Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie LK · Haupttermin 2023

Aufgabenstellung: Anlaufen und Reinigen von Silber

Fachspezifische Vorgaben

Silber besitzt viele Eigenschaften, die es für Gebrauchsgegenstände nützlich machen. Es hat unter allen Metallen den höchsten Glanz und wirkt bakterientötend. Somit sind Silbergegenstände nicht nur optisch schön, sondern auch hygienisch. Daher findet Silber auch Verwendung bei der Herstellung von Besteck.

Silberbesteck besteht meistens nicht aus reinem Silber, da Silber nicht hart genug ist und das Besteck sich leicht verformen würde. Bei Silberbesteck aus „Hartsilber“ wird ein aus einem Stahlkern bestehendes Besteck galvanisch mit einer dünnen Silberschicht überzogen.

Experimente zum Versilbern einer Gabel

Eine elektrochemische Silberabscheidung ist häufig schwierig, da sich Silber oftmals nicht als gleichmäßige Schicht, sondern in Form von unregelmäßigen Verästelungen abscheidet.

a) In einem Laborexperiment konnte das Versilbern einer Gabel aus Eisen nachvollzogen werden. Hierzu legte man eine Eisengabel in eine Silbernitrat-Lösung. Innerhalb weniger Minuten bildeten sich kleine schwarze Verästelungen an der Eisengabel.

b) In einem weiteren Experiment verwendete man ein Becherglas, welches mit einer alkalischen Silbernitrat-Lösung der Konzentration $c = 1\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ und $\mathrm{pH} = 14$ gefüllt wurde. Die Gabel und ein Silberblech wurden in die Lösung gebracht und mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden. Im Anschluss wurde mit einer Stromstärke von $5\ \mathrm{Ampere}$ für $10\ \mathrm{Minuten}$ galvanisiert.

c) In Experiment b) wurde das Silberblech durch eine Graphitelektrode ausgetauscht. Die Gabel überzog sich mit einer Silberschicht. Im Gegensatz zur Verwendung einer Anode aus Silber beobachtete man hier eine Gasentwicklung an der Graphitelektrode.

Anlaufen von Silber

Obwohl es sich bei Silber um ein Edelmetall handelt, läuft es mit der Zeit an. In einem Buch zu Korrosion und Korrosionsschutz kann man folgende Zitate finden:

„In trockenen und feuchten Atmosphären ist Silber immun gegen korrosiven Angriff. Eine Oxidation zu $\mathrm{Ag_2O}$ unterhalb $180\ \mathrm{^{\circ}C}$ ist zwar nachzuweisen, eine sichtbare Oxidschicht tritt nicht auf.“

„Die Ursache für dieses Anlaufen sind dünne Schichten aus dem schwarzen $\mathrm{Ag_2S}$, die sich an der Oberfläche bilden, selbst wenn nur Spuren von $\mathrm{H_2S}$ in der Atmosphäre zugegen sind. Über den Reaktionsmechanismus ist man sich nicht im Klaren, und auch die stöchiometrischen Verhältnisse sind nicht geklärt. Im Einzelnen ist die Frage offen, ob der Anlaufvorgang [...] unter der Beteiligung von Luftsauerstoff abläuft.“

Die hier zu vermutenden Teilreaktionen mit den entsprechenden Standardpotentialen $E^\circ$ lauten:

$2\ \mathrm{Ag} + \mathrm{H_2S} \rightleftharpoons \mathrm{Ag_2S} + 2\ \mathrm{H^+} + 2\ \mathrm{e^-}$

$-0{,}036\ \mathrm{V}$

$4\ \mathrm{OH^-} \rightleftharpoons \mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$

$0{,}4\ \mathrm{V}$

$\mathrm{Ag} \rightleftharpoons \mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$

$0{,}8\ \mathrm{V}$

Behandlung von angelaufenem Silber im Labor

Auch Silberbleche im Labor laufen mit der Zeit an. Hält man ein angelaufenes Reinsilberblech in die nichtleuchtende Brennerflamme, so wird dieses wieder blank.

