Konzentrationszelle

Demonstrationsversuch: Verhalten von Zink in der wäßrigen Lösung seines Salzes

Bei dem Ihnen demonstrierten Experiment werden folgende Chemikalien verwendet: Zink, Zinksulfat, Wasser

a)Beschreiben Sie den Versuch und Ihre Beobachtungen.

b)Beschreiben Sie detailliert die Vorgänge, die abalufen, wenn Zink in die wäßrige Lösung seines Salzes getaucht wird.

c)Erklären und begründen Sie die Versuchsbeobachtungen.

Lösung:

a)

Versuchsaufbau

Ein Zinkstab taucht in eine wäßrige Lösung von Zinksulfat, die durch Unterschichten im unteren Teil des Glases wesentlich konzentrierter ist als im oberen.

Das Unterschichten gelingt übrigens besser, wenn man in  der gesättigten Lösung von Zinksulfat noch zusätzlich Harnstoff auflöst, um die Dichte zu erhöhen. Diese Lösung gibt man vorsichtig mit einer Pipette in den unteren Teil eines kleinen Becherglases, das zur Hälfte mit destilliertem Wasser gefüllt ist.

 Diese Versuchsanordnung läßt man 24 h stehen.

Beobachtung:

Dort, wo der Zinkstab in die konzentriertere Lösung taucht, bilden sich Zinkkristalle. Evtl. sind im oberen Teil des Stabes Korrosionsspuren sichtbar.

b) Zink ist ein Metall. Die darin vorliegende metallische Bindung kommt durch die frei beweglichen Valenzelektronen zustande, die das sog. Elektronengas bilden, welches die positiven Atomrümpfe umgibt.

Beim Eintauchen eines Zinkstabes in eine Lösung mit Zn²⁺ - Ionen bildet sich nun ein Gleichgewicht zwischen folgenden Reaktionen aus:

Die Wassermoleküle hydratisieren die doppelt positiv geladenen Atomrümpfe am Rand  des Zinkmetalls. Dadurch beginnen sich diese tendenziell aus dem Atomverband zu lösen und in Lösung zu gehen. (Lösungsdruck, Lösungstension)

Umgekehrt werden die in Lösung befindlichen Zinkionen durch das Elektronengas des Metalls angezogen und haben die Tendenz, sich als Metallatome abzuscheiden. (Abscheidungsdruck, Abscheidungstension).

Zwischen diesen einander entgegengesetzt wirkenden Reaktionen stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein, sodaß man makroskopisch keine Reaktion sehen kann.

c) Im unteren Teil des Glases, in dem das Zink in die konzentriertere Lösung seines Salzes taucht, herrscht natürlich ein wesentlich größerer Abscheidungsdruck als im oberen. Umgekehrt verhält es sich mit dem Lösungsdruck.  Damit können sich Zinkionen im unteren Teil der Lösung am Zinkstab abscheiden und zu elementarem Zink werden:

Zn²⁺  +2e^- --> Zn

Die dafür erforderlichen Elektronen kommen durch folgenden Vorgang im oberen Teil des Reaktionsgefäßes, in dem die Konzentration an Zinkionen in der Lösung geringer ist. Damit überwiegt hier die Lösungstension des Metalles:

Zn  --> Zn²⁺  +2e^-

Dieser Vorgang kommt dann zum Stillstand, wenn die Konzentration der Zinkionen oben  und unten im Reaktionsgefäß gleich ist.