Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

1. Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu.

Lösung: Der Aufbau entspricht einer galvanischen Zelle aus zwei Halbzellen, die durch einen porösen Tonzylinder voneinander getrennt sind. Die Zink-Halbzelle besteht aus einer Zinkelektrode in verdünnter Schwefelsäure und bildet den Minuspol (Anode). Die zweite Halbzelle besteht aus einer Platinelektrode in Salpetersäure und bildet den Pluspol (Kathode).

1. Geben Sie die Vorgänge, die während des Betriebs ablaufen, auf Teilchenebene an.

Lösung: Zink-Atome werden zu Zink-Ionen oxidiert und gehen in Lösung. Die abgegebenen Elektronen fließen über den äußeren Leiterdraht zur Platinelektrode. An der Platinelektrode reduzieren Nitrat-Ionen und Oxonium-Ionen unter Elektronenaufnahme zu Stickstoffdioxid und Wasser. Zum Ladungsausgleich wandern Ionen durch den porösen Tonzylinder.

1. Berechnen Sie die theoretische Spannung eines GROVE-Elements bei Standardbedingungen.

Lösung: $1{,}56$ V

1. Berechnen Sie die im Versuch geflossene Ladungsmenge Q.

Lösung: $55960$ C / $55960$ A·s / $55959$ C

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

Lösung: Chemische Reaktionen, bei denen Teilchen (hier Elektronen) von einem Donator auf einen Akzeptor übertragen werden, unterliegen dem Donator-Akzeptor-Prinzip. Zink fungiert als Elektronendonator (Oxidation / Elektronenabgabe), während Nitrat-Ionen in saurer Lösung als Elektronenakzeptor fungieren (Reduktion / Elektronenaufnahme).

2. Geben Sie dazu die Teilreaktion der Oxidation an.

Lösung: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-$

2. Geben Sie dazu die Teilreaktion der Reduktion an.

Lösung: $NO_3^- + 2\,H_3O^+ + e^- \rightarrow NO_2 + 3\,H_2O$

2. Geben Sie dazu die im GROVE-Element ablaufende Redoxreaktion an.

Lösung: $Zn + 2\,NO_3^- + 4\,H_3O^+ \rightarrow Zn^{2+} + 2\,NO_2 + 6\,H_2O$

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

Lösung: Kupfer hat ein niedrigeres Standard-Redoxpotential ($E^0(Cu/Cu^{2+}) = +0{,}34\text{ V}$) als das Redoxpaar Nitrat/Stickstoffdioxid ($E^0 = +0{,}80\text{ V}$). Daher ist Salpetersäure in der Lage, elementares Kupfer zu oxidieren, wodurch sich das Blech unter Bildung von Kupfer-Ionen und Stickstoffdioxid auflöst.

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

Lösung: Das Modellexperiment ist voll funktionsfähig als galvanisches Element: Die Zinkhalbzelle fungiert aufgrund ihres niedrigen Potentials als Donatorhalbzelle. In der Akzeptorhalbzelle dient Peroxodisulfat mit $E^0 = +2{,}01\text{ V}$ als starkes Oxidationsmittel, das an der inerten Kohleelektrode zu Sulfat reduziert werden kann. Die kationendurchlässige Membran gewährleistet den nötigen Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen.

3. Stellen Sie in einer einfachen Skizze die elektrochemischen Vorgänge und die Ionenwanderung bei Stromfluss im Modellexperiment dar (vgl. Abbildung 2).

Lösung: Skizze des Modellexperiments mit folgenden Beschriftungen und Pfeilen: 1. An der Zinkelektrode: Oxidation von Zinkatomen zu $Zn^{2+}$-Ionen ($Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-$). 2. Äußerer Stromkreis: Elektronenfluss von der Zinkelektrode zur Kohleelektrode ($e^-$ von rechts nach links). 3. An der Kohleelektrode: Reduktion von Peroxodisulfat-Ionen zu Sulfat-Ionen ($S_2O_8^{2-} + 2\,e^- \rightarrow 2\,SO_4^{2-}$). 4. Membran (KAM): Wanderung positiv geladener Ionen ($Zn^{2+}$, $H_3O^+$, $K^+$) durch die kationendurchlässige Membran zum Ladungsausgleich von der Zink- zur Akzeptorhalbzelle.

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

Lösung: Vorteile der modernen Abwandlung: 1. Materialkosten: Ersatz der teuren Platinelektrode durch eine kostengünstige Kohleelektrode. 2. Umwelt- und Arbeitssicherheit: Kaliumperoxodisulfat besitzt ein deutlich geringeres Gefahrenpotential als konzentrierte Salpetersäure; vor allem wird die Freisetzung von giftigem, ätzendem Stickstoffdioxidgas vermieden. 3. Störanfälligkeit: Die kationenselektive Membran verhindert, dass oxidierende Ionen zur Zinkelektrode diffundieren und dort eine direkte chemische Zersetzung hervorrufen. 4. Zellspannung: Das Redoxpotential von Peroxodisulfat ($+2{,}01\text{ V}$) führt zu einer wesentlich höheren theoretischen Spannung ($U = 2{,}77\text{ V}$ gegenüber $1{,}56\text{ V}$).