,4 mol/l.
Lösung B besteht aus 20 ml einer Lösung mit C2O42-, die hier bestimmt werden soll. In diese Lösung taucht eine Kupferelektrode. Beide Lösungen sind durch einen Stromschlüssel miteinander verbunden. Man mißt die Spannung zwischen beiden Elektroden.
Zu Lösung B wird jetzt schrittweise 0,1 mol/l Cu2+ - Lösung gegeben. Schwerlösliches Kupferoxalat fällt aus. Man mißt die Spannung und trägt sie gegen das Volumen der zugegebenen Kupfersulfatlösung auf.
Die Silberelektrode bildet den Pluspol.
Folgendes Diagramm wird aufgenommen:
a) Zeichnen Sie den Versuchsaufbau.
b) Beschreiben Sie die Aussage des Diagramms.
c) Erläutern Sie an dem hier vorgestellten Verfahren die Prinzipien der Potentiometrie und ihre besonderen Vorteile. Erläutern Sie auch die potentialbildenden Vorgänge an den Elektroden.
d) Begründen Sie den Verlauf des Graphen auch unter Bezugnahme Ihrer Erläuterungen in b) und c).
e) Bestimmen Sie die Konzentration der Bleiionen der Lösung.
f) Berechnen Sie das Löslichkeitsprodukt von Bleisulfat. Begründen Sie die einzelnen Rechenschritte.
5. Der Bleiakkumulator
Im ungeladenen Zustand bestehen die Elektroden des Bleiakkumulators aus Bleiplatten, die mit Bleisulfat PbSO4 beschichtet sind.
a) Zeichnen Sie den Aufbau eines Bleiakkumulators und beschriften Sie die Zeichnung.
b) Begründen Sie, welcher Elektrolyten eingesetzt wird und formulieren Sie die Reaktionen, die beim Laden des Akkumulators ablaufen..
c) Berechnen Sie die Spannung, die zum Laden des Bleiakkumulators mindestens erforderlich ist, wenn folgende Bedingungen gegeben sind: c(H3O+) = 0,25 mol/l und c (SO42-) = 0,5 mol/l.
d) Diskutieren Sie alle Elektrodenvorgänge, die beim Laden möglich sind. Begründen Sie, welche dann wirklich ablaufen.
e) Wie kann man feststellen, wann der Akkumulator voll geladen ist? Begründen Sie.
Matthias Rinschen (C) 2006 - 2024, Mail: deinchemielehrer [at] gmx [dot] de, Impressum und Datenschutzerklärung