Aufgabe 1: Das GROVE-Element · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin 2021

1. Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu. Geben Sie außerdem die beim Betrieb auf Teilchenebene ablaufenden Vorgänge an.

Lösung: Aufbau und Polung: - Der Aufbau des GROVE-Elements entspricht dem eines klassischen galvanischen Elements. Die zwei Halbzellen sind durch einen porösen Tonzylinder voneinander getrennt. - Die Zink-Halbzelle wird aus einer Zinkelektrode, die in Schwefelsäure als Elektrolyten taucht, gebildet. Die Zinkelektrode stellt den Minuspol der Batterie dar. - Die zweite Halbzelle besteht aus einer Platinelektrode, die in Salpetersäure als Elektrolyten eintaucht. Die Platinelektrode stellt den Pluspol der Batterie dar. Prozesse auf Teilchenebene: - Zink-Atome werden zu Zink-Ionen oxidiert und lösen sich im Elektrolyten. - Elektronen wandern von der Zinkelektrode über den äußeren Draht zur Platinelektrode. - Nitrat-Ionen und Oxonium-Ionen aus dem Elektrolyten werden an der Platinelektrode zu Stickstoffdioxid und Wasser reduziert. - Zum Ladungsausgleich wandern Ionen durch die Tonmembran.

1. Berechnen Sie die theoretische Spannung eines GROVE-Elements unter Annahme von Standardbedingungen.

Lösung: $1{,}56$ V / $1560$ mV

1. Berechnen Sie die im Versuch geflossene Ladungsmenge Q.

Lösung: $55960$ A·s / $55960$ C / $55{,}96$ kA·s

2. Erläutern Sie anhand des GROVE-Elements das Donator-Akzeptor-Prinzip.

Lösung: - Chemische Reaktionen, bei denen ein Teilchen von einem Reaktionspartner (Donator) auf einen anderen Reaktionspartner (Akzeptor) übertragen werden, unterliegen dem Donator-Akzeptor-Prinzip. - Beim Beispiel des GROVE-Elements werden bei der ablaufenden Redoxreaktion Elektronen übertragen. - Zink fungiert als Elektronendonator (Oxidation / Elektronenabgabe: $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$). - Die Nitrat-Ionen im sauren Milieu fungieren als Elektronenakzeptor (Reduktion / Elektronenaufnahme: $\mathrm{NO_3^- + 2\,H_3O^+ + e^- \rightarrow NO_2 + 3\,H_2O}$).

2. Oxidations-Teilreaktion:

Lösung: Zn -> Zn^2+ + 2 e^-

2. Reduktions-Teilreaktion:

Lösung: NO_3^- + 2 H_3O^+ + e^- -> NO_2 + 3 H_2O

2. Gesamte Redoxreaktion:

Lösung: Zn + 2 NO_3^- + 4 H_3O^+ -> Zn^2+ + 2 NO_2 + 6 H_2O

2. Begründen Sie, weshalb sich ein Kupferblech in Salpetersäure zersetzt.

Lösung: - Kupfer hat ein niedrigeres Standardpotential ($E^0(\mathrm{Cu/Cu^{2+}}) = +0{,}34\text{ V}$) als das Redoxpaar Stickstoffdioxid/Nitrat-Ionen in saurer Lösung ($E^0 = +0{,}80\text{ V}$). - Da $E^0(\mathrm{Cu/Cu^{2+}}) < E^0(\mathrm{NO_2, H_2O / NO_3^-, H_3O^+})$, wird Kupfer von Salpetersäure freiwillig oxidiert ($\Delta E^0 = +0{,}80\text{ V} - 0{,}34\text{ V} = +0{,}46\text{ V} > 0$) und das Kupferblech zersetzt sich. - Bei der Reaktion entstehen Kupfer-Ionen ($\mathrm{Cu^{2+}}$) und giftiges Stickstoffdioxid ($\mathrm{NO_2}$).