Reinigen von angelaufenem Silberbesteck im Haushalt

In Haushaltsratgebern werden unterschiedliche Maßnahmen zum Reinigen des angelaufenen Silberbestecks vorgeschlagen:

Zahnpasta-Methode: Mit einer weichen Bürste wird das Besteck vorsichtig mit Zahnpasta eingerieben. Die Silbersulfid-Schicht wird hierbei mechanisch abgetragen. Anschließend wird die Paste mit Wasser abgewaschen.

Aluminium-Salz-Methode: In einer Schüssel werden mehrere Teelöffel Kochsalz mit warmem Wasser vermischt, bis sich das Salz gelöst hat. Dann gibt man ein wenig Essig hinzu. Das Silberbesteck wird locker in Aluminiumfolie eingewickelt, sodass es Kontakt mit der Folie hat und für $10\ \mathrm{Minuten}$ in dieser Lösung belassen. Bei diesem Verfahren werden die Silber-Ionen wieder in Silber-Atome umgewandelt. Die freiwerdenden Sulfid-Ionen reagieren in der essigsauren Lösung zunächst zu Hydrogensulfid-Ionen ($\mathrm{HS^-}$) und weiter zu Schwefelwasserstoff-Molekülen ($\mathrm{H_2S}$).

Nach dem Auspacken des Silberbestecks aus der Aluminiumfolie ist das Besteck wieder blank. Die Aluminiumfolie weist eine raue Oberfläche und kleine Löcher auf. Der Geruch von Schwefelwasserstoff ist wahrzunehmen.

Zusatzinformationen

Faraday-Konstante:

$F = 96485\ \mathrm{A\cdot s\cdot mol^{-1}}$

Faraday-Gesetz:

$I\cdot t = n\cdot z\cdot F$

Molare Masse Silber:

$M(\mathrm{Ag}) = 107{,}9\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$

Sonderform der Nernst-Gleichung für Sauerstoff-Halbzellen:

$E(\mathrm{OH^-/O_2, H_2O}) = E^\circ(\mathrm{OH^-/O_2, H_2O}) + \frac{0{,}059\ \mathrm{V}}{4}\cdot \lg\left(\frac{1}{c^4(\mathrm{OH^-})}\right)$

reduzierte Form

$\rightleftharpoons$

oxidierte Form $+ z\cdot \mathrm{e^-}$

Standardpotential $E^\circ$ in $\mathrm{V}$

$\mathrm{Al}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Al^{3+}} + 3\ \mathrm{e^-}$

$-1{,}66$

$\mathrm{Fe}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Fe^{2+}} + 2\ \mathrm{e^-}$

$-0{,}41$

$4\ \mathrm{OH^-}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$

$+0{,}40\ (\mathrm{pH}=14)$

$\mathrm{Ag}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$

$+0{,}80$

1.

Erläutern Sie die Beobachtungen aus Experiment a), bei dem keine Spannung angelegt wurde, anhand passender Reaktionsgleichungen. Berechnen Sie die Masse des Silbers, die in Experiment b) abgeschieden wird. Erläutern Sie, welchen Vorteil Silber als Anodenmaterial (Experiment b)) im Vergleich zu Graphit (Experiment c)) bietet, und beziehen Sie dabei die Reaktionsgleichungen beider Elektrodenvorgänge ein. [18 Punkte]

2.

Berechnen Sie die minimale Spannung, die erforderlich ist, um einen Gegenstand wie in Experiment c) zu versilbern. Erläutern Sie anhand der NERNST-Gleichung, wie sich die Hydroxid-Ionen-Konzentration auf die erforderliche Spannung auswirkt. Beurteilen Sie, ob das galvanische Versilbern von Gegenständen zweckmäßiger ist, als sie nur in eine Silbersalz-Lösung einzutauchen. [16 Punkte]

3.

Erklären Sie die Beobachtungen, die bei der Laborbehandlung von angelaufenem Silber gemacht werden. Beurteilen Sie die Aussagen der Zitate zum Anlaufen von Silber, wobei Sie davon ausgehen, dass die angegebenen Reaktionen diesen Vorgang bewirken. [14 Punkte]

4.

Erläutern Sie die elektrochemischen Vorgänge bei der Silberreinigung nach der Aluminium-Salz-Methode und geben Sie dazu Reaktionsgleichungen an. Beurteilen Sie die beiden Reinigungsverfahren, indem Sie deren Vor- und Nachteile einander gegenüberstellen. [18 Punkte]