3. Prüfen Sie, ob das vorgeschlagene Modellexperiment als galvanisches Element funktioniert.

Lösung: - Die Zinkhalbzelle fungiert aufgrund des niedrigen Redoxpotentials ($E^0 = -0{,}76\text{ V}$) als Donatorhalbzelle (Anode). - In der Akzeptorhalbzelle liegen Peroxodisulfat-Ionen in saurer Lösung vor. Wie das Redoxpotential $E^0(\mathrm{SO_4^{2-}/S_2O_8^{2-}}) = +2{,}01\text{ V}$ zeigt, sind Peroxodisulfat-Ionen ein sehr starkes Oxidationsmittel und können durch Reduktion an der inerten Kohleelektrode zu Sulfat-Ionen umgesetzt werden. - Die kationendurchlässige Membran (KAM) lässt einen Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen zu (z. B. durch Wanderung von $\mathrm{Zn^{2+}}$- oder $\mathrm{H_3O^+}$-Ionen). - Der Versuchsaufbau stellt somit ein vollständig funktionsfähiges galvanisches Element dar.

3. Stellen Sie in einer einfachen Skizze die elektrochemischen Vorgänge und die Bewegungen der Ionen dar, die im Modellexperiment bei Stromfluss auftreten (vgl. Abbildung 2).

Lösung: Die Skizze muss folgende Aspekte enthalten: - Zink-Elektrode (Minuspol/Anode): Zink-Atome werden zu Zink-Ionen oxidiert ($\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$) und gehen in Lösung. - Elektronenfluss: Elektronen wandern von der Zinkelektrode über den äußeren Leiterdraht durch den Verbraucher/Messgerät zur Kohleelektrode. - Kohle-Elektrode (Pluspol/Kathode): Peroxodisulfat-Ionen aus dem Elektrolyten nehmen an der Elektrodenoberfläche Elektronen auf und werden zu Sulfat-Ionen reduziert ($\mathrm{S_2O_8^{2-} + 2\,e^- \rightarrow 2\,SO_4^{2-}}$). - Kationendurchlässige Membran (KAM): Zum Ladungsausgleich wandern positiv geladene Kationen (insbesondere $\mathrm{Zn^{2+}}$ und $\mathrm{H_3O^+}$) von der Zink-Halbzelle durch die KAM in die Peroxodisulfat-Halbzelle.

3. Beurteilen Sie die moderne Abwandlung des GROVE-Elements auf Grundlage der verwendeten Stoffe und Materialien, auch im Hinblick auf Umweltverträglichkeit und Störanfälligkeit.

Lösung: Beurteilung relevanter Aspekte (mindestens 3 Aspekte): 1. Materialkosten: In der modernen Abwandlung wird das sehr teure Edelmetall Platin durch eine kostengünstige, leicht verfügbare Kohleelektrode ersetzt. 2. Umwelt- und Gefahrenpotenzial: Die Bildung von giftigem, ätzendem Stickstoffdioxid-Gas ($\mathrm{NO_2}$) wird vollständig vermieden. Kaliumperoxodisulfat ist als Feststoff leichter und sicherer zu handhaben als konzentrierte, stark ätzende Salpetersäure. 3. Störanfälligkeit: Die kationenselektive Membran (KAM) verhindert das Wandern von oxidierend wirkenden Anionen (wie $\mathrm{S_2O_8^{2-}}$) in die Zink-Halbzelle. Im historischen GROVE-Element konnte Salpetersäure durch den porösen Tonzylinder diffundieren und das Zinkblech direkt chemisch angreifen (Selbstentladung/Störanfälligkeit). 4. Zellspannung: Das Modellexperiment liefert eine deutlich höhere theoretische Spannung ($U^0 = 2{,}01\text{ V} - (-0{,}76\text{ V}) = 2{,}77\text{ V}$) als das historische GROVE-Element ($1{,}56\text{ V}$).